印永進(jìn)
摘要:臨大高速公路居集隧道穿越復(fù)雜多變的強(qiáng)風(fēng)化、薄層狀頁(yè)巖地層,圍巖本身軟弱且破碎,洞身開挖后出現(xiàn)嚴(yán)重的大變形情況,圍巖整體穩(wěn)定性差,受埋深大、松動(dòng)圈范圍大、地層內(nèi)部積聚應(yīng)變能強(qiáng)等影響,初期支護(hù)變形潛勢(shì)大。為保證施工安全,通過提高支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能與剛度、合理預(yù)留變形量,超前預(yù)支護(hù)與多層支護(hù),短臺(tái)階機(jī)械快速開挖法與控制爆破、控制循環(huán)進(jìn)尺等措施,控制不良地質(zhì)軟巖變形。采用超前支護(hù),使軟巖地段圍巖變形得到了控制,增大了施工安全系數(shù),工程質(zhì)量得到有效保障,為同類隧道提供了技術(shù)支持和借鑒作用。
關(guān)鍵詞:復(fù)雜多變;軟弱;穩(wěn)定性差;初期支護(hù);圍巖變形
0? ?引言
隨著我國(guó)鐵路、公路事業(yè)跨越式發(fā)展步伐不斷加快,長(zhǎng)大隧道不斷涌現(xiàn),隧道整體埋深也越來(lái)越深,相應(yīng)的地質(zhì)問題也越來(lái)越多。其中條件錯(cuò)綜復(fù)雜,軟巖大變形問題尤為突出,給隧道施工帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
利用大變形控制技術(shù)可降低施工難度,提高施工安全性、工作效率,使施工管理更加有序,降低了施工成本,很大程度上縮短了施工周期,減少占用社會(huì)資源,對(duì)同類型隧道施工有很好的參考借鑒作用,對(duì)隧道建設(shè)理念的發(fā)展有一定的借鑒意義。
1? ?工程概況
臨大高速公路居集隧道位于臨夏回族自治州積石山縣境內(nèi),線路為分離式隧道。左幅起訖里程為ZK20+650~
ZK23+346,全長(zhǎng)2696m,隧道軸線地面高程介于2142.65~
2347.13m,相對(duì)高差約204.48m,最大埋深約為175m。右幅起訖里程為YK20+665~YK23+350m,全長(zhǎng)2685m,右幅隧道軸線地面高程介于2140.65~2348.58m,相對(duì)高差約207.93m,最大埋深約為169m。
隧道地處隴西黃土高原和青藏高原的過渡地帶,洞身下穿多條橫向支溝,地形起伏大,隧址區(qū)域地質(zhì)作用劇烈,構(gòu)造發(fā)育,存在斷層、破碎帶及不整合接觸帶。經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),軟硬互層狀地層巖體極為破碎,發(fā)生軟巖大變形概率較高。
2? ?復(fù)雜多變軟巖大變形隧道施工工藝原理及特點(diǎn)
隧道施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到各種不良地質(zhì)環(huán)境,給施工帶來(lái)諸多困難,復(fù)雜多變軟巖大變形隧道軟硬互層狀地層巖體極為破碎,發(fā)生軟巖大變形概率較高,如果處理的不得當(dāng),極容易發(fā)生掌子面溜坍和初期支護(hù)變形失效等情況。這不僅會(huì)使施工安全、施工質(zhì)量隱患增多,成本費(fèi)用增加,還會(huì)使工程進(jìn)度得不到有效保障。
2.1? ?隧道軟巖大變形施工控制原理
臨大高速公路居集隧道軟巖大變形地段,巖性以千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖夾砂巖為主,圍巖極其破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,軟弱夾層較多,開挖后圍巖表面風(fēng)化,拱部巖體在自重力作用下易被拉斷塌落。
超前大管棚施作,對(duì)松散破碎圍巖形成第一層注漿固結(jié)圈,第二層注漿固結(jié)圈在管棚間。增設(shè)大外插角超前小導(dǎo)管,以使地層具有更強(qiáng)的自穩(wěn)能力。采用短臺(tái)階機(jī)械開挖法,將振動(dòng)影響控制在工作面周邊局部范圍,以免對(duì)后方已完成初支段造成過多損傷。合理劃分臺(tái)階數(shù)量,以利于施工工序轉(zhuǎn)換。
第二層初期支護(hù)施作時(shí),通過收集斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。考慮現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械操作空間要求,總結(jié)不同施工階段、不同工程措施與圍巖變形之間關(guān)系。為控制圍巖變形的時(shí)空效應(yīng),初次開挖后20天內(nèi)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)封閉成環(huán),跨度上距離掌子面小于25m,隧道軟巖大變形超前支護(hù)體系如圖1所示。
2.2? ?隧道軟巖大變形控制技術(shù)特點(diǎn)
超前大管棚聯(lián)合超前小導(dǎo)管支護(hù)體系,對(duì)前方圍巖預(yù)注漿形成固結(jié)圈。短臺(tái)階機(jī)械快速開挖法,簡(jiǎn)化了施工工序,減少擾動(dòng)次數(shù)和鋼架連接接頭薄弱部位,可最大限度發(fā)揮鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載力。
利用三維激光掃描儀,實(shí)時(shí)采集斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),適時(shí)施作第二層初期支護(hù),做到人為引導(dǎo)應(yīng)力釋放,并及時(shí)增強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)抵抗變形的強(qiáng)度和剛度,減弱變形潛勢(shì)。
初期支護(hù)封閉成環(huán)采用時(shí)間、跨度雙控機(jī)制,利于盡早形成受力最佳的近似圓形斷面。應(yīng)用機(jī)械化配套施工技術(shù),有助于提高工作效率,改善作業(yè)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)快速施工。該技術(shù)適用于大斷面深埋隧道軟質(zhì)巖大變形地段,或可能發(fā)生軟質(zhì)巖大變形預(yù)測(cè)地段。
3? ?復(fù)雜多變軟巖大變形隧道控制施工控制技術(shù)
在復(fù)雜多變軟巖地質(zhì)條件下,隧道大變形環(huán)境下施工安全風(fēng)險(xiǎn)大,同時(shí)工程進(jìn)度得不到有效保障。通過反復(fù)研究,認(rèn)為造成大變形原因是初期支護(hù)強(qiáng)度低、施工方法不當(dāng)以及支護(hù)二次襯砌不及時(shí)等。通過分析隧道大變形機(jī)理,并制定隧道大變形控制措施及方法,使軟巖地段圍巖變形得到有效控制,施工安全系數(shù)得到提高,工程質(zhì)量得到有效保障,降低項(xiàng)目成本,提高管理效率。
3.1? ?施工工藝流程
軟巖大變形隧道施工工藝流程如圖2所示。采用長(zhǎng)短結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)手段,對(duì)前方未揭示圍巖的變化趨勢(shì)做出準(zhǔn)確判識(shí)。每開挖掘進(jìn)一段距離,沿隧道開挖輪廓線縱向打設(shè)超前大管棚和超前小導(dǎo)管。利用挖掘機(jī)破碎錘,按斷面劃分自上而下分臺(tái)階破碎開挖。上臺(tái)階中部巖體面向臨空面方向預(yù)留一定坡度,下臺(tái)階左右錯(cuò)開并進(jìn)。
采用三維激光掃描儀,每間隔2m對(duì)第一層初期支護(hù)斷面進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)變形速率和累計(jì)變形量,確定第二層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)。鋼架安裝均采用拱架安裝機(jī),兩層鋼架單元接頭錯(cuò)開布置,拱架立完后,利用濕噴機(jī)械手進(jìn)行噴錨作業(yè)。
仰拱基礎(chǔ)按照設(shè)計(jì)標(biāo)高開挖到位,將底部雙層鋼架與下臺(tái)階鋼架有效連接。噴錨完成后進(jìn)行鋼棧橋架設(shè),以解決掌子面施工通道問題。仰拱襯砌模板采用預(yù)制輕便弧形鋼模板,兩側(cè)矮邊墻預(yù)留鋼筋采用定位卡具,嚴(yán)控縱向主筋間距和鋼筋層間間距,仰拱襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,再進(jìn)行仰拱填充混凝土澆筑。拱墻襯砌采用分倉(cāng)布料系統(tǒng),以確?;炷凉嘧①|(zhì)量。
3.2? ?超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
預(yù)測(cè)技術(shù)方法主要采用地質(zhì)調(diào)查法、物探法、超前鉆探法。
地質(zhì)調(diào)查法工作原理如下:對(duì)工程地質(zhì)、水文、圍巖穩(wěn)定性特征及支護(hù)情況等準(zhǔn)確記錄,做好趨勢(shì)分析,推測(cè)開挖工作面前方可能揭示的地質(zhì)情況,在每一循環(huán)開挖后進(jìn)行。
物探法工作原理如下:TSP203型物探儀每次預(yù)報(bào)距離100~120m,搭接10m,查找地質(zhì)構(gòu)造,探測(cè)地層界線、不良地質(zhì)體的厚度和范圍;地質(zhì)雷達(dá)每25m探測(cè)一次,相鄰兩次重疊長(zhǎng)度需在5m以上,探測(cè)巖溶分布、斷層破碎帶和軟弱夾層;紅外探水儀每25m探測(cè)一次,相鄰兩次重疊長(zhǎng)度需在5m以上,定性判斷探測(cè)點(diǎn)前方有無(wú)水體存在及水位。
超前鉆探法工作原理如下:地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔每30m取巖芯一次,鉆孔孔徑φ89mm,相鄰兩次搭接長(zhǎng)度不小于5m;探測(cè)孔布設(shè)鉆孔加深3m以上,在每次循環(huán)鉆設(shè)炮眼時(shí)布設(shè)3~20個(gè)。
3.3? ?支護(hù)結(jié)構(gòu)體系
3.3.1? ?結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
超前大管棚采用φ108無(wú)縫鋼管,單根長(zhǎng)30m。注漿孔孔徑10~16mm,孔縱向間距15~20cm,梅花形布置。前端做成20cm圓錐狀,尾部留止?jié){段大于100cm,管內(nèi)增設(shè)4根φ18mm主筋和φ42鋼管固定環(huán)組成鋼筋籠,以提高鋼管的抗彎能力。
超前小導(dǎo)管采用φ42無(wú)縫鋼管,單根長(zhǎng)4.5m,注漿孔孔徑6~8mm,孔縱向間距10~20cm,梅花形布置。前端做成10cm圓錐狀,尾端用φ8鋼筋加工成鐵箍,尾部留止?jié){段不小于30cm。
拱部120°范圍內(nèi)進(jìn)行孔位測(cè)量放樣并標(biāo)記,環(huán)向間距40cm,每環(huán)38根,超前大管棚外插角1~3°。使用三臂鑿巖鉆機(jī)鉆孔,縱向設(shè)置長(zhǎng)度5m的管棚工作室,縱向兩環(huán)搭接長(zhǎng)度不小于3m,超前小導(dǎo)管外插角10~15°。人工手持YT28風(fēng)槍打眼,縱向兩環(huán)長(zhǎng)度搭接大于1.5m。
孔內(nèi)余渣和積水利用高壓風(fēng)、水將其清理干凈,超前大管棚用鉆機(jī)直接頂入孔內(nèi),超前小導(dǎo)管使用風(fēng)槍配合套管將鋼管推送入孔。鋼管與鋼架接觸部位采用焊接固定,采用塑膠泥封堵鋼管周圍裂隙及孔口,必要時(shí)進(jìn)行噴射混凝土封閉。
3.3.2? ?注漿
注漿材料采用水泥砂漿,當(dāng)圍巖破碎、地下水發(fā)育時(shí),注漿采用水泥-水玻璃雙液漿,漿液由拌合站按照配合比拌制,水灰比0.6:1。注漿順序?yàn)樽韵露?,采用分漿器多孔隔孔注漿,其中超前大管棚注漿壓力1~2MPa,超前小導(dǎo)管注漿壓力0.5~1MPa。
當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值并穩(wěn)定10min,注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量80%以上,進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4時(shí),該孔注漿方可結(jié)束。采用體積法計(jì)算:
Q=A·n·α(1+β)? ? ? ? ? ? ?(1)
式中:Q為壓漿量;A為加固圍巖體積;n為地層填充率,本隧道圍巖巖性一般在0.8-0.9之間;α為漿液填充系數(shù),一般在0.7~0.9之間;β為注漿料損耗系數(shù),一般取0.1。
3.4? ?短臺(tái)階機(jī)械開挖法
開挖斷面采用兩步開挖,上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在13~15m,高度占比3/5。下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3~5m,高度占比2/5,左右兩側(cè)錯(cuò)開2m。上臺(tái)階掌子面巖體臨空面預(yù)留一定坡度,坡比1:0.3~1:0.5,底部嚴(yán)禁倒懸。利用挖掘機(jī)破碎錘,按照從上至下、環(huán)形順序、逐層擴(kuò)大開挖斷面,最后進(jìn)行輪廓線修整。洞內(nèi)作業(yè)粉塵采取人工灑水降塵。
3.5? ?二支施作時(shí)機(jī)確認(rèn)
第二層初期支護(hù)施作需在第一層初期支護(hù)施作成環(huán)后,且一支變形量達(dá)到預(yù)留變形量50%。遇活動(dòng)斷裂帶、斷層褶皺帶、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形無(wú)收斂跡象等特殊情況時(shí),當(dāng)一支未封閉成環(huán)變形量超過預(yù)留變形量的50%時(shí),及時(shí)施作二次支護(hù)。
利用拱架安裝機(jī)進(jìn)行二支鋼架安裝,安裝位置與一支鋼架保持重疊一致。兩層鋼架連接板接頭處錯(cuò)開50cm以上,減少薄弱環(huán)節(jié)部位的應(yīng)力集中。二支鋼架噴錨前,對(duì)一支噴射混凝土開裂、脫落、鼓包等部位進(jìn)行敲除清理。
3.6? ?仰拱初支封閉成環(huán)雙控機(jī)制
采用雙棧橋工藝,一組鋼棧橋?yàn)檠龉俺踔Х忾]成環(huán)建立施工通道,放置在下臺(tái)階尾側(cè),另一組自行式棧橋?yàn)檠龉耙r砌建立施工通道放置,放置在仰拱襯砌端頭,兩組棧橋區(qū)間路段利用洞渣就近回填。
軟巖大變形地段變形規(guī)律如下:上臺(tái)階開挖支護(hù)前期,拱頂沉降、邊墻收斂進(jìn)入變形加速和發(fā)展階段;施作系統(tǒng)錨桿、徑向注漿鋼花管、鎖腳錨管、第二層支護(hù)體系措施后,進(jìn)入減速和收斂階段;初支封閉成環(huán)、仰拱襯砌澆筑后,圍巖變形進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段??紤]現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械設(shè)備操作空間及變形的時(shí)效性,仰拱初支封閉成環(huán)采取雙控機(jī)制措施,時(shí)間上距初次開挖少于20d,跨度上距離掌子面小于25m。
仰拱基坑分段開挖長(zhǎng)度不得大于3m,仰拱初支鋼架分為3個(gè)單元制作,接頭需錯(cuò)開布置且不得布置于拱底中線位置。與下臺(tái)階鋼架連接處鋼板采用保護(hù)殼裝置,便于高強(qiáng)度螺栓對(duì)孔連接。
對(duì)鋼架與基底間空隙噴錨充填密實(shí),第二層鋼架在第一層鋼架噴錨凝固后施作。端頭預(yù)留集水坑,匯集地下水集中引排,后期采用同強(qiáng)度混凝土填筑。雙棧橋縱斷面如圖3所示。
3.7? ?仰拱襯砌、填充施工
鋼筋接頭設(shè)在承載力較小處,并分散布置,同一區(qū)段內(nèi)配置受力鋼筋接頭的截面面積不超過50%。采用定位卡具預(yù)留兩側(cè)矮邊墻鋼筋,精準(zhǔn)控制鋼筋間距和保護(hù)層厚度。安裝輕便弧形鋼模板,并結(jié)合地錨和預(yù)壓配重水泥塊防止模板上浮,保證仰拱混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度。
采用溜槽入倉(cāng)模式,插入式振搗器將混凝土振搗密實(shí)。控制澆筑面標(biāo)高至設(shè)計(jì)位置,仰拱襯砌與仰拱填充的混凝土分開澆筑。仰拱接頭施工前對(duì)上循環(huán)混凝土鑿毛處理,沖洗干凈,保持濕潤(rùn),設(shè)置背貼式止水帶和中埋式橡膠止水帶。
3.8? ?拱墻襯砌施工
運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)初支斷面全覆蓋掃描,預(yù)估混凝土澆筑方量,保證灌注飽滿并預(yù)防材料浪費(fèi)。鋼筋保護(hù)層墊塊每1m2范圍布置數(shù)量需大于4個(gè),其強(qiáng)度需高于襯砌混凝土強(qiáng)度。采用分倉(cāng)布料系統(tǒng),逐窗澆筑、逐窗振搗,保證襯砌強(qiáng)度和密實(shí)度,有效改善混凝土外觀質(zhì)量。
RPC帶模注漿采用微膨脹水泥砂漿,在拱頂混凝土初凝后施作,注漿順序由低往高,壓力不超過1MPa,排氣孔流出濃漿方可終止注漿。通過鉆孔取芯、第三方無(wú)損檢測(cè)、人工敲擊檢查方式查驗(yàn)實(shí)體質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)病害及時(shí)整治,以降低運(yùn)營(yíng)期間襯砌剝落掉塊的風(fēng)險(xiǎn)。
3.9? ?監(jiān)控量測(cè)
一般地段監(jiān)控量測(cè)斷面間距按照5m布設(shè),變形速率較大地段按照3m的間距布設(shè)。監(jiān)控量測(cè)沉降點(diǎn)布置在拱頂中心,上臺(tái)階拱腳向上1.5m布置水平收斂測(cè)線1,下臺(tái)階拱腳向上1.0m布置水平收斂測(cè)線2。量測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。量測(cè)頻率選擇變形速度和距開挖斷面距離較大的一個(gè),量測(cè)頻率見表1。
觀測(cè)標(biāo)用4cm×4cm的鐵板和直徑不小于20mm螺紋鋼筋焊接牢固,伸入巖層深度不小于20cm,采用M20水泥砂漿進(jìn)行錨固。凈空變形量測(cè)在每次開挖后12h內(nèi)及早完成初讀數(shù),讀取初期變形值必須在下一循環(huán)開挖前完成。
三維激光掃描儀測(cè)量能夠快速大量地采集點(diǎn)位信息,可彌補(bǔ)用全站儀量測(cè)數(shù)據(jù)有限,不能全面準(zhǔn)確反映圍巖變形的不足,更能準(zhǔn)確地計(jì)算超欠挖量、初支噴射混凝土方量、二襯混凝土用量,使隧道施工各個(gè)環(huán)節(jié)可視化。
4? ?大變形施工控制情況分析
臨大高速公路居集隧道穿越復(fù)雜多變的強(qiáng)風(fēng)化、薄層狀頁(yè)巖地層,圍巖軟硬互層狀地層,巖體極為破碎,發(fā)生軟巖大變形概率較高,為驗(yàn)證隧道大變形施工控制措施及方法是否安全可靠,通過監(jiān)測(cè)已塌方段和掌子面前方未開挖段落,對(duì)重要斷面拱頂下沉和水平收斂不間斷的實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。
4.1? ?大變形段軟巖整治前變形分析
居集隧道施工中多次出現(xiàn)大變形情況,其中ZK22+
120~+140段大變形發(fā)生前各斷面變形不明顯。大變形發(fā)生時(shí),短時(shí)間內(nèi)水平收斂最大累計(jì)達(dá)到897.88mm,變形速率最大為150.56mm/d;拱頂下沉變形量累計(jì)達(dá)到484.30mm,變形速率達(dá)到45.58mm/d。分析認(rèn)為,變形速率大且拱頂下沉遠(yuǎn)小于水平收斂,表明隧道圍巖軟弱、破碎,完整性和自穩(wěn)能力差。大變形段軟巖整治前變形速率和位移曲線見圖5、圖6。
4.2? ?大變形段軟巖整治后變形分析
大變形出現(xiàn)后,立即啟動(dòng)緊急應(yīng)對(duì)處理措施,更換破壞段落初期支護(hù)結(jié)構(gòu),通過對(duì)施工方案支護(hù)參數(shù)的調(diào)整,使軟巖地段圍巖變形得到了明顯控制。經(jīng)過一個(gè)多月不間斷的監(jiān)測(cè),斷面水平收斂變形值最大為169.92mm,收斂率最大為17.79mm/d;拱頂下沉變形值最大為112.45mm,下沉速率最大為9.88mm/d,大變形段軟巖處理后各斷面變形速率得到有效控制。大變形段軟巖整治后變形速率曲線如圖7所示,洞身處理后位移曲線圖8所示。
4.3? ?大變形施工控制效果分析
軟巖大變形段治理完后,調(diào)整施工控制方法和支護(hù)參數(shù),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。樁號(hào)ZK22+120~+180段經(jīng)過持續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)多月,各監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2所示。
通過分析表2監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,施工過程中通過調(diào)整施工控制方法和支護(hù)參數(shù),軟巖變形量和變形速率得到明顯減小,使軟巖地段圍巖變形得到有效控制,確保了隧道施工安全。
5? ?結(jié)束語(yǔ)
臨大高速公路居集隧道軟巖大變形地段圍巖變形量和位移速度大,具有較高的流變性質(zhì),變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),支護(hù)破壞形式多樣,隧道凈空最終趨勢(shì)是被侵占,拱拆換次數(shù)頻繁。這不僅嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,同時(shí)容易造成地質(zhì)災(zāi)害,危及人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。
從圍巖預(yù)加固、開挖、初期支護(hù)、仰拱封閉成環(huán)、襯砌施工全過程進(jìn)行變形控制。對(duì)比前期施工仰拱封閉成環(huán)距離遠(yuǎn),第二層初期支護(hù)施作時(shí)間滯后而言,雖然安裝第二層初期支護(hù)情況有所增加,但大量減少了初期支護(hù)拆換拱工作,節(jié)約了人工、材料、機(jī)械設(shè)備、環(huán)保等費(fèi)用,同時(shí)降低了施工風(fēng)險(xiǎn),加快了工程進(jìn)度,節(jié)省了項(xiàng)目管理成本,實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)大變形段處理后及新開挖段落的現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)監(jiān)控量測(cè)表明,大變形段處理后變形值和變形速率顯著減小。新開挖段落變形量在預(yù)留變形量范圍之內(nèi),軟巖地段圍巖變形得到了控制,增大了施工安全系數(shù),并加快了工程施工進(jìn)度。
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