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        城市淺埋大斷面隧道穿越不良地質(zhì)施工技術(shù)探討

        2018-11-09 07:06:34高吉才
        城市道橋與防洪 2018年10期
        關(guān)鍵詞:圍巖施工

        高吉才

        (徐州市城市管理局,江蘇 徐州 221018)

        0 引言

        近年來,城市多車道大斷面隧道所占的比例越來越多,這些隧道跨度及施工難度大,尤其當(dāng)隧道穿越淺埋地段時(shí),施工方法不當(dāng)可能導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滑坡、坍塌、襯砌開裂變形等病害,影響隧道結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性及使用性。

        徐州市黃河路貫通工程拖龍山隧道最大開挖斷面寬19.5 m,高13.0 m,隧道埋深2.4~37.2 m。地層和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在坍塌和冒頂風(fēng)險(xiǎn),因此,加強(qiáng)施工技術(shù)措施研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

        1 工程概況

        徐州市黃河路為新建城市主干道,采用隧道工程穿越拖龍山。隧道埋深為2.4~37.2 m,最大開挖斷面寬度為19.5 m,高度為13.0 m,左右線最小線間距5.05 m,長(zhǎng)約470 m,屬淺埋、大斷面、小凈距巖質(zhì)短隧道。隧址區(qū)主要以中風(fēng)化灰?guī)r及角礫巖為主,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖交替,且洞身段穿越F1斷裂帶,斷裂帶內(nèi)為角礫巖,泥質(zhì)膠結(jié),巖體破碎,裂隙發(fā)育,巖質(zhì)疏松,圍巖穩(wěn)定性差。物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        表1 拖龍山隧道巖石參數(shù)表

        2 隧道穿越不良地質(zhì)總體施工方案

        施工時(shí)由進(jìn)口端向出口端單向掘進(jìn),按新奧法原理組織施工,進(jìn)、出口端洞口淺埋段采用超前大管棚超前支護(hù),同時(shí)采用CRD法進(jìn)洞及出洞;洞內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,Ⅳ級(jí)圍巖段采用CRD法。Ⅴ級(jí)圍巖地段以機(jī)械開挖為主,當(dāng)必須爆破時(shí),堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的原則,采用微震動(dòng)控制爆破。Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí),每進(jìn)尺1~1.2 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉;Ⅳ級(jí)圍巖地段CRD法開挖時(shí),每進(jìn)尺1.6~1.8 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉;不管是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖還是CRD法開挖,在開挖過程中均設(shè)置有臨時(shí)仰拱及臨時(shí)支撐。

        為減少隧道左、右洞施工過程中的相互不利影響,右洞先行進(jìn)洞,左洞滯后2個(gè)月進(jìn)洞,同時(shí)后行洞掌子面滯后于先行洞二次襯砌不小于30 m。

        施工中嚴(yán)格控制掌子面、初期支護(hù)、仰拱及二次襯砌之間的距離。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掌子面距初期支護(hù)封閉位置的距離小于25 m,掌子面距二次襯砌的距離小于40 m;CRD法掌子面至初期支護(hù)封閉位置的距離小于35m,掌子面至二次襯砌的距離小于50 m。隧道每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于1倍鋼架間距,仰拱每開挖進(jìn)尺不大于3 m。

        施工中將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為一項(xiàng)工序納入施工組織與管理,起到指導(dǎo)施工的作用。在施工過程中必須通過圍巖與支護(hù)的變形和圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、噴射混凝土內(nèi)力等應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)原設(shè)計(jì)予以修正。

        3 隧道穿越不良地質(zhì)的超前支護(hù)方案

        3.1 洞口淺埋段超前大管棚支護(hù)

        為防止隧道洞口拱頂巖層坍塌和地表下沉,采用超前大管棚支護(hù),該方法具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)能夠承載較大的上部荷載;(2)可以起到加固巖體和止水作用;(3)可以減少預(yù)支護(hù)循環(huán)次數(shù),加快施工進(jìn)度;(4)能夠通過專項(xiàng)導(dǎo)向儀精確控制管棚鋼管鋪設(shè)的軌跡線,確保管棚鋼管按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè),有利于控制隧道施工時(shí)的開挖量,減少施工成本;(5)施工效率比較高,大幅度地減少隧道開挖過程中輔助時(shí)間,提高施工效率[1]。

        隧道進(jìn)口端40 m、出口端25 m范圍內(nèi)分別采用超前大管棚輔助進(jìn)洞及出洞。大管棚采用自行式鉆灌一體機(jī)施作,管棚布置如圖1所示,按設(shè)計(jì)在隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置φ108 mm(t=6 mm)長(zhǎng)管棚超前支護(hù),其環(huán)向間距40 cm,外插角1~3°。

        圖1 洞口淺埋段管棚布置圖

        超前大管棚由鋼花管和鋼管交錯(cuò)布置組合而成,施工時(shí)先打設(shè)鋼花管并注漿,然后打設(shè)鋼管,以便檢查鋼花管的注漿質(zhì)量。鋼管及鋼花管在專用的管床上加工好絲扣,鋼花管四周應(yīng)鉆設(shè)孔徑10~16 mm注漿孔(靠孔口110 cm處的棚管不鉆孔),孔間距11 cm,呈梅花型布置。

        大管棚注漿時(shí),為防止串漿,鉆完孔后,隨即安裝該孔鋼管并注漿,然后再進(jìn)行下一孔施工。水泥漿液的水灰比控制在1∶1,注漿初壓力為0.5~2.0 MPa,終壓力為2.0~2.5 MPa,注漿結(jié)束后用M10水泥砂漿填充,以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。注漿從低向高進(jìn)行,漿液由稀到濃,一般單管達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量作為注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2 超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)

        超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)可以穩(wěn)定掌子面前方的巖體,控制圍巖開挖松弛、崩塌和拱頂沉降。超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)具有以下優(yōu)點(diǎn):小導(dǎo)管注漿的方式比較簡(jiǎn)單,機(jī)械設(shè)備常見,總體費(fèi)用較經(jīng)濟(jì);對(duì)隧道其他施工工序影響較小,能適應(yīng)隧道施工的窄小環(huán)境;小導(dǎo)管注漿加固巖體效果明顯,能有效控制隧道變形,具有良好的止水效果[1]。

        拖龍山隧道施工過程中穿越斷層破碎帶時(shí)隧道拱頂120°范圍內(nèi)設(shè)置雙層超前小導(dǎo)管,穿越IV級(jí)圍巖段時(shí)隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置單層超前小導(dǎo)管。雙層超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3 m,縱向間距3 m,外插角為40°和5~10°交錯(cuò)布置,采用外徑φ50 mm,壁厚5 mm,長(zhǎng)5 m的無縫鋼管;單層超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.4 m,縱向間距3 m,外插角為5~10°,采用外徑φ42 mm,壁厚3.5 mm,長(zhǎng)4.5 m的無縫鋼管。施工中利用小導(dǎo)管向地層注漿。注漿漿液采用水灰比1∶1的水泥漿,注漿壓力控制在0.5~1.0 MPa。

        4 隧道穿越不良地質(zhì)的開挖支護(hù)方案

        不管是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖還是CRD法開挖,拖龍山隧道在開挖過程中均設(shè)置臨時(shí)仰拱和臨時(shí)支撐。臨時(shí)仰拱和臨時(shí)支撐能有效緩解支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂,減少隧道圍巖變形,保證隧道施工過程中的安全和質(zhì)量。

        4.1 Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)

        隧道穿越V級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,采用弱爆破及機(jī)械開挖。爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。詳見圖2和圖3雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖。

        圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工橫斷面示意圖

        4.2 施工步驟:

        (1)開挖①部,同時(shí),每進(jìn)尺1.0~1.2 m,掌子面噴8 cm厚混凝土封閉。

        (2)施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),架立鋼架(包括導(dǎo)坑的臨時(shí)鋼架及臨時(shí)仰拱),設(shè)置鎖腳鋼管。

        (3)鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

        (4)按步驟1開挖施工②③④⑤⑥部,先后噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

        (5)兩臺(tái)階法施工第⑦、⑧部。

        (6)噴8 cm厚混凝土封閉掌子面。

        (7)導(dǎo)坑底部安設(shè)鋼架封閉成環(huán),復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

        (8)灌筑Ⅸ部仰拱,待砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,逐步拆除臨時(shí)鋼架。

        (9)灌筑Ⅹ部隧底填充。

        (10)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析,待變形收斂后或根據(jù)需要,利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌筑Ⅺ部二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

        圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工平面示意圖

        4.2 Ⅳ級(jí)圍巖CRD法開挖支護(hù)

        隧道穿越IV級(jí)圍巖段采用CRD法施工。開挖時(shí)采用弱爆破,爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。詳見圖4和圖5交叉中隔壁(CRD)法施工工序圖。

        圖4 CRD法施工橫斷面示意圖

        圖5 CRD法施工平面示意圖

        4.3 施工步驟:

        (1)利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道主體結(jié)構(gòu)超前支護(hù)。

        (2)分臺(tái)階開挖①、②、③部,同時(shí),逐步施作導(dǎo)坑周邊的主體結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)、中隔壁臨時(shí)支護(hù)及臨時(shí)仰拱,初噴混凝土,架立隧道鋼架和接長(zhǎng)臨時(shí)鋼架,鉆設(shè)徑向系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

        (3)分臺(tái)階開挖④、⑤、⑥部,除中隔壁部分臨時(shí)鋼架已施工完畢外,其余步驟均與①、②、③部施工工序相同。

        (4)仰拱開挖每循環(huán)進(jìn)尺不超過3 m。開挖完成后以最快的速度完成仰拱二襯施工。

        (5)灌筑該段內(nèi)Ⅷ部仰拱填充,需待仰拱填充砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方能拆除此段的中隔壁臨時(shí)支撐。

        (6)上述步驟逐步循環(huán),并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析,待初期支護(hù)收斂后,利用襯砌模板臺(tái)車一次灌筑Ⅸ部二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

        隧道在穿越Ⅴ級(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖段時(shí)分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法開挖。開挖過程中的初期支護(hù)參數(shù)如表2所示。

        表2 初期支護(hù)主要參數(shù)表

        5 監(jiān)控量測(cè)與對(duì)比分析

        監(jiān)控量測(cè)是隧道新奧法施工的重要環(huán)節(jié),拖龍山隧道監(jiān)控量測(cè)主要包括拱頂下沉、凈空收斂和地表下沉,洞內(nèi)拱頂下沉和凈空收斂布置在同一斷面,沿縱向布置。Ⅴ級(jí)圍巖段,每10 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)及3條凈空收斂觀測(cè)線;Ⅳ級(jí)圍巖段,每20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)及4條凈空收斂觀測(cè)線。

        地表沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)與拱頂下沉及凈空收斂量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)。橫斷面方向由隧道中線向兩側(cè)隧道范圍內(nèi)每2~3 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),推測(cè)滑移線范圍內(nèi)其它測(cè)點(diǎn)按照3~5 m間隔布設(shè)。

        經(jīng)歸納整理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù),得出隧道在穿越不良地質(zhì)施工過程中地表沉降最大斷面的累積沉降量為18 mm,拱頂下沉最大斷面的累積沉降量為19.2 mm,凈空收斂最大斷面的累計(jì)變化值為16.9 mm,均能滿足規(guī)范要求。

        6 結(jié)論與建議

        淺埋、大斷面隧道在穿越不良地質(zhì)施工時(shí),洞口淺埋段采用超前大管棚支護(hù),洞內(nèi)不良地質(zhì)段采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù),雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法開挖支護(hù)設(shè)置的臨時(shí)支護(hù)和臨時(shí)仰拱,可有效的控制隧道的收斂和拱頂沉降及地表下沉。施工過程中的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明拱頂下沉、水平收斂及地表沉降均處于穩(wěn)定狀態(tài),且施工過程中均未出現(xiàn)初期支護(hù)開裂、洞頂覆蓋層塌陷等安全、質(zhì)量問題,充分說明隧道在穿越不良地質(zhì)過程中所采用的施工技術(shù)措施合理可行,方案安全可靠。

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