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        廣西欽州大跨度小凈距礦山法隧道群設(shè)計

        2023-02-21 16:18:08
        城市道橋與防洪 2023年1期
        關(guān)鍵詞:凈距偏壓抗滑樁

        肖 敏

        (上海城市交通設(shè)計院有限公司,上海市 200120)

        0 引言

        礦山法隧道現(xiàn)有分離式、連拱、小凈距隧道等結(jié)構(gòu)形式,在場地條件允許情況優(yōu)先選用分離式隧道,若凈距不能滿足分離式隧道而連拱隧道又過于復(fù)雜,采用小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式能更好地滿足場地和施工便利性要求,但小凈距隧道施工時應(yīng)確保中夾巖穩(wěn)定,需嚴格控制施工期間相互影響[1]。

        常規(guī)兩洞小凈距隧道根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范第一冊土建工程》[2]和《公路隧道設(shè)計細則》[3]規(guī)定進行一系列加強設(shè)計,現(xiàn)已有大量工程經(jīng)驗。多條小凈距隧道除保證隧道設(shè)計加強外,還應(yīng)合理要求施工順序,避免施工期間相互影響,類似工程案例較少,特別是大跨度隧道群項目。

        1 隧道概況

        某工程項目位于廣西欽州,共設(shè)計礦山法隧道四條。其中B1 號隧道起訖里程B1K0+000~B1K0+2 66,長266 m,B2 號隧道起訖里程B2K0+028~B2K0+230,長202 m,B3 號隧道起訖里程B3K0+028~B3K0+234,長206 m,B4 號隧道起訖里程B4K0+028~B4K0+237,長209 m。B1 隧道洞口與B2~B4 洞口錯幅約60 m,為偏壓隧道,一側(cè)采用抗滑樁確保B1 隧道穩(wěn)定性。

        隧道兩側(cè)接道路,隧道間凈距受制于中央分隔帶及側(cè)分帶寬度、場地紅線要求不能采用分離式隧道布置,中間雙向八車道采用連拱隧道布置工程風(fēng)險較大。綜合考慮四條隧道平面布置如圖1 所示。

        圖1 B1、B2、B3、B4 隧道平面布置圖

        該項目為B1、B4 隧道為人非,建筑限界凈寬6.25 m,橫斷面組成為0.5 m 側(cè)向?qū)挾?3 m 非機動車道+0.25 m 分隔帶+2.5 m 人行道,建筑限界凈高2.5 m。隧道結(jié)構(gòu)凈寬6.55 m,結(jié)構(gòu)凈高5.525 m,隧道內(nèi)輪廓為直墻曲拱形,拱部半徑為3.275 m(見圖2)。

        圖2 B1、B4 隧道內(nèi)輪廓橫斷面圖(單位:mm)

        B2、B3 為雙向八車道,建筑限界凈寬17.50 m,橫斷面組成為0.75 m 檢修道+0.75 m 側(cè)向?qū)挾?14.5 m 機動車道+0.75 m 側(cè)向?qū)挾?0.75 m 檢修道,建筑限界凈高5 m。隧道結(jié)構(gòu)凈寬18.121 m,結(jié)構(gòu)凈高11.469 m,隧道內(nèi)輪廓R1 為10 m,R2 為5.5 m,R3 為1.5 m,R4 為20 m(見圖3)。

        圖3 B2、B3 隧道內(nèi)輪廓橫斷面圖(單位:mm)

        B1、B4 隧道布置在兩側(cè),為人非通道,B2、B3 雙八通道布置在中央,中央分隔帶及側(cè)分帶寬度均為9 m。B1~B4 隧道橫斷面布置如圖4 所示。

        圖4 B1~B4 隧道剖面布置圖(單位:mm)

        隧道設(shè)計標高離地面最大約60 m,由于洞外紅線及征地拆遷限制,四條隧道均采用小凈距布置形式,B2、B3 中夾巖的厚度最小僅4.479 m。B1、B2 和B3、B4 中夾巖的厚度最小僅4.899 m。

        該項目設(shè)計重難點、規(guī)范要求及該項目采取措施如下:

        (1)B1 與B2,B2 與B3、B3 與B4 隧道間凈距較小,最小僅4.479 m,中夾巖如何保持穩(wěn)定。規(guī)范建議對中夾巖進行加固,該隧道采用對拉預(yù)應(yīng)力錨桿方式進行加固。

        (2)四條隧道施工過程中如何控制后續(xù)隧道開挖對已建隧道影響。規(guī)范中僅有兩條隧道相互施工影響控制規(guī)定。該項目為控制影響,按常規(guī)方式先行施工B2、B3 隧道,待B2、B3 二次結(jié)構(gòu)施工完畢后,采用機械開挖方式施工B1、B4 隧道。

        (3)B1 為偏壓隧道,除按偏壓隧道進行襯砌設(shè)計外,還應(yīng)平衡隧道兩側(cè)巖土壓力,確保隧道整體穩(wěn)定。規(guī)范對于偏壓隧道襯砌受力設(shè)計有詳細要求,兩側(cè)不平衡力處理方式有反壓、回填、擋墻、抗滑樁等建議,該項目采用抗滑樁進行處理。

        2 工程水文地質(zhì)

        2.1 工程地質(zhì)

        根據(jù)地勘鉆孔取芯結(jié)果,隧道范圍的地層主要為粘土層、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。

        黏土層:顏色為黃灰色,狀態(tài)硬塑,局部含少量碎石,揭示層厚2.5~7.1 m,平均厚度3.76 m,屬于土層。

        強風(fēng)化巖層:主要巖性為砂巖,巖石較軟,鉆芯取樣為較破碎到破碎,巖體裂隙發(fā)育較多,按照規(guī)范計算分級判斷為Ⅳ級軟石。

        中風(fēng)化巖層:主要巖性為砂巖,巖石較硬,較完整,偶見裂隙,巖芯多呈長柱狀,局部少量為短柱狀,局部地段巖芯受輕敲后易斷裂,斷裂面較光滑。按照規(guī)范計算分級判斷為Ⅴ級巖石且為次堅石。

        隧道洞口處于強風(fēng)化巖,洞身由于隧道埋深較深,主要處于中風(fēng)化巖層范圍。

        2.2 水文地質(zhì)

        隧道范圍山體經(jīng)鉆孔物探等手段發(fā)現(xiàn)地下水主要為孔隙水,由于地形不平緩,大氣降水快速經(jīng)山體排泄,且水量不大。

        根據(jù)滲透系數(shù)綜合判斷,隧道內(nèi)粘性土和強風(fēng)化砂巖為弱透水層,中風(fēng)化砂巖為弱透水層。

        2 隧道襯砌設(shè)計

        復(fù)合式噴錨襯砌支護參數(shù)可采用工程類比法或數(shù)值計算法確定,在施工過程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測資料進行設(shè)計。

        該隧道設(shè)計采用復(fù)合式襯砌形式。根據(jù)隧道斷面尺寸、所處圍巖級別,以及類似工程經(jīng)驗,初期支護以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架及鋼筋網(wǎng)組成綜合支護體系。B2、B3 隧道初期支護300 mm 厚C25 噴射鋼纖維混凝土,預(yù)留變形量150 mm,二次襯砌為800 mm 厚C40 防水鋼筋混凝土襯砌;B1、B4 隧道初期支護180 mm 厚C25 噴射混凝土,預(yù)留變形量50 mm,二次襯砌為4 800 mm 厚C40 防水鋼筋混凝土襯砌。圖5 為隧道中夾巖處理剖面圖。具體設(shè)計參數(shù)見表1 所列。

        表1 隧道復(fù)合式襯砌支護參數(shù)表(Ⅴ級圍巖)

        圖5 隧道中夾巖處理剖面圖(單位:mm)

        由于中夾巖寬度較窄,采用錨桿施工空間不能滿足,因此采用對拉預(yù)應(yīng)力錨桿措施,中夾巖柱對拉錨桿采用5.6 m 左右長φ32 的螺紋鋼筋,環(huán)向間距1 m,縱向間距0.5 m,梅花形布置,施加預(yù)應(yīng)力80 kN,確保中夾巖穩(wěn)定。

        B1 偏壓隧道處理(見圖6):隧道兩側(cè)偏壓高度約近21 m,采用抗滑樁+放坡方式,樁頂控制到隧道頂上約3 m,樁頂以上采用兩級1∶0.75 錨釘框架梁邊坡。經(jīng)計算采用直徑1.8 m 旋挖鉆抗滑樁,樁間距2.8 m,樁間采用300 mm 混凝土模筑混凝土。

        圖6 B1 偏壓隧道抗滑樁處理斷面圖(單位:mm)

        3 輔助施工措施

        3.1 超前支護

        對于B1、B2、B3、B4 隧道洞口段,由于隧道圍巖條件較差,均采用超前管棚支護形式以確保圍巖穩(wěn)定性。

        對于B2、B3 隧道洞身段Ⅴ級圍巖地段,采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿的措施以保證結(jié)構(gòu)安全(見圖7)。B2、B3 隧道超前小導(dǎo)管擬采用縱向間距3.5 m 的直徑42 mm 壁厚4 mm 的熱軋無縫鋼管,長度為5.0 m,縱向搭接長度大于1 m,注漿材料采用雙漿。

        圖7 B2、B3 隧道超前小導(dǎo)管處理措施圖示(單位:mm)

        B1、B4 隧道由于開挖斷面小,不采用超前支護。

        3.2 施工工法

        考慮到該隧道B2、B3 隧道開挖斷面大,施工中本著“化整為零”的原則。對于洞身Ⅴ級圍巖段采用雙側(cè)壁法施工;由于B2、B3 隧道施工風(fēng)險大,施工過程中需嚴格按照新奧法動態(tài)化設(shè)計施工原則,根據(jù)監(jiān)測量控結(jié)果及時反饋設(shè)計,同步調(diào)整開挖節(jié)奏,確保隧道整體安全可控。

        對于B2、B3 隧道,由于兩隧道凈距僅4.479 m,左、右主洞開挖掌子面錯開間隔根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)不小于40 m,同時施工中B2、B3 隧道主洞開挖掌子面應(yīng)確保不相互產(chǎn)生不利影響為前提。當(dāng)根據(jù)監(jiān)控量測的成果發(fā)現(xiàn)B2、B3 隧道初期支護變形不收斂時,應(yīng)立即進行補強、提前澆筑二次襯砌。

        B1、B4 隧道由于開挖斷面較小,采用臺階法開挖方式。

        3.3 施工順序

        由于B1~B4 隧道間距過近,為減少相互影響,先行施工B2、B3 大斷面隧道,待B2、B3 隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)施工完畢后,再行開挖B1、B4 隧道。為減少影響,B1、B4 隧道需采用非爆破開挖技術(shù)。

        B1 隧道由于與B2~B4 隧道洞口錯臺,需設(shè)置抗滑樁確保B1 隧道整體穩(wěn)定。

        四條隧道具體施工工序如下:(1)開挖至B1 隧道抗滑樁頂標高;(2)施工抗滑樁;(3)B2~B4 隧道洞口外路基開挖;(4)先采用爆破開挖施工B2、B3 隧道,兩個隧道的施工工序要求見相關(guān)要求;(5)待B2、B3隧道的二次襯砌施工完畢后方可考慮B1、B4 隧道的施工;(6)B1、B4 隧道的開挖使用非爆破施工技術(shù),由于該項目巖石為軟巖,采用機械開挖方式,以避免對已建B2、B3 隧道主體結(jié)構(gòu)的影響。

        3.4 施工監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報

        根據(jù)B1~B4 隧道地質(zhì)特點和結(jié)構(gòu)形式,礦山法隧道監(jiān)控量測必須按規(guī)范要求進行。同時,由于該項目有四條小凈距隧道,除了對先行施工B2、B3 隧道進行常規(guī)監(jiān)測外,在B1、B4 隧道施工時應(yīng)加強對已完成二襯施工的B2、B3 隧道位移監(jiān)測(見圖8、圖9)。

        圖8 B2 隧道拱頂監(jiān)測位移圖(單位:mm)

        圖9 B3 隧道拱頂監(jiān)測位移圖(單位:mm)

        根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),B2 隧道拱頂沉降最大為1.6 mm,且日變化量小于0.2 mm/d。B3 隧道拱頂最大沉降為1.4 mm(見表2、表3)。

        表2 圍巖位移報警值一覽表

        表3 圍巖位移速率報警值一覽表

        位移總值小于1/3 位移設(shè)計值(預(yù)留變形量)且日變化量小于0.2 mm/d。因此B2、B3 隧道在隧道施工期間拱頂沉降穩(wěn)定。

        在B1~B4 隧道掌子面開挖前,應(yīng)采用超前地質(zhì)預(yù)報方式對隧道前方圍巖狀況進行探測,預(yù)報B1~B4 隧道前方圍巖地質(zhì)情況。如探測成果顯示可能存在不良地質(zhì),應(yīng)采取地質(zhì)雷達進一步驗證。必要時,B1~B4 隧道需布置超前探孔以準確定位不良地質(zhì)的范圍及規(guī)模,便于提前處治。施工前應(yīng)有不良地質(zhì)應(yīng)急預(yù)案。該工程在施工過程中,超前地質(zhì)預(yù)報未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)。

        3.5 施工中遇到問題及處理措施

        由于設(shè)計采用對拉預(yù)應(yīng)力錨桿進行中夾巖加固,待B2 先行隧道開挖完畢后打入對拉錨桿,后行隧道B3 爆破開挖時錨桿破壞較嚴重,張拉質(zhì)量難以保證。后經(jīng)各方討論決定對B3 隧道拉錨桿范圍采用機械緩慢開挖方式,確保對拉錨桿施工質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        此大跨度小凈距礦山法隧道群已于2018 年開工建設(shè),2021 年11 月建成,施工過程中監(jiān)測變形數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范,B2、B3 隧道在整體隧道施工過程中穩(wěn)定,整體結(jié)構(gòu)安全。圖10 為隧道現(xiàn)場實景。

        圖10 隧道現(xiàn)場照片實景

        因此對于多條小凈距大跨度隧道,施工過程中先行施工中間隧道,控制左右洞開挖間距,確保中夾巖穩(wěn)定。待B2、B3 隧道二次襯砌施工完畢后采用非爆破開挖技術(shù)施工B1、B4 隧道,減少隧道群之間相互影響。此工程為以后此類隧道設(shè)計施工積累了寶貴工程經(jīng)驗。

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