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        隧道新奧法施工要點分析

        2014-08-06 08:51:08趙利利
        城市道橋與防洪 2014年6期
        關(guān)鍵詞:巖體錨桿巷道

        趙利利

        (北京鑫暢路橋建設(shè)有限公司,北京市 101101)

        0 前言

        新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱,該概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲 (L.V.RABCEW ICZ)教授于上世紀50年代提出的。它是以隧道工程施工經(jīng)驗和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ),將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的一種施工方法。經(jīng)過一些國家的許多實踐和理論研究,于上世紀60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個方法在西歐、北歐,美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展,已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標志之一。上世紀60年代新奧法被介紹到我國,70年代末80年代初得到迅速發(fā)展。至今,可以說在所有重點、難點的地下工程中都離不開新奧法〔2〕。新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。新奧法施工可以簡單地概括為:短進尺、弱爆破、早支護、勤量測〔2〕。

        下面僅對新奧法施工作一簡要敘述。

        1 施工特點

        1.1 及時性

        新奧法施工采用噴錨支護為主要手段,可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工,因此可以利用開挖施工面的時空效應(yīng),限制支護前的變形發(fā)展,阻止圍巖進入松動的狀態(tài),在必要的情況下可以進行超前支護,加之噴射混凝土的早強和全面粘結(jié)性,因而保證了支護的及時性和有效性。

        在巷道爆破后立即噴射混凝土支護,能有效地制止巖層變形的發(fā)展,并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護的承載,增強了巖層的穩(wěn)定性。

        1.2 封閉性

        由于噴錨支護能及時施工,而且是全面密粘的支護,因此能及時有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落,制止膨脹巖體的潮解和膨脹,保護原有巖體強度。

        巷道開挖后,圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫,加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫,隨時都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當噴射混凝土支護以較高的速度射向巖面,就能很好地充填圍巖的裂隙和凹穴,大大提高了圍巖的強度(提高圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角)。同時,噴錨支護起到了封閉圍巖的作用,隔絕了水和空氣同巖層的接觸,使裂隙充填物不致軟化、解體,從而增強圍巖的穩(wěn)定。

        1.3 粘結(jié)性

        噴錨支護同圍巖能全面粘結(jié),這種粘結(jié)作用可以產(chǎn)生3種作用:

        (1)聯(lián)鎖作用,即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起。若圍巖的某塊危巖、活石發(fā)生滑移墜落,則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng),相繼喪失穩(wěn)定,從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開巷后如能及時進行噴錨支護,其粘結(jié)力和抗剪強度是可以抵抗圍巖的局部破壞,防止個別危巖、活石滑移和墜落,從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

        (2)復(fù)和作用,即圍巖與支護構(gòu)成一個復(fù)合體(受力體系)共同支護圍巖。噴錨支護可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力,同時與圍巖形成了一個共同工作的力學(xué)系統(tǒng),具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用,從根本上改變了支架消極承擔的弱點。

        (3)增加作用,即開巷后及時進行噴錨支護,一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平,消除因巖面不平引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,避免過大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞;另一方面,使巷道周邊圍巖達到雙方向受力狀態(tài),提高了圍巖的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角,也就是提高了圍巖的強度。

        1.4 柔性

        噴錨支護屬于柔性薄層支護,能夠和圍巖緊粘在一起共同作用。由于噴錨支護具有一定柔性,可以和圍巖共同產(chǎn)生變形,在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū),并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展,使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面,噴錨支護在與圍巖共同變形中受到壓縮,對圍巖產(chǎn)生越來越大的支護反力,能夠抑制圍巖產(chǎn)生過大變形,防止圍巖發(fā)生松動破壞。

        2 理論及施工要點

        2.1 新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別

        傳統(tǒng)方法認為巷道圍巖是一種荷載,應(yīng)用厚壁混凝土支護松動圍巖。而新奧法認為圍巖是一種承載機構(gòu),構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護結(jié)構(gòu)(以噴射混凝土、錨桿為主要手段)并使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)來承受壓力,并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定性,而不致松動破壞。

        新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分,因此,施工時應(yīng)盡可能全斷面掘進,以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動,并采用光面爆破、微差爆破等措施,減少對圍巖的震動,以保全其整體性。同時注意巷道表面盡可能平滑,避免局部應(yīng)力集中。

        新奧法將錨桿、噴射混凝土適當進行組合,形成比較薄的襯砌層。即用錨桿和噴射混凝土來支護圍巖,使噴射層與圍巖緊密結(jié)合,形成圍巖-支護系統(tǒng),保持兩者的共同變形,故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。

        2.2 保護巷道圍巖自身的承載能力

        新奧法施工在巷道開挖后采取了一系列綜合性措施:構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水;選擇合理的斷面形狀尺寸;給支護留變形余量;開巷后及時做好支護、封閉圍巖等。這些都是為保護巷道圍巖的自身承載能力,使圍巖的擾動影響控制在最小范圍內(nèi),并加固圍巖,提高圍巖強度,使其與人工支護結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。

        2.3 允許圍巖有一定量的變形

        允許圍巖有一定變形的施工方法,有利于發(fā)揮圍巖的固有強度。同時巷道的支護結(jié)構(gòu),也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量,以緩和巷道壓力。

        2.4 施工過程中量測工作的特殊性

        由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性、施工條件的復(fù)雜性,以及對工程設(shè)計參數(shù)的精確要求,需要通過許多量測手段,在施工過程中對圍巖動態(tài)和支護結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行監(jiān)測,并用監(jiān)測結(jié)果修改初步設(shè)計,指導(dǎo)施工。

        量測的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設(shè)計的依據(jù),因而能夠預(yù)見事故和險情,以便及時采取措施,防患于未然提高施工的安全性。

        綜上所述,新奧法的支護原則是:圍巖不僅是載物體,而且是承載結(jié)構(gòu);圍巖承載圈和支護體組成巷道的統(tǒng)一體,是一個力學(xué)體系;巷道的開挖和支護都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)的。

        3 主要支護手段與施工順序

        新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護為主要支護手段。因錨桿噴射混凝土支護能夠形成柔性薄層,與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護結(jié)構(gòu),允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形,而不使支護結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。

        施工順序可以概括為:開挖→一次支護→二次支護,見圖1所示。

        圖1 開挖順序示意圖

        3.1 開挖

        開挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括:鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等[3]。開挖作業(yè)與一次支護作業(yè)同時交叉進行。為保護圍巖的自身支撐能力,一次支護工作應(yīng)盡快進行。為了充分利用圍巖的自身支撐能力,開挖應(yīng)采用光面爆破(控制爆破)或機械開挖,并盡量采用全斷面開挖。地質(zhì)條件較差時可以采用分塊多次開挖。一次開挖長度應(yīng)根據(jù)巖質(zhì)條件和開挖方式確定,即:當巖質(zhì)條件好時長度可大一些,條件差時長度可小一些;在同等巖質(zhì)條件下,分塊多次開挖長度可大一些,全斷面開挖長度要小一些;一般在中硬巖中長度約2~2.5 m,在膨脹性地層中為0.8~1.m[2]。

        3.2 支護作業(yè)

        作業(yè)內(nèi)容包括:一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土。

        保險合同履行階段,主要是根據(jù)保險合同相關(guān)約定及時足額的繳納保險費用,并履行合同的各項約定。避免出險后,發(fā)現(xiàn)未按合同約定繳足保費,而對后續(xù)的理賠工作帶來不必要的麻煩。

        在巷道開挖后,應(yīng)盡快噴1層混凝土(3~5 mm)。為爭取時間,在較松散的圍巖掘進中第1次支護作業(yè)是在開挖的渣堆上進行的,待把未被渣堆覆蓋的開挖面的一次噴射混凝土完成后再出渣。

        按一定系統(tǒng)布置錨桿,加固深度圍巖,在圍巖內(nèi)形成承載拱,由噴層、錨桿及巖面承載拱構(gòu)成外拱,起臨時支護作用,同時又是永久支護的一部分。復(fù)噴后應(yīng)達到設(shè)計厚度(一般為10~15 mm),并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。

        完成第1次支護的時間非常重要,一般情況應(yīng)在開挖后圍巖自穩(wěn)時間的二分之一時間內(nèi)完成。目前的施工經(jīng)驗是松散圍巖應(yīng)在爆破后3 h內(nèi)完成,主要由施工條件決定〔1〕。

        在地質(zhì)條件非常差的破碎帶或膨脹性地層(如風(fēng)華花崗巖)中開挖巷道,為了延長圍巖的自穩(wěn)時間,給一次支護爭取時間和安全的作業(yè)面,需要在開挖工作面的前方圍巖進行超前支護(預(yù)支護),然后再開挖。

        在安裝錨桿的同時,在圍巖和支護中埋設(shè)儀器或測點,進行圍巖位移和應(yīng)力的現(xiàn)場測量。依據(jù)測量得到的信息來了解圍巖的動態(tài),以及支護抗力與圍巖的相適應(yīng)程度。

        一次支護后,在圍巖變形趨于穩(wěn)定時,進行第二次支護和封底,即永久性的支護(或是補噴射混凝土、澆注混凝土內(nèi)拱),以起到提高安全度和整個支護承載能力增強的作用,而此支護時機可以由監(jiān)測結(jié)果確定。

        底板不穩(wěn)、底鼓變形嚴重,必然牽動側(cè)墻或使頂部支護不穩(wěn),所以應(yīng)盡快封底,以形成封閉式的支護,謀求圍巖的穩(wěn)定。當整個支護系統(tǒng)完全封閉并與巷道圍巖緊密地結(jié)合在一起時,來自圍巖的壓力則均勻地分布在整圈支護系統(tǒng)上。

        4 適用范圍及注意事項

        4.1 適用范圍

        (1)具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體;

        (2)弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖;

        (3)強風(fēng)化的巖石;

        (4)剛塑性的黏土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r;

        (5)堅硬黏土,也有帶堅硬夾層的黏土;

        (6)微裂隙的,但含很少黏土的巖體;

        (7)在很高的初應(yīng)力場條件下,堅硬的和可變堅硬的巖石。

        4.2 注意事項

        (1)上述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合:

        a.有強烈地壓顯現(xiàn)的巖體;

        b.膨脹性巖體(要與仰拱與底部錨桿相配合);

        c.在一些松散巖體中,要與鋼背板配合;

        d.在蠕動性巖體中,要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合。

        (2)在下列場合中應(yīng)用應(yīng)慎重:

        a.大量涌水的巖體;

        b.由于涌水會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖;

        c.極為破碎,錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體;

        d.開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。

        5 體會

        (1)實施不僅要求有良好的施工組織和管理,也要求技術(shù)人員和量測人員都十分熟練,沒有這一點就易于發(fā)生錯誤。作業(yè)質(zhì)量與每一個人的仔細操作有關(guān)。

        (2)開挖暴露出的地質(zhì)會立即改變其狀態(tài),因此要求地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場,以便發(fā)現(xiàn)問題。

        (3)對干噴射帶來的灰塵,以及化學(xué)藥品的損害必須加強防護,尤其是對眼睛的防護,濕噴雖然可以避免此缺點,但在同樣條件下,不如干噴那樣能有效地支護巖體。

        另外,若圍巖過于破碎,分層情況嚴重時,鋼拱架從下到上的支撐過程就有一定的局限性,特別是當不能采用全斷面開挖時缺點就更為明顯,所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況酌情適當改變。例如:采用鋼格柵支撐結(jié)構(gòu),分段連接,最后在仰拱處閉合,就可以較好地解決問題;同時,利用鎖腳錨桿將鋼格柵在起拱點處與圍巖鎖緊,與整個圍巖緊密地連接在一起,達到整體受力、有序傳力的施工效果。該措施能夠更好地降低安全風(fēng)險,確保安全施工。

        不可否認,新奧法也存在不少缺點,不過經(jīng)過工程技術(shù)人員和科技工作者的共同努力一定可以把新奧法不斷完善,在我國的現(xiàn)代化建設(shè)進程中發(fā)揮更加重要的作用。

        [1]周愛國.隧道工程現(xiàn)場施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004:30-70.

        [2]范智杰.隧道施工與檢測技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2006:1-20.

        [3]公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

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