王仁鵬
甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司,甘肅 蘭州 730030
隨著山區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加,隧道之間上跨或下穿逐漸成為普遍的工程現(xiàn)象,在下穿隧道施工時(shí),會(huì)引起周圍圍巖應(yīng)力重分布,繼而造成既有隧洞產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形,如果上下隧道之間的垂直距離較小,其影響就越大。如何確保下穿隧道的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營(yíng)安全,且不影響既有導(dǎo)水隧洞的安全運(yùn)行,是這類工程設(shè)計(jì)及施工中的重點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題,文章以S38線王夏高速公路達(dá)爾宗隧道下穿夏河縣蒲黃水電站的工程實(shí)例為例,分析了設(shè)計(jì)中采取的工程措施,以及施工中采用的技術(shù)手段的可行性,為解決類似工程問(wèn)題提供了參考。
S38線王夏高速達(dá)爾宗隧道在K9+627~ZK9+595處下穿夏河縣蒲黃電站導(dǎo)水隧洞,交叉角度為36°,導(dǎo)水隧洞底距公路隧道右線拱頂垂直距離為11.5m,導(dǎo)水隧洞底距公路隧道左線拱頂垂直距離為12.1m,導(dǎo)水隧洞寬2.7m,高3.0m,縱坡設(shè)計(jì)為1/1500,未襯砌,為無(wú)壓力隧洞。公路隧道為雙向四車道,建筑限界10.25m,高5.0m,開挖斷面面積為90m2,交叉長(zhǎng)度為60m,影響長(zhǎng)度約150m,為近接隧道工程,存在較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露,該段地層巖性為燕山期花崗閃長(zhǎng)巖,灰白色,中細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,層間結(jié)合一般,單軸飽和抗壓強(qiáng)度為48MPa,屬較堅(jiān)硬巖,巖體破碎,地下水不發(fā)育,圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí),由于既有導(dǎo)水隧洞經(jīng)歷施工爆破且運(yùn)營(yíng)了一定的時(shí)間,導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生了較多的裂隙,局部有掉塊現(xiàn)象[1]。
公路隧道在下穿段圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí),支護(hù)參數(shù)如下:初期支護(hù)噴射混凝土厚度為12cm,掛φ8mm鋼筋網(wǎng),間距為20cm×20cm,φ22mm水泥藥卷錨桿L=2.5m,間距為120cm(縱)×120cm(環(huán)),二次襯砌采用35cm厚的C30混凝土,交叉點(diǎn)前后75m采用徑向注漿封閉圍巖裂隙,注漿導(dǎo)管采用φ42mm×4mm無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)度為3.5m,環(huán)向間距為2.0m,縱向間距為1.8m,每環(huán)設(shè)計(jì)9根,注漿材料為水泥水玻璃雙液漿(添加水泥重量5%左右的水玻璃),水灰比為1∶1,注漿壓力為0.5~2.5MPa[2]。
對(duì)既有導(dǎo)水隧洞進(jìn)行襯砌,支護(hù)參數(shù)如下:初期支護(hù)噴射混凝土厚度為12cm,掛φ8mm鋼筋網(wǎng),間距為20cm×20cm,二次襯砌為30cm厚的C30混凝土,初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè)防水層,交叉點(diǎn)前后75m采用徑向注漿封閉圍巖裂隙,注漿導(dǎo)管采用φ42mm×4mm無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)度為2.0m,環(huán)向間距為0.5m,縱向間距為1.0m,每環(huán)13根,注漿材料為水泥水玻璃雙液漿(添加水泥重量5%左右的水玻璃),水灰比1∶1,注漿壓力為0.5~2.5MPa。注漿完成后,應(yīng)進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn),由于導(dǎo)水隧洞為無(wú)壓力隧洞,下穿段要求為防滲工程,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》,可采用如下公式計(jì)算出吸水量:
式中:ω為地層單位吸水量,L/(m2·min);Q為地層總吸水量,L;L為壓水試驗(yàn)段長(zhǎng),m;H為壓水壓力,m;t為試驗(yàn)時(shí)間,min。
根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算滲透系數(shù)k,當(dāng)k≤10~6cm/s時(shí),根據(jù)《水利水電工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50487—2008),認(rèn)為圍巖處于極微透水狀態(tài),對(duì)公路隧道及導(dǎo)水隧洞的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營(yíng)無(wú)影響,否則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿[3]。
根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中的相關(guān)規(guī)定,公路隧道爆破屬于地下淺孔爆破,頻率大于50Hz,對(duì)于水工隧洞安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為10~15cm/s,可根據(jù)下式計(jì)算振動(dòng)安全距離:
由式(2)可反算出一次起爆最大裝藥量,具體計(jì)算公式如下:
式(2)、式(3)中:V為允許最大震動(dòng)速,該工程取10cm/s;K、α分別為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),考慮到之前修建導(dǎo)水隧洞時(shí)爆破已對(duì)交叉段圍巖產(chǎn)生擾動(dòng),故該工程按中硬巖石取值,K取220、α取1.7;R為爆破振動(dòng)安全允許距離,該工程取公路隧道與導(dǎo)水隧洞之間的最小凈距為11.5m。
通過(guò)計(jì)算得出:公路隧道與導(dǎo)水隧洞交叉段距離為11.5m,單段最大爆破用藥量不超過(guò)6.5kg;公路隧道與導(dǎo)水隧洞交叉段距離為15m,單段最大爆破用藥量不超過(guò)14.5kg。
因公路隧道的縱坡為0.8%,縱坡較緩,故在交叉樁號(hào)K9+627~ZK9+595前后75m范圍內(nèi)公路隧道與導(dǎo)水隧洞最大垂直距離不超過(guò)15m,故交叉樁號(hào)前后30m單段最大起爆藥量需控制在6.50kg以下,剩余前后45m單段最大起爆藥量需控制在14.5kg以下。
隧道爆破對(duì)圍巖產(chǎn)生的振動(dòng)受圍巖強(qiáng)度、完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素的影響,爆破施工存在諸多不確定性,同時(shí)導(dǎo)水隧洞為毛洞,無(wú)襯砌,且公路隧道左洞襯砌邊界距右洞襯砌邊界寬約29m,交叉段長(zhǎng)60m。因此,為確保蒲黃電站正常運(yùn)行不受影響,該工程在爆破設(shè)計(jì)中,控制爆破長(zhǎng)度取1.5的保證系數(shù),得出控制爆破范圍:交叉段前后各45m,最終確定交叉段控制爆破總長(zhǎng)度為150m,樁號(hào)范圍為K9+552~K9+702、ZK9+520~ZK9+670。
每段最大允許裝藥量,計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 一次爆破進(jìn)尺及每段最大裝藥量
爆破應(yīng)按照“短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)”的要求開展施工。
(1)炮眼數(shù)目。炮眼數(shù)目N可根據(jù)下式計(jì)算:
式中:N為炮眼數(shù)目,個(gè);k為單位炸藥耗量,kg/m3;s為開挖面積,m2;r為每延米炸藥的用量,kg/m;η為炮眼裝藥系數(shù),無(wú)量綱。
計(jì)算結(jié)果總炮眼數(shù)為上臺(tái)階96個(gè)(其中掏槽眼6個(gè)、輔助眼36個(gè)、周邊眼54個(gè)),下臺(tái)階68個(gè)(其中掏槽眼4個(gè)、輔助眼26個(gè)、周邊及底板眼38個(gè))。
(2)每個(gè)炮眼的裝藥量。掏槽眼裝藥量根據(jù)下式計(jì)算:
式中:Q1為掏槽眼裝藥量,kg;L1為掏槽眼深度,m;r為每延米炸藥的用量,kg/m。
輔助眼裝藥量按下式計(jì)算:
式中:Q2為輔助眼裝藥量,kg;L2為輔助眼深度,m;r為每延米炸藥的用量,kg/m。
光面爆破參數(shù)。由于交叉段圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育,光面爆破炮孔的孔距根據(jù)工程類比取值,光爆炮孔的孔距取0.5m,最小抵抗線W取0.6m。
裝藥起爆方面。光面爆破宜采用小藥卷,起爆時(shí)注意以下事項(xiàng):周邊孔應(yīng)該延后起爆;起爆順序?yàn)橄忍筒垩?,再輔助眼,后周邊眼,底板眼最后起爆;為了減少超欠挖,施工過(guò)程中需加強(qiáng)斷面量測(cè),及時(shí)處理欠挖的部位。
公路隧道在下穿導(dǎo)水隧洞時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容:(1)公路隧道開挖后應(yīng)立即施作初期支護(hù),縮短二次襯砌距掌子面的步距,減少圍巖暴露的時(shí)間;(2)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),確保上方導(dǎo)水隧洞的安全;(3)交叉段施工采用上下臺(tái)階法施工,不得全斷面開挖。
隨著山區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加,隧道之間上跨或下穿逐漸成為普遍的工程現(xiàn)象,在下穿隧道施工時(shí)會(huì)引起周圍圍巖應(yīng)力重分布,造成既有隧洞產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形,如果上下隧道之間的垂直距離較小,其影響就越大。如何確保下穿隧道的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營(yíng)安全,且不影響既有導(dǎo)水隧洞的安全運(yùn)行,是這類工程設(shè)計(jì)及施工中的重點(diǎn)。文章結(jié)合工程實(shí)例,研究了公路隧道下穿水電站導(dǎo)水隧洞的設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù),給出了具體的要求及施工注意事項(xiàng),對(duì)于類似工程具有參考意義。