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        復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧洞進(jìn)洞方案設(shè)計與施工

        2017-11-15 04:47:13毅馳
        四川水利 2017年5期
        關(guān)鍵詞:圍巖施工

        ,, ,毅馳

        (中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽,550081)

        復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧洞進(jìn)洞方案設(shè)計與施工

        李志偉,秦曉亮,張濤,張毅馳

        (中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽,550081)

        水利工程中經(jīng)常遇到復(fù)雜條件下隧洞進(jìn)洞難問題,由于洞口圍巖風(fēng)化嚴(yán)重,承載力較差,再加上降水等不利因素,隧洞進(jìn)洞方案非常關(guān)鍵?;诎踩h(huán)保理念,本文提出“明洞暗進(jìn)”隧洞進(jìn)洞方案,相比傳統(tǒng)方案,該方案降低了施工難度、減少了土石開挖、縮短了施工工期,有效地解決了隧洞進(jìn)洞難問題,對類似工程有借鑒意義。

        隧洞 復(fù)雜地形 明洞暗進(jìn) 水利工程

        1 引言

        水利工程中隧洞洞口處的地質(zhì)、地形條件往往較差,埋深較淺,圍巖風(fēng)化嚴(yán)重,圍巖承載能力差,所以,隧洞進(jìn)洞方案非常關(guān)鍵。隨著社會的發(fā)展,我國的設(shè)計理念相比以前有所轉(zhuǎn)變,設(shè)計人員堅持“最大限度的保護(hù)、最小程度的破壞、最強(qiáng)力度的恢復(fù)”的原則,使隧洞工程與自然環(huán)境相和諧[1]。

        傳統(tǒng)的進(jìn)洞方案主要為明挖方案和半明半暗隧洞方案。明挖方案即將洞口不良地質(zhì)仰坡開挖、防護(hù),待地形條件滿足進(jìn)洞要求時進(jìn)洞,明挖方案形成高邊坡,對邊坡的開挖破壞原山體的自然環(huán)境,再加上防護(hù)不及時、降水等因素的影響,很可能導(dǎo)致開挖邊坡坍塌,雖然明挖方案的造價較低,但其對山體自然環(huán)境破壞較大,因此隧洞進(jìn)洞方案已基本不采用這種大填大挖方案;半明半暗隧洞方案主要優(yōu)點(diǎn)是開挖量少,對山體破壞小,可有效控制臨時邊坡高度,保證山體穩(wěn)定,但是,其施工的工序較多,工期較長。

        根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)特點(diǎn),隧址洞口地形條件復(fù)雜,為避免安全事故發(fā)生,減少自然環(huán)境破壞,且滿足工期要求,本文提出一種基于安全、環(huán)保理念的進(jìn)洞方案。

        2 隧洞進(jìn)洞設(shè)計方案

        洞口受風(fēng)化、卸荷作用影響,掛口區(qū)域巖體裂隙發(fā)育、完整性較差,地基承載力較差[2],可以考慮采用明洞暗進(jìn)方案。其主要特點(diǎn)是施工工序少,操作簡單,安全性高,對原山體基本無破壞作用,同時采用明洞段和管棚措施,確保了暗洞開挖時山體的穩(wěn)定,特別是在較破碎的全、強(qiáng)風(fēng)化的圍巖段,效果非常明顯。

        2.1 明洞暗進(jìn)方案

        明洞暗進(jìn)方案,解決了復(fù)雜地形條件下隧洞進(jìn)洞施工難問題。洞口邊坡設(shè)置擋墻,并在進(jìn)洞前修建一段明洞,形成整體的支擋結(jié)構(gòu),明洞穿過擋墻直抵洞口邊坡,擋墻及明洞對復(fù)雜地形邊坡起到保護(hù)作用,為確保洞口段開挖安全,沿拱頂布置一排大管棚超前支護(hù)。該方案結(jié)構(gòu)如下圖所示。

        圖1 隧洞掛口正視

        圖2 明洞段縱剖面

        圖3 外側(cè)擋墻縱剖面

        2.2 施工步驟

        隧洞進(jìn)洞方案主要包括擋墻、明洞段和管棚,擋墻緊貼山體邊坡,擋墻分2次澆筑,明洞外側(cè)擋墻先澆筑,并預(yù)留外側(cè)擋墻與明洞結(jié)合處的插筋,與明洞相交內(nèi)側(cè)擋墻后澆筑,明洞段施工不宜一次性開挖,應(yīng)錯開挖槽施工,確保復(fù)雜地形條件下邊坡的安全。隧洞進(jìn)洞方案采用明洞暗進(jìn)方案,與傳統(tǒng)的明挖方案和半明半暗隧洞方案相比降低了施工難度、減少了土石開挖、縮短了施工工期。

        施工步驟如下:

        (1)首先澆筑明洞外側(cè)擋墻,每倉澆筑前對倉面進(jìn)行鑿毛處理,確保擋墻結(jié)合完整,預(yù)留外側(cè)擋墻與明洞結(jié)合處的插筋;

        (2)明洞段內(nèi)側(cè)洞壁挖槽,土石開挖棄渣回填外側(cè)未開挖邊坡處壓腳,澆筑該側(cè)明洞段洞壁;

        (3)明洞段外側(cè)洞壁挖槽,澆筑該側(cè)明洞段洞壁;

        (4)明洞段兩側(cè)洞壁施工完成后,澆筑明洞拱頂和與明洞相交內(nèi)側(cè)擋墻;

        (5)明洞段內(nèi)部掏槽開挖,澆筑底板,明洞段及擋墻施工完成后,掛口位置管棚開始施工,最后隧洞開始進(jìn)洞。

        3 隧洞進(jìn)洞安全分析

        保證洞口段安全進(jìn)洞,是整座隧洞順利掘進(jìn)的前提。由于洞口的圍巖地質(zhì)條件較差,采用管棚進(jìn)行超前支護(hù),管棚強(qiáng)度是否達(dá)到要求是隧洞進(jìn)洞方案成敗的關(guān)鍵。結(jié)合某工程隧洞的明洞暗進(jìn)進(jìn)洞方案,本文介紹一種校核管棚強(qiáng)度的方法。

        3.1 圍巖基本情況

        某隧洞進(jìn)、出口邊坡巖體主要為薄~中厚層砂巖、粉砂巖,下部為(含)炭質(zhì)粉砂巖、泥巖,受構(gòu)造影響,掛口區(qū)域巖層倒轉(zhuǎn)傾向上游,且由于傾倒作用而傾角變緩,巖層整體緩傾洞內(nèi),掛口區(qū)域巖體裂隙發(fā)育、完整性較差,巖體為Ⅳ類圍巖。根據(jù)地質(zhì)提供的地層參數(shù),重度γ=26kN/m3;內(nèi)摩擦角φ=38°;隧洞寬度B=8.89m;隧洞高度H=6.65m;隧洞埋深hm=0~21m;地面荷載q=0;粘聚力c=5kPa。為確保洞口段開挖安全,沿拱頂104.43°范圍布置一排大管棚超前支護(hù),35根直徑φ108mm鋼管,壁厚8mm,長20m,環(huán)向間距30cm,外插角1°~3°;掛口點(diǎn)內(nèi)側(cè)管棚洞段20m范圍內(nèi)鋼支撐加密為0.5m,鋼支撐之間設(shè)聯(lián)系筋Φ22,間距0.5m。

        3.2 管棚強(qiáng)度校核

        由于管棚僅為隧洞超前支護(hù),后期主要由C25鋼筋混凝土襯砌承載,因此計算時僅考慮施工工況,其計算模型簡化如圖4所示。Ⅳ類圍巖洞身段施工主要步驟:①上臺階開挖,上臺階初期支護(hù);②下臺階開挖,下臺階兩邊墻處初期支護(hù),底板襯砌,全斷面邊墻及拱部二次襯砌。頂拱部位開挖臺階高度約h=2.0m。

        圖4 管棚強(qiáng)度計算模型

        (1)管棚最不利受力段長度L

        式中各參數(shù)如圖4所示。

        (2)圍巖壓力及管棚最大彎矩計算

        管棚在鋼支撐上,鋼支撐看作為鉸支座,管棚計算簡化為多跨梁計算模型,模型如圖5。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》圍巖壓力計算公式[3],經(jīng)計算,單根鋼管所承受的圍巖壓力分別為:q5=44.12kN/m;q4=41.16kN/m;q3=40.36kN/m;q2=39.06kN/m;q1=38.12kN/m。

        圖5 管棚計算模型

        圖中:節(jié)點(diǎn)之間荷載按線性分布;1~5表示節(jié)點(diǎn)編號;0.5、1.97表示單元長度;(1)~(4)表示單元編號。

        經(jīng)計算,管棚彎矩圖如圖6所示。

        圖6管棚彎矩圖

        從彎矩圖中可知,管棚最大彎矩Mmax=15.34kN·m。

        (3)管棚強(qiáng)度校核

        隧洞鋼管選用φ108×8,間距30cm。鋼管材料選用Q345b,鋼管的屈服強(qiáng)度[σs]=345/1.111=310MPa。鋼管采用無縫鋼管,鋼管內(nèi)注M30水泥砂漿。計算不考慮鋼管內(nèi)注漿。由材料力學(xué)可知,鋼管抗彎截面模量公式如下:

        式中:D——鋼管外徑,D=108mm;

        d——鋼管內(nèi)徑,d=108-8×2=92mm;

        經(jīng)計算鋼管抗彎截面模量W=58.52cm3。

        4 結(jié)論

        (1)明洞暗進(jìn)隧洞進(jìn)洞方案與傳統(tǒng)方案相比,降低了施工難度、減少了土石方開挖、縮短了施工工期,該方案優(yōu)點(diǎn)顯著,能夠有效地解決復(fù)雜地形地質(zhì)條件隧洞進(jìn)洞難問題;

        (2)通過管棚強(qiáng)度校核對隧洞進(jìn)洞安全分析,結(jié)果表明,管棚強(qiáng)度滿足要求,隧洞進(jìn)洞方案能夠滿足安全性要求;

        (3)該方案采用明洞段及擋墻支護(hù),隧洞掛口位置拱頂布置管棚,降低隧道掘進(jìn)風(fēng)險,該方案已成功應(yīng)用于工程中,對類似工程有一定借鑒意義。

        〔1〕張雙茁.偏壓地形條件下隧道進(jìn)洞方案設(shè)計[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(01):59-63.

        〔2〕龐小沖,袁永新.復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道進(jìn)洞方案研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2016(02):189-192.

        〔3〕重慶交通科研設(shè)計院主編,公路隧道設(shè)計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004.

        〔4〕楊 曌.特殊地質(zhì)地段隧道進(jìn)洞方案研究[D].湖北:華中科技大學(xué),2013.

        〔5〕徐俏東.隧道明洞暗做法在特殊環(huán)境下的應(yīng)用[J].上海鐵道科技,2011(01):85-87.

        〔6〕姜同虎,霍三勝,葉 飛,等.淺埋軟弱破碎圍巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011(03):117-122.

        〔7〕楊立波.復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道進(jìn)洞施工技術(shù)[J].山西建筑,2012(03):180-181.

        TV554

        B

        2095-1809(2017)05-0061-03

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