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        炭質(zhì)千枚巖區(qū)高速公路隧道仰坡危巖失穩(wěn)特征及處置措施研究

        2021-12-10 10:22:40
        鐵道建筑技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:鋼絞線腳手架坡面

        張 馳

        (中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司 山東濟(jì)南 250002)

        1 引言

        經(jīng)過改革開放以來四十余年的發(fā)展,我國高速公路里程已穩(wěn)居世界第一,高速公路行業(yè)進(jìn)入全面規(guī)范和高質(zhì)量發(fā)展階段。然而,在西南地區(qū)修建高速公路時(shí)仍需穿越高山峽谷地帶,此時(shí)在山體開掘隧道就成為了必然。當(dāng)在變質(zhì)巖石地區(qū)進(jìn)行隧道施工時(shí)往往會(huì)遭遇諸多地質(zhì)災(zāi)害,其中隧道進(jìn)口高陡邊坡危巖穩(wěn)定性問題最為棘手。

        近年來,高速公路穿越巖石高陡邊坡引發(fā)的災(zāi)害事故屢見不鮮,如高速公路寶天段某隧道洞口上坡滑坡[1]、甘肅隴南西關(guān)公路南段山體崩塌[2]、寶成線某段石灰?guī)r山體崩塌[3]等,事故后果均頗為嚴(yán)重。國內(nèi)外研究人員經(jīng)過理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐,對(duì)此類問題進(jìn)行了不斷的研究和探索,其成果主要涉及隧道出口巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4-5]、危巖體破壞模式[6-7]與防治措施[8-9]。由于變質(zhì)巖受環(huán)境條件的影響較為敏感,尤其是組成巖石的礦化成分、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)構(gòu)造易受地表水、地下水和環(huán)境作用產(chǎn)生風(fēng)化剝蝕、侵蝕和拉裂變形[10],洞口在變質(zhì)巖高邊坡隧道施工中更易于出現(xiàn)危巖進(jìn)而引發(fā)崩塌落石。汶馬高速公路C7標(biāo)段薛城1號(hào)隧道進(jìn)口段為一炭質(zhì)千枚巖高陡邊坡,該處仰坡高陡,坡面侵蝕嚴(yán)重出現(xiàn)深溝暗槽,危巖體發(fā)育,直接威脅隧道及其附屬結(jié)構(gòu)的安全。本文結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)研方法和無人機(jī)數(shù)碼攝影輔助技術(shù),確定公路路線構(gòu)成危害的主要潛在變形失穩(wěn)區(qū)域及其潛在破壞模式,提出經(jīng)濟(jì)環(huán)保的防治措施同時(shí)對(duì)防治措施關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討,研究成果對(duì)炭質(zhì)變質(zhì)巖區(qū)高陡邊坡危巖體發(fā)育分布特點(diǎn)及防治建議具有工程指導(dǎo)意義。

        2 工程概況

        2.1 隧道概況

        汶(川)-馬(爾康)高速公路薛城段1#隧道進(jìn)口仰坡高陡,平面范圍為進(jìn)口段兩條沖溝夾持的基巖山梁,高程介于1 566~1 870 m附近,變形體厚度為垂直坡面20~50 m左右。巖體極破碎、片理極發(fā)育,部分片理面在近地表有一定的張開度。部分坡面邊坡零星危巖,落石粒徑一般小于200 mm,崩落最大距離至雜谷腦河河邊附近,對(duì)擬建馬爾康岸橋梁結(jié)構(gòu)及隧道洞口構(gòu)成直接威脅。

        2.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

        研究區(qū)位于青藏高原東南側(cè)邊緣的侵蝕高山峽谷區(qū)。坡腳河谷高程約1 570 m,邊坡區(qū)山脊高程1 760~2 000 m,山脊西側(cè)為雜谷腦河次級(jí)溝谷,山脊東側(cè)為凹溝。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[11],場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g,場(chǎng)地對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

        場(chǎng)地內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡、泥石流和崩坡積層、河流侵蝕沖積層,以及古生界泥盆系危關(guān)群。其中,山腳地基為新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積層,山體圍巖主要為古生界泥盆系危關(guān)群。

        2.3 邊坡巖體結(jié)構(gòu)

        邊坡巖性為炭質(zhì)千枚巖,雖為重力變形體,但變形后巖體仍具有原巖的似層狀結(jié)構(gòu)特征。邊坡巖體片理產(chǎn)狀正常值為355°∠65°,邊坡區(qū)隧道洞口上方及右側(cè)片理產(chǎn)狀為 350°∠30°、320°∠10°、40°∠68°,隧道進(jìn)口危巖照片如圖1所示。

        3 邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)特征及其穩(wěn)定性分析

        3.1 邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)變形破壞特征

        邊坡除臨近臨空面部位,未見表觀邊坡整體變形的地表變形開裂跡象,但由于該邊坡為變形巖體,加之巖性軟弱,坡面受風(fēng)化剝蝕、地表水沖蝕等因素影響,坡面形成多條溝槽,坡表巖體被切割成零散塊狀,地形極為凌亂。這些被溝槽切割巖體,形成地貌突出部位和臨空部位,在非正常工況作用下極易失穩(wěn)(如自重作用、暴雨作用和強(qiáng)震作用),對(duì)隧道洞口及橋梁構(gòu)成危害。采用無人機(jī)數(shù)碼攝影輔助技術(shù),根據(jù)邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個(gè)潛在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),如圖2所示。

        圖2 邊坡潛在失穩(wěn)分區(qū)

        各潛在失穩(wěn)區(qū)特征分析見表1。

        表1 邊坡潛在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分

        3.2 典型潛在失穩(wěn)巖體穩(wěn)定性分析計(jì)算

        選取典型巖體(①號(hào)失穩(wěn)區(qū)的拉裂變形巖體)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

        已失穩(wěn)區(qū)后壁,坡面產(chǎn)狀:133°∠80°。

        炭質(zhì)千枚巖力學(xué)參數(shù):飽和密度為2.71 g/cm3,考慮潛在失穩(wěn)巖體位于地表,巖體受風(fēng)化影響強(qiáng)度降低,天然狀態(tài)取內(nèi)摩擦角φ=35°,粘聚力c=250 kPa;降雨飽水狀態(tài)下φ=34°,c=200 kPa。

        潛在失穩(wěn)巖體形態(tài)和范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)量確定,后壁失穩(wěn)區(qū)及剪切錯(cuò)斷面角度根據(jù)右側(cè)已失穩(wěn)區(qū)確定,潛在失穩(wěn)區(qū)圖示見圖3。該巖體后緣追蹤結(jié)構(gòu)面拉裂破環(huán),前緣剪斷巖體,參考巖質(zhì)邊坡滑移失穩(wěn)破壞模式對(duì)該斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算公式見式(1)。

        圖3 拉裂巖體穩(wěn)定性計(jì)算分析簡圖

        式中,Q為考慮速度水頭的裂隙水壓力;P為地震力;W為巖體重力;c為粘聚力;φ為滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角;β為滑移面傾角;L為滑移面計(jì)算長度;T為因動(dòng)水壓力作用產(chǎn)生的裂隙壁總拖曳力。

        計(jì)算得到天然工況下,坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.89;降雨后緣裂隙充水一半時(shí),穩(wěn)定系數(shù)為1.24;降雨后緣裂隙充滿水并形成坡面水流條件下,拉裂巖體穩(wěn)定系數(shù)為0.57;地震作用下穩(wěn)定系數(shù)為1.86。

        可見降雨充水對(duì)拉裂巖體穩(wěn)定性影響較大。同時(shí),拉裂前提下方抗剪段巖體對(duì)整個(gè)巖體穩(wěn)定起至關(guān)重要作用。而千枚巖易于風(fēng)化,下方的抗剪段“關(guān)鍵塊體”在風(fēng)化以及上方巖體重力、裂隙水滲流作用下不斷削弱,前緣抗力逐漸降低,其穩(wěn)定系數(shù)會(huì)逐步降低,最終即便是重力和少量裂隙充水以及地震作用,也會(huì)導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。

        4 防治措施及施工關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 防治措施建議

        針對(duì)洞口及橋梁存在威脅范圍的危巖進(jìn)行工程處治。處治設(shè)計(jì)方案為:清危+墊墩錨索+墊墩錨桿+掛網(wǎng)噴砼+張口式導(dǎo)石網(wǎng)+攔石墻,如圖4所示。

        圖4 處治設(shè)計(jì)方案示意

        對(duì)洞口以下坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼,同時(shí)設(shè)置墊墩錨索和墊墩錨桿,錨桿與錨索交叉設(shè)置,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。

        洞口以上至1 620 m高程坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼,同時(shí)設(shè)置墊墩錨索和墊墩錨桿,洞頂以上9 m范圍內(nèi)全部采用墊墩錨桿,第一排錨桿長6 m,距離洞口高3 m,錨桿與錨索交叉設(shè)置,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。

        1 620~1 660 m高程坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼,同時(shí)設(shè)置墊墩錨索,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,為6φ15.2 mm鋼絞線。

        1 660 m~坡頂(8區(qū)以下)坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼,同時(shí)設(shè)置墊墩錨索,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長40 m,為6φ15.2 mm鋼絞線;垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。

        4.2 極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架技術(shù)

        隧道進(jìn)口段高邊坡處治區(qū)高150 m,寬度約130~140 m,施工需要在處治區(qū)貼坡面全幅搭設(shè)施工腳手架?!督ㄖ┕た奂戒摴苣_手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130—2011)[12]規(guī)定腳手架搭架高度需小于等于50 m,故本例屬超常規(guī)搭架。通過專項(xiàng)研究建議施工工序?yàn)?

        (1)利用坡體平臺(tái)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分段上下搭架。

        (2)坡體平臺(tái)至坡腳段采用雙鋼管立桿腳手架;上段采用單鋼管立桿腳手架。以充分減輕架體重量。

        (3)當(dāng)坡度較陡但坡面平整時(shí),高度每隔12 m增設(shè)1排減載提拉錨繩。

        (4)為保證施工工期,采取下段78 m高范圍內(nèi)錨桿、錨索施工完畢后,拆除下段78 m內(nèi)的腳手架后進(jìn)行洞口工程施工,待洞口工程施工完畢后再從新搭設(shè)下段78 m、上段72 m腳手架進(jìn)行剩余錨索、錨桿及噴射混凝土施工。

        腳手架細(xì)部設(shè)計(jì)方案以A4-A4’斷面為例,該高邊坡搭架方案如圖5所示。

        圖5 腳手架各類桿件關(guān)系示意

        4.3 復(fù)雜地質(zhì)條件長深墊墩錨索(桿)施工技術(shù)

        墊墩錨索總長29 300 m,布設(shè)高度108 m,豎向最多36索,橫向最多22索,單根錨索長度分30 m和40 m兩種,采用6φ15.2 mm鋼絞線制作,錨孔孔徑150 mm,錨固段長度10 m。錨墩采用100 cm×100 cm×50 cm現(xiàn)澆C25鋼筋砼,同標(biāo)號(hào)砼封錨。

        墊墩錨桿總長3 600 m,布設(shè)高度60 m,豎向最多10根,橫向最多24根,單根錨桿長度15 m,采用φ32 mm鋼筋制作,錨孔孔徑110 mm。錨墩采用60 cm×60 cm×25 cm現(xiàn)澆C30鋼筋砼,同標(biāo)號(hào)砼封錨。相鄰錨點(diǎn)間距豎向3 m、橫向4 m。

        具體預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝框圖如圖6所示。

        圖6 預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝框圖

        錨索按3級(jí)安全型壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索布置,要求巖土體與錨固體粘接強(qiáng)度特征值不低于450 kPa,各單元錨固段的鋼絞線數(shù)量均為2束。錨索自由段采用安置定位器的結(jié)構(gòu)形式,使鋼絞線在錨孔中居中。鋼絞線采用φ15.24 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于1 860 MPa)制作,單根鋼絞線套一根φ20 mm PE管,兩端10~20 cm范圍內(nèi)注滿黃油,外繞工程膠布封閉固定。鋼絞線用OVM15-6型錨具鎖定。

        錨孔注漿,安裝錨索體后24 h內(nèi)進(jìn)行注漿,錨孔注漿水灰比0.4~0.5 MPa,漿體強(qiáng)度不低于40 MPa。注漿采用孔底返漿法一次注漿,水泥砂漿壓力灌注,錨桿注漿壓力0.2~0.4 MPa。

        墊墩施工前先預(yù)制錨噴鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)片寬度、高度各大于錨墩尺寸50 cm,壓于錨墩下方,便于施工錨噴鋼筋網(wǎng)時(shí)能連接成整體。

        錨噴砼的檢驗(yàn)按《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/2—2004)執(zhí)行[13]。

        4.4 松散坡面表層巖體掛網(wǎng)錨噴混凝土技術(shù)

        掛網(wǎng)錨噴混凝土面積共為1.82萬m2,鋼筋網(wǎng)眼間距20 cm×20 cm,橫縱每隔2 m加設(shè)加強(qiáng)筋(直徑18 mm),掛網(wǎng)固定錨桿長3 m,橫縱間距3 m。混凝土噴射厚度為16 cm,并按間隔10~15 m設(shè)置伸縮縫。

        具體施工工藝框圖如圖7所示。

        圖7 掛網(wǎng)錨噴砼施工工藝框圖

        網(wǎng)噴混凝土粗骨料最大粒徑需小于等于12 mm;自上而下進(jìn)行噴射,且噴頭與受噴面距離宜控制在0.8~1.5 m范圍內(nèi),射流方向垂直指向噴射面。噴射作業(yè)時(shí),為了使鋼筋背面噴填充實(shí)需要按段按面錨噴;并嚴(yán)格按照混凝土初凝時(shí)間(一般為2 h)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間(一般為5~7 h)安排施工工序。

        5 結(jié)論

        本文以汶川至馬爾康高速公路C7標(biāo)段薛城1號(hào)隧道進(jìn)口段炭質(zhì)千枚巖高陡邊坡為例,采用工程地質(zhì)調(diào)查和無人機(jī)數(shù)碼攝影輔助技術(shù),對(duì)炭質(zhì)千枚巖區(qū)高速公路隧道仰坡危巖失穩(wěn)特征及處置措施關(guān)鍵技術(shù)開展了相關(guān)研究,主要成果為:

        (1)隧道進(jìn)口高邊坡巖體為炭質(zhì)千枚巖,屬卸荷重力變形體,平面范圍為進(jìn)口段兩條沖溝夾持的基巖山梁,片理極發(fā)育,部分片理面在近地表有一定的張開度,巖體極破碎。

        (2)根據(jù)邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個(gè)潛在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

        (3)提出了全坡面聯(lián)合多級(jí)差異加固的防治措施:清危+墊墩錨索+墊墩錨桿+掛網(wǎng)噴砼+張口式導(dǎo)石網(wǎng)+攔石墻。并形成了極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架、復(fù)雜地質(zhì)條件長深墊墩錨索(桿)施工、松散坡面表層巖體掛網(wǎng)錨噴混凝土等關(guān)鍵技術(shù)。

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