插筋縱梁在溫州趙山渡引水工程隧洞開挖中的應用

盧學文

1 概 述

趙山渡引水工程是國家重點工程,許岙隧洞進口位于浙江省瑞安市篁社鎮村口村,隧洞呈城門洞形,高 4.1m,寬4.5m,其進口洞臉及兩側邊坡地質條件極差,在整個引水渠系中,像這樣地質條件的洞口不止一個,其它一些洞口采用傳統方法開挖先后發生了坍塌事故,但許岙隧洞進口采用筆者介紹的方法開挖卻取得了成功,其中插筋縱梁與減震爆破相結合并輔以格柵鋼架及臨時混凝土襯砌的施工方法是隧洞進口掘進成功的關鍵。

該隧洞進口明挖完成后,出露的洞臉及兩側邊坡地質條件極差,洞頂以上覆蓋層厚 24.3m,其中地表土層厚 1～3m,為殘坡積層,巖性為黃褐色粉質粘土夾碎塊石,坡積土以下為灰紫色全風化晶屑玻屑熔結凝灰巖,洞臉縱橫節理發育,泥質充填,屬土質圍巖,極不穩定。整個覆蓋層透水性極強,坡腳有地下水滲出。

2 插筋縱梁的應用

2.1 選擇插筋縱梁的原因

在土質圍巖中打超前錨桿很困難,皆因:

(1)鉆孔時鉆桿易卡住,很難拔出;

(2)孔內注漿或填裝錨固劑困難。鉆桿拔出后,孔內立刻會被孔內小石等堵住,需反復吹孔,其結果是孔越吹越大,注水泥砂漿或填錨固劑很難注滿,鋼筋與上部孔壁是脫開的,這些均已被工程實踐所證實;

(3)安裝超前錨桿時間太長。

相比之下,安裝插筋縱梁就容易得多,只需將孔鉆好,將鋼筋直接插入或用大錘輔助打入即可,無需注漿或填錨固劑,經濟方便,更重要的是為格柵鋼架安設和臨時襯砌爭取了時間。

2.2 插筋縱梁的工作原理

插筋縱梁的工作原理見圖 1,其作用為:

(1)臨時支護作用。插筋縱梁是指兩端具有支點的、沿洞軸線方向插入的近水平鋼筋,作為縱向梁使用。以拱圈混凝土或格柵鋼架為一個支點,前方未開挖圍巖為另一個支點,形成簡支梁承受圍巖壓力,以防止掘進時頂拱圍巖失穩塌落,為臨時支護、襯砌爭取時間。

(2)懸吊作用。爆破后,插筋縱梁桿體大部分出露,格柵鋼架安設時,用鐵絲綁扎或焊接于出露的插筋縱梁桿體上,起懸吊作用。

圖1 插筋縱梁工作原理示意圖

2.3 插筋縱梁的設計參數

(1)材質。一般選用 φ18～25螺紋鋼;

(2)長度。由插筋外露端長度 L1、設計單循環進尺 L2、未開挖巖體內插入長度 L3三部分組成(圖 2)。插筋外露長度 L1由格柵鋼架到開挖面的距離確定,一般為 50～70cm;單循環進尺 L2,一般為 70～100cm;未開挖巖體內的插入長度L3,一般為 70～80cm,故插筋縱梁長度以 190～250cm為宜。

(3)插入角度。應盡量采用小角度插入以減少超挖,一般應控制在 5°～10°。

2.4 插筋縱梁的安裝

圖2為插筋縱梁安裝示意圖,圖中 1為格柵鋼架,2為插筋縱梁與格柵鋼架焊接點,3為假定的爆破后開挖面。準備掘進前,先預設插筋作為縱梁,其外露端澆入混凝土拱圈內或砌入漿砌石內,另一端插入土質圍巖中。

圖2 插筋縱梁安裝示意圖

2.5 插筋縱梁的經濟意義

插筋縱梁的施工比打超前錨桿省時、省力、省錢,同時由于懸吊作用的應用,省掉了大量懸吊格柵鋼架的徑向錨桿,從而節約了大量資金。因此,插筋縱梁的應用具有重要的經濟意義。

3 洞口開挖施工

3.1 坡面處理

首先對洞頂覆蓋層進行了卸荷處理,以減小山巖壓力對成洞的影響。洞臉及兩側邊坡按土層1∶1.25、全風化層 1∶1的坡比進行了人工削坡,削成的坡面平整、光滑,坡面上噴 3～5cm厚的混凝土,封閉坡面,以防地表水下滲加速圍巖風化。在洞臉上部馬道坡腳及巖土交界處,各設一排直徑50mm、孔深 3.5m的排水孔。

3.2 開洞口前的準備

沿洞臉坡腳處繼續向前開挖,開挖寬度在原設計寬度基礎上兩側各加寬 80cm;開挖高度比原設計高出 50cm即可。在拱頂設計開挖線外20cm,平行于設計開挖線布設兩排水平超前插筋,間距 40～50cm、排距 60～70cm。插筋采用φ18螺紋鋼,長 400cm,外露 50cm,孔內 350cm。鋼筋直接插入孔內,不需注入砂漿或錨固劑。隧洞兩側在設計開挖線外用 C7.5漿砌塊石砌成原開挖坡面坡度,要求與巖面頂緊。拱頂設計開挖線外立模澆筑厚 50cm、寬100cm的混凝土圈,拱圈基座為兩側漿砌石,要求拱圈與洞臉巖面接觸良好,并將超前插筋外露端澆入混凝土拱圈中。由于洞口處設計開挖線外圍巖僅厚 50cm,為防止開挖爆破時冒頂,以拱圈為基礎沿洞臉坡面砌筑高 120cm、厚 100cm的 C7.5漿砌塊石壓頂,并將超前插筋外露端砌入砌石中。

3.3 進洞開挖施工程序

(1)自洞臉或開挖面在設計開挖線外 20cm,向前方開挖圍巖中鉆孔,插入鋼筋(φ18～25);

(2)進行減震爆破;

(3)人工修整出拱頂安設格柵鋼架所必須的空間(設計開挖線外 20cm),并將插筋縱梁桿體剝出;

(4)將格柵鋼架點焊(或綁扎)于剝出的鋼筋上;

(5)超前鉆孔插入鋼筋并將外露端焊于格柵鋼架上;

(6)沿設計開挖線支立簡易拱圈模板并進行C15混凝土臨時襯砌;

(7)出碴;

(8)鉆鑿減震爆破孔,待臨時襯砌養護 12h后爆破,重復以上步驟,直至進入地質條件較好的洞段;

(9)進入地質條件較好洞段后,在拱圈保護下,交錯開挖兩側墻并臨時襯砌邊墻。

3.4 實施效果

趙山渡引水工程隧洞進口洞臉及兩側邊坡地質條件極差,在整個引水渠系中,像這樣地質條件的洞口不止一個,其它一些洞口采用傳統方法開挖,先后發生了坍塌事故,但許岙隧洞進口采用插筋縱梁的方法開挖卻取得了成功。實踐證明:在地質條件比較差的圍巖中進行超前支護時,以插筋縱梁取代超前錨桿是可行的,能夠符合一次支護安全要求。

4 結 語

許岙隧洞進口開挖工程實踐證明,在土質圍巖中,以插筋縱梁取代超前錨桿是完全可行的,同時輔以減震爆破具有更好的效果。這種插筋縱梁與減震爆破相結合的特殊施工方法是在極不穩固土質圍巖中隧洞口開挖的一種安全、經濟、快捷、可靠的方法。

[1] 水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊(第 2卷施工技術)[M].北京:水利電力出版社,1990.

[2] 中國力學學會工程爆破專業委員會.爆破工程(上)[M].北京:冶金工業出版社,1992.