張玉浩,劉 越,徐 侃

(1.紹興市河道綜合整治投資開(kāi)發(fā)有限公司,浙江 紹興 312000;2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

隧道位于地層之中,受到周?chē)刭|(zhì)環(huán)境的強(qiáng)烈影響。在山體未被開(kāi)挖之前,地質(zhì)體處于初始應(yīng)力狀態(tài),一旦地質(zhì)體被開(kāi)挖后,隧道周?chē)鷰r石處于松弛應(yīng)力狀態(tài),一般應(yīng)進(jìn)行支護(hù),平衡圍巖的應(yīng)力,形成穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)體系。從隧洞形成過(guò)程分析,隧道洞室結(jié)構(gòu)=圍巖+支護(hù)結(jié)構(gòu)。施工前期盡管進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察,但要完全掌握隧洞的地質(zhì)條件,實(shí)際上是很困難的,也是不現(xiàn)實(shí)的。因此在施工過(guò)程中,如果原設(shè)計(jì)中有不適應(yīng)變化了的地質(zhì)條件,必須對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。隧洞開(kāi)挖過(guò)程中,如何減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),保護(hù)圍巖原來(lái)的穩(wěn)定性,如何提高開(kāi)挖后的圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性就非常重要。特別是在新奧法施工過(guò)程中遇到軟弱夾層、溶洞、斷層、破碎帶、流砂、涌水、嚴(yán)重風(fēng)化層、軟弱土層等,必須及時(shí)改變開(kāi)挖方式,選擇相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 新奧法施工和動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)

1.1 新奧法施工方法

新奧法施工時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、量測(cè)信息指導(dǎo)施工,即通過(guò)對(duì)隧道施工中量測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)開(kāi)挖面的地質(zhì)觀察等進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和反饋。并根據(jù)已建立的兩側(cè)為基準(zhǔn),對(duì)隧道施工方法、斷面開(kāi)挖步驟及順序、初期支護(hù)的參數(shù)等進(jìn)行合理調(diào)整,以保證施工安全、坑道圍巖穩(wěn)定、施工質(zhì)量和支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。新奧法隧洞開(kāi)挖的基本原則為 “少擾動(dòng)、早噴錨、勤量測(cè)、緊封閉?！笔┕すに嚵鞒桃?jiàn)圖1。

1.2 反饋式設(shè)計(jì)理論

現(xiàn)代隧洞施工前期,設(shè)計(jì)人員按照規(guī)范規(guī)程,依據(jù)施工之前地質(zhì)資料,采用工程類比方法,通過(guò)力學(xué)分析而做出施工圖設(shè)計(jì)即所謂預(yù)設(shè)計(jì)。在施工過(guò)程中,如果原設(shè)計(jì)中有不適應(yīng)變化了的地質(zhì)條件,必須對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。隧洞開(kāi)挖過(guò)程中,如何減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),保護(hù)圍巖原來(lái)的穩(wěn)定性,如何提高開(kāi)挖后的圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性,就非常重要。動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)就是在施工過(guò)程中,不斷根據(jù)地質(zhì)變化隨時(shí)對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,是根據(jù)多方反饋信息,在動(dòng)態(tài)中做出的修改。

圖1 隧洞新奧法施工工藝流程框圖

動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的依據(jù)是反饋的信息。其反饋的信息包括地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、掌子面地質(zhì)描述和實(shí)際發(fā)生的地質(zhì)條件,通過(guò)分析所獲取的這些信息,與預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)資料對(duì)比,得出地質(zhì)變化狀況,然后依據(jù)規(guī)范要求,經(jīng)原設(shè)計(jì)部門(mén)做出修改,報(bào)經(jīng)設(shè)計(jì)決策機(jī)構(gòu)審定,由施工單位具體實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中,監(jiān)理、監(jiān)控、勘察等部門(mén)依據(jù)動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行監(jiān)理、監(jiān)測(cè),再次獲得信息,反饋到設(shè)計(jì)、施工單位,如此反復(fù)循環(huán),直至工程完工交付使用。

2 動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)在新奧法隧洞施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

紹興市某引水工程?hào)|西向橫穿上虞市、紹興縣和越城區(qū),至紹興市區(qū),再向北流入曹娥江,以改善紹興市城區(qū)水環(huán)境,是一項(xiàng)兼顧城市景觀及生態(tài)旅游等綜合性工程,是紹興市清水工程中的1項(xiàng)關(guān)鍵性工程。

工程主要建筑物有:進(jìn)口河道、進(jìn)口閘站、輸水隧洞、連接箱涵、出口河道及下游配水節(jié)制閘等建筑物組成。整個(gè)引水工程從小舜江口至平水東江節(jié)制閘全程約26 km,其中輸水隧洞全長(zhǎng)約14.6 km。

2.2 工程區(qū)地質(zhì)條件

工程區(qū)地處浙西北(揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái))與浙東南 (華南褶皺系)兩大地質(zhì)構(gòu)造單元的銜接帶。江山—紹興深斷裂帶斜貫工程區(qū),其主斷裂帶于平水—富盛一帶通過(guò),受其影響,工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,以NE和NW向2組斷裂系構(gòu)成測(cè)區(qū)斷裂構(gòu)造的基本格局,尤以NE向斷裂最為發(fā)育。

隧洞出口位于紹興縣平水鎮(zhèn)中灶村附近,出口處山坡較為平緩,坡度一般為12～15°。由于征地和政策處理等原因,隧洞于性質(zhì)較差的炭質(zhì)灰?guī)r段提前進(jìn)洞,進(jìn)洞段地形平緩,覆蓋層為4～6 m,巖體厚度僅為6 m左右,工程地質(zhì)條件差。

出口段地層巖性為:基巖:前震旦系陳蔡群 (Pt1-2ch)灰～青灰色黑云斜長(zhǎng)變粒巖,局部巖石具蝕變現(xiàn)象。微風(fēng)化巖石致密、堅(jiān)硬。強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.00～3.50 m,弱風(fēng)化帶厚3.00～5.00 m。

黑色炭質(zhì)灰?guī)r,性質(zhì)差,軟化系數(shù)為0.15～0.20,巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為13MPa,層理發(fā)育,層理厚度為5～15 cm,鉆孔巖芯多崩解為扁餅狀,強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.10～2.50m,弱風(fēng)化帶厚2.00～3.10 m。分布于隧洞出口前端處。

覆蓋層:第四系全新統(tǒng)殘坡積層(el-dlQ4),含碎石粉質(zhì)黏土,灰黃～黃褐色,可塑,厚度一般為2.00～6.50 m。

2.3 動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的運(yùn)用

由于進(jìn)洞條件發(fā)生了較大變化,由地質(zhì)部門(mén)進(jìn)行了重勘,監(jiān)測(cè)部門(mén)針對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),掌子面開(kāi)挖后,監(jiān)理部門(mén)反應(yīng)上覆覆蓋層頂部出現(xiàn)裂縫,根據(jù)各部門(mén)綜合意見(jiàn),設(shè)計(jì)方案突破常規(guī)提出動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)理念,與新奧法施工相呼應(yīng),采取一次支護(hù)+二次支護(hù)的工程措施,即邊開(kāi)挖、邊支護(hù),根據(jù)各部門(mén)反饋意見(jiàn),及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案,一次支護(hù)做強(qiáng),使其具有部分永久支護(hù)的特性,二次支護(hù)減弱。這樣,可根據(jù)開(kāi)挖洞室的實(shí)際情況調(diào)整一次支護(hù)類型,同時(shí)部分洞段取消二次支護(hù),這樣可提高隧洞施工的安全性。

2.4 支護(hù)形式調(diào)整方案

一次支護(hù)采用形式:洞臉邊坡設(shè)計(jì)輪廓線上30 cm左右布置1排Ф20超前錨桿,間距50 cm,L=4.5 m,外圈布置兩排Ф 20鎖口錨桿,L=4.5 m,間距80 cm,排距80 cm,梅花形布置。

洞頂平臺(tái)布置Ф 20系統(tǒng)錨桿,L=3m,間距2 m,排距2 m,梅花形布置;隧洞進(jìn)口10m范圍內(nèi),采用超前錨桿施工方法,頂部150°范圍布置 Ф 20超前錨桿,L=3.0 m,間距50 cm,排距120 cm,16號(hào)工字鋼鋼拱架每榀60 cm,和超前錨桿焊接,縱向Ф 16搭接鋼筋@250,Ф 20系統(tǒng)錨桿,L=3 m,排距1 m;在隧洞進(jìn)口10 m范圍再往里段,超前錨桿的排距和鋼拱架的間距,視實(shí)際巖石開(kāi)挖的破碎程度可作適當(dāng)調(diào)整。具體調(diào)整方案詳見(jiàn)圖2。

二次支護(hù)采用形式:C20鋼筋混凝土襯砌,環(huán)向鋼筋采用Ф22搭接鋼筋@200,軸線方向鋼筋采用Ф 12搭接鋼筋@250。

圖2 支護(hù)調(diào)整方案圖

2.5 施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)調(diào)整支護(hù)方案,結(jié)合監(jiān)測(cè)單位圍巖收斂值和應(yīng)變值監(jiān)測(cè)報(bào)告,在炭質(zhì)灰?guī)r段隧洞施工過(guò)程中取得了很好的效果。在樁號(hào)14+518 m位置受接觸斷層F1的影響,局部發(fā)生了小范圍的坍塌,但由于支護(hù)調(diào)整及時(shí),對(duì)工程未造成較大影響。同時(shí),坍塌段根據(jù)動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)理念,相應(yīng)調(diào)整了支護(hù)方案和爆破參數(shù),在隧洞施工中取得了較好的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

圍巖地質(zhì)病害的特征多為突發(fā)性,對(duì)此,客觀要求決策者迅速做出反應(yīng),盡快做出動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì),尤其是在新奧法施工的隧洞工程中,以便于施工單位采取應(yīng)對(duì)措施,對(duì)其進(jìn)行緊急治理。而動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等信息,結(jié)合開(kāi)挖暴露出的地質(zhì)情況,對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、優(yōu)化,確定合理的開(kāi)挖方法、順序,以及修改支護(hù)方法和調(diào)整參數(shù),這對(duì)通過(guò)地質(zhì)條件較復(fù)雜的隧洞段施工是大有裨益的。