隧道掘进阶段初期支护方式的探讨

2022-09-11

由于山区地形复杂, 高差起伏很大, 以前往往需要通过回头展线克服高差穿越垭口或绕行, 造成线路长、纵坡大、线路弯曲。随着国民经济的发展, 需要便捷的交通提供支撑, 为缩短公路里程和人们对公路建设等级要求不断的提高, 隧道的建设数量将越来越多。本文结合文成县56省道花园至西坑段改建工程周岙底2号隧道阶段初期支护方式的进行探讨。

1 工程概况

该隧道采用单洞双向行车隧道, 桩号为K67+285-K69+385, 隧道长2100米、宽9米 (其中行车道2*3.5米、侧向宽度2*0.25米、人行道2*0.75米) 、净高5.0m, 纵坡采用单坡 (-1.35%) , 双向横坡 (2%) , 按设计时速40km/h设计。

2 工程地质特征

隧道区域的工程地质特征叙述如下。

(1) K67+285-K67+316段31m, 斜坡地貌, 坡度35°左右, 洞口仰坡分布残积粉质粘土和全分化角砾凝灰岩, 粉质粘土, 黄褐色, 干-稍湿, 可塑, 厚2.1米左右, 全风化岩灰白色, 风化呈土状, 可塑, 厚1.8米, 呈松散结构, 下方为中风化凝灰质粉砂岩和安山岩.中风化凝灰质粉砂岩浅灰紫色, 中薄层状, 较坚硬, 裂隙发育, 张开-微张, 充填方解石细脉, 结构面平直、粗糙, 铁锰质渲染.J v=2 0条/米, K v=0.3 5, K 1=0.4 0, K2=0.40, [BQ]=282。岩石破碎, RQD=10%左右, 呈碎裂镶嵌结构-碎裂结构。中风化安山岩灰紫色, 较坚硬, Rc=42.5Mpa, 裂隙较发育, 微张, 结构面平直、粗糙, 铁锰质渲染.Jv=15条/米, Kv=0.45, K1=0.20, K2=0.20, [BQ]=290。岩石较破碎, RQD=30-40%, 岩体呈碎裂镶嵌结构局部块状结构。地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水, 上部土层一般, 裂隙微张-张开, 连通性和渗透性较好, 地表汇水面积小, 地下水不发育, 水文地质条件简单, 隧道开挖后局部会出现渗水、滴水现象。受浅埋、接触带、层间裂隙及围岩基本质量等因素影响, 属Ⅴ级围岩, 稳定性差, 自稳能力低。

(2) K67+360-K68+080段720m, 隧道穿越微风化英安玢岩, 青灰色, 坚硬, Rc=84.8MPa, 节理裂隙较发育, 以NE和NW向为主, 微张, 未充填, 结构面平直, 硬质。局部铁锰渲染, Jv=15条/M3, Kv=0.45, K2=0.20, [BQ]=394。岩石较完整, 岩体呈块状结构局部碎裂镶嵌结构。地下水主要为基岩裂隙水, 基岩裂隙微张, 连通性和渗透性差, 与地表水联系弱, 地下水不发育, 水文地质条件较简单。属Ⅲ级围岩, 围岩稳定性较好, 自稳能力较好。

(3) K68+080-K68+430段350m, 隧道穿越微风化英安玢岩, 埋深180.9~249.4米, 最大埋深达362.3米。围岩青灰色, 坚硬, Rc>84.8Mpa, 节理裂隙较发育, 产状260∠55°、20∠80°、350∠25°, 闭合-微张, 未充填, 结构面平直, 硬质, 局部铁锰渲染, Jv=10条/M3, Kv=0.55, [BQ]=466.岩石完整, 岩体呈块状结构。地下水主要为基岩裂隙水, 基岩裂隙微张, 连通性和渗透性较差, 与地表水联系弱, 水量疲乏, 水文地质条件较简单。

(4) K68+430-K69+108段678m, 隧道穿越微风化英安玢岩, 青灰色, 坚硬, Rc>84.8Mpa, 节理裂隙较发育, 产状275∠45°、125∠80°、350∠25°, 微张, 结构面平直, 硬质。Jv=15条/M3, Kv=0.45, K2=0.20, [BQ]=394。岩石较完整, 岩体呈块状结构。地下水主要为基岩裂隙水, 基岩裂隙微张, 连通性和渗透性差, 与地表水联系弱, 水量疲乏, 水文地质条件较简单。隧道开挖后仅局部出现渗水现象。属Ⅲ级围岩, 围岩稳定性较好, 自稳能力一般。 (其中K68+982-K69+010段发育花岗岩斑岩脉, 受脉体侵入影响, 接触带节理裂隙发育, 岩石具粘土矿化, 岩体较破碎, 呈碎裂镶嵌结构, 属Ⅳ级围岩) 。

(5) K69+108-K69+200段92m, 隧道穿越F5断裂, 该断裂属压性断裂, 总体走向330°左右, 主结构面产状240∠75°。断面光滑, 见擦痕, 附泥膜。带宽3~5米, 带中岩石为碎砾岩, 碎砾间充填碎粒和碎粉, 弱胶结.不规则裂隙很发育, 充填方解石细脉。Jv>35条/M3, Kv=0.1, [BQ]<250, 岩体破碎呈碎裂结构。受其影响, 两侧围岩节理裂隙发育, 密度7~8条/米, 微张, 隙面平直, 延伸较长, 岩体呈碎裂镶嵌结构。地下水主要为构造水和基岩裂隙水, 隧道右侧发育冲沟, 常年流水, 与F5断裂相交, 构造水较发育。水文地质条件较复杂, K 6 9+1 2 8-K 6 9+1 8 0段属Ⅴ级围岩, K 6 9+1 0 8-K69+128和K69+180-K69+200段属Ⅳ级围岩, 围岩稳定性差, 自稳能力低。

3 隧道掘进阶段初期支护的总原则

根据《公路隧道施工技术规范》 (JTG F60-2009) 和《公路隧道施工技术细则》 (JTG/T F60-2009) 的精神和温州市交通质监站下发的《关于加强隧道施工安全质量管理的通知》, 我们必须掌握隧道掘进和初期支护的总原则是:要求加强施工过程的监控量测和初期支护及时跟进, 坚持每次开挖后对开挖工作面进行观察, 填写施工阶段围岩级别判定卡, 对已支护的地段观察每天进行一次, 监理单位隧道工程师及时对量测结果进行复核, 观察中发现围岩条件恶化时, 立即报告业主, 采取相应处理措施;初期支护必须及时跟进, 初喷混凝土必须在开挖面清理后第一时间完成, 锚杆、挂网、钢架、复喷等初期支护工序施工全部完成距掌子面的距离, 对Ⅳ级以下围岩不得超过一个开挖循环的长度, Ⅲ级及以上围岩在保证安全的情况下可以放宽到10米, 每个循环开挖前, 上个循环的初期支护质量必须经过自检和监理抽检, 质量达到合格。

4 设计采用的支护类型

设计围岩级别有Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级等五个。

4.1 Ⅴ级隧道口洞口加强段衬砌结构

超前支护为超前大管棚, 管棚直径ф108mm~4.5mm环向间距0.4m, 长30m, 外插角10°;ф25中空注浆锚杆, L=3.5m, 间距80*80cm;6钢筋网, 15*15cm;Ⅰ16型钢拱架, 纵向间距80cm;喷C20早强混凝土25cm;防水板加土工布;C25混凝土二次衬砌45cm。

4.2 Ⅴ级围岩正常段衬砌结构

直径ф42-4mm超前注浆导管支护, L=4m, 环向间距40cm, a-10° (必要时) ;ф25中空注浆锚杆, L=3.5m, 间距80*100cm (纵向间距100cm) ;ф6钢筋网, 间距20*20cm;钢筋格栅拱架 (Ⅰ16型钢拱架) , 纵向间距100cm;喷C20早强混凝土25cm;防水板加土工布;C25混凝土二次衬砌35cm。

4.3 Ⅳ级围岩衬砌结构

超前锚杆, L=3.5m, 环向间距50cm, a-10° (必要时) ;ф25中空注浆锚杆, L=3.0m, 间距100*120cm (纵向间距120cm) ;ф6钢筋网, 间距20*20cm;喷C20早强混凝土15cm;防水板加土工布;C25混凝土二次衬砌35cm。

4.4 Ⅲ级围岩衬砌结构

ф25中空注浆锚杆, L=3.0 m, 间距150*120cm (纵向间距120cm) ;ф6钢筋网, 间距20*20cm;喷C20早强混凝土10cm;防水板加土工布;C25混凝土二次衬砌35cm。

4.5 Ⅱ级围岩衬砌结构

ф25中空注浆锚杆, L=2.0 m, 间距150*150cm (必要时) ;ф6钢筋网, 间距20*20cm;喷C20早强混凝土6cm;防水板加土工布;C25混凝土二次衬砌30cm。

5 实际施工过程中对初期支护方式进行调整

由于地质构造变化复杂, 实际地质同设计图纸往往有出入, 为确保掘进的安全和控制投资, 不能简单按那类围岩施工, 有些介于中间, 高套支护标准造成资金浪费, 低套支护标准又不能保证安全掘进, 所以在实际施工过程中往往需要对设计图进行调整, 举例如下。

案例1:掘进施工清渣后, 发现顶部有啪啪响声、间隔时间极短、不时往下掉块、厚度5cm~30cm不等, 认为是应力释放结果。该段原设计为Ⅲ级围岩衬砌, 如果按设计进行掘进和初支将存在一定安全隐患, 采用的调整措施:采取增设大钢筋网, 环向钢筋直径16mm螺纹钢、间距60cm, 纵向钢筋直径12mm螺纹钢、间距100cm (范围圆心角180°) ;中空注浆锚杆横向间距调整为100cm (范围圆心角180°) ;喷锚厚度调整为15cm;进尺控制少于2米。

案例2:掘进施工清渣后, 发现拱顶部位出露有一水平夹泥隔层, 层厚约20cm, 围岩破碎节理裂隙发育、自稳性差、易坍塌。该段原设计为Ⅳ级围岩衬砌, 如果按设计进行掘进和初支将存在一定安全隐患, 采用的调整措施:增设Ⅰ16工字钢拱、间距120cm;超前小导管 (外径42mm、壁厚4mm的钢管) 按圆心角120°布置、间距40cm、长度400cm、搭接长度160cm;喷锚厚度调整为25cm。

案例3:隧道出口仰坡开挖后, 发现覆盖层为黄泥和全风化岩层, 且比较松散破碎, 该段原设计为为Ⅴ级隧道口洞口加强段, 如果按设计进行掘进和初支将存在一定安全隐患, 采用的调整措施:Ⅰ16工字钢拱改为Ⅰ18工字钢拱, 纵向间距调整为0.5m;中空注浆锚杆纵向间距调整为0.5m。

总之, 根据实际情况对钢拱间距、大小、锚杆间距、喷砼厚度调整;设大钢筋网等种种措施以达到安全掘进目的。