摘 要:本文基于筆者多年從事公路隧道施工的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以公路隧道軟弱圍巖隧道超前支護(hù)與深空注漿施工技術(shù)為研究對象，論文詳細(xì)闡述了施工步驟與細(xì)節(jié)，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:淺埋偏壓 隧道施工 軟弱圍巖 注漿

中圖分類號:TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0070-02

1 偏壓隧道的工程特性

1.1 偏壓隧道的定義

由于各種原因使對稱的隧道結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)所受荷載不同而使結(jié)構(gòu)內(nèi)力左右不對稱的現(xiàn)象稱為偏壓現(xiàn)象，出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象的隧道稱為偏壓隧道。圍巖級別高，圍巖自身強(qiáng)度就低，隧道開挖引起的荷載全部或大部由隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)，由于各種原因引起的不對稱荷載也就全部施加在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上。按照普氏和太沙基理論，隧道開挖后，其上方圍巖將形成天然平衡拱，而天然拱的形成與隧道埋深有關(guān)，埋深小時(shí)，無法形成天然拱，隧道承受的豎向荷載與地形便密切相關(guān)，因此偏壓隧道多數(shù)處于軟巖、淺埋且有較大地形橫坡的地段。

1.2 隧道偏壓的影響因素

影響隧道偏壓的因素有以下幾個(gè)方面:地形因素、地質(zhì)因素和工程因素，其中前兩種屬于內(nèi)在因素，第三種屬于外在因素。

(1)地形因素。

軟巖淺埋隧道隧址區(qū)地層中構(gòu)造應(yīng)力一般不易積累，地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。隨深度的變化，基本按靜水壓力狀態(tài)的形式存在。對于淺埋隧道，隧道結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力為松動(dòng)土壓力，即為隧道上部覆蓋巖土的自重減去巖土體假設(shè)破裂滑動(dòng)面上的阻力。隧道結(jié)構(gòu)四周荷載隨地表橫坡增大而增大，當(dāng)?shù)乇頇M坡較大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)靠山一側(cè)受彎拉應(yīng)力、靠溝側(cè)受壓應(yīng)力作用，超過隧道結(jié)構(gòu)承載極限時(shí)，就會出現(xiàn)偏壓破壞現(xiàn)象。

山體橫坡越大，軟質(zhì)巖、巖堆、構(gòu)造線附近的變質(zhì)巖類地段山體易出現(xiàn)滑坡或滑動(dòng)趨勢增大，滑面在隧道斷面內(nèi)或隧道下方時(shí)，靠山側(cè)隧道結(jié)構(gòu)會受很大的彎剪應(yīng)力，外側(cè)拱腰及拱頂承受很大的壓應(yīng)力。隧道有向外向上抬起趨勢，甚至整體旋轉(zhuǎn)而破壞。

(2)地質(zhì)因素。

地質(zhì)因素可分為圍巖的完整狀態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面組合狀態(tài)以及巖石單體強(qiáng)度等。圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)的完整程度受節(jié)理和裂隙發(fā)育程度來確定，節(jié)理裂隙愈發(fā)育，受節(jié)理裂隙的切割分裂，圍巖巖塊愈小，圍巖的φ值愈小，偏壓愈嚴(yán)重，同時(shí)圍巖完整性差，圍巖抗剪強(qiáng)度低，洞壁巖體不能承受由于隧道開挖而產(chǎn)生的較大的應(yīng)力，松動(dòng)圈較大。由于節(jié)理裂隙影響，松動(dòng)圈不均勻性大，圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偏壓愈大;圍巖結(jié)構(gòu)面性質(zhì)是在各種不同的地質(zhì)作用下形成的。

2 淺埋隧道特性研究

淺埋隧道與深埋隧道相比，主要是難以形成承載拱。淺埋隧道多數(shù)有地形偏壓、表層軟弱堆積物、風(fēng)化帶、軟弱圍巖等對隧道開挖有很大影響的特殊地形、地質(zhì)問題。在開挖過程中和開挖完成后會出現(xiàn)拱頂下沉急劇增大、隧道凈空收縮、地表開裂等，有時(shí)也會出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)。

所以，在這種情況下，要采取掌子面穩(wěn)定措施和控制地表下沉措施。地表下沉與埋深有密切關(guān)系。埋深大時(shí)，在隧道橫斷面內(nèi)形成了承載拱，開挖引起的下沉局限在隧道周邊，而埋深淺時(shí)，沒有形成承載拱，開挖下沉?xí)苯舆_(dá)到地表面。在這種情況下，埋深小的隧道，因不能期待形成承載拱，故為防止支護(hù)下沉、增強(qiáng)支撐力而應(yīng)采取必要的措施，并研究采用藥液壓注、垂直錨桿等輔助施工方法。淺埋隧道掌子面前方的先行下沉很大，會造成很大的地表下沉，因此，研究前方地層的改善、管棚、水平高壓旋噴等輔助方法是必要的。在淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工時(shí)，為了保證安全及工程質(zhì)量，節(jié)約投資、加快進(jìn)度和保證運(yùn)營期間的安全，必須采用一定的技術(shù)措施，包括正確的施工方法，合理的支護(hù)形式等。因此淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工一直是隧道施工過程中需要面臨和解決的重要課題之一。

3 超前支護(hù)

對于圍巖的自穩(wěn)能力較差時(shí)，為了預(yù)防坍方，必須采用超前支護(hù)體系，主要的內(nèi)容有超前錨桿、小導(dǎo)管注漿、管棚、全斷面預(yù)注漿、深孔注漿、帷幕注漿以及在洞口淺埋段采用的地表注漿等。

在軟弱破碎地質(zhì)隧道施工中，雖然采用深孔注漿達(dá)到了止水固結(jié)的目的，但固結(jié)范圍有限，加上地質(zhì)及注漿有些不確定因素，為保障施工萬無一失，一般在開挖前均采取超前支護(hù)，超前支護(hù)一般采用超前錨桿或超前小導(dǎo)管。對于地下水壓較大的隧道，開挖前一般還要采取排水降壓措施，主要采取鉆孔排水，鉆孔深度應(yīng)超出注漿范圍。

淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工需要解決的問題是掌子面的穩(wěn)定性和合理化施工(安全而快速的施工)兩大問題。對掌子面穩(wěn)定性起重要作用的超前支護(hù)，是確保掌子面前方穩(wěn)定不可缺少的手段。

3.1 超前錨桿

在隧道周邊，未開挖前先施作超前錨桿，起到預(yù)先加固的作用，其主要參數(shù)為:全苗桿的直徑φ=20～30mm;長度=3.0～5.0m;間距d=0.3～0.5m;外插角α=10＂～15＂。

錨桿一般采用普通砂漿錨桿，特殊情況下可采用藥包錨桿或邁式錨桿。

3.2 小導(dǎo)管注槳

小導(dǎo)管超前注漿，是在地基灌漿法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)圍巖加固止水技術(shù)，它同時(shí)具有超前支護(hù)作用，是不良地質(zhì)隧道與地下工程施工常用的一種開挖輔助措施。在隧道開挖掌子面上，沿設(shè)計(jì)開挖輪廓線以外0.2～0.3m，鉆孔安裝小的鋼花管，然后進(jìn)行高壓注漿加固，等漿液達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行開挖。其主要參數(shù)為:小導(dǎo)管的直徑φ=40～60mm; 長度1=3.0～5.0m; 間距d =0.3～1.0m。

3.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

超前支護(hù)體系，提高了巖體的穩(wěn)定性，控制了圍巖松弛變形，增強(qiáng)了施工的安全性。加固效果好，注漿質(zhì)量易于控制。采用常規(guī)小型機(jī)械，無需配備專用設(shè)備，工藝操作簡便。

3.2.2 適用范圍

適用于風(fēng)化很嚴(yán)重、節(jié)理很發(fā)育和碎石土、礫石土等各種軟弱圍巖條件下

的隧道及地下工程地層加固，也可用于處理坍方主體。

3.2.3 主要技術(shù)措施

小導(dǎo)管水泥一水玻璃雙液預(yù)注漿止水加固松散圍巖。

3.3 管棚

當(dāng)圍巖十分軟弱、破碎、變形量很大時(shí)，一般在V、VI級大變形的條件下，可采用長管棚的超前加固措施，其主要參數(shù)為:管棚的直徑φ＝108～180llun。

長度1=10～40m;間距d=0.5～1.0m;注漿壓力F=1.5～3.0MPao。

管棚法的基本原理就是在開挖之前將一個(gè)傘形的金屬保護(hù)棚架預(yù)先安放在隧道開挖輪廓線的外弧線上，該棚架由一定間距排列的大慣性矩的鋼管構(gòu)成，起到保護(hù)下部地層開挖的作用，一般超前長度在5～30m，有短管棚、長管棚。先用鉆機(jī)打一定深度的鉆孔，然后插入金屬鋼管，再用注漿機(jī)壓入水泥砂漿或混合漿液，待其凝固后就可以開挖。在法國馬賽地鐵2號工程、日本第一福田尾隧道、成渝高速公路中梁山隧道工程、北京第三使館區(qū)的供熱管線工程的暗挖隧道等都使用了該工法。

3.4 超前支護(hù)輔助方法

下面就國內(nèi)外各種超前支護(hù)輔助施工方法作詳細(xì)介紹。

(1)壓縮空氣法或氣壓室法。

被開挖地層的穩(wěn)定性往往取決于地層是否充分排水，在地層透水性差時(shí)水對開挖影響不大，但在地層透水性好時(shí)如砂層，水就會對開挖產(chǎn)生較大的影響，這時(shí)一般用排水井和壓縮空氣控制地下水。后者利用壓縮空氣的壓力(0.1MPa左右)來抑制地下水不流出，并對開挖面產(chǎn)生支護(hù)作用，減小地面沉降，這是壓縮空氣法或氣壓室法的主要原理，在慕尼黑和維也納的地鐵工程已經(jīng)取得了成功應(yīng)用。

(2)冷凍法(凍結(jié)施工法)。

冷凍法一般適用于地下水比較豐富、或地下水壓比較大的地層中，它是采用冷凍機(jī)和循環(huán)泵將氟利昂或低溫液化氣通過冷凍管注入隧道前方地層中使地層孔隙水凍結(jié)而得到強(qiáng)化，一般按30m一段進(jìn)行土木工程施工，但要考慮解凍后的地面下沉。

(3)頂蓋法。

其主要步驟是:明挖壕溝到隧道拱頂;利用切入隧道開挖輪廓的泥土作為建造隧道頂蓋的土模板;澆注混凝土拱后回填壕溝;在頂蓋保護(hù)下結(jié)合必要的臨時(shí)支護(hù)來開挖隧道。優(yōu)點(diǎn)是能有效控制地面沉降，工期短，但對地表環(huán)境破壞比較嚴(yán)重，在頂蓋完成后應(yīng)對地表植被進(jìn)行恢復(fù)處理。德國波鴻市的韋斯特坦根特公路隧道曾應(yīng)用本方法進(jìn)行過施工。

4 深孔注漿

深孔注漿適用于斷層破碎帶、軟弱破碎圍巖，地下水特別發(fā)育，易形成涌水以及因地下水而造成特大坍方的隧道。深孔注漿分為深孔充填注漿和深孔劈裂注漿。

4.1 準(zhǔn)備工作

主要是對工程地質(zhì)進(jìn)行分析，收集分析鉆孔的排碴;記錄分析鉆孔的推進(jìn)壓力，鉆速以及鉆進(jìn)不同長度時(shí)出水量的大小，推斷開挖面前方的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水源位置及水量大小。

4.2 止?jié){墻

由于開挖面圍巖軟弱，注漿時(shí)有較高的壓力，易引起開挖面垮坍，嚴(yán)重影響注漿效果和施工安全，因此開挖面必須設(shè)置止?jié){墻。對于未坍原始巖體，一般采用掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土作止?jié){墻。具體作法是:先在開挖面鉆孔，埋設(shè)注漿用孔口管(孔口管一般用φ150～200mm，長1.5～2.0cm鋼管制作)，鋼筋網(wǎng)焊在孔口管上，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距30cm，再噴射15～20cm厚的C20級混凝土，這樣網(wǎng)噴混凝土與開挖面巖體共同形成止?jié){巖盤。如在坍方地段，則應(yīng)設(shè)置加厚混凝土止?jié){墻。一般灌注100～150cm厚C20級混凝土作止?jié){墻。

4.3 鉆孔作業(yè)

孔口管作為鉆孔導(dǎo)向管，在注漿設(shè)計(jì)中應(yīng)加以布置，布置原則應(yīng)根據(jù)注漿段長度、加固擴(kuò)散范圍等參數(shù)決定。鉆機(jī)作業(yè)機(jī)具可采用液壓鑿巖車、地質(zhì)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)等。

4.4 注漿作業(yè)

將注漿混合器連接在孔口管上，試壓洗孔，將孔眼內(nèi)的石碴沖掉，保證注漿通道順暢;注水約2～3min，使圍巖孔隙暢通:然后進(jìn)行注漿，對于軟弱、斷層帶的圍巖體，先注純水泥漿，注入一定量或達(dá)到一定壓力后，并持續(xù)5min，再注雙液漿(CS)，如注純水泥漿大量漏漿時(shí)，可先注雙液漿(CS)，再注純水泥漿，最后再注雙液漿。注漿過程應(yīng)作好記錄，記錄注漿時(shí)間、注漿量，注漿壓力變化，圍巖、止?jié){墻以及已支護(hù)或襯砌地段的竄漿情況。注漿結(jié)束后，拆卸注漿部件，清洗干凈對注漿機(jī)械進(jìn)行檢修保養(yǎng)，保證下循環(huán)注漿使用。一般采用推進(jìn)式注漿，即分段累進(jìn)注漿。當(dāng)有的部位鉆孔過程中出水量很小時(shí)，可一次鉆到設(shè)計(jì)深度，然后進(jìn)行全孔一次注漿。如在鉆孔中發(fā)現(xiàn)出水量較大時(shí)，應(yīng)分段鉆孔，比例sm，再加10m，15m，直到設(shè)計(jì)深度，注漿與鉆孔一致，分次進(jìn)行。注漿一般按由內(nèi)向外，由下到上的順序進(jìn)行。

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