基于監(jiān)測技術(shù)的軟弱圍巖茜坑隧洞設(shè)計施工原則

李 東，黃志懷

（珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

茜坑隧洞全長322 m，設(shè)計為有壓自流隧洞，水壓差14.5～19.0 m，設(shè)計斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.5 m×2.7 m，采用新奧法施工。茜坑隧洞圍巖為花崗巖，圍巖穩(wěn)定性差，極易塌方。隧洞全段均為不良地質(zhì)條件。下面根據(jù)工程建設(shè)需要，針對軟弱圍巖隧洞工程不良地質(zhì)條件下的新奧法施工，給出了軟弱圍巖隧洞的設(shè)計和施工原則。

1 軟弱圍巖隧洞設(shè)計原則

軟弱圍巖茜坑隧洞洞體開挖卸荷后變形量大，空間效應(yīng)與時間效應(yīng)均較明顯，圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層含水量大，設(shè)計工作必須根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采用動態(tài)設(shè)計的原則，根據(jù)圍巖變形規(guī)律確定開挖方式、開挖程序、開挖進尺、一次支護參數(shù)、永久襯砌參數(shù)和時機。為此應(yīng)采用如下設(shè)計原則：

1）根據(jù)初設(shè)階段提供的地質(zhì)條件、沿線的地層巖性、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和運行要求，進行專門的施工期和運行期的安全監(jiān)測設(shè)計，定期適時開展監(jiān)測工作，并根據(jù)地質(zhì)條件變化，及時調(diào)整監(jiān)測項目和監(jiān)測布置。

2）現(xiàn)場設(shè)計代表應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整隧洞的開挖進尺，調(diào)整一次支護參數(shù)。

3）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)需要對設(shè)計做出重大調(diào)整時，應(yīng)進行現(xiàn)場試驗或理論計算進行驗證。

4）現(xiàn)場設(shè)計應(yīng)與施工、地質(zhì)、監(jiān)測有機配合，做到調(diào)整及時有效。

5）為了信息處理及時，監(jiān)測單位應(yīng)向設(shè)計、施工、監(jiān)理、地質(zhì)、建設(shè)單位監(jiān)測報告，以監(jiān)控指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)異常時，及時進行預(yù)測預(yù)報，設(shè)計及時做出相應(yīng)的對策。

6）施工地質(zhì)和監(jiān)測應(yīng)進行跟蹤工作，必要時應(yīng)做超前預(yù)測預(yù)報。

2 軟弱圍巖隧洞施工原則

2.1 關(guān)于隧洞開挖的安全規(guī)定

1）盡可能采用非爆破方法開挖，主要目的是不擾動圍巖，保護圍巖固有的自穩(wěn)能力。

2）短進尺，就茜坑隧洞而言，隧洞開挖循環(huán)進尺不得大于1.5 m，變形特大的洞段不得大于0.5 m，循環(huán)進尺按設(shè)計要求及時調(diào)整。

3）采用分步開挖方式，先開挖上導(dǎo)洞，上導(dǎo)洞領(lǐng)先下導(dǎo)洞3～5 m，下導(dǎo)洞每循環(huán)進尺與上導(dǎo)洞相同。

4）下導(dǎo)洞開挖分左右兩側(cè)進行，一側(cè)領(lǐng)先另一側(cè)1～2個循環(huán)，目的為減緩變形速率，防止變形突然釋放。

5）開挖時，變形釋放量應(yīng)控制在30%以內(nèi)。

6）地下水發(fā)育的部位，需要采用導(dǎo)水封閉控制措施。

7）嚴(yán)格控制開挖輪廓尺寸，每開挖一個循環(huán)后立即進行測量，繪制開挖圖和地質(zhì)素描圖。

2.2 關(guān)于一次支護

1）一次支護必須在開挖后立即施作，開挖一個循環(huán)支護一個循環(huán)，支護沒完成之前，不得進行下個循環(huán)開挖。

2）一次支護施工的程序是：安裝超前小導(dǎo)管開挖→安裝格柵拱架→第一次噴射混凝土→布置鋼筋網(wǎng)、綁扎連接筋→第二次噴射混凝土→視需要滯后1～2個循環(huán)，第三次噴射混凝土。

3）一次支護完成后，在設(shè)計的觀測斷面安裝監(jiān)測儀器，并立即開展監(jiān)測工作，監(jiān)測儀器安裝位置與掌子面距離不大于1.0 m。

4）格柵拱架的間距應(yīng)和開挖進尺一致，上導(dǎo)洞格柵拱架安裝后，以鎖腳錨干固定，系統(tǒng)錨干或超前導(dǎo)管應(yīng)與格柵拱架焊接，下導(dǎo)洞格柵拱架應(yīng)在底板開挖控制線以下0.5 m設(shè)置0.5 m×0.5 m的混凝土基座，基座混凝土強度等級為C20。

5）一次支護的格柵拱架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、連接筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、超前導(dǎo)管必須按工程質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)進行質(zhì)量控制。

6）依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，設(shè)計單位應(yīng)及時調(diào)整一次支護的相關(guān)參數(shù)。

7）根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果，確定是否需要進行二次臨時支護，并確定其方案和支護參數(shù)。

2.3 關(guān)于永久襯砌時間的確定

按永久性水工建筑物結(jié)構(gòu)受力最小的原則，隧洞的永久襯砌應(yīng)該在圍巖變形全部釋放后施作較為合理。實際上GB50087-2001[1]《錨干噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》與SL279-2002[2]《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》均有相應(yīng)的規(guī)定，例如GB50087-2001第5.3.5條規(guī)定：

1）隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d。

2）隧洞周邊水平收斂速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

3）隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。

SL279-2002第6.6.4條也規(guī)定：采取了支護或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計或少計圍巖壓力。

在一些軟巖隧洞工程中，永久襯砌施作時間也是按上述原則確定的，為了防止襯砌過多地承擔(dān)剩余的變形壓力，規(guī)定隧洞周邊徑向位移速率小于0.1 mm/d,斷面周邊位移達到總位移量的90%，在必須同時滿足上述兩條件下，開始永久混凝土襯砌。

對于具有大變形和流變效應(yīng)明顯的軟巖而言，要達到上述標(biāo)準(zhǔn)需要較長時間，一次支護需要較大剛度，否則會發(fā)生圍巖失穩(wěn)，甚至發(fā)生較大塌方。在這種隧洞施工過程中，發(fā)生較大塌方的主要原因除沒有采用信息化設(shè)計與施工外，永久襯砌選擇的時間不甚合適，也是原因之一。

在茜坑隧洞，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，當(dāng)距開挖面2.5倍洞徑時，圍巖的“空間效應(yīng)”變形基本完成，超過2.5倍開挖洞徑后，圍巖變形主要來源于“時間效應(yīng)”，2.5倍洞徑以后的剩余變形大小，主要取決于圍巖的流變特性。

對于Ⅳ類圍巖而言，巖體變形的時間效應(yīng)較小，時間效應(yīng)曲線衰減也較快，20 d后圍巖變形速率已小于0.1 mm/d，并已接近穩(wěn)定狀態(tài)，在此之后圍巖剩余變形一般小于1.0 mm,所做的混凝土襯砌承受的圍巖變形壓力一般小于20 kPa。

對于全風(fēng)化類圍巖，雖然其流變效應(yīng)較大，開挖至3倍洞徑之后，盡管空間效應(yīng)引起的變形已經(jīng)完成，仍有一定的時間效應(yīng)引起的變形，由于一次支護較強的約束，30 d內(nèi)圍巖變形速率小于0.1 mm/d。所以，對于流變效應(yīng)較大的圍巖，采用剛度較大的格柵拱架噴混凝土支護限制時效變形是必要的。否則，仍需要采用早襯砌措施提供抗力來限制這種變形，避免造成大的危害。

一般地講，一次支護和二次混凝土襯砌之間仍有一定的徑向接觸壓力，對于流變效應(yīng)較大的圍巖，一次支護在工程初期發(fā)揮了重要的作用，二次混凝土襯砌對隧洞的長期穩(wěn)定性也起到必不可少的作用。

3 結(jié)語

1）根據(jù)初設(shè)階段提供的地質(zhì)條件、沿線的地層巖性、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和運行要求，進行專門的施工期和運行期的安全監(jiān)測設(shè)計，定期適時開展監(jiān)測工作，并根據(jù)地質(zhì)條件變化，及時調(diào)整監(jiān)測項目和監(jiān)測布置。

2）為了確保隧洞施工安全，防止圍巖失穩(wěn)，杜絕塌方事故，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“短進尺、勤監(jiān)測、快支護”的原則。

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