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      不同圍巖級(jí)別下的隧道洞身開(kāi)挖施工方法分析

      2018-11-27 01:17:26莫振謹(jǐn)
      西部交通科技 2018年8期
      關(guān)鍵詞:洞身級(jí)別臺(tái)階

      莫振謹(jǐn)

      (廣西壯族自治區(qū)八步公路管理局,廣西 賀州 542899)

      0 引言

      隧道工程施工具有復(fù)雜性特點(diǎn),不同的隧道施工方法對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)影響不同。本文主要從開(kāi)挖施工方法的選擇與應(yīng)用角度出發(fā),通過(guò)科學(xué)施工有效控制圍巖變形,減少施工事故,確保隧道作業(yè)安全。

      1 公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

      目前我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)主要是以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50218-2014)為參考,根據(jù)巖體基本質(zhì)量定性特征、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級(jí)。若是兩個(gè)指標(biāo)確定的圍巖級(jí)別不同,則需進(jìn)一步開(kāi)展綜合分析,當(dāng)兩者級(jí)別劃分差距在1級(jí)及以上時(shí),則需做好補(bǔ)充測(cè)試工作。公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

      表1 公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

      2 不同圍巖級(jí)別適用的隧道洞身開(kāi)挖施工方法

      2.1 圍巖的變形規(guī)律

      公路隧道開(kāi)挖施工中,圍巖受到自身特性、施工方法的影響,會(huì)出現(xiàn)一定的變形情況。通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,可將圍巖的變形規(guī)律歸納如圖1所示。

      圖1 圍巖位移-時(shí)間曲線圖

      圖1顯示,圍巖變形大致可以分為四個(gè)階段:第一階段為開(kāi)挖前超前位移釋放;第二、三階段分別為急劇變形、緩慢變形;第四階段為基本穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)踐可知,在隧道施工中主要是第三階段圍巖位移釋放量最大。若是圍巖變形過(guò)大,則直接會(huì)導(dǎo)致圍巖破壞問(wèn)題的出現(xiàn),主要包括拉斷破壞、塊體落石破壞、剪切破壞與復(fù)合破壞、巖爆破壞、潮解膨脹破壞。

      為保證隧道施工的順利落實(shí),在隧道開(kāi)挖前期,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察、巖石試驗(yàn)成果,分析不同圍巖特征,判斷圍巖級(jí)別與穩(wěn)定性,合理選擇施工開(kāi)挖方法。

      2.2 不同圍巖隧道洞身開(kāi)挖方法

      目前,我國(guó)公路隧道常用洞身開(kāi)挖方法包括全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階開(kāi)挖和分部開(kāi)挖,不同開(kāi)挖方法適用的圍巖等級(jí)不同,下文對(duì)此作具體論述:

      2.2.1 全斷面開(kāi)挖法

      全斷面法適用于Ⅰ~Ⅲ級(jí)圍巖,若圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)但開(kāi)挖斷面較小(<50 m2),且對(duì)掌子面、圍巖進(jìn)行超前支護(hù)后,同樣可采用此方法。

      全斷面開(kāi)挖較簡(jiǎn)單,主要是以移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車進(jìn)行全斷面一次鉆孔、一次爆破成型。此方法工序較少,施工控制容易,費(fèi)用少、進(jìn)度快,但是由于開(kāi)挖面大,對(duì)圍巖自身的穩(wěn)定性要求更高,爆破后出渣量較大,必須要以嚴(yán)格的施工組織設(shè)計(jì)為指導(dǎo)開(kāi)展循環(huán)作業(yè)。

      2.2.2 臺(tái)階開(kāi)挖法

      臺(tái)階開(kāi)挖法可分為上下兩臺(tái)階法、上中下三步臺(tái)階法以及增加仰拱部分開(kāi)挖臺(tái)階的多臺(tái)階開(kāi)挖方法,具體適用范圍為:(1)上下兩臺(tái)階法:地層相對(duì)較好的Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖;(2)上中下三步臺(tái)階法或多步臺(tái)階法:Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖。

      上下兩臺(tái)階法:將掌子面土體分為上下兩個(gè)臺(tái)階,先開(kāi)展上臺(tái)階開(kāi)挖、初支,后開(kāi)展下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。上中下三步臺(tái)階法或多步臺(tái)階法:先開(kāi)展上臺(tái)階開(kāi)挖與左右兩側(cè)環(huán)形開(kāi)挖,留下中間核心土,做好超前支護(hù)與初支,加固拱腳部位,要求整個(gè)開(kāi)挖至封閉時(shí)間<10 d,地面沉降<5 cm。臺(tái)階開(kāi)挖法較為靈活,適用范圍廣,但是下臺(tái)階開(kāi)挖極易影響到上臺(tái)階的穩(wěn)定性,必須做好支護(hù)工作。

      2.2.3 分部開(kāi)挖法

      分部開(kāi)挖法適用于Ⅲ~Ⅴ級(jí)圍巖、沉降要求嚴(yán)格的大跨度隧道,其主要包括以下幾種方法:

      (1)單側(cè)壁導(dǎo)坑法

      適用于圍巖性質(zhì)較差的大斷面隧道且不宜進(jìn)行臺(tái)階法開(kāi)挖的地區(qū),如:當(dāng)隧道斷面>10 m,可用該方法將大斷面分割為4 m、6 m左右的小斷面分別施工,以確保隧道圍巖穩(wěn)定。

      單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,主要采用人工開(kāi)挖的方式,配合小導(dǎo)管注漿等超前支護(hù)方法。具體如圖2所示。

      圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖

      (2)中隔墻法(CD法、CRD法)

      CD法適用于圍巖等級(jí)較高、自穩(wěn)能力差、沉降要求嚴(yán)格的隧道,具體施工過(guò)程見(jiàn)圖3。

      圖3 CD法施工示意圖

      CRD法適用于使用了CD法仍然不能滿足圍巖穩(wěn)定性要求的隧道工程,其是在CD法的基礎(chǔ)上分別在左右兩側(cè)土體的上中下臺(tái)階土體間施作臨時(shí)橫隔墻,具體施工過(guò)程見(jiàn)圖4。

      圖4 CRD法施工示意圖

      (3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

      雙側(cè)壁導(dǎo)坑法也稱為眼鏡法,其將較大隧道掌子面分為多個(gè)小區(qū)域開(kāi)挖,適用于跨度大(>20 m)、CD/CRD法無(wú)法施作的情況,施工步驟繁瑣、成本高、工期長(zhǎng),具體施工過(guò)程如圖5所示。

      圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖

      (4)環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法

      環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法也稱為臺(tái)階分部開(kāi)挖法,具體施工過(guò)程如圖6所示,其中Ⅰ~Ⅲ是環(huán)形拱部,Ⅳ是核心土。一般環(huán)形開(kāi)挖進(jìn)尺以0.1 m為宜,核心土與上下臺(tái)階相距約為洞室直徑的1.0~2.0倍。

      圖6 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工示意圖

      3 實(shí)例探析

      3.1 工程概況

      本文僅以某隧道為例,分析不同圍巖級(jí)別下的洞身開(kāi)挖施工方法。此隧道為分離式越嶺長(zhǎng)隧道,右洞起止樁號(hào)為YK76+345~YK77+347,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 002 m,進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為245.850 m、219.501 m,最大埋深約221.793 m(YK76+660處);左洞起止樁號(hào)為ZK76+345~ZK77+365,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 020 m,進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為246.110 m、219.355 m,最大埋深約216.813 m(ZK76+660處),隧道凈空為11.0 m×5 m。

      3.2 隧道洞身工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

      隧道以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖為主,隧道左洞Ⅲ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的31.4%,Ⅳ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的36.3%,Ⅴ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的32.3%;隧道右線Ⅲ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的21%,Ⅳ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的31.9%,Ⅴ級(jí)圍巖約占總長(zhǎng)的47.1%(見(jiàn)下頁(yè)表2)。

      表2 某隧道圍巖級(jí)別及特征表

      隧道Ⅲ級(jí)圍巖所占比例較小,隧道洞身圍巖總體穩(wěn)定性較好;Ⅳ級(jí)及Ⅴ級(jí)圍巖所占比例大,隧道進(jìn)、出洞口及淺埋段圍巖穩(wěn)定性較差??傮w隧道洞身圍巖以強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化砂巖為主,多呈薄~中厚層狀構(gòu)造。

      3.3 洞身開(kāi)挖方案

      隧道開(kāi)挖遵循“管超前,嚴(yán)注漿,弱爆破,短進(jìn)尺,強(qiáng)支護(hù),早封閉,勤量測(cè)”原則。根據(jù)隧道的地質(zhì)情況,隧道洞身采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法、臺(tái)階法以及全斷面法。

      開(kāi)挖進(jìn)尺Ⅴ級(jí)圍巖段按逐榀拱架控制,Ⅳ級(jí)圍巖按2榀鋼架間距控制,Ⅲ級(jí)圍巖控制進(jìn)尺為3 m。Ⅴ級(jí)圍巖采用機(jī)械開(kāi)挖,小炮松動(dòng)爆破配合;Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用光面爆破。

      為保證左右洞放炮不影響掌子面穩(wěn)定,左右洞掌子面控制距離應(yīng)≥30 m。洞身施工超欠挖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

      表3 洞身施工超欠挖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)表

      隧道圍巖開(kāi)挖后有一個(gè)自然的沉降、收斂過(guò)程,開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意預(yù)留變形量;隧道施工中,要做好圍巖收斂量測(cè)、地質(zhì)超前預(yù)報(bào);隧道開(kāi)挖從隧道出口向進(jìn)口單向掘進(jìn)施工;在進(jìn)口端及時(shí)做好坡面防護(hù)和洞口超前支護(hù)設(shè)施;通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)方案。

      3.4 不同級(jí)別圍巖開(kāi)挖施工要點(diǎn)

      3.4.1 Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖

      Ⅴ級(jí)圍巖段采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工,先進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑環(huán)向開(kāi)挖,在核心土上架設(shè)型鋼鋼架,鎖腳錨桿,固定鋼架拱腳和支腿根部,實(shí)施錨桿,鋼筋網(wǎng)噴混凝土打設(shè)φ42×4 mm超前注漿小導(dǎo)管,形成完整的初期支護(hù)體系;然后進(jìn)行核心土開(kāi)挖,要求必須在上臺(tái)階支護(hù)完成且噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方可進(jìn)行核心土與下臺(tái)階開(kāi)挖;開(kāi)挖完畢后及時(shí)施作初期支護(hù),每逐榀拱架間采用鋼筋連接,并施做鎖腳錨桿;二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果適時(shí)施作,距上臺(tái)階掌子面距離應(yīng)≤35 m。如圖7、圖8分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

      圖7 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段隧道施工順序縱斷面圖

      圖8 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段隧道施工順序立面圖

      環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工步驟:

      (1)上臺(tái)階弧形導(dǎo)洞超前支護(hù),開(kāi)挖,初期支護(hù);

      (2)下臺(tái)階兩側(cè)交錯(cuò)開(kāi)挖,施作兩側(cè)邊墻,初期支護(hù);

      (3)核心土開(kāi)挖;

      (4)采用自行式仰拱模板臺(tái)車進(jìn)行仰拱澆筑;

      (5)鋪設(shè)防水層,采用模板臺(tái)車全斷面一次模筑、二次襯砌。

      3.4.2 Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖

      隧道Ⅳ級(jí)圍巖深埋段采用臺(tái)階法施工。Ⅳ級(jí)圍巖的自穩(wěn)性一般,本著穩(wěn)步開(kāi)挖的原則,開(kāi)挖時(shí)按架立兩環(huán)鋼拱架作為一個(gè)循環(huán)尺寸,如圖9、圖10分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

      臺(tái)階法施工步驟:

      (1)上臺(tái)階超前支護(hù),開(kāi)挖,初期支護(hù);

      (2)下臺(tái)階開(kāi)挖,初期支護(hù);

      (3)采用自行式仰拱模板臺(tái)車進(jìn)行仰拱澆筑;

      (4)鋪設(shè)防水層,采用模板臺(tái)車全斷面一次模筑二次襯砌。

      Ⅳ級(jí)圍巖采用φ22 mm藥卷錨桿+H14×W14格柵鋼架+φ8 mm鋼筋網(wǎng)+噴混凝土支護(hù);洞身開(kāi)挖時(shí),主洞上臺(tái)階開(kāi)挖面與主洞下臺(tái)階開(kāi)挖面距離為15~25 m,上下臺(tái)階開(kāi)挖面不得處于同一斷面,必須采用馬口錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。

      3.4.3 Ⅲ級(jí)圍巖開(kāi)挖

      隧道Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法施工,開(kāi)挖后立即初噴3~5 cm混凝土封閉,按照設(shè)計(jì)要求施作系統(tǒng)錨桿,噴射混凝土,如圖11、圖12所示分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

      圖11 Ⅲ級(jí)圍巖隧道施工順序縱斷面圖

      圖12 Ⅲ級(jí)圍巖隧道施工順序立面圖

      4 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,在公路隧道施工中,必然會(huì)面臨著不同級(jí)別的圍巖開(kāi)挖施工,對(duì)此必須要事先做好工程地質(zhì)勘察,明確各地段圍巖級(jí)別,根據(jù)不同地段圍巖特性合理選擇施工方法,制定科學(xué)的施工方案,保證整個(gè)隧道開(kāi)挖作業(yè)安全、可靠,防止出現(xiàn)坍塌等事故,切實(shí)保證工程項(xiàng)目的圓滿完成。

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