淺埋偏壓隧道洞口鉆爆設計及支護體系研究

周 川，王 進，馬 冰，任 波，何雪清

(1.成都興城建設管理有限公司,四川 成都 610000; 2.成都建工集團有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

在建設交通強國的戰略目標下,我國公路工程的發展迎來了良好機遇,同時也面臨著諸多挑戰,就隧道工程而言,從“小、淺、短、單一”隧道逐步向“大、長、深、復雜”隧道轉型,同時隧道修建面臨的地質條件也更加復雜,淺埋偏壓隧道日益增多[1-3]。對于軟弱圍巖不良地質體,淺埋偏壓隧道洞口亦是整個工程的關鍵性控制節點,鉆爆施工不當極易造成地表沉降過大、洞口塌方、邊坡滑移等安全事故[4-5]。為此,提出一套系統完整的軟弱圍巖淺埋偏壓隧道洞口鉆爆設計方案及支護體系迫在眉睫。

由此,國內外眾多學者對偏壓隧道的建設展開了大量研究。楊超等[6]采用大型有限差分軟件FLAC模擬了淺埋偏壓隧道開挖支護全過程,通過記錄計算過程中各測點變形歷程,研究分析了偏壓隧道洞變形分布規律;李海威等[7]結合數值計算和現場測試的手段研究分析了淺埋偏壓隧道圍巖位移和應力不對稱的分布特征;雷明鋒等[8]借助模型試驗模擬了不同偏壓角淺埋偏壓隧道的開挖卸荷行為,系統分析了在不同偏壓角下隧道襯砌結構受力、圍巖變形規律,并總結了淺埋偏壓隧道的最終破壞特征;Huang等[9]研究分析了淺埋偏壓隧道開挖掘進過程中地表的沉降及圍巖變形規律;段海澎等[10]依托富溪偏壓連拱隧道為工程背景,通過現場實時監測分析了偏壓連拱隧道結構變形和受力規律,研究發現深埋側結構受力變形始終大于淺埋側。

綜上,國內外大多學者對淺埋偏壓隧道的變形規律、結構受力特征等進行了深入的研究,并取得了顯著成果,而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面淺埋偏壓隧道洞口端的研究特別是洞口鉆爆設計與支護措施的系統性研究還很匱乏,提出一套系統完整的軟弱圍巖淺埋偏壓隧道洞口鉆爆設計方案及支護體系迫在眉睫。本文依托成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道為工程背景,通過對開挖工法、鉆爆參數、支護體系等的研究,形成了一套系統完整的軟弱圍巖淺埋偏壓隧道洞口段鉆爆施工方案,為類似工程科學組織施工提供依據。

1 工程概況

成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道進口端為茶店鎮白果村,出口端為茶店鎮民主村,隧道設計為單洞雙向八車道,設計車速為80 km/h,隧道凈寬17.75 m,凈高5 m,掌子面最大開挖面積為231.4 m2,為國內外罕見的特大斷面隧道。

隧道左洞起止里程為LK20+935—LK23+018,左洞全長2 083 m,右洞起止里程為RK20+972—RK23+070,全長2 098 m。如圖1所示,隧道穿越地層巖性以中風化—強風化泥巖為主,局部夾砂巖,整體巖性較差,巖質較軟,巖體較為破碎,圍巖等級主要為Ⅴ級。

隧道位于構造剝蝕低山地貌的龍泉山背斜西翼,場區起伏較大,高差懸殊,最大高差達226 m。隧道進口為陡斷面進洞,地質構造偏壓隧道特征明顯,拱頂無支撐時,巖塊易失穩坍落,施工中應采取強支護措施。同時,隧道進口為淺埋隧道,邊坡穩定性較差,為防止邊坡失穩滑坡,應嚴格控制爆破施工,減小開挖對斜坡的影響,同時加強監控量測。

2 鉆爆設計

2.1 鉆爆工藝

為了控制地表沉降,降低洞口施工對邊坡仰坡影響,洞口暗挖段采取雙側壁導坑法施工[11-12],施工過程中可以及時封閉成環,承擔圍巖壓力,減小圍巖變形。為進一步控制鉆爆效果,開挖爆破采用光面爆破方式,具體工藝流程如圖2所示。

2.2 爆破參數設計

1)掏槽孔。根據相關規范及工程經驗,掏槽眼采用斜眼掏槽,為了減小爆破震動,掏槽孔與掌子面夾角設置為55°,輔助掏槽與掌子面夾角設置為63°。為控制拱頂圍巖變形,施工采用雙側壁法開挖,設置開挖進尺為0.8 m,掏槽孔孔深初步設置為1.2 m,孔距0.5 m,掏槽孔堵塞長度0.6 m,裝藥系數為0.5 kg/m。具體參數設計如表1所示。

表1 掏槽孔參數

掏槽孔布置如圖3所示。

2)掘進孔。借鑒類似工程經驗,為保證爆破效果,輔助孔排距確定為0.6 m～1.0 m,孔距一般取排距的1.0倍～1.2倍,本次設計取值為0.7 m～1.2 m,單孔裝藥量按照0.3 kg/m～0.4 kg/m的裝藥系數選取,具體如表2所示。

表2 掘進孔參數

3)周邊孔。光爆孔的間距與炮孔直徑、巖性和節理裂隙發育程度等因素有關。孔距過大,難以爆出平整光面,孔距過小會增加鉆孔費用,且易產生大塊。通常光爆孔的孔距可按炮孔直徑選取,如式(1)所示。

a=10～15d

(1)

其中,a為光爆孔孔距,cm;d為炮孔直徑,cm。

經計算且根據工程類比,設計選取光面炮孔的孔距a=0.6 m。光爆孔裝藥密度一般為0.15 kg/m～0.45 kg/m,根據本隧道實際情況,結合經驗,取0.2 kg/m。最終參數如表3所示。

表3 周邊孔參數

綜上,通過參考相關規范文獻、工程類比并結合本工程實際特點,初步確定了軟弱圍巖特大斷面淺埋偏壓洞口鉆爆參數,施工時應根據現場試爆情況適當調整,炮孔初步布置如圖4所示。

3 支護體系

3.1 支護結構選型

隧道進口為陡斷面進洞,偏壓隧道特征明顯,洞口段地質為Ⅴ級軟巖,拱頂無支撐時,巖塊易失穩坍落,施工中應采取強支護措施。為防止開挖爆破后洞頂圍巖坍塌、邊坡滑移,結合類比工程案例[13-14],采用超前管棚支護體系。

管棚作為一種常見的超前支護措施常用于隧道工程施工中[15-16]。超前大管棚施作后,掌子面一定范圍內圍巖位移及地表沉降可得到有效控制,這是由于在開挖之前,管棚已將掌子面前方不穩定的巖塊連接起來,提高了松散破碎圍巖的整體性;其次,掌子面前方簡單堆積疊在一起的松散圍巖在超前支護作用下形成類似組合梁的整體,開挖卸荷后共同受力變形;同時,大管棚提供的抗剪力、抗拉力提高了組合梁的整體抗剪、抗彎能力,穩定了有滑移風險的巖體,降低了掌子面失穩坍塌風險。管棚直徑越大,地表沉降越小,控制效果越好,更有利于促進隧道掌子面穩定。

3.2 支護方案設計

超前管棚長初步設計為30 m,采用孔徑108 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管,大管棚布設范圍為拱頂120°范圍,均布設于隧道邊墻至拱頂部分,管棚插入角初步設計為1°,環向間距為0.4 m,整體設計如圖5所示。

3.3 現場工藝

3.3.1 鋼管制作

大管棚長度設計為30 m,為方便注漿,管棚設計為有孔鋼花管,每間隔15 cm設置φ10 mm孔眼,通過孔眼注漿加固周圍土體,同時,為便于施工,將鋼管前端設計為錐形。

為了使鋼管接頭錯開,保證每一斷面上鋼管接頭數量不超過50%,相臨鋼管接頭錯開1 m以上,編號為奇數孔位第一節鋼管加工成3 m長,編號為偶數孔位第一節鋼管加工成6 m長,鋼管之間采用φ102×8 mm的絲扣鋼管連接。具體制作工藝如圖6所示。

3.3.2 管棚施工

采用履帶式潛孔鉆機按照設計方向鉆孔,鉆孔到設計位置后,先用鉆具清孔、沖洗,然后頂進長管棚鋼管,安裝鋼筋籠,封管,注0.8∶1水泥漿液(如地下水豐富,則采用水泥水玻璃雙漿液,水泥漿與水玻璃質量比 (1∶0.025),注漿完畢充填M30水泥砂漿。

工藝流程為:開挖至設計位置→Ⅰ22b工字鋼拱架安裝→固定φ127導向管→立模澆筑C30混凝土護拱→潛孔鉆機鉆奇數孔→頂管→安裝鋼筋籠→封孔→潛孔鉆機鉆偶數孔→頂管→安裝鋼筋籠→封孔→注水泥漿液(或水泥水玻璃雙漿液)→M30砂漿充填。具體施工工藝如圖7所示。

3.3.3 管棚注漿

避免初始漿液濃度過高,注漿采用跳孔注漿的方式進行,由下向上逐步注漿,注漿時還應采用分段注漿的方式,使漿液分布均勻;注漿壓力設為1.0 MPa,注漿后當注漿壓力達到2.0 MPa時停止注漿;漿液水灰質量比初步設置為0.8∶1,根據注漿效果優化調整,注漿量采用式(2)計算:

Q=klm(1+n)

(2)

其中,k為加固圍巖體積;l為填充率;m為填充系數;n為損耗系數。

注漿前將15 mm塑料管沿鋼管內壁穿至孔底,外端與堵漿塞排氣孔相連,作為排氣通道。注漿管與堵漿塞進漿孔相連,待排氣管有漿液溢出關閉其閥門,達到注漿要求后停止注漿。

通過對地表沉降以及隧道洞周圍巖變形的實時監測表明,現場施工安全一直處于可控狀態,說明采取“規范鉆爆作業、優化鉆爆參數設計以及大管棚超前支護”的施工方案可有效控制地表沉降,降低隧道拱頂塌方風險,是合理可行的。

4 結語

本文依托成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道為工程背景,通過對開挖工法、鉆爆參數、支護體系等的研究,形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面淺埋偏壓隧道成套施工方案,研究得到以下主要結論:

1)通過工程類比并結合相關規范,初步確定了開挖鉆爆參數,并根據現場爆破效果實時調整優化設計參數。

2)超前管棚可事先將掌子面前方一定范圍的圍巖擠壓加固,形成一個類似拱殼的連續體,承擔上方圍巖壓力;同時管棚提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力,穩定了有滑移風險的巖體;管棚直徑越大,地表沉降越小,控制效果越好,更有利于促進隧道掌子面穩定。

3)“規范鉆爆作業、優化鉆爆參數設計以及大管棚超前支護”的施工方案可有效控制地表沉降,降低隧道拱頂塌方風險。