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        劉家隧道軟弱圍巖段開挖施工處治技術(shù)

        2021-11-19 05:26:40
        資源信息與工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖施工

        歐 健

        (中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司,江蘇 無錫 214000)

        隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展,隧道的修建越來越多。隧道開挖施工因受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,一直是交通建設(shè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題,而隧道軟弱圍巖段開挖又是隧道施工的關(guān)鍵。因此,對隧道軟弱圍巖段開挖施工問題開展研究,為解決軟弱圍巖隧道開挖施工提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)借鑒,具有重要的工程價(jià)值和社會價(jià)值。劉家隧道軟弱圍巖段存在局部軟弱夾層、斜向?qū)盈B、圍巖極度軟弱、巖體均質(zhì)性極差、產(chǎn)狀紊亂等問題,嚴(yán)重影響其隧道開挖施工,因此,對其軟弱圍巖段開挖施工處治進(jìn)行研究是十分必要的。

        1 工程概況

        劉家隧道全長2505m,起訖里程為K140+300~K142+805,埋深大。隧道地表沖溝發(fā)育,但地下水發(fā)育不明顯,干旱季節(jié)隧道內(nèi)滲水很少。隧道穿越地層主要是夾千枚巖灰?guī)r、夾灰?guī)r千枚巖。隧道圍巖設(shè)計(jì)分布情況為:K140+300~+380 段是V類圍巖;K140+380~+ K141+640段是產(chǎn)狀接近直立的夾灰?guī)r千枚巖,存在明顯片理與發(fā)育的節(jié)理;K141+640~+920段是V類圍巖斷層帶,斷層是扭曲嚴(yán)重的擠壓千枚巖,存在斷層角礫及碎裂灰質(zhì);K141+920~K142+805段是Ⅱ類圍巖,巖體是夾千枚巖灰?guī)r,產(chǎn)狀接近直立,灰?guī)r風(fēng)化嚴(yán)重,存在明顯層理,中間厚,逐漸遞減成薄層狀。隧道開挖后發(fā)現(xiàn),從K141+376開始,圍巖出現(xiàn)突變,為IV~V圍巖,長850 m,為斷層角礫及千枚巖夾泥鈣質(zhì)薄層,存在嚴(yán)重扭曲褶皺,節(jié)理發(fā)育,云母含量高,巖層擠壓面明顯,破碎嚴(yán)重,結(jié)合差,難以自穩(wěn)。隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合式二次襯砌,由于斷層帶內(nèi)結(jié)構(gòu)紊亂,圍巖自穩(wěn)能力極差,局部地段二次襯砌加厚。初期支護(hù)為:IV類圍巖采用錨網(wǎng)噴,噴10 cm厚混凝土;V類圍巖采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固,設(shè)錨桿鋼筋網(wǎng)與1榀/m I16工字鋼,噴15 cm厚混凝土。

        2 軟弱圍巖對隧道開挖施工的不利因素

        2.1 隧道存在局部軟弱夾層

        隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn),在隧道開挖方向存在連續(xù)貫通的軟弱破碎帶,開挖施工時(shí)局部單側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重滑坍塌,使得隧道初期支護(hù)受力不均,拱腳出現(xiàn)坍方,局部出現(xiàn)壓裂,大大增加了施工處治難度。

        2.2 隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖

        隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn),隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖,采用臺階法處理時(shí),上臺階的拱部開挖時(shí),會發(fā)生順層滑塌,塌方超出拱頂2~3 m,造成開挖面拱部出現(xiàn)斜面,給拱部開挖與鋼支架架立帶來很大的困難;下臺階的邊墻開挖時(shí),由于巖體節(jié)理被切割會順節(jié)理面發(fā)生滑坍,造成開挖面出現(xiàn)斜面,給邊墻開挖與鋼支架架立帶來很大的困難。

        2.3 隧道存在極度軟弱圍巖

        隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn),隧道軟弱圍巖段存在遇水易軟化、手捏可成粉狀、有滑膩感、節(jié)理面光滑、薄層狀、灰黑色的泥鈣質(zhì)千枚巖,造成初期支護(hù)受到軟弱圍巖松散體產(chǎn)生的巨大壓力、不均勻巖質(zhì)造成的不均勻受力,使得間距較大的初期支護(hù)鋼支撐出現(xiàn)彎折、內(nèi)移,造成初期支護(hù)侵限。此外,因邊墻為10 m高的曲墻,高度大,在拱腳、邊墻部位均會有不同程度的變形產(chǎn)生。

        2.4 隧道軟弱圍巖段巖體均質(zhì)性極差,產(chǎn)狀紊亂

        開挖隧道時(shí),開挖輪廓切割圍巖褶曲節(jié)理及軟弱部分,順交滑節(jié)理面,局部巖體出現(xiàn)滑坍;隧道沿開挖方向,局部破碎灰?guī)r堆積,千枚巖夾灰?guī)r斜向?qū)盈B,千枚巖分層富集,較好巖體分布極不規(guī)則,犬牙狀交錯,造成隧道開挖時(shí)軟弱圍巖局部滑坍,形成大坑,嚴(yán)重影響隧道初期支護(hù)施工。

        3 隧道軟弱圍巖段開挖施工處治方法

        (1)開挖。根據(jù)隧道軟弱圍巖情況,開挖施工采用拱部、邊墻分開開挖的正臺階法。臺階長度控制在3~5 m,上、下臺階每茬炮掘進(jìn)深度1.5~2 m。拱部開挖采用斜眼掏槽,弱爆破施工,四周炮孔盡量少裝藥,采取間隔裝藥的方式。邊墻開挖采取梯形起爆、單層打眼的方法。炸藥采用Φ22 mm藥卷。開挖鑿眼采用 YT28 風(fēng)鉆,采取光面爆破,盡量避免對圍巖擾動,盡快開挖,盡快封閉[1]。

        (2)支護(hù)。軟弱地層采用小導(dǎo)管預(yù)注漿法超前加固,導(dǎo)管為Φ25 mm鋼管,管壁梅花型開孔,開孔孔徑為8 mm,間距為15 cm。注漿孔深為4~5 m,擴(kuò)散半徑為2 m,間隔距離為0.4 m。漿液為早強(qiáng)型高標(biāo)號水泥砂漿,配合比為水∶砂∶水泥=3∶1∶1。水為檢測合格的河水,水泥采用425號普通硅酸鹽水泥,并加入3%~5%的CaCl2高效速凝劑。注漿壓力控制在0.6~0.9 MPa范圍內(nèi),注漿應(yīng)嚴(yán)格按注漿規(guī)范要求操作,并通過采取注漿巖芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果對最終注漿質(zhì)量進(jìn)行控制,保證注漿效果達(dá)到規(guī)定要求。待穩(wěn)固地層12 h后,再進(jìn)行開挖作業(yè)。開挖完工后,先濕噴5 cm厚混凝土,再出碴。出完碴后,架立型鋼鋼架、施工鋼筋網(wǎng)、錨桿,濕噴混凝土至初期支護(hù)規(guī)定厚度。

        (3)出碴。隧道拱部上臺階開挖出碴采用人工進(jìn)行,用手推車配合。隧道邊墻下臺階開挖出碴采用拔碴機(jī)。隧道碴土采用5 t自卸汽車運(yùn)輸至棄碴場。為提高運(yùn)輸效率,隧道內(nèi)每隔300 m處加寬開挖作會車用。

        (4)襯砌。采用小塊拼裝式“2015”鋼模板先墻后拱法施工,緊跟施作仰拱,以盡早封閉成環(huán),形成受力結(jié)構(gòu)。襯砌混凝土采用后傾式拖拉機(jī)和2.5 t農(nóng)用汽車運(yùn)輸。

        (5)通風(fēng)。距離掌子面30 m設(shè)50 kW通風(fēng)機(jī)1臺,洞口設(shè)“88-1”55 kW通風(fēng)機(jī)1臺,采用混合式通風(fēng),洞口為壓入式通風(fēng),掌子面為吸出式通風(fēng)。

        (6)加強(qiáng)隧道施工監(jiān)測。為控制隧道軟弱圍巖段施工安全,對隧道軟弱圍巖段加強(qiáng)施工監(jiān)測。隧道開挖并完成錨桿打設(shè)后,進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)和測量[2]。隧道每個監(jiān)測斷面布設(shè)5個監(jiān)控點(diǎn),分別為拱頂、起拱線上1.2 m兩側(cè)、起拱線下1.25 m位置兩側(cè)。施工中監(jiān)測發(fā)現(xiàn),該隧道軟弱圍巖段拱頂監(jiān)測收斂值一般為60~80 mm,起拱線上收斂值一般為100~130 mm,起拱線上收斂值一般為100~140 mm,局部弱圍巖段長時(shí)間不能達(dá)到穩(wěn)定,對初期支護(hù)采取進(jìn)一步加強(qiáng)處理后才趨于穩(wěn)定。隧道軟弱圍巖段開挖施工中通過加強(qiáng)圍巖監(jiān)測,保證了軟弱圍巖段隧道支護(hù)的穩(wěn)定,避免了坍方的發(fā)生。

        (7)隧道初期支護(hù)破壞處治。對于隧道軟弱圍巖段的初期支護(hù)出現(xiàn)的鋼支撐變形、局部開裂、拱腳內(nèi)移侵限等問題,采取的處治方法為:①用強(qiáng)度、變形性能更好的型鋼支架代替格柵鋼架,并在拱腳位置用鋼筋補(bǔ)強(qiáng);②根據(jù)開挖圍巖實(shí)際情況對型鋼支架進(jìn)行加密,間距由1 m調(diào)整為0.5 m或0.75 m;③嚴(yán)格控制好型鋼支架、鋼支撐及其排間的連接和焊接質(zhì)量;④在拱腳橫向增加對口支撐和鎖腳錨桿。

        (8)開挖面光面效果差。該隧道軟弱圍巖較差的巖體,順光滑節(jié)理面局部滑坍,產(chǎn)生大坑;較好巖體因均勻性差,產(chǎn)狀紊亂,造成隧道開挖后,出現(xiàn)極不規(guī)則的犬牙交錯,使得開挖面光面效果差。施工中采取的處治方法為:①隧道開挖完成后馬上進(jìn)行噴射砼施工,封閉圍巖,保證軟弱巖體穩(wěn)定,不出現(xiàn)掉塊、落碴,再在出碴時(shí),繼續(xù)進(jìn)行初期支護(hù)的噴射砼施工;②施工完成鋼支撐、錨桿后,對較少超挖的地段按設(shè)計(jì)厚度噴混凝土,超挖較大地段回填漿砌片石后按設(shè)計(jì)厚度噴混凝土[3]。

        (9)軟弱圍巖段順層滑坍處治。該隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖,拱部上臺階開挖后會發(fā)生順層滑塌,塌方超出拱頂2~3 m,造成開挖面拱部出現(xiàn)斜面。下臺階的邊墻開挖時(shí),由于巖體節(jié)理被切割,順節(jié)理面發(fā)生滑坍,造成開挖面出現(xiàn)斜面,在隧道出碴時(shí),會造成拱部初期支護(hù)出現(xiàn)變形,拱腳支護(hù)懸空。針對這一問題采取的處理措施為:①采用超前加強(qiáng)小導(dǎo)管預(yù)注漿對地層進(jìn)行加固;②對拱頂出現(xiàn)的坍方,采用短工字鋼架設(shè)棚架,防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大;③初期支護(hù)的噴射砼厚度加厚,保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;④拱腳位置根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置1~2榀橫撐梁,同時(shí)橫向用鋼橫撐梁支撐,縱向用工字鋼托梁支撐[4-5];⑤在隧道出碴前,對拱腳巖體、邊墻坍塌處進(jìn)行噴射砼處理,以保證其穩(wěn)定,并在出碴過程中繼續(xù)噴;⑥對出現(xiàn)坍塌的鋼架,重新設(shè)置隧道拱部的錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼支架。對超挖嚴(yán)重的部位回填漿砌片石后,再次噴射混凝土,以保證其初期支護(hù)的整體性。

        (10)支護(hù)侵限處理。因斷層帶圍巖自穩(wěn)性差,隧道局部出現(xiàn)支護(hù)侵限高達(dá)0.3 m。施工采取先對圍巖進(jìn)行壓漿加固,再對侵限支護(hù)鑿除后,重新施作支護(hù)與襯砌。

        (11)二次襯砌開裂處理。K141+620~+626邊墻出現(xiàn)受壓型開裂,多發(fā)生在直墻襯砌地段。K141+340~+346邊墻下沉,主要原因是基底未處理好。處理措施為:①對在襯砌開裂裂縫兩邊布設(shè)間距0.7~1.4 m梅花形錨桿,錨桿可以采用普通錨桿或邁式錨桿,對裂縫進(jìn)行開槽處理后加設(shè)墊板;②對裂縫位置采用壓漿進(jìn)行加固,壓漿液配合比為水泥∶砂=1∶2(體積比),水灰比1∶2;③在裂縫位置鑿槽后嵌補(bǔ)環(huán)氧砂漿;④對個別侵限部位作表面鑿除。

        4 結(jié)語

        (1)對于隧道軟弱圍巖段,超前施工仰拱或鋪底,可以有效加強(qiáng)初期支護(hù),減少開裂,改善洞內(nèi)運(yùn)輸條件,使襯砌盡早封閉成環(huán)。

        (2)隧道軟弱圍巖段開挖施工時(shí),應(yīng)充分考慮軟弱圍巖對開挖施工造成影響的不利因素,針對這些不利因素,提出有針對性的處理措施;并在開挖施工中,采取有效的施工監(jiān)測措施,以保證軟弱圍巖段開挖施工安全與質(zhì)量。

        (3)該隧道軟弱圍巖和病害整治工程經(jīng)過達(dá)半年之久的觀測,混凝土表面無重新開裂現(xiàn)象;軟弱圍巖和病害整治施工期間,除上導(dǎo)坑局部發(fā)生小坍方外,未發(fā)生安全事故,表明采用的施工方法是可行的,可在類似工程中推廣應(yīng)用。

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