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        公路隧道洞口變形侵界處理方法

        2013-01-18 12:45:04于海龍
        山西建筑 2013年28期
        關(guān)鍵詞:拱架覆蓋層洞口

        于海龍 王 飛

        (安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,安徽合肥 230088)

        0 引言

        在山區(qū)修建高速公路隧道工程的過(guò)程中,常遇到一些不利于隧道施工的地質(zhì)情況,如隧道洞口段的淺埋、偏壓、巖溶等現(xiàn)象。在隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中,由于各種因素的影響都可能發(fā)生土石坍塌、坑道受壓、支撐變形、襯砌結(jié)構(gòu)斷裂等施工問(wèn)題,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量,甚至對(duì)以后安全運(yùn)營(yíng)造成威脅。因此,如何處理隧道在不良地質(zhì)條件下施工中出現(xiàn)的問(wèn)題有著重要的意義。

        1 工程地質(zhì)概況

        佛嶺隧道為分離式單向雙車道,隧道左線長(zhǎng)3 704 m,里程樁號(hào)ZK24+459~ZK28+163,隧道左線進(jìn)口端洞口位于山谷斜坡坡腳位置,隧道入口處坡向朝北,山坡自然坡度較陡,上覆角礫土層厚約0.5 m~2.0 m,洞門巖石為砂巖與泥巖巖組,洞門以后夾薄層花崗閃長(zhǎng)巖。砂巖與泥巖巖組呈薄~中厚層狀構(gòu)造,花崗閃長(zhǎng)巖呈塊狀構(gòu)造,但巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,強(qiáng)度較低,遇水易軟化,整體穩(wěn)定性差。另外,在隧道進(jìn)口處有一斷裂破碎帶,與路線在洞口處斜交,該斷裂破碎帶較寬,在地貌上表現(xiàn)為沖溝,第四系覆蓋層較厚。隧道進(jìn)口處受斷裂破碎帶影響,巖石破碎,因此成洞條件較差,圍巖易產(chǎn)生坍塌、冒頂。

        2 洞口變形情況及原因分析

        2.1 洞口變形情況

        佛嶺隧道施工中遇連續(xù)下雨,隧道左線洞口上、中導(dǎo)開(kāi)挖及初期支護(hù)完成了200多米,下導(dǎo)半斷面開(kāi)挖、支護(hù)完成了17 m。在后序仰拱緊跟的施工過(guò)程中,由于強(qiáng)降雨天氣影響,隧道洞口地表滲水嚴(yán)重,泥漿從洞內(nèi)初期支護(hù)背后滲流出來(lái),洞口段初期支護(hù)橫向發(fā)生急劇變形,并造成山體沉陷變形開(kāi)裂,產(chǎn)生了大范圍地表沉降裂縫(見(jiàn)圖1)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和施工人員測(cè)量復(fù)核分析,隧道左線ZK24+475~ZK24+487段埋深只有2.0 m~4.5 m,該段初期支護(hù)橫向變形達(dá)1.2 m,地表沉降變形達(dá)0.8 m(見(jiàn)圖2),支護(hù)已經(jīng)嚴(yán)重變形侵限,ZK24+487~ZK24+525段初期支護(hù)收斂變形較大,噴射混凝土開(kāi)裂脫落,部分鋼拱架裸露,其中ZK24+487~ZK24+510初期支護(hù)輪廓線已經(jīng)有不同程度侵限,二襯施工厚度已不能滿足要求。ZK24+475~ZK24+515段地表覆蓋層已經(jīng)松動(dòng)開(kāi)裂,地表橫向裂縫長(zhǎng)度達(dá)19.0 m,對(duì)后面山體覆蓋層穩(wěn)定性有一定影響。

        2.2 原因分析

        2.2.1 氣候降雨影響

        由于隧道埋深淺,在施工期間遇到連續(xù)降雨,雨水滲透快,地表覆蓋層巖體受降水侵蝕后,產(chǎn)生濕陷及飽和流塑狀態(tài),在短時(shí)間內(nèi)減弱甚至喪失了原巖的承載和自穩(wěn)能力,洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)由承載體轉(zhuǎn)換為受壓體,側(cè)向壓力、上部土壓力荷載急劇增大。初期支護(hù)背后泥巖巖體及覆蓋層內(nèi)碎石土體受雨水侵蝕風(fēng)化,已經(jīng)崩塌裂解,發(fā)生流變現(xiàn)象,支護(hù)背后形成空洞現(xiàn)象。另外,隧道洞口段沉陷變形發(fā)生期間遇到強(qiáng)降雨天氣,洞口積水較嚴(yán)重短時(shí)間內(nèi)無(wú)法排出。

        圖1 洞口段地表沉降開(kāi)裂

        圖2 洞內(nèi)初期支護(hù)嚴(yán)重變形侵限

        2.2.2 地質(zhì)狀況影響

        據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,隧道洞口出露的地層為角礫土層,下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和砂巖巖組,隧道洞口斷裂面巖層不一致,左側(cè)地質(zhì)條件差,巖體破碎,結(jié)構(gòu)松散,屬軟弱地層,圍巖自穩(wěn)、承載能力有限,而右側(cè)為整體性好的石質(zhì)巖層。據(jù)此判斷,該處屬地層構(gòu)造帶,巖層接觸面較明顯,左右側(cè)地質(zhì)不對(duì)稱為后面滑塌變形創(chuàng)造了條件。另外,隧道支護(hù)基礎(chǔ)巖層為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖與泥巖巖組,吸水后基礎(chǔ)承載力降低,容易喪失穩(wěn)定性。

        2.2.3 施工工藝因素

        在施工過(guò)程中,洞口下導(dǎo)坑已經(jīng)開(kāi)挖成形,仰拱錨噴支護(hù)施工作業(yè)已完成,襯砌鋼筋已經(jīng)綁扎,仰拱混凝土沒(méi)有及時(shí)澆筑,形成支護(hù)拱架懸空的局面。地表覆蓋層沉降變形過(guò)大,加上洞口地形的不利影響,覆蓋層巖體沉降對(duì)拱架擠壓,造成拱架橫向變形過(guò)大。由于支護(hù)拱架之間通過(guò)縱向連接鋼筋形成整體受力狀態(tài),洞口ZK24+475~ZK24+487段初期支護(hù)變形延伸至后面,導(dǎo)致ZK24+475~ZK24+515段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在很短的時(shí)間內(nèi)呈不同程度的變形破壞。

        3 變形處理技術(shù)方案

        3.1 處理方案依據(jù)

        根據(jù)相關(guān)專家技術(shù)人員討論分析,在對(duì)洞口沉陷變形段加固處理時(shí),首先應(yīng)減小地表水的影響,洞口段地表沉降產(chǎn)生了大范圍的地表裂縫,加上降雨正持續(xù)進(jìn)行,需對(duì)已下沉的地表覆蓋層進(jìn)行覆蓋,避免雨水匯入沉陷變形巖體內(nèi),增大自重荷載。地表沉降裂縫應(yīng)采用黏土回填夯實(shí),避免雨水滲入,同時(shí)在裂縫區(qū)域周圍地表設(shè)置排水溝,引排地表水。其次,應(yīng)對(duì)洞口段圍巖采取注漿加固措施,改善巖層物理力學(xué)性能,提高其整體穩(wěn)定性;然后,對(duì)洞口段地表采取加固措施,避免松動(dòng)覆蓋層及后面山體滑塌。在地表覆蓋層穩(wěn)定后,根據(jù)隧道洞口ZK24+475~ZK24+525段初期支護(hù)具體變形情況以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件,選擇挖除或換拱方案。

        3.2 施工處理方案

        1)洞口ZK24+475~ZK24+487段埋深僅為2.0 m~4.5 m,該段地表沉降達(dá)0.8 m,洞內(nèi)初期支護(hù)拱架變形達(dá)1.2 m,采取換拱+注漿加固處理方案造價(jià)過(guò)高,施工難度較大,故將該段調(diào)整為明洞,將該段地表覆蓋層與洞內(nèi)已變形支護(hù)拆除,臨時(shí)邊坡采取噴錨+鋼筋網(wǎng)加固處理措施,噴射混凝土厚度為20 cm,錨桿采用φ22砂漿錨桿,長(zhǎng)度4.0 m,間距1.0 m×1.0 m,采用φ8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm。

        2)洞口ZK24+487~ZK24+525段地表覆蓋層為碎石土與強(qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖巖組,厚度為4.5 m~14.0 m,該段地表覆蓋層沉降變形較大,洞內(nèi)初期支護(hù)噴射混凝土開(kāi)裂脫落,部分鋼拱架裸露,洞內(nèi)支護(hù)收斂變形較大。為確保該段洞內(nèi)安全,對(duì)該段開(kāi)裂部位及裸露拱架進(jìn)行混凝土補(bǔ)噴,然后對(duì)覆蓋層巖體采取徑向小導(dǎo)管注漿加固處理措施,導(dǎo)管采用φ50 mm×5.0 mm注漿小導(dǎo)管,間距1.0 m×1.0 m,長(zhǎng)度6.0 m。

        3)洞口ZK24+487~ZK24+515段地表沉降變形過(guò)大,地表覆蓋層松動(dòng)破裂,整體穩(wěn)定性差,為避免該段與后面山體覆蓋層在施工過(guò)程中滑塌,對(duì)ZK24+487~ZK24+520段采取地表錨桿加固處理措施,錨桿采用φ25中空注漿錨桿,間距1.5 m×1.5 m,長(zhǎng)度采用4.0 m~6.0 m,錨桿間距和長(zhǎng)度可根據(jù)覆蓋層厚度進(jìn)行局部調(diào)整。

        4)洞內(nèi)ZK24+487~ZK24+510段初期支護(hù)變形較大,其支護(hù)輪廓線已經(jīng)侵入隧道限界,故對(duì)該段采取換拱方案。換拱時(shí)首先要做好套拱及超前管棚加固措施,然后再進(jìn)行拱架更換施工。

        3.3 施工工藝及工序

        在對(duì)洞口變形段加固處理時(shí),施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照“洞內(nèi)徑向小導(dǎo)管注漿加固—洞口段地表錨桿加固—洞口ZK24+475~ZK24+487段拆除—洞口套拱設(shè)置與超前管棚—洞內(nèi)侵界段換拱”的施工工序進(jìn)行施工。洞口ZK24+475~ZK24+487段拆除應(yīng)等地表覆蓋層穩(wěn)定后方可進(jìn)行,在施工過(guò)程中,對(duì)洞口ZK24+475~ZK24+487段已嚴(yán)重變形支護(hù)可增設(shè)臨時(shí)支撐等輔助措施,洞內(nèi)其他變形段也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置施工輔助措施,確保施工人員安全。

        在換拱施工時(shí),采用風(fēng)鎬鑿除原表層噴射混凝土,破除寬度滿足型鋼安裝空間要求即可,然后根據(jù)欠挖深度進(jìn)行深層鑿除,直至深度滿足設(shè)計(jì)凈空要求,截?cái)喙凹茼毑鸪牟课?,將已加工好的型鋼與原型鋼進(jìn)行焊接,并使用角鋼用于型鋼連接部位的加強(qiáng),同時(shí)將原設(shè)計(jì)的縱向連接鋼筋焊接于新安裝型鋼之上,加密布置新?lián)Q型鋼的縱向連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)片。拱架更換工作完成后檢查新?lián)Q型鋼的牢固性,滿足要求后,重新采用人工持風(fēng)鎬破除下一榀需要換拱位置之間的混凝土,施工方法相同,兩榀新?lián)Q型鋼安裝完成后,破除舊型鋼之間巖面凸出的噴射混凝土,滿足設(shè)計(jì)凈空要求后,將兩榀型鋼之間的縱向連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片連接,噴射混凝土,以此繼續(xù)進(jìn)行下一循環(huán)。

        4 施工中的問(wèn)題及解決措施

        4.1 存在的主要問(wèn)題

        1)在施工過(guò)程中,由于覆蓋層內(nèi)巖層裂隙水已飽和,初期支護(hù)背后空洞較多,漿液向空洞內(nèi)充填并不能對(duì)開(kāi)挖起到穩(wěn)定作用,注漿效果差,同時(shí)又造成浪費(fèi),如何防止?jié){液向空洞內(nèi)滲流也是注漿中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。洞內(nèi)施工時(shí)增設(shè)了臨時(shí)支護(hù),施工操作空間較小,操作困難,危險(xiǎn)系數(shù)大,為此調(diào)整為地表注漿。

        2)管棚孔的施鉆過(guò)程中,經(jīng)常碰到原始支護(hù)內(nèi)錨桿,存在卡鉆、掉鉆頭、退鉆與頂管困難等問(wèn)題,從而導(dǎo)致鉆孔成孔與下管極其困難。

        4.2 主要技術(shù)措施

        隧道地表塌陷較嚴(yán)重,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況分析,地表變形為沉降,裂縫延伸至地表覆蓋層1.0 m左右厚度范圍內(nèi),故采取了清除地表1.0 m厚的覆蓋層,采用噴射混凝土將地表覆蓋,避免降雨對(duì)洞口段影響,同時(shí)對(duì)地表采取注漿措施。管棚施設(shè)較困難,換拱必須配合管棚才能完成,根據(jù)管棚施工情況,在洞內(nèi)采取超前小導(dǎo)管配合換拱施工,確保施工安全。

        5 結(jié)語(yǔ)

        隧道洞口段一般埋深較淺,地質(zhì)條件差,施工開(kāi)挖時(shí)拱頂不穩(wěn)定的表現(xiàn)較明顯,一旦拱圈不能發(fā)揮應(yīng)有的作用,就會(huì)產(chǎn)生很大的松弛壓力。另外,由于隧道埋深淺,設(shè)計(jì)時(shí)按土體厚度計(jì)算的結(jié)構(gòu)荷載并不大,在此種情況下隧道更容易受地形、地質(zhì)、水文、降水、落石、地震等因素的影響。因此,隧道洞口段施工時(shí),由于支護(hù)結(jié)構(gòu)本身受力影響,再加上外部不利條件因素,洞周圍巖容易喪失原有的承載能力,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)短時(shí)間內(nèi)承受荷載突然增加,引起結(jié)構(gòu)的突然破壞。

        隧道洞口處在不良地段時(shí),在有條件的情況下,應(yīng)采取一些輔助工程措施,改善巖層物理力學(xué)性能,減小外部因素對(duì)洞口施工影響。在施工過(guò)程中,合理控制施工工法及工藝,盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)洞口段地表沉降觀測(cè)及洞內(nèi)支護(hù)收斂變形監(jiān)控措施,并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確保洞口施工安全。

        [1] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2002.

        [3] 劉志剛,趙 勇.隧道隧洞地質(zhì)施工技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

        [4] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

        [5] 李曉紅.隧道新奧法技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

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