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        公路隧道項(xiàng)目掘進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的施工技術(shù)分析

        2023-09-21 04:58:02
        交通科技與管理 2023年17期
        關(guān)鍵詞:泥質(zhì)拱頂灰?guī)r

        陳 鵬

        (貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001)

        0 引言

        隧道開挖后圍巖成拱作用降低,穿越破碎帶施工易引發(fā)隧道圍巖塌陷和結(jié)構(gòu)變形,導(dǎo)致隧道失穩(wěn),故穿越隧道破碎帶施工成為項(xiàng)目施工的關(guān)鍵難點(diǎn)。強(qiáng)風(fēng)化破碎帶、斷層破碎帶常見于隧道開挖施工中,該文基于某公路隧道項(xiàng)目施工實(shí)例,對(duì)隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

        1 工程概況

        某公路隧道項(xiàng)目全程4.3 km,最大埋深262 m。項(xiàng)目位于山嶺重丘區(qū)域,沿線穿越泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云灰?guī)r,巖體伴不同程度裂隙。該項(xiàng)目隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r向泥質(zhì)灰?guī)r過(guò)渡階段,巖體含泥量豐富,發(fā)育有不同程度的裂隙,易破碎程度高。隧道開挖至ZK8+348段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,斷面拱頂沉降值為89 mm,接近100 mm 的預(yù)留空間,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和地質(zhì)特點(diǎn),經(jīng)施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、承建等不同單位現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)后,確定該區(qū)域泥質(zhì)灰?guī)r達(dá)到了強(qiáng)風(fēng)化水平,且該區(qū)域裂隙發(fā)育,認(rèn)定其為泥質(zhì)灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化破碎帶?;诂F(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果,原項(xiàng)目初期施工方案與支護(hù)參數(shù)不達(dá)標(biāo),不符合現(xiàn)場(chǎng)施工開挖需求,需對(duì)施工方案與支護(hù)參數(shù)加以調(diào)整以滿足施工穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶的需求。

        2 施工及支護(hù)方案確定

        2.1 施工方案

        目標(biāo)施工段巖層裂隙明顯發(fā)育。施工段位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶,隧道開挖后基巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受損,區(qū)域內(nèi)地下水發(fā)育。調(diào)整后的施工方案與支護(hù)參數(shù)在滿足隧道項(xiàng)目施工安全的基礎(chǔ)上,還應(yīng)精簡(jiǎn)工序,提高施工便捷程度,從而合理控制項(xiàng)目成本支出。現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果顯示隧道開挖跨度為12.86 m,開挖高度達(dá)10.3 m,目標(biāo)區(qū)域裂隙發(fā)育顯著,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r結(jié)構(gòu)伴豐富地下水層,基于項(xiàng)目實(shí)地情況分析不同施工方案可行性,最終確定三臺(tái)階法施工。結(jié)合三臺(tái)階法施工方案,臺(tái)階長(zhǎng)度確定為4~6 m,針對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)完成封閉并及時(shí)設(shè)置系統(tǒng)錨桿支撐與鋼架支護(hù),滿足系統(tǒng)支撐強(qiáng)度需求,同時(shí)以C25 混凝土噴射使其厚度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

        2.2 支護(hù)方案

        (1)超前支護(hù)。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,隧道開挖過(guò)程中圍巖壓力迅速增加,為提高施工安全性可于施工開挖前于開挖圍巖前方,以超前小導(dǎo)管注漿加固。小導(dǎo)管型號(hào)為長(zhǎng)4 m 壁厚4 mm 的直徑42 mm 無(wú)縫鋼管,間距為25 cm,控制外散角10~13°,并將其均勻布設(shè)于供頂部[2]。

        (2)初期支護(hù)。以厚度為26 cm 的C25 型噴層混凝土完成封閉型初期支護(hù),控制網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm,型鋼拱架選I20b 型,控制間距60 cm,采用梅花形布設(shè)中空系統(tǒng)錨桿,其長(zhǎng)度為4 m。為加強(qiáng)支護(hù),將預(yù)留變形量增加至12 cm,相比于原設(shè)計(jì)方案,初期支護(hù)沿開挖輪廓完成封閉,改善初期支護(hù)強(qiáng)度同時(shí)提高整體承載力,確保支護(hù)結(jié)構(gòu)變形能力符合施工需求[3]。

        (3)二次襯砌。以C30 型鋼筋混凝土完成防水襯砌,襯砌厚度為50 cm。

        3 隧道施工效果數(shù)值模擬

        采用FLAC 分析軟件完成三維數(shù)值建模,評(píng)估改善支護(hù)參數(shù)之后應(yīng)用三臺(tái)階法施工的安全性,對(duì)方案調(diào)整前后施工情況進(jìn)行對(duì)比分析。

        3.1 數(shù)值計(jì)算模型

        巖體材料有顆粒性,假定圍巖初期支護(hù)材料性質(zhì)相同且顆粒性質(zhì)一致以便于后續(xù)研究與計(jì)算,假定超前支護(hù)加固和圍巖支護(hù)中應(yīng)用的巖體材料均為理想彈塑性材料,即目標(biāo)材料滿足摩爾捧侖屈服準(zhǔn)則。計(jì)算中,將鋼拱架提供的間接支護(hù)作用考慮在內(nèi)并忽略可能存在的鋼筋網(wǎng)為彈性材料提供的支撐力[4]。

        將超前注漿小導(dǎo)管對(duì)掌子面圍巖的加固作用認(rèn)定為均勻加固區(qū),并借助相關(guān)力學(xué)指標(biāo)來(lái)分析其作用。隧道支護(hù)系統(tǒng)錨桿借助Cable 單元模擬,并借助FLAc 實(shí)體單元模型進(jìn)行圍巖和初期支護(hù)環(huán)節(jié)的模擬,借助模型來(lái)進(jìn)行模擬不同操作單元。

        3.2 模擬施工過(guò)程

        為提高數(shù)值運(yùn)算的準(zhǔn)確性,數(shù)值模擬需與施工實(shí)際情況相吻合,以三臺(tái)階法進(jìn)行初期支護(hù)并于開挖完畢后實(shí)施本部支護(hù)施工。根據(jù)模擬計(jì)算,臺(tái)階長(zhǎng)度為4.2 m,保持施工環(huán)節(jié)開挖面與仰拱閉合間距小于24 m,初期支護(hù)仰拱的施工長(zhǎng)度約3.6 m。初期支護(hù)中需對(duì)計(jì)算步進(jìn)行開挖以模擬隧道開挖過(guò)程中地應(yīng)力的釋放過(guò)程。以新奧法為基礎(chǔ),隧道開挖過(guò)程中的主要承載結(jié)構(gòu)為初期支護(hù),施工環(huán)節(jié)二次襯砌需于隧道穩(wěn)定后施工,模型計(jì)算中并未將該部分內(nèi)容考慮在內(nèi)[5-6]。

        3.3 計(jì)算參數(shù)

        基于施工場(chǎng)地地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果,準(zhǔn)確評(píng)估物理力學(xué)指標(biāo)以確定施工參數(shù),結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整拱部圍巖注漿標(biāo)準(zhǔn),參數(shù)情況如表1 所示。

        表1 模型計(jì)算參數(shù)

        3.4 計(jì)算結(jié)果分析

        將施工中模型中斷面作為研究對(duì)象,分析隧道施工過(guò)程中的圍巖變形特點(diǎn)及支護(hù)受力結(jié)構(gòu)情況,結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)三臺(tái)階法施工情況進(jìn)行評(píng)估,判斷項(xiàng)目施工可行性與安全性。

        (1)隧道變形。以隧道施工數(shù)值計(jì)算模型的結(jié)果對(duì)隧道變形性進(jìn)行評(píng)估,結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知,影響隧道拱頂沉降的因素眾多,項(xiàng)目最終沉降值為30.8 m,上中下臺(tái)階的最大收斂值隨其收斂水平增大而增加,確定其最大值為40.1 m。

        (2)初支結(jié)構(gòu)主應(yīng)力。支護(hù)初期,噴混凝土強(qiáng)度值與剛度值均小于鋼拱架提供的水平,早期圍巖結(jié)構(gòu)壓力多集中在鋼拱架,故支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為2.76 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C25 噴混凝土的抗拉強(qiáng)度值2.0 MPa,但由于鋼拱架承擔(dān)了大多數(shù)壓力,故噴混凝土層實(shí)際有較高的安全性。最大初期支護(hù)壓應(yīng)力水平為11.4 MPa,小于最大抗壓極限值,故該項(xiàng)目初期支護(hù)方案的安全性突出。

        (3)錨桿應(yīng)力。以數(shù)值計(jì)算模型為基礎(chǔ),結(jié)合應(yīng)力云圖模擬斷面臺(tái)階錨桿應(yīng)力水平,可知兩側(cè)錨桿中部應(yīng)力值最大,可能與其水平收斂位移較大有關(guān),該處最大拉應(yīng)力水平為235.6 MPa,未達(dá)到錨桿的抗拉屈服最大強(qiáng)度值。

        4 施工關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 超前支護(hù)施工

        采用密排超前注漿小導(dǎo)管加固的方案控制掌子面地層位移,從而改善圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。于超前注漿小導(dǎo)管設(shè)計(jì)位置用潛孔鉆機(jī)在鋼架腹板割孔,孔徑約80 mm,鉆孔完畢后迅速將小導(dǎo)管插入并注漿。導(dǎo)管設(shè)計(jì)位置前端多于10 cm 處設(shè)計(jì)為圓錐狀以便于小導(dǎo)管順利置入鉆孔內(nèi),同時(shí)在鋼管尾部焊接直徑6 mm 的鋼筋箍。用快硬水泥封堵小導(dǎo)管孔口,封堵長(zhǎng)度需大于15 cm 并借助跳孔方案完成紙漿,注意避免注漿環(huán)節(jié)相鄰孔口出現(xiàn)躥漿。注漿中需以地層吃漿量為基準(zhǔn)對(duì)漿液水灰比進(jìn)行適度調(diào)節(jié),選擇合理的焊接方式將鋼管尾部焊接在鋼拱架。

        4.2 隧道開挖及支護(hù)施工

        以小導(dǎo)管注漿,凝固后完成三臺(tái)階法施工,借助小爆破、機(jī)械開挖完成開挖施工,并控制開挖進(jìn)尺為0.6 m。完成各階開挖后將8 mm 直徑的鋼筋網(wǎng)掛設(shè)完畢并初噴混凝土5 cm 后安裝系統(tǒng)錨桿,保持間距1 m 利用直徑22 mm 的螺紋鋼將相鄰榀鋼架內(nèi)外翼緣牢固焊接,保證鋼架空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí),通過(guò)后續(xù)噴混凝土使其厚度達(dá)標(biāo)。鋼架兩側(cè)底部配備注漿鎖腳錨管并于開挖支護(hù)施工完畢后進(jìn)行封閉。

        5 監(jiān)控量測(cè)

        5.1 測(cè)點(diǎn)布置

        于ZK8+332 斷面分別設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)和壓力盒,同時(shí)設(shè)置拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行分析,詳見圖1 所示。

        圖1 測(cè)點(diǎn)布置

        5.2 圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

        圍巖壓力與時(shí)間變化曲線如圖2 所示。對(duì)圖2 分析可知,不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力水平初期增速較大,隨著工序進(jìn)展,封閉支護(hù)后各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力值變化幅度降低,壓力水平逐漸趨于穩(wěn)定。供頂部圍巖壓力水平較高,隨著圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)變化,后續(xù)安裝的監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)顯示圍巖壓力水平較小,最終測(cè)量結(jié)果略小于公式計(jì)算值。

        圖2 圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線

        5.3 鋼架外翼緣應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

        鋼拱架外翼緣應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。安裝初期,鋼拱架應(yīng)力水平不斷增加且后期施工階段應(yīng)力被釋放,支護(hù)封閉完成后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值不斷趨于穩(wěn)定。分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平可知,鋼拱架拱部應(yīng)力水平最大,其最大水平為81 MPa。

        圖3 鋼拱架翼緣應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

        5.4 拱頂沉降

        斷面ZK8+332 拱頂沉降曲線如圖4 所示,上臺(tái)架開挖之后拱部沉降水平不斷加大,后續(xù)持續(xù)開挖進(jìn)程中,拱頂沉降隨著施工進(jìn)展不斷增大。支護(hù)封閉完畢后,鋼拱架拱頂處沉降水平不斷減小并穩(wěn)定,檢測(cè)結(jié)果顯示其最終沉降值為35.4 mm,略高于模擬值水平。

        圖4 隧道拱頂沉降曲線

        分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形情況,該研究所選施工方案及施工參數(shù)可行性高,隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶施工安全。

        6 結(jié)論

        綜上所述,該隧道項(xiàng)目穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶施工實(shí)踐,存在部分圍巖坍塌和支護(hù)噴混凝土開裂現(xiàn)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)隧道施工方案進(jìn)行了調(diào)整,最終確定了三臺(tái)階法施工。施工過(guò)程中通過(guò)加強(qiáng)超前加固及初期支護(hù)方案,具體措施為:

        (1)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,隧道開挖過(guò)程中圍巖壓力迅速增加,采用開挖面前方圍巖超前小導(dǎo)管注漿加固方案處置。

        (2)應(yīng)用26 cm 厚C25 噴混凝土層聯(lián)合封閉型初期支護(hù)方案,將預(yù)留變形量增加至12 cm。

        (3)二次襯砌。以C30 型50 cm 厚鋼筋混凝土進(jìn)行二次襯砌,相比于原支護(hù)方案,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度水平與穩(wěn)定性明顯提升,支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗圍巖變形能力增強(qiáng)。

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