软弱地质条件下隧洞开挖新方法探讨

2022-09-11

1 软弱地质条件下隧洞开挖的传统方法

1.1 原生软弱面

这类软弱面是在岩体形成过程中形成的, 如岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入体与围岩的接触面;沉积岩体内的层理面、不整合面;变质岩体内的片理面, 以及片麻构造面等。在原生软弱面中, 除了原生裂隙, 以及由于受构造运动和风化作用的影响, 已经脱开的软弱面外, 多具有一定的连结力和较高的强度。

1.2 构造软弱面

这类软弱面是在岩体形成后的构造运动过程中, 产生的各种破裂面, 如断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层, 以及构造裂隙面等。这类软弱面除了已经胶合者以外, 绝大部分都是脱开的。规模较大的, 多充填有厚度不等、类型和连续程度不同的充填物, 其中大部分已经泥化, 或者已经变成了软弱夹层。因此, 就一般情况而言, 除了部分构造裂隙以外, 大部分构造软弱面的特性都很坏, 强度多接近于岩体的剩余强度, 往往导致工程岩体发生滑动破坏。

1.3 次生软弱面

这类软弱面是岩体在外力作用下产生的, 如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深度不大, 方向紊乱, 连续性很低。但可降低岩体的强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。一般来说, 次生软弱面主要影响地面附近岩体的稳定性。针对目前的软弱地质条件的隧洞开挖, 国内采取常见的方法有两种, 一是CRD法和双层壁法, 施工采用新奥法。这些方法的一个共同点就是自上至下的施工, 在实践中我们发现这些方法无法很好的解决下沉和侧向收敛的问题, 而这些问题对于软弱地质条件下来说是难以接受甚至是致命的。在软弱地质条件下施工, 采用新奥法一般开挖和支撑的方法有两种, 即CRD法和双层壁法。在开挖的过程中直到钢拱架全断面封闭成环后, 下沉才基本停止。在没有封闭成环的时间里, 每个工段的钢拱架每天都在不断的下沉。在软弱地质条件下, 每月进尺为10m~20m, 以这样的进度计算, 从开挖到全断面封闭成环需要3个月甚至更长时间。在这漫长的时间内, 累积起来的下沉量有多大是可想而知的, 实际情况是最大下沉量80cm~90cm。通过对下沉情况的分析, 可以看出过量下沉的根本原因是自上而下的施工方法, 只要采用这样的施工方法, 地质软弱时, 过量下沉则是不可避免的。试想在地面建好一栋楼房, 又在下面挖洞, 试图增加一层或两层地下室, 还要保证上部结构不下沉、不产生裂缝, 这则是不可想象的事。双层壁法结构拱脚处没有很好的固定约束, 在两侧水平土压力的作用下, 拱脚易产生位移, 跨中则产生大的弯矩, 拱架在跨中被弯拉开裂。同时, 两侧拱架都产生大的侧向收缩, 初期支护侧拱架造成侵限。因此, 在施工中不得不在中部增加水平支撑, 增加水平支撑不仅增加了工料消耗, 还减小了施工操作空间降低工效。根据以上情况分析, 对于大断面隧道, 在软弱地质条件下, 采用双侧壁法施工时, 侧壁中部必须增加水平支撑, 否则难以保持结构稳定。

2 新开挖方法-自下而上开挖法

经过对新奥法施工存在的不足, 我们研究发现, 关键的问题还是自上而下的开挖方法存在一些问题。从而提出一种新的开挖思路-自下而上开挖法。自下而上开挖法就是采用临时支护的方法首先在隧道下部开挖一个或几个导洞, 同时在导洞内做好初期支护的仰拱部分, 为上部拱架打下一个稳固的基础, 以减少拱架下沉量。通过分析我们发现自下而上开挖法更安全, 主要有以下几个方面原因。 (1) 全拱与半拱轴力相等。把初期支护上半部分的钢拱架进行力学分析可以知道, 把上半部分钢拱架一次性施工安装与CRD法的分Ⅰ、Ⅲ部2次安装 (即先安装一半) 进行比较, 全拱与半拱轴力是相等的, 而且全拱内力以轴力为主, 弯矩很小, 改善了受力条件。而先安装Ⅰ部半拱拱架, Ⅰ部拱架易产生大的弯矩。 (2) 由于是自下而上的施工, 有利于保证钢拱架的拼装质量, 钢拱架安装质量提高了, 承载能力也提高了。 (3) 围岩保护好, 自稳能力提高, 减小了钢拱架的荷载。 (4) 在下部导洞形成后, 最有效的排除了上部土壤中的水分, 改善了土的物理力学性质, 也即减小了上部初期支护拱架的荷载。自下而上开挖法提高工程质量。采用自下而上开挖法施工有利于提高施工质量, 主要体现在以下几方面: (1) 有效减小初期支护下沉量。由于首先施工了初期支护的仰拱部分, 仰拱不会下沉。原因是地基与基础只有在其上面增加荷载时才会产生下沉, 而仰拱在施工过程中, 作用在仰拱上的荷载不是在增加, 而是在减少。因为压在仰拱上的土在不断的被挖空。因此, 仰拱不会下沉, 仰拱可以成为上部拱架稳固的基础。上部拱架下沉量也会很小, 因为上部拱架为拱结构, 拱结构内力以轴向力为主, 弯矩较小。自下而上开挖法大大提高工程进度。 (1) 挖土时间短, 上部芯土可用大挖掘机开挖, 直接装入大型运输车内运走, 可提高工效, 缩短时间。也可用小挖掘机开挖, 在导洞顶部适当位置拆除几块挡土木板, 留出洞口, 小挖掘机挖土时, 可直接漏进停在洞口下的车内, 减少装车时间, 提高工效。 (2) 拱架安装快, 由于是自下而上施工, 拱架安装便于操作, 可提高施工速度, 缩短施工时间。 (3) 由于首先在下部开挖了一个导洞, 这就可以最有效的排除两侧和上部土壤中的水分, 土壤水分排除了, 就改善了施工条件, 有利加快施工速度, 缩短施工时间。 (4) 省去了临时仰拱和中隔壁安装拱架、焊连接钢筋、焊钢筋网片、施作锚杆及喷混凝土的时间。因此, 同样地质条件下, 自下而上法会比CRD法施工速度快。自下而上开挖法降低工程造价。与CRD法相比, 可在以下方面降低工程费用。 (1) 省临时仰拱和中隔壁, 按A3标投标价计算, 每延米可省3万元。 (2) 省部分锚杆、注浆费用, 每延米省1万元。 (3) 省超挖土方、超用喷射混凝土及二衬混凝土, 每延米省1万元。以上合计, 每延米可节约费用5万元。