某隧道施工支護(hù)技術(shù)研究

岳英龍,蘭傳波,李新永

(1.山東德林工程項(xiàng)目管理有限公司;2.煙臺(tái)平安路橋工程檢測(cè)有限公司)

1 工程概況

1.1 隧道工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

某隧道工程位于潘家山復(fù)式(背斜)褶皺構(gòu)造的北東翼,婁山關(guān)大斷裂的南西面,距婁山關(guān)大斷裂約 1.0km,走向西北,傾向西南,傾角 80°,受大斷裂影響,隧道工程區(qū)內(nèi)斷層相對(duì)較發(fā)育。其中 F1斷層(龍井坡斷層)為縱斷層,位于隧道南西面,距右幅隧道 45～230m,斷層走向 150°～190°,斷層傾向 258°左右,傾角 73°,為逆斷層。 F2斷層為一北東向橫斷層,在隧道右幅 K89+440,左幅 K89+400地表處斜交穿過(guò)隧道,斷層傾向 126°,傾角 78°,為逆斷層。

此外,區(qū)內(nèi)小型壓縮性錯(cuò)斷、節(jié)理均較發(fā)育,巖石結(jié)構(gòu)面呈舒緩波狀或直線狀,但擠壓破碎帶不明顯,被結(jié)構(gòu)面所切割的巖體大小不一,形狀各異。

1.2 隧道工程區(qū)巖體結(jié)構(gòu)

受斷層影響,在斷層附近的局部巖層地層產(chǎn)狀變化較大。除構(gòu)造作用,巖石表面風(fēng)化作用強(qiáng)烈,風(fēng)化節(jié)理、微節(jié)理、隱節(jié)理等次生結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,風(fēng)化節(jié)理長(zhǎng)多在 0.05～2.00m之間,節(jié)理產(chǎn)狀為 190°∠80°、270°∠80°,均垂直于層面或平行于層面,相互切割使巖石呈破裂狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌狀結(jié)構(gòu);而微節(jié)理則發(fā)育其間,縱橫交錯(cuò),一般長(zhǎng)度 0.05～0.2m,間隔 2～4cm,多成組出現(xiàn);隱節(jié)理則發(fā)育與風(fēng)化節(jié)理切割的巖塊中,巖石受力后即沿節(jié)理面破裂。經(jīng)強(qiáng)風(fēng)化作用后巖石呈砂屑狀或碎屑狀。

1.3 隧道工程區(qū)水文地質(zhì)條件

隧道工程區(qū)白云巖、泥質(zhì)白云巖、角礫狀白云巖和泥質(zhì)粉砂巖均為透水層,由于斷裂構(gòu)造的影響,區(qū)內(nèi)地下水除受大氣降水補(bǔ)給,部分滲入基巖,形成基巖裂隙水外,還部分接受 F1斷層上盤(pán)地下水的滲入,地下水較豐富。區(qū)內(nèi)地下水埋藏較淺,鉆孔揭露水位均在隧道頂板之上。

2 初期支護(hù)

2.1 錨桿支護(hù)

某隧道采用 Φ22砂漿錨桿、RD25N中空注漿錨桿和R25N自進(jìn)式錨桿。根據(jù)地質(zhì)情況,在Ⅱ類圍巖采用RD25N錨桿間距 60cm×80cm,錨桿長(zhǎng)度 350cm;Ⅲ類圍巖 RD25N錨桿間距 80cm×100cm,錨桿長(zhǎng)度 300cm;Ⅳ類圍巖RD25N錨桿間距 120cm×120cm,錨桿長(zhǎng)度 250cm;Ⅴ類圍巖只在拱部施設(shè) RD25N錨桿間距 150cm×150cm,錨桿長(zhǎng)度 250cm。原設(shè)計(jì)在破碎圍巖帶采用徑向 R25N自進(jìn)式錨桿代替中空錨桿。但考慮錨桿的錨固力主要取決于錨桿和錨固材間的附著力和錨固材與圍巖間的附著力,而自進(jìn)錨桿對(duì)周圍圍巖的加固作用有限,尤其是對(duì)于節(jié)理裂隙極為發(fā)育的破碎圍巖帶,加固效果一般,在施工中以普通砂漿錨桿代替。

2.2 噴射混凝土

噴射的混凝土采用提高噴混凝土的早期強(qiáng)度、增加厚度和采用濕噴混凝土施工工藝可以大大提高噴混凝土的質(zhì)量。

(1)材料及配合比

采用 P.O32.5R水泥,每立方 460kg;砂為機(jī)制砂,表觀密度 ρ′s=2.745×103kg/m3;碎石最大粒徑 dmax=16mm,表觀密度 ρ′G=2.669×103kg/m3;AJ型速凝劑摻量 3.5%。C20噴射混凝土配合比,每立方米噴射混凝土材料用量為m水泥∶m速凝劑∶m砂∶m石=460∶16∶1∶745∶745。

(2)施工工藝

準(zhǔn)確計(jì)量各種材料,減少誤差。延長(zhǎng)混凝土攪拌時(shí)間不少于 60s。安裝噴射機(jī)后啟動(dòng)送風(fēng)加料,待混凝土噴出后加速凝劑,控制風(fēng)壓,減少回彈和堵管。

暫停時(shí),先關(guān)閉速凝劑計(jì)量泵,停止加料,待殘留混凝土及速凝劑被吹凈后停風(fēng)關(guān)機(jī)。

噴射前處理欠挖,用風(fēng)清洗巖面。連續(xù)上料保持機(jī)桶內(nèi)料滿?？v向噴射 1.5～3m(開(kāi)挖進(jìn)尺)一段,先拱后墻噴射;每次噴射寬度 1.5～2m,噴射時(shí)自下部水平方向旋轉(zhuǎn)噴射并采用旋轉(zhuǎn)相疊和行見(jiàn)相疊(搭接 10～15cm),然后向上噴射,超挖部位補(bǔ)噴平整。噴嘴距巖面1.2m左右且盡量垂直與巖面。每次噴射混凝土厚度控制在 6cm左右,最后補(bǔ)足厚度并保證噴射表面平整。噴射后在混凝土表面適當(dāng)以小水壓力噴濕表面養(yǎng)護(hù)不少于 3d。

2.3 格柵與型鋼拱支護(hù)

本隧道在Ⅱ類、Ⅲ類圍巖段分別采用鋼筋格柵鋼架或工字鋼拱架加強(qiáng)初期支護(hù),和噴射混凝土共同受力發(fā)揮其承載作用。工字鋼拱架用縱向連接鋼筋連接架設(shè)后可以立即發(fā)揮其作用,但是在噴射混凝土?xí)r其背部易出現(xiàn)空隙,其安裝和加工較困難,與混凝土共同受力后易出現(xiàn)裂縫;格柵鋼架加工安裝較容易,與圍巖密貼和混凝土結(jié)合良好,容許圍巖適度變形,但不能立即承載,格柵鋼架剛度隨混凝土強(qiáng)度的提升增大,提供的支護(hù)阻力隨之增大,造價(jià)較低。

洞口淺埋偏壓段、Ⅱ類圍巖段和破碎帶圍巖采用 20b工字鋼拱架、間距 60cm、縱向用 Φ22鋼筋連接,形成剛性拱架,可作臨時(shí)支撐承受較大的圍巖壓力同時(shí)作為超前小導(dǎo)管的支撐構(gòu)件。由于此類圍巖開(kāi)挖采用上下斷面分部開(kāi)挖的方案,在拱架制作時(shí)宜分節(jié)段制作加工安裝,上半斷面分成 3節(jié),邊墻分2節(jié),共5節(jié);安裝時(shí)用楔塊使拱架與圍巖楔緊,上半斷面拱腳處采用擴(kuò)挖成馬蹄噴射混凝土補(bǔ)足,使拱腳牢固。

Ⅲ類圍巖段采用鋼筋格柵鋼架,根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況間距分別為 80cm、100cm和 120cm,縱向用 Φ22鋼筋連接。格柵與錨桿焊接后迅速噴射混凝土以形成聯(lián)合支護(hù)。

格柵鋼架或工字鋼拱架架立前檢查開(kāi)挖斷面和隧道中線合格后立即架設(shè),并保證位置準(zhǔn)確,連接牢固,與圍巖間的空隙不小于 4cm用楔塊楔緊,每榀楔塊不少于 13處,噴射混凝土要保證密實(shí),在鋼架或拱架處適當(dāng)增加噴射厚度,以加強(qiáng)其承載力。

3 超前支護(hù)

為保證掌子面穩(wěn)定采用超前支護(hù)的方法。龍井隧道進(jìn)口段以及緊急停車帶采用超前水平砂漿錨桿支護(hù),仰角 5～100,長(zhǎng) 250cm,環(huán)距 30cm,每環(huán) 36根,150cm一環(huán)。出口段采用超前 Φ42小導(dǎo)管注水泥漿支護(hù),長(zhǎng) 450cm,仰角 10～150,環(huán)距 40cm,240cm一環(huán)。超前砂漿錨桿或小導(dǎo)管均以格柵鋼架或工字鋼拱架作為支撐構(gòu)件并焊接牢固,利用其抗彎剛度改善掌子面前方圍巖狀況,從而穩(wěn)定圍巖。水平砂漿錨桿采用先灌后錨保證灌入砂漿飽滿密實(shí)。小導(dǎo)管在管壁四周鉆 Φ8mm小孔,作為壓漿孔,鋼管前端加工成尖錐形,尾部焊加勁箍;用風(fēng)槍鉆眼,清孔后大錘打入,采用 UBJ3型擠壓式灰漿泵注水泥漿。

4 塌方治理

該隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,節(jié)理裂隙發(fā)育,地下水豐富以及斷層破碎帶影響,在施工階段出現(xiàn)了多次塌方,其中以右線YK89+000～YK89+030段塌方規(guī)模較大,塌方后塌方拱部呈平屋頂?shù)孤┒沸?影響范圍隧道縱向 18m、橫向 16m、塌方高度 12m,塌方數(shù)量達(dá) 3500m3。

4.1 分析

經(jīng)多次到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究,認(rèn)為龍井隧道出現(xiàn)的多次塌方事故主要有以下原因。

(1)該隧道地質(zhì)情況較復(fù)雜,巖層緩傾角薄層層理構(gòu)造發(fā)育,巖性以強(qiáng)—中風(fēng)化白云巖和泥質(zhì)白云巖為主,巖石破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,層間夾泥,有地下水滲出,致使巖層間結(jié)合力降低,引起拱部失穩(wěn)、坍塌,塌方段圍巖類別鑒定為弱Ⅲ類。

(2)從進(jìn)口到出口由低漸高并在隧道中部與隧道軸線相交有一泥質(zhì)砂巖層,巖層厚度 30～80cm,實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)報(bào)告有出入。原設(shè)計(jì)泥質(zhì)砂巖層與隧道軸線相交里程在 K89+040范圍,影響長(zhǎng)度到 K89+265;根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖情況報(bào)告和開(kāi)挖后掌子面地質(zhì)情況,其相交里程在 K88+900,影響范圍到 K89+350。

4.2 處理方案

本著安全、快速、保質(zhì)的原則處理塌方,見(jiàn)圖 1。

圖 1 塌方治理圖

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)確定塌方治理方案并形成工地會(huì)議紀(jì)要為變更索賠提供依據(jù)。

(2)先加固未塌方段,采用以下兩種方案。

其一,二襯距塌方較遠(yuǎn)時(shí)采用增加噴射混凝土厚度和注漿小導(dǎo)管對(duì)未塌方拱部和邊墻進(jìn)行加固,根據(jù)情況采用超前小導(dǎo)管注漿加固靠近塌方段圍巖。

其二,二襯靠近塌方段時(shí),抓緊施工二次襯砌,以防止塌方的進(jìn)一步擴(kuò)大。

(3)充分利用圍巖塌方后處于一種相對(duì)的暫時(shí)穩(wěn)定的狀態(tài),抓緊時(shí)間處理塌方。在塌方內(nèi)沿塌方面施工初期支護(hù)。

(4)為防止再次塌方對(duì)二次襯砌造成較大壓力,在塌方內(nèi)設(shè)片石混凝土護(hù)拱,拱腳 2m、中部 1.5m,預(yù)留通道作為護(hù)拱背部回填 1.5m厚土石緩沖層的通道;預(yù)埋排水管和隧道環(huán)向排水系統(tǒng)連接通過(guò)縱向排水系統(tǒng)排除地下水;預(yù)留注漿管襯背注漿。

(5)由洞外向里清渣。

(6)設(shè)置防水層,預(yù)留注漿管,連接環(huán)向排水管和塌方內(nèi)排水管。

(7)安裝襯砌鋼筋,進(jìn)行二次襯砌。

(8)襯背注漿。

5 巖溶洞治理

該隧道巖溶發(fā)育,在左洞 ZK89+551.45段出現(xiàn)一較大溶洞。該溶洞在行車前進(jìn)方向左側(cè),從拱腳以上 80cm處到拱頂,線路方向長(zhǎng)度 12m,洞內(nèi)有水流出。該段已進(jìn)入斷層破碎帶。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究,針對(duì)龍井隧道巖溶較發(fā)育的情況,采取了以超前小導(dǎo)管注漿加固和超前支護(hù),同時(shí)挖除洞內(nèi)淤泥,預(yù)埋引水管,增加排水盲溝數(shù)量(原設(shè)計(jì) 10m一道,調(diào)整為 3m一道,調(diào)整范圍隧道長(zhǎng)度 20m),并將軟式透水管盲溝變更為無(wú)紡布盲溝,見(jiàn)圖2。

圖 2 無(wú)紡布盲溝施工圖

超前小導(dǎo)管(見(jiàn)超前小導(dǎo)管布置圖)采用 Φ42mm、δ=3mm鋼管加工制作,小導(dǎo)管長(zhǎng) 450cm,花管部分長(zhǎng) 350cm。除正洞按照變更設(shè)計(jì)要求(每循環(huán) 240cm間距,環(huán)距40cm)施作小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固外,在溶洞范圍前后加3m(3+12+3=18m)采取徑向注漿補(bǔ)強(qiáng),特別是在溶洞到邊墻底范圍采取注漿加固改良底部圍巖。徑向注漿采用注漿花管進(jìn)行全孔一次性由下到上注漿,徑向間距 ×縱向間距 =40cm×240cm。底部注漿加固改良采用上述鋼花管垂直打入,布設(shè)間距：橫向 ×縱向 =40×120。初始注漿壓力0.5～0.6MPa,終壓 1.2～1.5MPa,終壓時(shí)保持一定壓力持續(xù)時(shí)間為 3min;注漿材料采用單液水泥漿。

圖 3 超前小導(dǎo)管布置圖

該段初期支護(hù)和二次襯砌加強(qiáng),初期支護(hù)采用 20b型鋼拱架間距60cm,縱向Φ22鋼筋連接。二次襯砌厚度60cm,內(nèi)設(shè)雙層鋼筋。

6 破碎帶施工方案

受F2斷層影響,破碎帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,容易引起掉塊和小塌方,對(duì)隧道穩(wěn)定性有一定影響。隧道地下水主要有上層滯水和孔隙潛水,溶洞水,破碎帶內(nèi)含水豐富,對(duì)隧道危害極大。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)掌子面前方和勘察掌子面圍巖情況,綜合判定該圍巖類別為弱Ⅲ類。采用臺(tái)階法開(kāi)挖,短進(jìn)尺(每循環(huán)進(jìn)尺不大于 120cm)、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)以及加快二次襯砌進(jìn)度,保證二襯距掌子面不超過(guò) 100m。

(1)超前小導(dǎo)管注漿超前加固,用 UBJ3型擠壓式灰漿泵由下往上進(jìn)行一次性壓漿。

(2)初期支護(hù)采用 20b型鋼拱架間距 60cm,縱向 Φ22鋼筋連接,Φ8鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)眼尺寸 20cm×20cm,噴射混凝土 24cm,徑向 RD25N錨桿長(zhǎng) 350cm,縱向 ×環(huán)向間距=60cm×80cm,與型鋼拱及鋼筋網(wǎng)焊接牢固,保證支護(hù)共同受力。

(3)二次襯砌厚度 60cm,內(nèi)設(shè)雙層鋼筋。

(4)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè),重點(diǎn)放在對(duì)拱頂下沉、型鋼拱內(nèi)力、周邊收斂量測(cè)等項(xiàng)目上。

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[1]公路隧道施工技術(shù)規(guī)范,人民交通出版社 .

[2]中國(guó)錨固與注漿工程實(shí)錄選.巖土錨固與注漿技術(shù)專業(yè)委員會(huì).科學(xué)出版社.