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        淺埋軟巖公路隧道開挖施工技術(shù)優(yōu)化措施

        2021-07-28 02:40:04
        設(shè)備管理與維修 2021年12期
        關(guān)鍵詞:軟巖鋼架臺階

        張 平

        (中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司,遼寧沈陽 110136)

        0 引言

        公路工程項(xiàng)目中,隧道是通過特殊地形的重要結(jié)構(gòu)形式,但受圍巖特性等方面的影響,易在施工期間出現(xiàn)質(zhì)量問題[1]。鑒于此,需以公路隧道圍巖的實(shí)際情況為立足點(diǎn),梳理施工流程,合理應(yīng)用施工技術(shù),兼顧安全、質(zhì)量、效益等多重要求。

        1 工程概況

        昆明(福德立交)—宜良高速公路(昆石復(fù)線)建設(shè)于云南省東南部,是區(qū)域內(nèi)的重要溝通“渠道”,可連接呈貢、宜良兩地,為昆明至石林的高速公路系統(tǒng)中不可或缺的部分。沿線地形地勢復(fù)雜,橋隧比較高,隧道施工期間常遇到淺埋軟弱圍巖,開挖等環(huán)節(jié)的施工難度較大。

        2 不良地質(zhì)

        2.1 巖溶

        (1)分布區(qū)域。本項(xiàng)目沿線的碳酸鹽地層較為豐富,經(jīng)鉆探后采集資料,確定巖溶的主要分布范圍以及具體情況,見表1。

        表1 巖溶分布范圍及具體情況

        (2)巖溶對公路建設(shè)的影響。對于存在溶蝕裂隙的斜坡,該處的巖石穩(wěn)定性欠佳,存在較大規(guī)模的危巖體,受施工的擾動性影響,容易導(dǎo)致該處發(fā)生滑塌等事故,安全隱患多。在巖溶發(fā)育處施工時易受到地表水和地下水的影響,巖溶塌陷的覆蓋范圍逐步擴(kuò)寬,隧道的涌水突泥發(fā)生概率較高。

        2.2 特殊性巖土

        以軟土為主,具體包含淤泥和淤泥質(zhì)土兩類,厚度較小,便于處理,因此不會對正常施工造成過多的干擾。

        3 淺埋軟巖公路隧道的開挖工藝

        陽宗隧道采取的是進(jìn)出口對向施工的方式,共形成12 個作業(yè)面;在徐家莊隧道工程中依然采取相同的施工方式,作業(yè)面數(shù)量為4 個。基于明挖法展開隧道明洞的施工作業(yè),基于新奧法完成暗洞部分的施工。軟弱圍巖地質(zhì)條件特殊,應(yīng)減小開挖進(jìn)尺和加強(qiáng)測量與控制。兩隧道的正洞左右線進(jìn)出口均存在一定程度的V 級圍巖淺埋偏壓斷和斷層破碎帶,以實(shí)際地質(zhì)情況為立足點(diǎn),開挖環(huán)節(jié)的可選對象有CD(Center Diaphragm,中隔壁)法和核心土法;V 級圍巖淺埋段可選方法為三臺階法和核心土法;Ⅲ級圍巖為兩臺階法。

        遇地質(zhì)條件欠佳的施工段時,以機(jī)械開挖的方式為主,特殊區(qū)域可采取小規(guī)模的淺眼松動爆破方式。洞身段分布較多的Ⅲ、IV 級圍巖,該部分以光面弱爆破技術(shù)較合適,隨開挖作業(yè)的推進(jìn),期間及時采取支護(hù)措施,營造安全的施工環(huán)境[2]。

        3.1 三臺階開挖

        (1)上臺階開挖。完成拱部超前支護(hù)作業(yè)后組織開挖作業(yè),以隧道開挖輪廓線為基準(zhǔn),按環(huán)向開挖的方式操作,從而形成上臺階。支護(hù)采用鋼架結(jié)構(gòu),根據(jù)不同地質(zhì)條件調(diào)整數(shù)量,Ⅴ級圍巖1 榀、Ⅳ級圍巖2 榀;布設(shè)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿,拌制混凝土并噴射到位。

        (2)中臺階開挖。每循環(huán)2 榀鋼架,開挖成型后隨即初噴混凝土,形成3~5 cm 的混凝土層,再架設(shè)鋼架;布設(shè)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿,拌制混凝土并噴射到位。

        (3)下臺階開挖。此環(huán)節(jié)施工方式與中臺階相同,此處不再贅述。

        (4)隧道仰拱開挖。以圍巖實(shí)際情況合理調(diào)整方法,圍巖穩(wěn)定性較好時可采取仰拱和下臺階同步開挖的方式;遇較為松散的圍巖時,出于安全層面的考慮需單獨(dú)開挖。

        3.2 三臺階法

        (1)開挖作業(yè)以弱爆破的方式為宜,為確保施工安全,需嚴(yán)格控制炮眼深度和裝藥量。

        (2)對于存在超前支護(hù)的情況,應(yīng)利用先前架立的鋼架施作,再組織開挖。(3)適時應(yīng)用鎖腳小導(dǎo)管,目的在于維持下臺階的穩(wěn)定性。(4)臺階開挖期間,單次作業(yè)長度以8~10 m 為宜,隨開挖作業(yè)的持續(xù)推進(jìn),待第3 步臺階開挖后及時跟進(jìn)仰拱。

        (5)施工期間的細(xì)節(jié)較多,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)檢測,根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷施工情況,明確洞身是否具有穩(wěn)定性,給支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)[3]。

        (6)臨時仰拱應(yīng)設(shè)置到位,以達(dá)到提高穩(wěn)定性的效果,必要時可增設(shè)鋼架,加強(qiáng)防護(hù)。

        4 FLAC 3D 數(shù)值模擬的方法

        4.1 模型建立

        鑒于隧道出口V 級圍巖淺埋段施工條件較為特殊的情況,將該處作為模擬對象。此處僅考慮二次襯砌的工藝參數(shù),以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型。為減小其他因素的干擾,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)做出簡化操作,將其視為具有均質(zhì)等厚特點(diǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu),模型總長25 m。創(chuàng)建摩爾-庫倫模型,橫斷面為放射狀網(wǎng)格,數(shù)量約700 個,縱向25 個網(wǎng)格,總單元量為17500 個,具體情況如圖1 所示。

        圖1 開挖過程中隧道內(nèi)部模型

        4.2 模擬方法

        以二次襯砌的參數(shù)為準(zhǔn),展開關(guān)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的建模工作,暫未考慮其他方面的影響,以便于模擬及分析。在開挖作業(yè)的擾動性影響下,圍巖存在變形現(xiàn)象,此處重點(diǎn)考慮的是拱頂和仰拱兩部分,分析各自的位移量。每完成一次開挖后隨即布設(shè)位移測點(diǎn)。

        5 數(shù)值模擬結(jié)果及具體分析

        5.1 模擬結(jié)果

        以三臺階法和CD 法為淺埋軟巖開挖的主要施工工藝,確定各方法下各監(jiān)控點(diǎn)的豎向位移量,具體內(nèi)容見表2、表3。

        表2 三臺階開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移

        表3 CD 法開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移

        結(jié)合表中內(nèi)容展開分析:無論采取何種方法,拱頂沉降最大值的發(fā)生區(qū)域均一致,即監(jiān)測點(diǎn)1 處,具體情況為三臺階法15.60 mm、CD 法10.40 mm,前者更大;從仰拱隆起最大值的角度來看也具有一致性,即監(jiān)測點(diǎn)8 處,各自的結(jié)果為三臺階法18.30 mm、CD 法12.90 mm,前者更大。

        5.2 結(jié)果分析及方法選擇

        (1)在某特定的橫斷面中,兩種方法開挖后產(chǎn)生的仰拱隆起量均較大(相較于拱頂沉降)。通過與淺埋軟巖隧道支護(hù)應(yīng)用特點(diǎn)的對比分析可知,具有一致性,即符合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

        (2)取先開挖區(qū)和新挖區(qū)兩個區(qū)域并分別確定各自的位移量,由此求得差值??梢园l(fā)現(xiàn):在應(yīng)用CD 法時該差值較小,而三臺階法所產(chǎn)生的差值較大,意味著CD 法開挖后并不會對圍巖造成過多的影響,圍巖可維持較穩(wěn)定的狀態(tài),且支護(hù)結(jié)構(gòu)長期處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),雖然后期存在變形但幅度較小。

        (3)結(jié)合位移云圖展開關(guān)于圍巖位移衰減的分析,可知CD法所產(chǎn)生的衰減速度較快,圍巖的后期穩(wěn)定性表現(xiàn)較佳。

        (4)在相同監(jiān)測點(diǎn)處,應(yīng)用CD 法后支護(hù)結(jié)構(gòu)雖然存在豎向位移但較微弱,而三臺階法則更為明顯,意味著CD 法開挖所造成的擾動性影響較小,更有利于維持支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

        (5)經(jīng)上述多角度的對比分析后可知,CD 法更具可行性,經(jīng)開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性較佳。

        6 結(jié)束語

        本文以淺埋軟巖公路隧道為背景,通過建模的方式對CD法和三臺階法的應(yīng)用效果展開分析。從支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的角度考慮,均以CD 法更為可行,開挖期間圍巖所受影響較小,支護(hù)結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定,綜合應(yīng)用效果明顯優(yōu)于三臺階法。因此,在淺埋軟巖地質(zhì)環(huán)境下可以將CD 法作為優(yōu)先選擇對象,但在后續(xù)的工程實(shí)踐中依然需視實(shí)際情況合理優(yōu)化施工技術(shù),切實(shí)提高其應(yīng)用水平。

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