馬云飛
(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 石家莊 050043)
燒鍋隧道項(xiàng)目位于承德市雙灤區(qū)燒鍋村的山丘地段,隧道全長1 100m,全隧道單向縱坡1.2%,最大埋深76.5m。洞區(qū)地面標(biāo)高為370~460m,地質(zhì)構(gòu)造為小型的帶狀陸相盆地堆積,以中侏羅世晚期的類磨拉斯建造為主,產(chǎn)狀平緩,地層有第四系覆蓋層。隧道所在山體巖性主要為侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖,紫紅色,礫狀結(jié)構(gòu),顆粒支撐膠結(jié),中厚層~巨厚塊狀構(gòu)造,巖石中礫石成份以安山巖為主并伴有熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋巖、硅質(zhì)巖及粘土巖等。
根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]及國際慣用方法,項(xiàng)目組確定采用Q值分級(jí)法對(duì)隧道圍巖進(jìn)行現(xiàn)場分級(jí),并依據(jù)確定的圍巖級(jí)別對(duì)隧道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[2]。
Q系統(tǒng)分級(jí)法主要參考圍巖結(jié)構(gòu)、完整性和應(yīng)力情況及其對(duì)應(yīng)的6個(gè)參數(shù),通過公式計(jì)算得到Q值,每一個(gè)Q值都反映所在掌子面處的圍巖情況,為了更具有代表性,Q值可以是一個(gè)范圍。Q系統(tǒng)分級(jí)方法能給圍巖的好壞賦于一個(gè)數(shù)值,使圍巖分級(jí)的結(jié)果更接近實(shí)際的地質(zhì)情況。Q值按如下公式計(jì)算:
式中:Q為N.Barton巖質(zhì)評(píng)定系數(shù);RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jn為巖體組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度;Ja為節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為節(jié)理水折減系數(shù);SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。式 中 第 一 個(gè) 商 數(shù) RQD/Jn表示巖體完整性;第二個(gè)商數(shù)Jr/Ja表示結(jié)構(gòu)面形態(tài),充填物特征及次生變化程度;第三個(gè)商數(shù)Jw/SRF表示水與應(yīng)力存在時(shí)對(duì)巖體質(zhì)量的影響。
Q系統(tǒng)分級(jí)法將圍巖分為異常壞到異常好9個(gè)級(jí)別,對(duì)應(yīng)Q值的范圍為0.001~1 000,巖體變形系數(shù)分為3級(jí)(0.05~50GPa)、抗剪強(qiáng)度分為2個(gè)級(jí)別(0.1~20MPa)。根據(jù)計(jì)算得到的掌子面的Q值和工程的跨度、高度以及安全要求等指標(biāo)結(jié)合在一起就可以在Q系統(tǒng)的支護(hù)圖表[3]中查到該處的支護(hù)設(shè)計(jì)建議。由此,通過現(xiàn)場的圍巖分級(jí)可以將施工、調(diào)查、設(shè)計(jì)優(yōu)化有機(jī)地結(jié)合在一起。
由于Q系統(tǒng)分級(jí)法主要側(cè)重于對(duì)圍巖的完整性的考察,即結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況,同時(shí)也考慮到地下水滲透和地應(yīng)力的影響,結(jié)果通過具體的數(shù)值表示,與國內(nèi)公路隧道圍巖分級(jí)相比,其結(jié)果較為直觀?,F(xiàn)場確定每個(gè)參數(shù)的值,通過公式計(jì)算得到Q值。
公路隧道作為道路工程永久性構(gòu)筑物,應(yīng)避免隧道圍巖日久風(fēng)化和水的侵蝕,產(chǎn)生松弛、掉塊、坍塌以至于圍巖失穩(wěn),危急行車安全;建成后能適應(yīng)長期運(yùn)營的需要,所以隧道設(shè)計(jì)中的優(yōu)化支護(hù)是十分必要的。燒鍋隧道在實(shí)際施工中對(duì)每一處發(fā)生變化的圍巖都采用現(xiàn)場Q值分級(jí)法對(duì)圍巖進(jìn)行現(xiàn)場分級(jí),并根據(jù)現(xiàn)場確定的圍巖級(jí)別對(duì)原有支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確保質(zhì)量和安全。
2.1.1 里程K1+350處Q值分級(jí)
(1)掌子面巖體整體性一般,RQD=50~60。
(2)掌子面發(fā)育有2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(1組層面和1組陡傾角節(jié)理)和隨即節(jié)理,Jn=6。
(3)節(jié)理面基本上平直、光滑,局部起伏,取Jr=1~1.5。
(4)層面間沒有軟質(zhì)和低摩擦系數(shù)的粘土礦物覆蓋,層間結(jié)合較好;節(jié)理夾有泥砂狀物質(zhì),基本閉合,取Ja=4。
(5)掌子面干燥,Jw=1。
重視效率這一視角目前已經(jīng)達(dá)成共識(shí),它也是我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展和努力方向,為了達(dá)成這一目標(biāo),就需要從2個(gè)方面采取措施,第一是提高數(shù)據(jù)挖掘和深度應(yīng)用能力,即使擁有全數(shù)據(jù),如果沒有處理分析能力,效率提升也無從談起,因此要開展農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與分析模型系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究,掌握人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)建模、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)。第二是需要農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)人才,也就是懂得用大數(shù)據(jù)技術(shù)和思維去解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的難題。第三是調(diào)動(dòng)激發(fā)相關(guān)公司企業(yè)的研發(fā)力量,它們對(duì)市場的嗅覺靈敏,重視研發(fā)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,重視實(shí)際效果,相比較政府,公司企業(yè)在提升大數(shù)據(jù)效率方面有很大的優(yōu)勢。
(6)有軟弱層,隧道埋深大于50m,SRF=2.5。
由公式計(jì)算得:Q=0.83~1.50。
因此該掌子面圍巖為差,定為IV級(jí)圍巖。
2.1.2 里程K1+770處Q值分級(jí)
(1)掌子面巖體整體性以及強(qiáng)度都比較高,RQD=65。
(2)掌子面發(fā)育有2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(1組層面和1組陡傾角節(jié)理)和隨即節(jié)理,Jn=6。
(3)層間厚度絕大部分在0.6~1.0m之間,局部薄層在0.2~0.3m之間;節(jié)理面基本上平直、光滑,局部起伏,取Jr=1~1.5。
(4)層面結(jié)合性較好,層面間局部有軟質(zhì)和低摩擦系數(shù)的粘土礦物覆蓋;節(jié)理夾有泥砂狀物質(zhì),張開度為1~3m,取Ja=4。
(5)掌子面干燥,Jw=1。
(6)有軟弱層,隧道埋深大于50m,SRF=2.5。
由公式計(jì)算得:Q=1.08~1.63。
因此該掌子面圍巖為差到一般,定為IV級(jí)。
2.1.3 圍巖定級(jí)
依據(jù)Q值分級(jí)法,現(xiàn)場確定燒鍋隧道該2段圍巖級(jí)別為IV級(jí)。
根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及相關(guān)規(guī)范,為方便施工,在不改變隧道界限的條件下,對(duì)燒鍋隧道的原設(shè)計(jì)V級(jí)隧道圍巖支護(hù)方式作如下優(yōu)化。
(1)開挖尺寸由12.32m降為12.20m。
(2)取消原有設(shè)計(jì)中格柵鋼架。
(3)為加強(qiáng)錨固,錨桿長度由3.5m變?yōu)?.0 m,間距也由1.2m降至1.0m。
(4)將原有的水泥砂漿錨桿改為早強(qiáng)水泥藥包錨桿,并在端頭加設(shè)托板以增強(qiáng)錨固。
(5)C20噴射混凝土厚度由20cm改為15 cm,預(yù)留變形由7cm降為4cm。
(6)為了方便施工,提高超挖回填部分的密實(shí)度,改善圍巖受力條件,超挖部分由C25S6防滲混凝土改為C20噴射混凝土。見圖1。
圖1 燒鍋隧道IV級(jí)圍巖復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)圖(優(yōu)化)
采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工后,及時(shí)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行了監(jiān)控和量測,通過觀測數(shù)據(jù)表明圍巖穩(wěn)定,支護(hù)結(jié)構(gòu)受力符合要求。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),保證了隧道工程質(zhì)量,避免了不必要的施工浪費(fèi),有效地降低了施工成本,加快了施工進(jìn)度。
由于隧道設(shè)計(jì)階段的圍巖分級(jí)與實(shí)際施工時(shí)的實(shí)際情況差異往往很大,如果照圖施工可能會(huì)出現(xiàn)如下兩種情況:①實(shí)際圍巖質(zhì)量比設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)的好,因此設(shè)計(jì)支護(hù)的強(qiáng)度與剛度要比實(shí)際需要的支護(hù)強(qiáng),就會(huì)造成施工的浪費(fèi);②實(shí)際圍巖質(zhì)量比設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)的差,因此設(shè)計(jì)支護(hù)的強(qiáng)度與剛度要比實(shí)際需要的支護(hù)弱,就會(huì)不安全,有可能出現(xiàn)塌方甚至造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失,并影響工期。因此采用隧道圍巖Q值分級(jí)法對(duì)圍巖進(jìn)行快速現(xiàn)場分級(jí)后,依據(jù)分級(jí)情況進(jìn)一步優(yōu)化相應(yīng)的隧道支護(hù)設(shè)計(jì),大大彌補(bǔ)了在設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘探資料與實(shí)際地質(zhì)情況之間的差距所造成的支護(hù)設(shè)計(jì)不盡完善的缺點(diǎn),對(duì)隧道施工及時(shí)提出了改進(jìn)建議,從而減少了不必要的浪費(fèi)與損失,同時(shí)也大大降低了隧道施工的風(fēng)險(xiǎn),避免了以上2種情況的發(fā)生,推進(jìn)了圍巖分級(jí)與隧道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)進(jìn)步,取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
[1]JTG70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社.2004.
[2]閆莫明,徐禎祥,姜自洪.巖土錨固技術(shù)手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.
[3]靜天文,江玉生,李 曉.公路隧道圍巖分類與支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社.2006.