李國(guó)東
(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110166)
隧洞支洞進(jìn)口開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工
李國(guó)東
(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110166)
大伙房輸水工程(一期)隧洞全長(zhǎng) 85.32 km,沿線分布的 16 條支洞位于不同的地質(zhì)地段和地表環(huán)境,采取不同的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和不同開(kāi)挖形式,對(duì)工程的進(jìn)度、安全性和經(jīng)濟(jì)性有著較大的影響。此工程采用明洞套拱施工,有效完成了 3 種不同地質(zhì)條件的進(jìn)洞施工,為類似工程條件的項(xiàng)目提供參考。
大伙房輸水工程;隧洞邊坡;開(kāi)挖
遼寧大伙房輸水工程是目前世界上單線線路最長(zhǎng)、TBM 單機(jī)掘進(jìn)最長(zhǎng)的輸水隧洞。整個(gè)隧洞全長(zhǎng) 85.32 km,直徑 8.0 m,其中附屬工程(臨時(shí)和永久支洞)有 16 條施工支洞。整個(gè)隧洞中的 58.74 km 為 3 臺(tái)開(kāi)敞式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工,單臺(tái) TBM 掘進(jìn)長(zhǎng)度為 20 km 左右,而且每臺(tái) TBM施工需 2~3 條支洞,相臨兩支洞間間距為 10 km 左右。工程總施工工期為 5.5 年,全線施工工期最為緊張的就屬TBM 1標(biāo)段。
此工程所在區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候,冬季嚴(yán)寒、干燥,夏季溫?zé)帷⒍嘤?,氣溫變化幅度較大,全年 6~8 月為雨季,10 月至來(lái)年的的 4 月(約半年)為冰凍季節(jié),全年最佳戶外施工為 3個(gè)來(lái)月。3條支洞洞口位于河流邊上,每年8月份為洪水爆發(fā)期。
10號(hào)支洞洞臉邊坡較緩,地表植被發(fā)育,表層為厚30~50 cm 的腐植土,以下為坡積碎石土,厚度 8m 左右,下部為全強(qiáng)風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖。碎石土中碎石成分主要為正長(zhǎng)斑巖,粒徑大小不均勻,一般碎塊小于 40 cm,含量 50%左右;呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),礦物成分完全變質(zhì),巖石破碎,呈碎裂結(jié)構(gòu),完整性極差,含水量較高。10 號(hào)支洞無(wú)規(guī)模較大斷層(構(gòu)造)通過(guò),但地層節(jié)理組數(shù)較多,節(jié)理間距一般較大,節(jié)理張開(kāi)度較小,絕大多數(shù)閉合,節(jié)理面平直光滑~平直粗糙。
11 號(hào)支洞洞臉邊坡較陡,植被發(fā)育,邊坡上覆蓋有坡積物,厚度 0.5~1.0 m?;鶐r為太古代混合巖(M 1),強(qiáng)風(fēng)化~弱風(fēng)化,中硬。邊坡巖石裂隙發(fā)育,組數(shù)較多,多數(shù)節(jié)理張開(kāi)度較大,節(jié)理面平直光滑~平直粗糙,充填風(fēng)化巖屑。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu),整體強(qiáng)度不足,規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。整條支洞所穿過(guò)的巖石為太古界混合巖,其弱風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為 36~63 MPa,微風(fēng)化巖為60~80 MPa;洞線與節(jié)理裂隙多近直交,且密度較小。
12 號(hào)支洞洞臉邊坡陡峭,基巖裸露,巖性為白堊系小嶺組角礫熔巖、凝灰質(zhì)砂巖,弱風(fēng)化~強(qiáng)風(fēng)化,中硬。洞口前有 2~3 m 的碎塊石土,碎塊石成份是凝灰質(zhì)砂巖。邊坡表層風(fēng)化卸荷,邊坡頂部存在 4 處危巖體,體積 10~20 m3。邊坡主要發(fā)育有長(zhǎng)大裂隙 8條,其中 6條裂隙產(chǎn)狀為NW 300°SW(或 NE) ∠72~87°;2 條裂隙產(chǎn)狀為 NE60°SE∠60~70°。邊坡部位節(jié)理發(fā)育,微張~張開(kāi),巖屑或泥質(zhì)充填,巖體破碎,整體強(qiáng)度不足。
支洞進(jìn)洞開(kāi)挖支護(hù)施工的工程特點(diǎn)及主要施工難點(diǎn):
1)支洞施工工期緊。10 號(hào)支洞長(zhǎng) 1 580 m,為保證設(shè)備按期進(jìn)洞,必須月進(jìn)尺達(dá) 166 m;11 號(hào)支洞考慮擴(kuò)大洞室、投料孔等施工的影響,對(duì)于斜井施工月進(jìn)尺達(dá) 100 m;12 號(hào)支洞長(zhǎng) 2.6 km,由于考慮 TBM 設(shè)備交貨期推遲的影響,為趕工平均月進(jìn)尺將達(dá) 100 m。
2)此工程支洞施工環(huán)保要求高。為了避免洞口大開(kāi)挖施工,減少土方開(kāi)挖量,保護(hù)山林植被,避免破壞生態(tài)環(huán)境,從安全美觀實(shí)用,經(jīng)濟(jì)合理方面考慮,各個(gè)支洞口采用直接強(qiáng)行進(jìn)洞的暗挖施工方案。
3)各個(gè)洞口地質(zhì)條件復(fù)雜,技術(shù)要求高,施工工藝要求嚴(yán)格,安全問(wèn)題必須引起足夠重視。10 號(hào)支洞為土質(zhì)邊坡,為兩山頭間巖石風(fēng)化坡積而成,地勢(shì)為緩坡;11 號(hào)支洞屬土石混合邊坡,坡體稍陡,植被不甚茂密,進(jìn)口邊坡上部為強(qiáng)風(fēng)化砂卵石地層,坡腳即見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化巖石;12 號(hào)支洞屬巖石邊坡,坡體極陡,邊坡不穩(wěn)定塊體塌滑和小型塊體松動(dòng)掉塊出現(xiàn)可能性較大。3個(gè)洞口邊坡安全穩(wěn)定問(wèn)題非常突出。
此工程3個(gè)支洞洞口開(kāi)挖涉及到兩個(gè)方面的穩(wěn)定問(wèn)題:一是邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定問(wèn)題,二是因洞口段進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中隧洞周邊的變形或坍塌引起洞口邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。其進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中引起邊坡破壞形式為洞口滑坡、開(kāi)挖掌子面塌方和滯后掌子面洞口段塌方,不同地質(zhì)情況的邊坡破壞形式對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力作用機(jī)理。
1)土質(zhì)邊坡:開(kāi)挖方式選用人工配合機(jī)械。坡體內(nèi)富含地下水,其自穩(wěn)能力和整體穩(wěn)定性較差,進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中受上覆土體自重應(yīng)力和滲透水壓力作用下形成下沉或開(kāi)裂變形,最后形成隧洞洞壁的坍塌和邊坡失穩(wěn)。
2)土石混合邊坡:開(kāi)挖方式選用人工鉆爆和機(jī)械開(kāi)挖方式相結(jié)。地下水受地表降雨影響較大,其邊坡自穩(wěn)能力相對(duì)土質(zhì)邊坡較強(qiáng),但受開(kāi)挖方式和施工機(jī)械影響較大。進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖主要受上覆土體自重應(yīng)力和滲透水壓力作用,在巖體內(nèi)滑裂面或土巖結(jié)合面滑動(dòng)破壞。
3)巖石邊坡:開(kāi)挖方式一般選用人工鉆爆,開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,不注意也很容易引起滑坡或坍塌。開(kāi)挖過(guò)程中圍巖主要受上覆土體自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和裂隙水壓力作用下,沿巖體內(nèi)部節(jié)理滑裂面滑動(dòng)破壞。
根據(jù)邊坡開(kāi)挖的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)技術(shù)以及安全方面等的考慮,最后確定的開(kāi)挖支護(hù)原則采用“早進(jìn)洞、少明挖;強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺;保安全、勤觀測(cè)”十八字方針,最終確保各個(gè)支洞施工的順利進(jìn)行。
根據(jù)以上分析,3個(gè)洞口的地質(zhì)條件不盡相同,開(kāi)挖方式不同,洞口邊坡破壞方式不同,洞口支護(hù)處理方式也不同。但無(wú)論何種邊坡支護(hù)及開(kāi)挖形式,施工過(guò)程中始終要合理運(yùn)用新奧法施工原理,進(jìn)行信息化施工。
3.1 支洞口位置選擇
支洞洞口位置的選擇是否合理,關(guān)系到施工難度、工期長(zhǎng)短、工程造價(jià)、施工安全性和后期的維護(hù)等。因此應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:
1)支洞洞口應(yīng)盡量避開(kāi)不利地質(zhì)構(gòu)造,如坡腳坡積物較厚、兩山頭交匯處、地下水位豐富地段等,否則,將會(huì)增加作用于臨時(shí)或永久支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力和外水壓力;或隧洞兩邊坡積物厚度嚴(yán)重不均造成嚴(yán)重偏壓等情況。
2)支洞洞口離主洞距離盡量短(建議不要長(zhǎng)于 2 km),坡度盡量不要超過(guò) 12%,且每隔 200~250 m 設(shè)置一個(gè)緩平臺(tái)。
3)支洞口應(yīng)能布置安放臨時(shí)施工設(shè)施的平臺(tái)。
4)支洞口高程應(yīng)考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。
5)支洞口與外界的交通聯(lián)系方式。
3.2 洞口邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工
對(duì)于坡積砂礫石土層邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)采用 φ20,L=2 000 mm,間距 1 200 mm 錨桿,掛 φ8@200×200 的鋼筋網(wǎng)、噴100 mm 厚 C 20 混凝土;坡面根據(jù)滲水情況設(shè)置 L=2 000 mm 的塑料排水管;坡頂合適位置設(shè)置截水溝;邊坡開(kāi)挖采用 1:0.75 放坡;對(duì)于中等風(fēng)化巖石邊坡采用 φ20,L=2 000 mm,間距 2 000mm 錨桿,掛 φ8@200×200 的鋼筋網(wǎng)、噴100 mm 厚 C20 混凝土;錨桿間距可根據(jù)巖層節(jié)理面作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;開(kāi)挖施工前將坡頂危巖處理掉;對(duì)于巖塊較破碎(大小不超過(guò) 40 cm 的巖石占絕大多數(shù)) 時(shí)采用 1∶0.6 進(jìn)行放坡;若一般塊巖石超過(guò)2 m 且節(jié)理發(fā)育時(shí)盡量不破壞自然邊坡的穩(wěn)定性,只進(jìn)行危巖處理后再噴錨支護(hù)施工;對(duì)于高邊坡應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)分析后再?zèng)Q定是否采用預(yù)應(yīng)力錨索或柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。
坡積礫石土邊坡開(kāi)挖原則采用“分部開(kāi)挖、邊挖邊護(hù)”。每層開(kāi)挖高度為 2 m 左右,先用反鏟開(kāi)挖,在接近設(shè)計(jì)邊坡 0.5~1 m 時(shí)改用人工修坡,盡量不人為破壞坡體的自然穩(wěn)定性。修坡后先初噴 30~50mm 厚混凝土,然后掛網(wǎng),并施工排水孔,再二次噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。噴混凝土終凝3 d后進(jìn)行下部開(kāi)挖。中等風(fēng)化巖石邊坡開(kāi)挖原則采用“新奧法”原理進(jìn)行施工,即“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”。
3.3 支洞口開(kāi)挖鎖口設(shè)計(jì)與施工
根據(jù)洞口邊坡開(kāi)挖的失穩(wěn)破壞模式適當(dāng)調(diào)整洞口開(kāi)挖的鎖口支護(hù)方式。此工程各支洞口都處于地質(zhì)條件比較差的地段,為了保證邊坡和隧洞開(kāi)挖的施工安全和穩(wěn)定性,各個(gè)支洞開(kāi)挖施工都采取了“洞口鎖口”的支護(hù)方式,并貫徹執(zhí)行“先護(hù)坡鎖口、后強(qiáng)行進(jìn)洞”的原則進(jìn)行施工。
對(duì)于 10 號(hào)支洞,洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物,且含水量較高。為加快施工進(jìn)度,保證施工安全,在洞口外設(shè)置2 m長(zhǎng)的混凝土套拱(即明洞段)。套拱內(nèi)設(shè)置三榀 H180 鋼支撐,并在套拱周邊設(shè)置導(dǎo)向用孔口管,為下步的超長(zhǎng)管棚施工作準(zhǔn)備。混凝土套拱施工時(shí)基礎(chǔ)必須座在中等風(fēng)化基巖上,混凝土澆注可以采取支模板背部人工澆注或迎面噴射混凝土方式,且進(jìn)口處位置必須設(shè)置一榀鋼支撐并澆注在混凝土內(nèi)。待混凝土套拱形成3 d后開(kāi)始下步開(kāi)挖。
11號(hào)支洞由于上半部是松散的坡積物、下半部是節(jié)理基巖,結(jié)合洞門(mén)的設(shè)計(jì)在在洞口外設(shè)置 2 m 長(zhǎng)的混凝土套拱(即明洞段),套拱內(nèi)設(shè)置三榀 H 180 鋼支撐,相臨鋼支撐之間用 φ22@100 鋼筋連接,然后噴射厚 300 mm 的 C25混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。進(jìn)口端鋼支撐外沿用小導(dǎo)管管棚加強(qiáng)支護(hù),小導(dǎo)管為長(zhǎng) 2m 的 φ42 鋼管。
12號(hào)支洞為節(jié)理發(fā)育的陡峭山坡,進(jìn)洞開(kāi)挖初期以坡體蠕動(dòng)、坡面危巖滾落為主,在洞口位置設(shè)置 1 m 長(zhǎng)的混凝土套拱,套拱內(nèi)設(shè)置兩榀 H 180 鋼支撐,鋼支撐上部設(shè)置 φ22 錨桿超前支護(hù),錨桿長(zhǎng) L=3 500mm,間距 400mm,外插角 10°。待洞口鎖口結(jié)構(gòu)形成后再進(jìn)行隧洞開(kāi)挖。
3.4 洞口隧洞開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)與施工
洞口段及Ⅳ類圍巖段開(kāi)挖采用“正臺(tái)階上下分層法”施工。對(duì)于砂礫石層或極破碎巖石采用機(jī)械開(kāi)挖掌子面,并預(yù)留“核心土”。待上臺(tái)階開(kāi)挖清理完并支護(hù)拱腳以上的鋼格柵,拱腳施工 2~4 根 φ22 長(zhǎng) 2.5 m 鎖腳錨桿,再開(kāi)始施工下臺(tái)階。對(duì)于不易用機(jī)械清除的巖石,采用小藥卷松動(dòng)爆破。Ⅳ類圍巖采用光面爆破。鋼拱架底座下臥到基巖面,挖不到基巖面的部位采用擴(kuò)大基礎(chǔ)替代。每循環(huán)進(jìn)尺控制在 50~100 cm。洞室開(kāi)挖根據(jù)“新奧法”原則進(jìn)行信息化施工,即“短進(jìn)尺,弱爆破,強(qiáng)支護(hù),勤觀測(cè)”的原則施工。
1)10 號(hào)支洞由于洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物(含粘土較多),且含水量較高。為加快后期施工進(jìn)度,并保證施工安全,在原鎖口套拱預(yù)留管內(nèi)開(kāi)始施工超長(zhǎng)管棚。
套拱預(yù)留管的施工:在施工鎖口套拱時(shí)注意調(diào)整套拱工字鋼底座高程,使預(yù)留管延長(zhǎng)線和隧洞軸線間的夾角控制在 1%~2%;環(huán)向間距位置在隧洞頂部 5@500,其余控制在間距 800~1 000 mm。工字鋼拱架周焊接?127 預(yù)留管,長(zhǎng)度隨坡面距離進(jìn)行調(diào)整。在鋼拱架內(nèi)側(cè)將背負(fù)式模板固定在拱架或預(yù)留管上,進(jìn)行混凝土澆注?;炷翉?qiáng)度 C25,厚 300 mm?;炷翉?qiáng)度達(dá)到 70%時(shí),拆模進(jìn)行下道工序的施工。
超長(zhǎng)管棚的施工:為加快進(jìn)度,用2臺(tái)空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)MK-5型水平鉆機(jī)進(jìn)行成孔,施工方式由兩邊向中間進(jìn)行。注意施工前要將鉆機(jī)施工平臺(tái)搭建牢固,以免施工過(guò)程中鉆進(jìn)方向偏離或卡鉆。成孔過(guò)程中應(yīng)注意控制施工速度,避免塌孔,取鉆桿時(shí)注意堵孔埋桿事故發(fā)生。成孔完后安裝 108 鋼管,根據(jù)鉆孔地質(zhì)情況決定是否需灌漿處理。
開(kāi)挖支護(hù)施工:洞口段 20 m 左右為松散砂礫石坡積土,H 180@800~1 200 鋼支撐 、φ22@1 000 拉筋連接 、掛φ8@150×150 鋼筋網(wǎng)、噴 C25 混凝土厚 150 mm;另 25 m為 H160@1 000~1 200 鋼格柵支撐、掛 φ8@150×150 鋼筋網(wǎng)、噴 C 25 混凝土厚 150 mm。開(kāi)挖施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有小量塌方時(shí),沿鋼支撐周邊插設(shè)鋼插板,封閉巖面、防止坍塌。鋼插板厚度為 3 mm,尺寸根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。
固結(jié)灌漿處理:洞口段由于地下水豐富,洞壁滲水嚴(yán)重,多次凍融會(huì)破壞臨時(shí)支護(hù),故應(yīng)做防滲固結(jié)灌漿處理,處理后以洞壁不滴水為標(biāo)準(zhǔn)。灌漿處理注意控制灌漿壓力,避免壓壞鋼格柵,此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鋼格柵變形監(jiān)控測(cè)量。
2)11 號(hào)支洞洞口段為 V 類圍巖,開(kāi)挖施工采用光面爆破,開(kāi)挖進(jìn)尺控制在 1 m 左右;洞口段至內(nèi) 20m 施作H160@1 000 鋼格柵支護(hù)。滲水地段需經(jīng)過(guò)防滲灌漿處理。
3)12 號(hào)支洞洞口 15 m 為Ⅳ類圍巖以上,前 4 m 采用H 160@800 鋼支撐支護(hù),環(huán)向 φ22@1 000 拉筋連接,邊墻調(diào)整為 2m 間距。后 11m 采用 H160@1 000 鋼格柵支護(hù),拉筋系統(tǒng)設(shè)計(jì)不變。在洞口段開(kāi)挖下一循環(huán)時(shí),應(yīng)在鋼支撐上部施工 φ22 錨桿超前支護(hù)。錨桿長(zhǎng) L=35 00mm,間距300 mm,外插角 5°。滲水地段需經(jīng)過(guò)防滲灌漿處理。
上述鋼支撐或鋼格柵斷面大小應(yīng)預(yù)留 5 cm 的變形量。
1)隧洞進(jìn)洞開(kāi)挖破壞是地質(zhì)條件、開(kāi)挖方式和支護(hù)方式等綜合因素的結(jié)果,無(wú)論忽視哪一個(gè)環(huán)節(jié)或因素都會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。有條件的項(xiàng)目部應(yīng)加強(qiáng)分析計(jì)算軟件在隧洞開(kāi)挖施工應(yīng)用。
2)隧洞進(jìn)洞開(kāi)挖一定要采取信息化施工:設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解地質(zhì)條件和環(huán)境情況,施工過(guò)程中加強(qiáng)地質(zhì)條件和變形的觀測(cè),通過(guò)觀測(cè)分析結(jié)果不斷調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案,并確保開(kāi)挖施工的順利進(jìn)行。
3)根據(jù)“新奧法”原理確定此工程進(jìn)洞段施工原則是“早進(jìn)洞、少明挖;強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺;保安全、勤觀測(cè)”。
4)隧洞開(kāi)挖時(shí)結(jié)合洞門(mén)的設(shè)計(jì)方案確定合適的洞口鎖口方式(此工程采用明洞套拱方式),既保證隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的施工安全,又節(jié)約工程造價(jià),值得在地質(zhì)條件復(fù)雜地段采納。
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1002-0624(2014)01-0013-03
2013-04-16