破碎地质条件下的隧道进洞施工技术

2022-09-10

一、前言

隧道在较为破碎、软弱地质条件下进洞, 开挖、支护过程中极易造成坍塌, 在施工前要对边仰坡采取加固处理, 保持其稳定, 施工中必须做好地质调查与预报工作, 做到先排水、短开挖、强支护, 快衬砌、勤量测的防治措施, 最重要的是要结合地质情况制定科学合理的支护形式。结合黄衢南高速公路后坪坞隧道施工实践, 简要介绍在破碎地质条件下的隧道进洞施工技术。

二、工程简介

后坪坞隧道地处浙江省开化县境内, 全长1047米, 为双洞四车道分离式, 单洞净宽11米, 净高5.0米, 左洞衢州端进洞桩号为ZK45+853, 该隧道穿越弱、微风化岩体, 基岩为泥岩。节理裂隙较为发育, 穿越断裂构造带, 岩体破碎。洞口段边坡自然坡度约50°, 洞口与坡面基本成90度, 无偏压。表层覆盖薄层含粘性角砾, 较为松散, 下伏泥岩, 厚层状, 强风化岩层较厚, 岩芯成砂状、碎块状及少量土状, 风化裂隙较发育, 洞口段岩体破碎, 漏水严重。隧道覆盖层数目茂密, 表层为强风化、成角砾石状松散堆积结构, 围岩稳定性差。山上树木茂密, 坡度较陡, 汇水面积较大, 雨季极易漏水, 对隧道进洞施工带来较大难度。

三、存在的问题

随着表土的挖掘和现场地质勘查, 发现洞口及周边山体破碎严重, 围岩稳定性极差, 边仰坡不能自稳, 极易坍塌。业主还提出了减少开挖, 最大程度保护生态环境的要求, 施工中存在以下几方面的问题:1、山坡度陡峭, 边仰坡开挖后, 稳定性差, 容易造成山体下滑;2、护拱基础开挖较深, 容易造成塌方, 无法施工;3、洞内普通中空注浆锚杆成孔困难, 反复的钻孔、清孔对土体的扰动严重, 且用水冲孔也易造成土体的滑动而失稳, 原设计的中空注浆锚杆无法达到预期效果。

四、进洞前的超前支护和边仰坡防护

进洞之前, 首先要保证洞口边仰坡以及山体的稳定, 边仰坡防护形式采用喷射混凝土15cm+双层A6钢筋焊接网+φ42注浆小导管 (长度为5米, 间距为1.2×1.2米) 。

为减少开挖量, 施工时, 边仰坡开挖采取分阶段开挖、支护的施工方法, 每开挖1-2米就支护一次, 由于山坡自然坡度较陡, 在边仰坡开挖时, 尽量减少开挖量, 边仰坡开挖的原则就是能够满足护拱施工即可, 仰坡高度不超过2米, 坡度控制在1:0.5。在小导管施工前, 先对坡面喷射5cm混凝土, 对整个坡面进行封闭, 以保证小导管的注浆加固效果。然后在打小导管、注浆、铺设钢筋网片, 二次喷射混凝土防护。

护拱施工分两阶段进行, 第一次施工管棚以上拱形部分, 然后进行大管棚的施工, 管棚注浆完成后, 再开挖下半部分, 分阶段开挖要做好临时基础, 并预留好沉降量, 防止造成净空不足, 基础落在满足承载力要求的基岩上, 承载力不小于300Kpa。

超前支护采用φ108×6mm大管棚, 管棚环向间距为40cm, 长度确定为40米, 混凝土护拱作为管棚施工的导向墙, 护拱环向厚度为1米, 长度为2米。为增大钢管刚度, 在每根管棚内安放一根φ22钢筋, 钢筋长度与管棚长度相同, 在管棚安装时, 边安装钢管边接长钢筋。

钻孔采用金星-9000型液压履带式管棚机钻孔、推管, 在施工中, 从拱脚至拱顶逐根钻孔、推管, 为了便于安装钢管, 钻头直径采用Φ115 mm, 根据钻渣情况及时进行清孔, 防止卡钻, 钻进时产生坍孔、卡钻, 需补注浆后再钻进。钻机开钻时, 低速低压, 待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压, 钻进过程中经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量, 并及时处理钻进过程中出现的事故。

五、洞内的结构形式的确定

隧道洞口段的设计与施工对隧道来说是至关重要的, 进口位置已经确定, 无法调整, 只能通过技术手段对洞口段的衬砌结构加以调整, 使其满足要求, 衬砌参数先以工程类比法拟定, 以有限元对其进行校核。隧道设计施工均按照新奥法原理进行, 衬砌结构主要考虑初期支护与周围岩体相结合, 避免过多扰动, 造成山体不稳, 初期支护结构参数见下:18#工字钢纵向间距为0.5米, 5米长φ42×4mm小导管代替原设计的φ25mm长度为3.5米的系统锚杆, 环向间距为1米, 横向间距酮工字钢, 25cm厚喷射混凝土+A6定型钢筋焊接网, 小导管与工字钢焊接在一起, 工字钢两侧各设2根锁脚小导管, 以固定钢拱架, 防止沉降过大。二次衬砌采用45cm厚钢筋混凝土。

六、大管棚注浆

大管棚注浆效果是进洞开挖的安全保证, 按照设计要求, 管棚注浆采用水泥-水玻璃双液注浆。但是施工前现场做了双液注浆配比试验, 按水玻璃浓度为35玻镁度, 水玻璃模数为2.4, 水泥-水玻璃体积比分别为1:0.5时, 水泥水灰比为1:1, 浆液胶凝时间为30~75s, 对于管棚注浆胶凝时间过短不能满足要求, 因此注浆采用单液, 添加0.4%水玻璃。注浆初压为0.5~1.0MP, 终压2.0MP, 实际施工时钻孔42m。注浆时从拱脚向拱顶依次注浆, 按照原设计先注有孔花管, 无孔管作为检查孔, 但是在实际施工中, 在注有孔管时, 浆液容易从检查管理流出, 如不及时补浆, 检查孔内的浆液凝固容易造成管内局部空洞。施工时, 分别从两侧拱脚向拱顶逐根注浆。实践证明, 本次注浆效果比较好, 松散围岩基本上处于稳定状态, 进洞开挖时, 没有出现异常情况。

七、开挖方案的制定及实施

对于软弱的围岩开挖方法主要有留核心土环形开挖法、CD法、CRD法等开挖方式, 根据管棚注浆效果情况和现场地质条件, 围岩基本能够固结稳定, 无软质淤泥等流塑性物质, 隧道净空较小, 采用CD法、CRD法施工工序比较复杂, 决定采用留核心土环形开挖法, 施工时主要采用挖掘机及风镐等设备短进尺开挖, 每次开挖1~1.5米后就立即进行支护, 工字钢的拱脚要落到开挖基础面, 采用锁脚小导管固定住拱架, 每榀钢拱架每侧设两根, 5.0m长, 以保证上导钢拱架基底牢靠。

预留核心土环形开挖法, 将开挖断面分为上、中、下及底部四个部分逐级掘进施工。上部宜超前中部3~5m, 中部超前下部3~5m, 下部超前底部10m左右 (1倍跨径左右) 。为方便机械作业, 结合本工程实际, 上部开挖高度控制在2.5m左右, 中部台阶高度控制在1.5m左右, 下部台阶控制在1.5m左右。本着尽早将钢拱架落下, 尽早成环的原则, 在有工作面的情况下施工仰拱, 防止洞口段变形过大。采用注浆小导管代替中空注浆锚杆是施工的关键内容, 小导管采用有孔花管, 孔径为8mm, 孔间距为15cm, 呈梅花形布置, 顶部40cm不钻孔, 端部15cm做成锥头状。小导管的注浆要饱满, 注浆液及注浆压力要求均按照大管棚要求施工, 能够起到加固周围围岩并同钢拱架共同受力承担荷载的目的。

八、效果评价

初期支护完成后, 在拱顶、拱脚及边墙的内轨顶面标高处埋设测点进行拱顶下沉和水平收敛量测。测试元件用∮12圆钢加工而成, 每根元件长25cm, 锚入初期支护体20cm, 外露5cm, 以防震动影响量测结果。水平收敛量测采用铁科院武汉岩体力学研究所研制的收敛仪进行观测。量测频率开始6h观测1次, 然后根据变形量的减小而减小量测频率, 即12h、24h、48h、72h、168h, 根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等, 便于指导施工, 确保施工安全。量测点每隔5m布设1组。经量测, 拱顶最大累计下沉量为15mm, 水平最大累计收敛量为17mm。

九、施工中几点体会

通过后坪坞隧道的进洞方案及处理措施的实施, 在隧道进洞施工中, 特别是较为破碎软弱地质条件下的进洞施工总结以下几点体会:

1、隧道施工需要因地制宜, 选择合理的进洞方案, 但是, 对洞口段进行加强, 注浆是基础, 稳定山体和周围围岩是关键;

2、长大管棚是隧道进洞常用的手段, 但是, 在施工中要控制好管棚的空口导向管的外插角, 外插角过大致使管棚失效, 开挖时超挖严重;外插角过小, 又容易造成管棚侵入开挖空间。

3、进洞时尽可能采用人工或机械进行挖掘, 避免对周围围岩挠动过大, 造成围岩失稳。

4、在破碎地质条件下, 普通砂浆锚杆和中空注浆锚杆均不适合, 选择自钻式锚杆效果较好, 但是成本相对较高, 注浆小导管也是一种解决的办法。

5、在围岩不是很软弱, 隧道跨径较小的情况下, 采用留核心土环形开挖方便快捷, CD、CRD开挖方法程序太繁琐, 施工进度受到极大影响。

十、结束语

破碎地质条件下的进洞方案制定是非常关键的, 特别是在提倡环保型施工, 减少开挖量的前提下制定安全、有效的技术方案是隧道施工成败的关键, 本着短进尺、强支护、勤量测、早封闭的原则, 以洞口注浆为基础, 尽量减少对周边围岩的挠动, 使新奥法原理真正得到贯彻和应用, 也是隧道施工中要坚持的基本原则。

摘要：本文结合后坪坞隧道工程实践, 在破碎地质条件下采用大管棚超前支护, 注浆小导管代替中空锚杆, 实现了在破碎地质条件下安全进洞。并对方案的实施进行了详细的介绍, 对存在不足和施工中应注意的事项也作了总结, 文章也对隧道内的结构处理、施工掘进方案的选择及主要施工技术进行了介绍, 为类似情况的隧道设计与施工提供借鉴。

关键词：破碎地质,隧道,进洞技术