李 東,黃志懷
(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611)
茜坑隧洞全長(zhǎng)322 m,設(shè)計(jì)為有壓自流隧洞,水壓差14.5~19.0 m,設(shè)計(jì)斷面為城門洞型,斷面尺寸為2.5 m×2.7 m,采用新奧法施工。茜坑隧洞圍巖為花崗巖,圍巖穩(wěn)定性差,極易塌方。隧洞全段均為不良地質(zhì)條件。下面根據(jù)工程建設(shè)需要,針對(duì)軟弱圍巖隧洞工程不良地質(zhì)條件下的新奧法施工,給出了軟弱圍巖隧洞的設(shè)計(jì)和施工原則。
軟弱圍巖茜坑隧洞洞體開(kāi)挖卸荷后變形量大,空間效應(yīng)與時(shí)間效應(yīng)均較明顯,圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地層含水量大,設(shè)計(jì)工作必須根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則,根據(jù)圍巖變形規(guī)律確定開(kāi)挖方式、開(kāi)挖程序、開(kāi)挖進(jìn)尺、一次支護(hù)參數(shù)、永久襯砌參數(shù)和時(shí)機(jī)。為此應(yīng)采用如下設(shè)計(jì)原則:
1)根據(jù)初設(shè)階段提供的地質(zhì)條件、沿線的地層巖性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行要求,進(jìn)行專門的施工期和運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),定期適時(shí)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作,并根據(jù)地質(zhì)條件變化,及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)布置。
2)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)代表應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,及時(shí)調(diào)整隧洞的開(kāi)挖進(jìn)尺,調(diào)整一次支護(hù)參數(shù)。
3)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要對(duì)設(shè)計(jì)做出重大調(diào)整時(shí),應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。
4)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)與施工、地質(zhì)、監(jiān)測(cè)有機(jī)配合,做到調(diào)整及時(shí)有效。
5)為了信息處理及時(shí),監(jiān)測(cè)單位應(yīng)向設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、地質(zhì)、建設(shè)單位監(jiān)測(cè)報(bào)告,以監(jiān)控指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)異常時(shí),及時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),設(shè)計(jì)及時(shí)做出相應(yīng)的對(duì)策。
6)施工地質(zhì)和監(jiān)測(cè)應(yīng)進(jìn)行跟蹤工作,必要時(shí)應(yīng)做超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
1)盡可能采用非爆破方法開(kāi)挖,主要目的是不擾動(dòng)圍巖,保護(hù)圍巖固有的自穩(wěn)能力。
2)短進(jìn)尺,就茜坑隧洞而言,隧洞開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺不得大于1.5 m,變形特大的洞段不得大于0.5 m,循環(huán)進(jìn)尺按設(shè)計(jì)要求及時(shí)調(diào)整。
3)采用分步開(kāi)挖方式,先開(kāi)挖上導(dǎo)洞,上導(dǎo)洞領(lǐng)先下導(dǎo)洞3~5 m,下導(dǎo)洞每循環(huán)進(jìn)尺與上導(dǎo)洞相同。
4)下導(dǎo)洞開(kāi)挖分左右兩側(cè)進(jìn)行,一側(cè)領(lǐng)先另一側(cè)1~2個(gè)循環(huán),目的為減緩變形速率,防止變形突然釋放。
5)開(kāi)挖時(shí),變形釋放量應(yīng)控制在30%以內(nèi)。
6)地下水發(fā)育的部位,需要采用導(dǎo)水封閉控制措施。
7)嚴(yán)格控制開(kāi)挖輪廓尺寸,每開(kāi)挖一個(gè)循環(huán)后立即進(jìn)行測(cè)量,繪制開(kāi)挖圖和地質(zhì)素描圖。
1)一次支護(hù)必須在開(kāi)挖后立即施作,開(kāi)挖一個(gè)循環(huán)支護(hù)一個(gè)循環(huán),支護(hù)沒(méi)完成之前,不得進(jìn)行下個(gè)循環(huán)開(kāi)挖。
2)一次支護(hù)施工的程序是:安裝超前小導(dǎo)管開(kāi)挖→安裝格柵拱架→第一次噴射混凝土→布置鋼筋網(wǎng)、綁扎連接筋→第二次噴射混凝土→視需要滯后1~2個(gè)循環(huán),第三次噴射混凝土。
3)一次支護(hù)完成后,在設(shè)計(jì)的觀測(cè)斷面安裝監(jiān)測(cè)儀器,并立即開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作,監(jiān)測(cè)儀器安裝位置與掌子面距離不大于1.0 m。
4)格柵拱架的間距應(yīng)和開(kāi)挖進(jìn)尺一致,上導(dǎo)洞格柵拱架安裝后,以鎖腳錨干固定,系統(tǒng)錨干或超前導(dǎo)管應(yīng)與格柵拱架焊接,下導(dǎo)洞格柵拱架應(yīng)在底板開(kāi)挖控制線以下0.5 m設(shè)置0.5 m×0.5 m的混凝土基座,基座混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。
5)一次支護(hù)的格柵拱架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、連接筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、超前導(dǎo)管必須按工程質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。
6)依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)調(diào)整一次支護(hù)的相關(guān)參數(shù)。
7)根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果,確定是否需要進(jìn)行二次臨時(shí)支護(hù),并確定其方案和支護(hù)參數(shù)。
按永久性水工建筑物結(jié)構(gòu)受力最小的原則,隧洞的永久襯砌應(yīng)該在圍巖變形全部釋放后施作較為合理。實(shí)際上GB50087-2001[1]《錨干噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》與SL279-2002[2]《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》均有相應(yīng)的規(guī)定,例如GB50087-2001第5.3.5條規(guī)定:
1)隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d;拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d。
2)隧洞周邊水平收斂速度,以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。
3)隧洞位移相對(duì)值已達(dá)到總相對(duì)位移量的90%以上。
SL279-2002第6.6.4條也規(guī)定:采取了支護(hù)或加固措施的圍巖,根據(jù)其穩(wěn)定狀況,可不計(jì)或少計(jì)圍巖壓力。
在一些軟巖隧洞工程中,永久襯砌施作時(shí)間也是按上述原則確定的,為了防止襯砌過(guò)多地承擔(dān)剩余的變形壓力,規(guī)定隧洞周邊徑向位移速率小于0.1 mm/d,斷面周邊位移達(dá)到總位移量的90%,在必須同時(shí)滿足上述兩條件下,開(kāi)始永久混凝土襯砌。
對(duì)于具有大變形和流變效應(yīng)明顯的軟巖而言,要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)需要較長(zhǎng)時(shí)間,一次支護(hù)需要較大剛度,否則會(huì)發(fā)生圍巖失穩(wěn),甚至發(fā)生較大塌方。在這種隧洞施工過(guò)程中,發(fā)生較大塌方的主要原因除沒(méi)有采用信息化設(shè)計(jì)與施工外,永久襯砌選擇的時(shí)間不甚合適,也是原因之一。
在茜坑隧洞,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,當(dāng)距開(kāi)挖面2.5倍洞徑時(shí),圍巖的“空間效應(yīng)”變形基本完成,超過(guò)2.5倍開(kāi)挖洞徑后,圍巖變形主要來(lái)源于“時(shí)間效應(yīng)”,2.5倍洞徑以后的剩余變形大小,主要取決于圍巖的流變特性。
對(duì)于Ⅳ類圍巖而言,巖體變形的時(shí)間效應(yīng)較小,時(shí)間效應(yīng)曲線衰減也較快,20 d后圍巖變形速率已小于0.1 mm/d,并已接近穩(wěn)定狀態(tài),在此之后圍巖剩余變形一般小于1.0 mm,所做的混凝土襯砌承受的圍巖變形壓力一般小于20 kPa。
對(duì)于全風(fēng)化類圍巖,雖然其流變效應(yīng)較大,開(kāi)挖至3倍洞徑之后,盡管空間效應(yīng)引起的變形已經(jīng)完成,仍有一定的時(shí)間效應(yīng)引起的變形,由于一次支護(hù)較強(qiáng)的約束,30 d內(nèi)圍巖變形速率小于0.1 mm/d。所以,對(duì)于流變效應(yīng)較大的圍巖,采用剛度較大的格柵拱架噴混凝土支護(hù)限制時(shí)效變形是必要的。否則,仍需要采用早襯砌措施提供抗力來(lái)限制這種變形,避免造成大的危害。
一般地講,一次支護(hù)和二次混凝土襯砌之間仍有一定的徑向接觸壓力,對(duì)于流變效應(yīng)較大的圍巖,一次支護(hù)在工程初期發(fā)揮了重要的作用,二次混凝土襯砌對(duì)隧洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也起到必不可少的作用。
1)根據(jù)初設(shè)階段提供的地質(zhì)條件、沿線的地層巖性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行要求,進(jìn)行專門的施工期和運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),定期適時(shí)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作,并根據(jù)地質(zhì)條件變化,及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)布置。
2)為了確保隧洞施工安全,防止圍巖失穩(wěn),杜絕塌方事故,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“短進(jìn)尺、勤監(jiān)測(cè)、快支護(hù)”的原則。
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