某软弱围岩浅埋偏压连拱隧道的施工方法
随着我国高速公路和城市道路建设的不断发展,双连拱隧道以其接线难度小、占地少、环境保护好等优点而被普遍采用。但从目前国内在地质及地形条件十分复杂的山岭重丘区已建成的连拱隧道来看,在开挖过程中均不同程度地出现了围岩坍塌、衬砌产生大面积裂缝、衬砌接头处严重漏水等问题。随着连拱隧道的大量出现,对连拱隧道的综合修建技术开展研究已是刻不容缓的重要课题。
本文以常吉(常德—吉首) 高速公路殿会坪隧道为例,通过对隧道施工过程实时监测分析,总结软弱围岩浅埋偏压条件下的连拱隧道施工方法。
1 工程概况
常吉高速公路殿会坪隧道位于湖南省沅陵县荔枝溪乡境内,设计为一座双向四车道连拱短隧道。左洞长193 m ,右洞长168 m ,单洞建筑界限净宽9. 75 m、净高5. 0 m。运用新奥法原理设计,采用复合式衬砌。
该隧道区为低山丘陵地貌,地形起伏大,切割较深,冲沟较发育。洞口端地表覆盖松散坡积土,厚度10～20 m ;在松散坡积土与强风化板岩之间含3～5m 土夹石层。洞顶围岩易坍塌,围岩为弱透水层,涌水量小,围岩级别为Ⅳ～ Ⅴ。
2 施工方法及过程 2. 1 洞口部施工
在洞口部边、仰坡施工前,先做好截水沟。截水沟在刷坡线5 m 以外根据地形布置。用挖掘机每2m 一层自上而下逐层开挖并布设砂浆锚杆、挂钢筋网、喷射砼进行边、仰坡防护施工。石方采用凿岩机处于稳定状态,说明采用半明半暗的结构形式、坡脚反压挡墙、边坡小导管注浆、喷射砼及大管棚等措施进行综合治理是成功的。
参考文献:
[1 ] 张志沛,刘 旭,覃羡安. 常家山隧道的地质病害及防治对策研究[J ] . 西安科技大学学报,2006 ,26 (2) . [2 ] 马同骧. 隧道的地质灾害及其防治[J ] . 铁道建筑技术,1990 (1) .
[3 ] 于 宁,朱合华,苏生瑞. 公路隧道施工中的地质灾害及相应措施的分析[J ] . 地下空间,2003 ,23 (2) . [4 ] 赖锦兴,陈晓钜. 坑面兰进口“一暗一明”连拱隧道方案[J ] . 公路,2003 (11) .
[5 ] 易震宇,熊建军,刘义虎,等. 半明半暗连拱隧道设计研究[A] . 2003 年全国公路隧道学术会议论文集[ C] . 北京:人民交通出版社,2003.
[6 ] 施成华,彭立敏. 半明半暗连拱隧道合理施工方法研究[J ] . 岩石力学与工程学报,2007 ,26 增(1) . [7 ] J TG D70 - 2004 ,公路隧道设计规范[ S] .
收稿日期:2008 - 03 – 09
钻孔、浅孔控制爆破以减少振动,防止边坡、仰坡崩坍、剥落。在边、仰坡坡面设置<42 PVC 塑料泄水孔,泄水孔呈梅花形布置,间距5 m ×5 m ,土质孔深5 m ,石质孔深2 m。洞口边、仰坡采用4 m 长<22砂浆全长粘结型锚杆,呈梅花形布置,间距为100cm ×100 cm。锚杆端部设垫板,锚杆和垫板预先按设计要求加工制作,施作时根据岩体节理面确定其最佳方向。钢筋网采用金属扩张网,在锚杆及初喷砼后施作,随被支护岩体的实际起伏形状铺设,并与被支护岩面之间留出3 cm 保护层,可设置砼垫块。钢筋网与钢筋网连接处、钢筋网与锚杆连接处点焊 在一起,使钢筋网在喷射时不易晃动,喷射砼时将其覆盖。
主洞进口段采用半明半暗衬砌,右洞明洞边墙处在松散坡积土上,土层较厚,基础下承载力不足,其中小块区域因为临近陡坡,覆盖层更薄,采用C15片石砼换填边墙基础以下8. 5 m 土体(如图1 所示) ,达到提高边墙位置基础承载力的目
的。
图1 洞口部基础换填示意图(单位:cm)
洞口K102 + 395～420 段围岩松散程度高,中导洞施工到K102 + 408 处,掌子面围岩为风化板岩,夹有粘土,同时左侧板岩风化严重,拱部左侧位置处于风化板岩和仰坡覆盖土交接处,中导洞开挖后覆盖土压塌风化板岩薄壳造成地表塌陷。采取回填处理,并在洞内拱部附近围岩进行压浆加固。但由于回填强度不够,该段地表多次出现裂缝和发生较大沉降。因而在初期支护工字钢基础部位采用6. 5 m 长锚固钢筋束与工字钢焊接,避免工字钢下沉,并对右洞进行环向注浆,加固拱部围岩,提高围岩的自身承载能力,并为初期支护提供足够的水平抗力。
2. 2 中导洞施工 2. 2. 1 衬砌段施工
衬砌段施工,施工循环时间为630 min ,进尺1m ,每循环主要工程数量:开挖29. 2 m3 ,喷砼2. 38m3 ,超前锚杆17. 1 m ,中空注浆锚杆14 m ,系统锚杆和锁脚锚杆54 m ,14 号工字钢335 kg ,20 cm ×20 cm<6 钢筋网33. 08 kg。
2. 2. 2 爆破施工方法
1) 一次进尺根据围岩条件控制在1～2 m。
2) 严格控制周边眼装药量,并使药量沿炮孔长度合理分布。周边眼用小直径药卷和低爆速炸药,可借助传爆线实现空气间隔装药。周边眼雷管与内圈眼雷管跳段使用。
3) 周边炮眼与辅助炮眼的眼底在同一垂直面上,保证开挖面平整,但掏槽炮眼应比辅助炮眼眼底深10 cm。当开挖面凸凹较大时,应根据实际情况调整炮眼深度,并相应调整装药量。
4) 周边眼宜一次同时起爆,软弱围岩段或断层处须对爆破震动加以控制时,可分段起爆。
5) 斜眼掏槽的炮眼方向,在岩层层理或节理发育时,不得与其平行,应呈一定角度,尽量与其垂直。
6) 开挖断面底板两隅处时,应合理布置辅助眼,适当增加药量和导向空眼,消除爆破死角。
2. 2. 3 中隔墙施工
中导洞开挖完成,中隔墙基地承载力经检验合格后,即开始中隔墙的浇筑。中隔墙施工应严格按照设计图纸进行。
2. 3 长管棚施工 2. 3. 1 施工方法
长管棚采用热轧无缝钢管,直径108 mm ,壁厚6 mm ,节长3 m、6 m ,环向间距40 cm ,平行线路上仰1. 15°(包括线路纵坡) ,纵向与路线中线平行。管棚按设计位置施工,有孔钢花管和无孔钢管交替布置,先打有孔钢花管,注浆后再打无孔钢管。无孔钢管作为检查管,检查注浆质量。用C25 钢筋砼套拱作长管棚导向墙,采用电动钻机,钻进并顶进长管棚钢管;钻孔由高孔位向低孔位进行,钻孔孔径比钢管直径大30～40 mm ; 钻机立轴方向必须准确控制,以保证孔口的孔向正确;每钻完一孔便顶进一根钢管,钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度,发现偏斜超过设计要求时,及时纠正。钻机安设要牢固,防止摆动位移、倾斜和下沉,钻机与工作面的距离不小于2 m ;开钻时,先低速低压,待成孔几米后,再加速加压。测斜采用罗盘仪,测量钻孔方位角,控制水平偏差,成孔一半时,用<127 套管测量控制上仰或下垂侧斜,确定偏斜情况。
2. 3. 2 注浆参数
综合考虑凝结时间、固结强度、施工现场、成本以及操作等因素,确定采用双液注浆。水泥标号为P. O. 42. 5 ;水泥浆与水玻璃(体积) 比为1 ∶0. 5 ;水泥浆水灰比(重量) 为1 ∶1 ;水玻璃模数取2. 4 ,水玻璃浓度为35 Be 。
注浆压力,初压0. 5～1. 0 MPa ,终压2. 0 MPa 。注浆前,先进行现场注浆试验,参数通过试验后可适当调整。
2. 3. 3 注浆顺序
注浆尽量在全环管棚完成后进行。注浆顺序为从两侧自下向上,施工工艺流程见图2 。
图2 注浆施工工艺流程 2. 4 主洞施工
2. 4. 1 初期支护参数
主洞段围岩为土夹石或全风化的板岩,围岩自身承载能力差,属于Ⅴ级围岩。左洞较右洞靠近山体,相比右洞稍好,但从中导洞和右洞围岩推断左洞拱顶围岩也是松散的坡积土,加上中导洞K102 +408 位置冒顶偏向左洞,因此,左洞在有管棚支护的前提下,增加30°倾角的超前注浆管对拱墙部围岩进行加固。围岩稍好部分采用双层小导管,10°～15°倾角的小导管作为超前预支护,30°小导管作
为超前注浆管,对拱、墙部围岩进行注浆加固,提高拱部围岩的自身承载力,并为初期支护纵向间距为50cm 的20b 工字钢提供必要的水平抗力。环向注浆时,注意施工顺序应该是由下到上、由外到内,左右对称注浆。
2. 4. 2 主洞施工顺序及工艺流程在中隔墙施工及主洞长管棚施工完成后,开始主洞施工。
1) 主洞采用侧导坑和留核心土上下台阶法开挖,以保证施工安全和结构安全,严格控制进尺,遵循短进尺、弱爆破的施工原则。首先掘进上台阶,其后掘进下台阶。上下掌子面距离保持在3～5 m ,严格控制超挖现象。如果出现超挖,严禁采用片石回填,应用砼喷填密实。对于大的超挖,考虑采用模筑砼。
2) 架设工字钢。开挖一个进尺后,立即挂<8钢筋网并喷射5 cm 厚C20 砼封闭掌子面及拱部,以最大限度地减少围岩暴露时间。喷射完后快速地按设计间隔50 cm 架设20b 工字钢拱架并用<22 纵向连接筋连成整体,增大稳定性。
3) 施作超前小导管。小导管采用<42 无缝钢管,前端加工成锥形便于顶进,杆体加工梅花形孔眼利于浆液扩散。根据拱顶围岩情况,对掌子面拱部予以封闭,避免浆液沿掌子面流出;超前注浆管与超前小导管或长管棚环向相错,注意布孔位置和方向,小导管沿工字钢拱架周边布设,并与已架立好的钢拱架焊接牢固。小导管注浆参数:采用双液浆,注浆压力0. 5～1. 0 MPa ,水泥标号P. O. 32. 5 ,水泥浆与水玻璃体积比1 ∶0. 5 。
4) 喷射砼并施作护拱。超前小导管施工后,按设计要求补喷C20 砼至28 cm 厚,为开挖掘进形成一个牢固的后方。从中导洞的地下水径流可以看出,地下水十分丰富,因此主洞往里掘进过程中,为了防止地下水对洞内支护结构的负面作用,要及时排出积水。
3 监控量测与分析
主要针对洞口部及主洞中部Ⅳ、Ⅴ级围岩设置多处监测断面,对隧道拱顶下沉、周边收敛及水平位移进行量测与分析。
3. 1 中导洞监测
对于中导洞进口围岩极差的情况,施工开始时就对洞口段进行地表沉降量测,沉降值比较大,加上洞内收敛值很大,所有的量测结果显示中导洞支护强度不够,也直接造成中导洞进口处的地表塌陷。对拱部塌方采取相关的处理后,对该断面继续进行沉降量测。图3 、4 为YK102 + 402 监测断面的沉降- 时间曲线图和收敛- 时间曲线图。由监测结果可知,拱顶下沉趋于稳定,塌方得到抑制。
3. 2 主洞监测
殿会坪隧道中段( Ⅴ级围岩部) 围岩相对洞口段
稍微稳定,埋深非常浅,偏压不是非常明显,裂隙水一般发育,在隧道施工过程中,通过对隧道拱顶、两侧的位移进行量测,发现本段地表沉降依旧比较大,拱顶位移达到107. 23 mm , 侧部位移达到21. 01mm ,拱顶变形仍比较严重。施工中通过洞口段监测结果分析,对Ⅴ级围岩段的支护措施进行了加强。因此,整段隧道的施工过程中,虽然拱顶的位移还是比较大,但在规范允许的范围之内,而且隧道从施工到稳定的时间也大大缩短。图5 及图6 为YK102+ 413 监测断面的沉降- 时间曲线图和累计沉降曲线图。
某软弱围岩浅埋偏压连拱隧道的施工方法
