特殊地段隧道開挖施工技術研究

惠彬永 劉建鎖

1 工程概況

溫福鐵路北山隧道位于福建省福鼎市,起止里程為DK90+729～DK92+379,全長1650 m,地質十分復雜,圍巖破碎,涌水量大,要穿越600 m的斷層、300 m淺埋層,隧道所經圍巖級別為:Ⅲ ,Ⅳ,Ⅴ 。

2 常用輔助施工技術特點及其應用

2.1 分步施工法

在松散軟弱地層中修建隧洞時,由于圍巖松動變形大,速度快,支護難度大,根據圍巖松動的塌落拱理論,塌落拱或圍巖松動變形區的高度與開挖跨度成正比,為此,常采用分步開挖支護的方法,以達到減輕支護難度、控制圍巖變形、穩定圍巖的目的。

2.2 超前支護法

超前支護法有:超前錨桿、超前管棚、超前小導管預注漿。

2.2.1 超前錨桿

超前錨桿的長度要根據實際地質情況、錨桿拉拔試驗強度、鉆孔機械類型、開挖循環次數等因素綜合考慮確定。一般錨桿長度多采用4.0 m～5.0 m;錨桿的傾角一般選用6°～12°;超前錨桿主要有兩種形式:懸吊式超前錨桿和鋼架支撐超前錨桿。

1)懸吊式超前錨桿。在爆破開挖前,將超前錨桿沿開挖輪廓線打入掘進前方穩定的巖層內。末端支承在拱部圍巖內專為超前錨桿提供支點的徑向懸吊錨桿上,或支承在作為初期支護的結構錨桿上,起到支護掘進進尺范圍內拱部上方的作用,有效地約束圍巖在爆破后的一定時間內不發生松弛坍塌,為大斷面開挖與錨噴支護創造了條件。

2)鋼架支撐超前錨桿。超前錨桿的前端打在掘進前方穩定的巖層內,末端支承在鋼架上。鋼架有兩種,一種為鋼拱架,另一種為格柵拱架,形式如圖1所示。鋼拱架由型鋼冷彎而成,施工中大都采用16號工字鋼;格柵拱架由鋼筋焊接而成。

鋼架為軟弱圍巖地段對圍巖進行加強錨噴支護的重要組成部分。鋼架支撐超前錨桿施工比較方便,又對圍巖加強了支護,因此,施工中經常使用。如溫福鐵路分水關隧道、蓮花崗隧道均利用鋼架支撐超前錨桿,采用超短正臺階法施工,安全順利地通過破碎帶,超欠挖問題也得到了有效的控制。

2.2.2 超前管棚法

按鋼管的長度分為短管棚和長管棚。

1)短管棚法。小管棚法施工插入土體的鋼管直徑一般不超過50 mm,長度不超過5 m。鋼管沿隧道拱部開挖輪廓線外緣以一定的仰角布設,對于松散無自穩,無粘聚力的粉細砂及砂礫石所構成的地層,仰角在5°～10°之間。實際布管時,從拱頂到拱腳管間距由密漸疏。鋼管直徑比孔徑一般小3 mm～6 mm,主要是根據鉆頭尺寸控制。

超前鋼管兼起管棚和注漿作用,鋼管壁四周通常鉆小于10 mm的壓漿孔,構造如圖2所示。根據實際需要,鋼管內可灌注水泥砂漿、硅或放置鋼筋并灌注水泥砂漿,以增加鋼管強度。

2)大管棚法。大管棚法實際上為小管棚法技術的擴展,其原理與小管棚法相似。大管棚法施工插入圍巖的超前鋼管直徑一般為小于 50 mm～150 mm,壁厚 4.5 mm～6 mm,長度10 m～25 m。一個循環長度視施工要求而定,需要考慮各方面的因素,是一系統工程,一般不超過30 m。

3)管棚法施工相關措施。大小管棚法主要是鋼管直徑和長度等參數上的區別,而并非隧道斷面及工程規模大小的區別。在方式的選擇上所依據的是圍巖的力學性計算值和所要達到的目的。在管棚施工注漿后,并不是時間越長再開挖越好,在注入水泥和水玻璃雙液漿時,開挖可在2 h～3 h后進行,在采用早強或普通水泥作漿材時,8 h～24 h開挖比較合適。如果注漿后間隔時間太長,由于注漿固結體強度高反而會增加開挖的難度。

2.2.3 超前小導管預注漿法

小導管預注漿超前支護是將鋼管前端做成尖楔狀,在管前部2.5 m～4 m范圍內按梅花形布置小于6 mm的注漿孔,在隧道開挖前沿隧道開挖輪廓線以一定的外插角鉆孔,打入帶孔的小導管,然后注入水泥漿液或水泥—水玻璃雙液漿,充分填充圍巖孔隙,并使之固結的一種超前支護方法,它適用于自穩性很差的砂層、砂卵石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖淺埋地段等。導管常采用小于40 mm左右,壁厚3.5 mm左右的熱軋鋼管,長度為 4 m,每兩環小導管之間的搭接長度為1 m。如圖3所示是典型的小導管布置方式:環向間距40 cm,排距40 cm,內排距開挖輪廓線 10 cm,每環外排40根,內排41根,梅花形布置,小導管水平設置。

2.3 超前灌漿法

注漿加固是將松散地層固結為整體,再進行開挖。它是在松散地層施工中常用的一種施工輔助措施。在砂夾礫石、粗砂且有侵蝕性水時,采用水泥砂漿壓注;在粉、細砂地層或有侵蝕性水時,可壓注化學漿液。洞內灌漿段長度可根據工程地質情況、灌漿要求和機械設備等條件而定,一般為不大于50 m,在極破碎巖層中為5 m～10 m,破碎巖層為10 m～15 m。

3 結語

本文結合北山隧道特殊地質條件,通過對特殊地段隧道開挖常用輔助施工技術的分析研究,針對性的提出了北山隧道特殊地段開挖輔助施工技術,并對隧道開挖支護施工方案進行了優化,為類似工程施工取得了寶貴的經驗。

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