極軟巖隧洞的設(shè)計(jì)與施工

【摘 要】要在軟巖體中修建隧洞，必須確保圍巖穩(wěn)定，具體怎么確保是隧洞工程的重要安全問(wèn)題。實(shí)際軟巖隧洞施工時(shí)若出現(xiàn)坍塌事故，會(huì)造成設(shè)備損失、人員傷亡、工期延誤。所以，有必要研究軟巖隧洞工程的設(shè)計(jì)問(wèn)題和安全施工問(wèn)題。本文主要論述了隧洞工程特點(diǎn)及隧洞工程常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法、頂山隧洞的設(shè)計(jì)和施工及隧洞進(jìn)行信息化設(shè)計(jì)和施工的效果。

【關(guān)鍵詞】軟巖隧洞；工程設(shè)計(jì)；施工

0.引言

我國(guó)很多人工隧洞都要修建在很堅(jiān)硬巖體中，因?yàn)閹r體自身強(qiáng)度很高，圍巖十分完整，且具有很強(qiáng)的自我穩(wěn)定能力，因此，必須利用正確的施工方法進(jìn)行施工，施工過(guò)程中及時(shí)支護(hù)，才能有效避免安全問(wèn)題出現(xiàn)。近幾年，我國(guó)水利水電工程得到了較快發(fā)展，新修建了許多大型水電工程，為協(xié)調(diào)水資源的分布不均，修建了很多可跨流域的調(diào)水工程，在軟巖體里修建調(diào)水工程或較長(zhǎng)隧洞的輸水工程十分常見(jiàn)。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水工隧洞長(zhǎng)度達(dá)上萬(wàn)米，在特軟巖中修建的隧洞近上千米，在軟巖或極軟巖中修建隧道和開(kāi)鑿地下室，最重要的問(wèn)題是解決施工安全問(wèn)題，確保施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，有效減少塌方事故出現(xiàn)，避免設(shè)備損壞與施工人員傷亡，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.隧洞工程特點(diǎn)及隧洞工程常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法

在我國(guó)，常見(jiàn)的隧洞工程設(shè)計(jì)法有新奧法與傳統(tǒng)法兩種。新奧法是利用加固維護(hù)圍巖，運(yùn)用圍巖的自承能力，讓支護(hù)與圍巖形成支護(hù)體系，進(jìn)而減少襯砌與支護(hù)上的壓力；傳統(tǒng)法是把隧洞襯砌和隧洞圍巖徹底分開(kāi)，隧洞襯砌承擔(dān)來(lái)自圍巖的所有山巖壓力。在隧洞圍巖是特別軟弱且易破碎的巖體，洞頂覆蓋又非常薄時(shí)，就是軟巖淺埋隧洞，軟巖隧洞具有一些特征：巖體變形曲線里的塑性階段非常長(zhǎng)，彈性階段非常短，巖體遭到破壞時(shí)的應(yīng)力降低較小，降低不明顯；隧洞頂部的覆蓋巖體不能構(gòu)成一個(gè)完整的支撐結(jié)構(gòu)，巖體松散壓力主要由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)；自我穩(wěn)定時(shí)間很短，變形發(fā)生的較快，如果沒(méi)有有效控制隧洞圍巖的變形，圍巖會(huì)很快的松弛，進(jìn)而產(chǎn)生一定破壞影響甚至坍塌事故發(fā)生。如果運(yùn)用統(tǒng)計(jì)法設(shè)計(jì)隧洞，襯砌結(jié)構(gòu)承受所有巖體松散產(chǎn)生的壓力，襯砌剛度及厚度都很大，施工過(guò)程中的地下水滲漏與圍巖變形很難有效控制，襯砌工序與開(kāi)挖工序彼此互相干擾，很難實(shí)施襯砌，具有較高的危險(xiǎn)性，易引起塌方。如果運(yùn)用新奧法設(shè)計(jì)，先加固維護(hù)圍巖，這樣能夠大大改善周圍的不良地質(zhì)，而后再設(shè)計(jì)襯砌，能夠運(yùn)用圍巖自我承受能力，減少襯砌與支護(hù)的壓力，降低再次襯砌的剛度與厚度，使工程成本降低，確保工程的安全順利施工。新奧法具有較高的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。，所以，在隧洞工程設(shè)計(jì)與施工中得到了廣泛應(yīng)用，目前，新奧法是極軟圍巖地段修建隧洞的首選方法。

2.頂山隧洞的設(shè)計(jì)和施工

2.1隧洞的地質(zhì)條件

頂山隧洞是我國(guó)新疆大型引水工程的重要組成部分，整個(gè)隧洞近15000米，是很長(zhǎng)的極軟巖隧洞。頂山隧洞洞深巖層有泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖，巖體強(qiáng)度非常低。巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造較均勻，全洞有一條很大的裂帶經(jīng)過(guò)，并和洞軸線相交。隧洞只有進(jìn)口處有地下水，其他位置無(wú)地下水，所以，僅有少部分地段施工會(huì)受到地下水的影響。泥巖有膨脹特性，膨脹量在10%左右，膨脹率在30%-100%，膨脹力在6-16kpa。

2.2開(kāi)挖工程

由于頂山隧洞的巖石是極軟巖，為了確保開(kāi)挖時(shí)延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)定時(shí)間，降低圍巖的變形速度，開(kāi)挖過(guò)程中要盡可能的不擾動(dòng)圍巖或少擾動(dòng)圍巖。可以先運(yùn)用小型的機(jī)械設(shè)備來(lái)使巖體發(fā)生松動(dòng)，開(kāi)挖使用人工法或小型設(shè)備裝渣法，進(jìn)而不擾動(dòng)圍巖，保護(hù)圍巖的原有承載能力，洞體左側(cè)右側(cè)上下導(dǎo)洞分開(kāi)挖，進(jìn)而放置圍巖變形較快。為限制圍巖變形的空間效應(yīng)發(fā)展，需要嚴(yán)格控制循環(huán)開(kāi)挖的進(jìn)尺。結(jié)合本隧洞圍巖的特征，可以選取0.5米、1米、1.5米的循環(huán)進(jìn)尺。需要注意的時(shí)開(kāi)挖過(guò)程中要給圍巖變形預(yù)留一定空間，確保開(kāi)挖后圍巖變形不會(huì)對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生影響。

圖一 開(kāi)挖洞程序

2.3安全監(jiān)測(cè)工作

安全監(jiān)測(cè)工作對(duì)極軟巖隧洞設(shè)計(jì)與施工具有重要作用。安全監(jiān)測(cè)工作是確保軟巖隧洞安全施工，防止各類安全事故發(fā)生的重要措施。頂山隧洞修建過(guò)程中安全監(jiān)測(cè)工作做得非常好，加強(qiáng)了信息的傳輸和處理，確保了工程施工安全。頂山隧洞修建全過(guò)程中，設(shè)置了施工期的安全監(jiān)測(cè)、永久性的觀測(cè)和永久期與施工期相結(jié)合觀測(cè)三種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。工程施工前先結(jié)合地質(zhì)條件設(shè)計(jì)安全監(jiān)測(cè)工作，成立觀測(cè)隊(duì)伍，制定監(jiān)測(cè)計(jì)劃。所有觀測(cè)儀器的埋設(shè)工作和工程施工保持同步，儀器埋設(shè)通常在施工前進(jìn)行。觀測(cè)人員嚴(yán)格按照觀測(cè)周期定期發(fā)送監(jiān)測(cè)報(bào)告，在發(fā)現(xiàn)異常變形時(shí)，立即發(fā)出緊急通報(bào)，進(jìn)而指導(dǎo)工程安全施工，并優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案。結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，不斷調(diào)整支護(hù)參數(shù)、施工方法及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)用監(jiān)測(cè)信息來(lái)指導(dǎo)工程施工能夠彌補(bǔ)圍巖的不確定性，逐漸掌握圍巖變化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和施工方案。

2.4支護(hù)工程

因?yàn)殚_(kāi)挖以后圍巖會(huì)有很大變形，圍巖自我穩(wěn)定能力較低，穩(wěn)定時(shí)間也很短，所以，支護(hù)工作一定要僅隨開(kāi)挖工程。支護(hù)可以運(yùn)用鋼筋網(wǎng)來(lái)噴射混凝土、格柵拱架和錨桿共同支護(hù)，先建立格柵拱架，在鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，最后打錨桿，為了支護(hù)的更好，可以再次噴射混凝土。每當(dāng)有一個(gè)部位被開(kāi)挖，就有對(duì)該部位進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)動(dòng)作要及時(shí)，保證開(kāi)挖面不會(huì)暴漏較長(zhǎng)時(shí)間。在圍巖變形達(dá)到80%時(shí)，要永久性襯砌圍巖。在開(kāi)挖地質(zhì)條件很差的地段時(shí)，開(kāi)挖之前可以先運(yùn)用錨桿進(jìn)行加固維護(hù)。

圖二 支護(hù)參數(shù)

3.隧洞進(jìn)行信息化設(shè)計(jì)和施工的效果

因?yàn)轫斏剿矶凑麄€(gè)修建過(guò)程中一直貫穿有安全監(jiān)測(cè)工作，并重視監(jiān)測(cè)信息的處理和采集，使得整個(gè)極軟巖隧洞施工過(guò)程中未發(fā)生任何坍塌事故。因?yàn)槭┕み^(guò)程中不停的按照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及信息不斷調(diào)整和優(yōu)化施工方法、襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)等，工程建設(shè)成本大大降低，和前期工程預(yù)算投資相比，節(jié)省了很多，工程周期也有明顯縮短，建設(shè)質(zhì)量也都達(dá)到相關(guān)規(guī)范的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

極軟巖隧洞是地質(zhì)條件十分復(fù)雜的隧洞，進(jìn)行這類隧洞設(shè)計(jì)與施工時(shí)，必須充分認(rèn)識(shí)其特征，根據(jù)隧洞地質(zhì)條件、運(yùn)行（下轉(zhuǎn)第370頁(yè)）（上接第337頁(yè)）工況及安全監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工方法、支護(hù)參數(shù)及類型。設(shè)計(jì)極軟巖隧洞時(shí)，要使預(yù)設(shè)計(jì)更加合理，必須做好施工前的地質(zhì)調(diào)查工作，仔細(xì)研究調(diào)查結(jié)果，分析隧洞施工過(guò)程可能遇到的各種復(fù)雜情況，并反饋到設(shè)計(jì)方案中。

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