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        馬蘭黃土隧道不良地質(zhì)缺陷整治技術(shù)研究

        2022-02-17 09:34:36程曉剛
        施工技術(shù)(中英文) 2022年24期
        關(guān)鍵詞:施作鋼架拱頂

        程曉剛

        (中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司,天津 300308)

        0 引言

        馬蘭黃土以粉粒成分為骨架,相互間多為點接觸,孔隙較大,具有垂直節(jié)理,一般情況下穩(wěn)定性較好,但其抗水性能差,遇水易崩解,具有濕陷性。將馬蘭黃土作為隧道開挖對象,在施工過程中黃土天然應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變,隨著圍巖支護(hù)的施作,黃土?xí)俅伟l(fā)生應(yīng)力重分布,隧道圍巖的應(yīng)力一部分向附近區(qū)域傳遞,另一部分以沉降變形或塌方等地質(zhì)災(zāi)變的形式進(jìn)行應(yīng)力釋放。這對圍巖的穩(wěn)定性、施工進(jìn)度及施工安全帶來極大威脅。為了解決以上工程問題,本文以銀昆高速公路某隧道為例展開研究。

        1 工程概況

        該隧道圍巖由新黃土與老黃土組成,洞身為V級圍巖,黃土層成巖性差,結(jié)構(gòu)相對疏松,其自身強(qiáng)度低,抵抗外力破壞的性能差,垂直節(jié)理發(fā)育,彼此在水平方向的連接力較弱,干燥時,黃土的強(qiáng)度較高,襯砌受力較小,遇水后顆粒連接力削弱,黃土強(qiáng)度隨之降低,易引起襯砌受力不均勻,并且由于隧道表層黃土厚度分布多不均勻,使隧道易形成偏心壓力,成為偏壓隧道,造成塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

        2022 年5月13日下午該隧道右線進(jìn)口K130+138—K130+147左側(cè)地質(zhì)突變發(fā)生沉降,導(dǎo)致套拱及初支發(fā)生嚴(yán)重變形及沉降,此時仰拱施工里程為 K130+147,距離突變處0m,二次襯砌施工里程為K130+197,距離地質(zhì)突變處50m。洞頂一級坡平臺出現(xiàn)輕微裂縫,K130+138—K130+140套拱左側(cè)明顯向右收斂1.6m,K130+140—K130+147左側(cè)初支明顯向右偏移1m,且鋼拱架明顯變形,K130+147位置鋼拱架斷裂,出現(xiàn)1m范圍的空洞,且持續(xù)掉土,K130+147—K130+187初支出現(xiàn)沉降變形,如圖1所示。

        圖1 套拱與初支變形及沉降

        2 現(xiàn)場臨時處理方案

        沉降發(fā)生后,現(xiàn)場人員第一時間進(jìn)行緊急處理,防止工程災(zāi)變擴(kuò)大,同時為事故調(diào)查爭取更多時間,具體措施為:①塌陷土體穩(wěn)定后,項目部安排人員對洞內(nèi)及頂部塌陷位置進(jìn)行圍擋警戒;②對偏壓沉降部位兩側(cè)下臺階進(jìn)行初次回填并施作臨時仰拱,待初次臨時仰拱凝固后進(jìn)行二次回填施作二次臨時仰拱進(jìn)行加固,如圖2a所示;③對斷裂部位進(jìn)行噴漿支護(hù),防止二次坍塌,如圖2b所示;④對仰坡及一級坡平臺進(jìn)行二次防水布覆蓋,如圖2c所示,安排測量人員保證安全的前提下及時對洞內(nèi)圍巖進(jìn)行量測。

        圖2 現(xiàn)場臨時處理方案

        3 隧道坍塌成因

        沉降發(fā)生后,多方調(diào)查人員趕赴第一現(xiàn)場進(jìn)行實地調(diào)查,最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致套拱及初期支護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重變形及沉降的主要原因為:隧道右線進(jìn)口段在施工過程中,處于天然應(yīng)力狀態(tài)的土體發(fā)生應(yīng)力重分布,導(dǎo)致突發(fā)性坍塌,本次坍塌對隧道其他位置的圍巖產(chǎn)生較強(qiáng)烈擾動,進(jìn)而造成進(jìn)口洞內(nèi)K130+140—K130+187段隧道大面積坍塌,以及隧道坍塌處至洞口方向47m范圍初期支護(hù)的嚴(yán)重下沉,并產(chǎn)生大量裂縫。

        4 處治方案

        針對以上工程災(zāi)變成因分析,本項目采取“洞口臨時支護(hù)→洞內(nèi)反壓回填→地表、超前小導(dǎo)管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側(cè)及洞頂回填”的方法進(jìn)行專項治理,具體處治方案如下。

        4.1 反壓回填

        洞口臨時支護(hù)加固完成后,在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下,對K130+140—K130+187段進(jìn)行全斷面反壓回填,并在 K130+187處往洞口方向由洞頂至路面設(shè)置 1∶0.5 斜坡進(jìn)行錨噴護(hù)面,如圖3所示。

        圖3 反壓回填(單位:cm)

        4.2 地表、超前小導(dǎo)管注漿

        1)地表注漿 從K130+159—K130+201段42m 范圍垂直打入φ42鋼管進(jìn)入地表進(jìn)行注漿,先根據(jù)放樣將鋼管的孔位用紅油漆標(biāo)出,間距 100cm×100cm(環(huán)向×縱向),利用挖掘機(jī)將注漿管打入地下。鋼管長8m,管口車絲設(shè)止?jié){閥,在管尾后段50cm處將麻絲纏繞在管壁上呈紡錘狀,麻絲上涂抹錨固劑,將孔口管頂進(jìn)注漿孔后,埋設(shè)牢固并用錨固劑將孔口管與地表間隙封堵,防止注漿過程中漏漿。

        2)超前小導(dǎo)管注漿 徑向注漿達(dá)到強(qiáng)度后,拱頂縱向設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿,超前小導(dǎo)管長度L=4.5m,α=12°,環(huán)向間距40cm。小導(dǎo)管采用φ42 熱扎無縫鋼管,注漿材料采用水泥液漿,水灰比為 1∶1, 注漿壓力控制在0.5~1.0MPa,注漿施工如圖4所示。

        圖4 注漿施工示意

        4.3 臺階法開挖、換拱

        1)開挖注意事項 超前小導(dǎo)管注漿達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行開挖、換拱,開挖方式采用臺階法。開挖要達(dá)到拆除1榀支護(hù)1榀。鋼拱架設(shè)計間距60cm。拆除時宜從上往下施工,拱頂施工完畢噴漿后再拆除下部鋼拱架,保證安全。進(jìn)行測量放線時,應(yīng)加大15cm,防止圍巖再變形侵限。加強(qiáng)施工中的監(jiān)控量測工作,及時反饋信息以調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

        2)初噴混凝土 鋼拱架拆除完畢后,用高壓風(fēng)槍清除干凈粉塵,立即采用濕噴工藝初噴混凝土,噴射作業(yè)應(yīng)分段、分片由上而下順序進(jìn)行,每段長度≤6m。 初噴厚度4cm,如終凝后間隔1h以上且初噴表面已蒙上粉塵,受噴面用高壓氣體清除干凈。

        3)錨桿施工 錨桿鉆孔利用開挖臺車,按設(shè)計間距120cm×60cm(環(huán)向×縱向)布孔,鉆孔方向盡可能垂直于結(jié)構(gòu)面或初噴混凝土表面,錨桿孔比桿徑大15mm,成孔后采用高壓風(fēng)清孔,鉆孔本身呈直線,方向沿隧道周邊徑向,并盡量與巖面垂直,不得平行于巖層面打設(shè)錨桿。注漿及錨桿安裝利用開挖臺車作為施工平臺,藥卷使用風(fēng)槍將錨固劑打入錨桿孔內(nèi),錨固劑藥卷經(jīng)風(fēng)槍打入孔底,藥卷打入結(jié)束后立即進(jìn)行錨桿桿體安裝,在距錨桿底部30cm處設(shè)止?jié){段,進(jìn)回漿管在孔口通過鋼墊板預(yù)留孔口引出??卓诔袎簤|座鋼墊板面與錨孔軸線垂直,承壓墊座必須平整、牢固。若鋼墊板面與錨孔軸線不垂直,孔口外側(cè)可用快凝砂漿找平。

        4)鋼架施工 隧道各部開挖完成噴混凝土后,分單元及時安裝鋼架,利用系統(tǒng)錨桿及雙側(cè)鎖腳錨管固定,縱向采用鋼筋連接,鋼架間鋪掛鋼筋網(wǎng),然后復(fù)噴混凝土到設(shè)計厚度。鋼架安裝前把按設(shè)計加工好各單元鋼架組織試拼,檢查鋼架尺寸及輪廓是否合格。在施工過程中需加強(qiáng)對鋼架安裝以后的監(jiān)控測量,必要時采取有效措施進(jìn)行加固,以防止拱頂鋼架下沉。

        5)掛網(wǎng)施工 鋼筋網(wǎng)宜在初噴混凝土后掛設(shè),使其與噴射混凝土形成一體,初噴混凝土的厚度宜≥4cm; 鋼筋網(wǎng)搭接長度應(yīng)為1~2個網(wǎng)格邊長;噴射混凝土?xí)r,應(yīng)調(diào)整噴頭與受噴面的距離、噴射角度,以減少鋼筋振動,降低回彈,并保證鋼筋網(wǎng)噴射混凝土保護(hù)層厚度≥4cm;噴射時如有脫落的塊體或混凝土塊被鋼筋網(wǎng)卡住,應(yīng)及時清除。

        4.4 仰拱、二襯施工

        初期支護(hù)施作一定距離后,由于K130+197—K130+147段仰拱已施作。根據(jù)現(xiàn)場條件及時施作二襯,二襯及時跟進(jìn)封閉成環(huán),起到早閉合、防塌方的作用,同時能保證洞內(nèi)道路暢通,便于洞內(nèi)排水。

        4.5 隧頂回填

        洞頂塌陷段二襯施作后,對隧頂采用4%水泥土進(jìn)行回填,表層50cm回填種植土。回填完成后,做好防排水工作。

        5 沉降監(jiān)測

        為了及時掌握施工中隧道圍巖和初期支護(hù)變形收斂程度,確保洞內(nèi)開挖及施工安全,本隧道必須進(jìn)行監(jiān)控量測。其目的是進(jìn)行隧道日常的施工管理,經(jīng)對量測數(shù)據(jù)分析處理與必需的計算判斷后進(jìn)行預(yù)測和反饋,以保證施工安全和隧道穩(wěn)定,并為今后設(shè)計與施工提供依據(jù)。

        監(jiān)測對象包括地表沉降監(jiān)測、水平收斂監(jiān)測和拱頂下沉監(jiān)測。其中,地表沉降監(jiān)測目的是了解隧道開挖過程中隧道頂部對應(yīng)地表的最大沉降值,為調(diào)整隧道開挖速度和支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)提供依據(jù);水平收斂及拱頂下沉監(jiān)測是反映圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)變化的最直接、最明顯的參數(shù),通過監(jiān)測可了解圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。以里程K130+170處的地質(zhì)突變沉降點為例(見圖5),結(jié)合該位置處的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析。

        圖5 里程K130+170處地質(zhì)突變沉降監(jiān)測

        由圖2可發(fā)現(xiàn),在2022年5月13日前,里程K130+170處隧道拱頂沉降并不明顯,但在這期間地表沉降幅度較大,水平收斂速度較快,說明該位置處隧道存在發(fā)生潛在地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險。2022年5月13日下午,拱頂沉降量、地表沉降量和水平收斂發(fā)生陡增,隨即發(fā)生隧道坍塌,事故發(fā)生后,施工單位組織人員進(jìn)行緊急處理,直至14日完成,處治方案詳見第3節(jié)。該段隧道經(jīng)過專項處治(2022年5月15日)后,地表沉降、水平位移和拱頂下沉的累積量迅速收斂,最終滿足設(shè)計規(guī)范中Ⅴ級圍巖沉降量要求。

        6 結(jié)語

        本文以銀昆高速公路某隧道為依托,研究馬蘭黃土隧道在開挖施工過程中突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的處治方案,本項目在事故發(fā)生后進(jìn)行了緊急處理,防止工程災(zāi)變進(jìn)一步擴(kuò)大。并根據(jù)隧道坍塌成因,采取“洞口臨時支護(hù)→洞內(nèi)反壓回填→地表、超前小導(dǎo)管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側(cè)及洞頂回填”的方案進(jìn)行治理,最后對隧道圍巖和初期支護(hù)變形收斂程度進(jìn)行監(jiān)測和分析,發(fā)現(xiàn)地表沉降、水平收斂及拱頂下沉均滿足設(shè)計規(guī)范中Ⅴ級圍巖沉降量要求,從而驗證了該專項處治施工方案的可靠性,并為以后類似事故治理提供了借鑒。

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