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        涌水隧道穿越邊墻破碎帶施工關鍵技術探討

        2020-11-16 08:09:04許世輝
        四川建筑 2020年5期
        關鍵詞:圍巖施工

        許世輝

        (四川路航建設工程有限責任公司,四川成都 610045)

        隨著川西地區(qū)高速公路持續(xù)發(fā)展勢頭,多以隧道穿越復雜地質(zhì)條件的崇山峻嶺,通常伴有滑坡、涌突水、涌突泥、巖爆、瓦斯帶、巖溶、軟弱破碎帶、斷層等復雜的不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)。在穿越斷層破碎帶類不良地質(zhì)段時,可采取逐段敷設長管棚超前支護、逐段超前預注漿后開挖等方式進行處治,以改善開挖支護環(huán)境,但超前長管棚主要用于隧道拱部處治,超前預注漿雖可對隧道全斷面注漿加固,但因注漿量大、成本高而往往不能得到采用。因此,在隧道開挖過程中,遇到邊墻部位圍巖破碎易坍塌時,需要采用注漿加固、提高支護參數(shù)和增強鋼拱架鎖腳等措施方法,在斷層富水破碎地段加固邊墻時,還需要設置泄水管實施有目的地分散排水,緩解圍巖富水壓力,降低隧道施工安全風險。

        1 工程概況及難點

        飛仙關特長隧道位于雅(安)康(定)高速公路K19+715~K24+655段,全長4 949 km。隧道進口位于雅安市雨城區(qū),出口位于天全縣。隧道所在項目位于四川盆地西南部,是青藏高原與四川盆地的過渡地帶,沿線屬低山山地,區(qū)內(nèi)溝谷縱橫,山巒起伏,地形切割較強烈,多成“V”型谷,谷底至岸頂高差變化較大,屬構造剝蝕中低山地貌。隧址區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風氣候,年平均氣溫15.1~16.2 ℃,年平均降雨量1 250~1 750 mm。周邊水系含青衣江、滎經(jīng)河、天全河。隧道最大埋深799 m,涌水段位于C7標段右線隧道出口K23+690~K23+708,洞身圍巖以弱風化粉砂巖﹑細砂巖為主,偶夾薄層泥巖。

        飛仙關隧道出口段初見涌水量高達15×104~16×104m3/d,接近設計峰值0.46×104m3/d的35倍,遠超地勘預估量,經(jīng)過近4個月的持續(xù)衰減后,涌水量降至3×104~4×104m3/d。在采取了側(cè)導坑引水、初支換拱、施作長管棚等處治工法后,掌子面滿足帶水作業(yè)條件。涌水段掘進過程中發(fā)現(xiàn),特大涌水后,由于高應力釋放和重分布導致右線隧道左邊墻圍巖擠壓破碎(圖1),下臺階開挖時揭露了出水通道,邊墻部位圍巖坍空且有股狀涌水流出,常規(guī)方式安裝初支鋼拱架不能自穩(wěn),邊墻破碎帶極易發(fā)生坍塌,開挖支護難度較大。

        圖1 邊墻破碎帶示意

        2 邊墻破碎帶處治技術應用

        2.1 下臺階邊墻預注漿加固

        2.1.1 預留下臺階巖體

        隧道涌水段采用三臺階開挖,下臺階施工時預留部分巖體暫不開挖(圖2),預留長度(隧道縱向)為下臺階縱向開挖長度,預留寬度(隧道橫斷面)約1~2 m,預留巖體對邊墻部分施加一個反向推力,防止過早出現(xiàn)臨空面,邊墻部位應力集中,圍巖發(fā)生擠壓變形破壞。

        圖2 下臺階預留巖體、小導管注漿示意

        2.1.2 小導管預注漿加固

        在預留巖體保持穩(wěn)定時,對邊墻破碎帶采用圍巖預注漿的工藝,是一個有效的加固手段。單層注漿小導管在預留巖體部位豎向打入3根,斜向下方約11 °,間距1 m,小導管長4.5 m,直徑42 mm,壁厚4 mm,前端呈尖錐形,管壁上每隔10 cm交錯鉆眼,眼孔直徑為8 mm,打入圍巖部分2.8~3.5 m。由于單液漿(純水泥漿)凝結(jié)時間長,動水條件下結(jié)石率低且注漿量大,所以選用水泥-水玻璃雙液漿。采用KBY30/120注漿泵進行注漿作業(yè),水泥漿與水玻璃體積比1∶0.8,水玻璃濃度35 °Be′,水玻璃模數(shù)2.6,注漿壓力初壓0.5~1.0 MPa,終壓2.0 MPa。

        在實際施工過程中發(fā)現(xiàn),在工作壓力下注漿速率偏大(超過20 L/min),且較長時間后未明顯降低。下臺階開挖后發(fā)現(xiàn)圍巖后方裂隙發(fā)育,仍然存在出水通道,大部分漿液被急流帶走,預注漿加固效果不理想,未達到施工預期。

        2.2 排水鎖腳樁

        經(jīng)過技術攻關,發(fā)明了鋼管排水鎖腳樁,同時兼具排水和鎖腳功能,對穿越斷層富水破碎帶類不良地質(zhì)段的隧道拱墻初期支護進行加固和排水降壓(圖3)。

        圖3 鋼管排水鎖腳樁結(jié)構立面

        2.2.1 鋼管排水鎖腳樁結(jié)構設計

        鋼管排水鎖腳樁樁身及排水部分由錨固鋼管和內(nèi)嵌的排水鋼管、注漿管、架線環(huán)、內(nèi)堵頭板、外封頭板和集水孔等組成(圖4)。鎖腳樁、鋼拱架分別同定位塊焊接,并通過I16上下型鋼縱梁將其連接范圍內(nèi)的鋼拱架、鋼管排水鎖腳樁等串連成一個剛性整體,提高對上方初期支護的承載能力。

        圖4 加強型鋼管排水鎖腳樁結(jié)構示意

        臺階法開挖隧道過程中,完成上一級臺階的初期支護后,開挖下一級臺階時拱墻背的圍巖發(fā)生松動坍塌,將容易導致開挖段上方已形成的初期支護失穩(wěn)破壞,當采用加強型鋼管排水鎖腳樁將上方初期支護連接成整體后,開挖下一臺階時再輔以短進尺開挖支護工法,能夠有效避免這種失穩(wěn)破壞,降低施工安全風險(圖5)。

        圖5 加強型鋼管排水鎖腳樁大樣

        2.2.2 施工工藝

        (1)鉆孔工作面處置:邊墻破碎帶上方初期支護時預留工作坑洞,尺寸以能滿足定位塊安裝和正常鉆孔施工為準;未預留時,可用人工破拆工作面范圍內(nèi)的噴射混凝土及鋼筋的方式形成工作坑洞。

        (2)樁位放樣:用卷尺和拉線等量測工具在拱墻背圍巖表面確定鎖腳樁孔位,并用鐵釘或紅油漆等作明顯標識。

        (3)安裝定位塊:在鋼拱架上安裝定位塊,為便于校正,先將定位塊底板與鋼拱架點焊連接,再將側(cè)板與底板、鋼拱架分別焊接,最后將定位塊滿焊接在鋼拱架上,施工中防止其變形移位,板平面與鎖腳樁設計軸線垂直;定位塊占用既有初期支護中的鋼筋位置時,將鋼筋與定位塊焊接固定。

        (4)鉆孔:采用錨固鉆機鉆孔,根據(jù)孔位準確安裝固定鉆機,精確調(diào)整機位;將錨固鋼管套入定位塊孔內(nèi)并抵緊圍巖,用偏心鉆具跟管鉆至孔底,再用鉆機退出錨固鋼管至設計錨固位置,形成集水孔。

        (5)安裝注漿及排水裝置:①焊接排水鋼管和內(nèi)堵頭板,鋼管進水口穿出內(nèi)堵頭板約0.2 m,管軸線與內(nèi)堵頭板板面保持垂直;②制作架線環(huán),并將其和注漿管、排水鋼管用扎絲綁扎固定,注漿管的出漿口距離內(nèi)堵頭板0.2~0.3 m;③將O形止水圈嵌套于內(nèi)堵頭板外緣凹槽處,為防止止水圈脫落,可采用防水膠粘貼固定,然后將上述裝置緩緩送入錨固鋼管內(nèi);④安裝外封頭板,并與錨固鋼管、排水管分別滿焊連接。

        (6)焊接鎖腳樁:將錨固鋼管與拱架上的定位塊焊接形成整體,需要時可用8 mm厚梯形加勁板將鋼管外壁和定位塊之間按豎向一字型或豎向、橫向十字型焊接加強。

        (7)填補工作坑洞:用混凝土摻加適量速凝劑填平工作坑洞,施工時避免混凝土堵塞管口。

        (8)錨固段注漿:①連接注漿管、止?jié){閥和壓漿機;②選用水泥+水玻璃雙液漿注漿,注漿采用孔底返漿的方式,初始注漿壓力宜控制在0.5~1.0 MPa,至排氣孔口溢出新鮮漿液時用木塞或堵頭封堵排氣口,終壓宜控制在2.0 MPa,并持壓5 min后關閉止?jié){閥。

        (9)鋼管排水鎖腳樁縱梁安裝:依次安裝上下型鋼縱梁,型鋼縱梁與錨固鋼管之間的縫隙處用鋼墊板墊塞并焊接成整體,型鋼縱梁與鋼拱架之間焊接后再用加勁鋼板焊接加強。

        (10)工后下一級臺階開挖方法:施工完成鋼管排水鎖腳樁后,開挖下一級邊墻部位時,采用短進尺開挖工法并采取措施減弱對邊墻處的圍巖擾動,一次開挖不宜超過3榀拱架寬度,開挖后充分清除破碎巖體及虛渣,超挖量較大時采用M10漿砌片石回填密實或補注漿處理,也可采用模筑混凝土填充密實,充分利用鎖腳樁和新做的邊墻支護提高隧道初期支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        3 結(jié)束語

        在圍巖預注漿條件不理想情況下,用較大直徑鋼管替代 常用的鋼筋錨桿和注漿小導管鎖腳,其強度更高、剛度更大,通過注漿法固結(jié)周邊圍巖和鎖定樁體,利用鎖腳樁提高對上方圍巖和初期支護的承載能力,在樁內(nèi)設置的排水管道,具有排放裂隙水,緩解圍巖富水壓力的功能,實施后效果良好。在隧道穿越富水斷層破碎帶類不良地質(zhì)段時,采用鋼管排水鎖腳樁可以實現(xiàn)同時加固拱墻初期支護和排水降壓的功能,降低富水破碎帶隧道施工的安全風險。

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