浅谈群洞中的穹顶大跨度隧道施工技术

1 工程概况

广东省深圳市某洞库工程内隧道纵横交错, 堪称群洞。其隧道总长5300m, 隧道高度从4.6m到19.8m不等, 隧道跨度从2.6m到32.0m不等, 隧道段面积从4m2到810m2不等。工程中央穹顶大跨度隧道, 隧道断面尺寸为D32m×l9.8m, 拱顶覆土埋深289m, 这是目前国内穹顶隧道单跨跨度较大的隧道, 且四周还有大小隧道相连接及并行, 也是本洞库隧道工程施工的重点、难点区段。该穹顶大跨度隧道所处断面变化环境非常复杂, 隧道围岩条件差, 地面地表水补给丰富, 基岩裂隙水大并具有压力。主要穿越断层、中风化带和微风化带, 围岩裂隙发育。本区域地下水为基岩中的裂隙水, 地下水对混凝土无侵蚀性。

2 施工工法的选定

工程地质勘探资料显示:中央穹顶拱部所处的岩体为微风化、中风化花岗岩, 并穿越一条11.5m宽断层。工程中央穹顶大跨度隧道拱顶埋深289m, 由于隧道跨度大, 且为圆形穹顶结构, 拱部较平缓, 拱部结构受力较大。为确保开挖安全, 采用了在拱部全范围内施做超前大锚杆和小管棚注浆, 在超前大锚杆和小管棚注浆加固的支护下开挖拱部岩体。在实际施工过程中, 将工程划分为四个施工开挖步骤, 如图1, 图2, 图3, 图4所示。

工程开挖采用了双侧壁导坑加拱部跳挖法施工, 即在拱部的中部超前开挖中导坑, 再从中导坑向两侧错开分部开挖, 充分利用跳挖的错台作为对上覆岩层的支撑, 也有利于限制上覆岩层的变形。为便于对比分析, 在计算过程中, 选取了三种不同的施工方法进行模拟, 如图1所示。三种工法的开挖分步相同, 但开挖顺序不同。工法一和工法二均先开挖左侧壁导坑, 再开挖右侧壁导坑;对拱部岩体, 工法—先开挖两边, 再开挖中间, 工法二先开挖中间, 再开挖两边;工法三是左、右两侧导坑同时开挖, 拱部土体先开挖中间、再开挖两边。地面最大沉降点的位置在开挖过程中基本不变, 均在洞顶中心偏左2.5m的地方;地面沉降的影响范围为洞顶中心以左35m、以右17m。采用超前支护和双侧壁导坑加拱部跳挖法施工, 满足沉降控制及对周围环境保护的要求, 可以保证施工的安全。

针对工程的特点, 施工工法采用了平面弹塑性有限单元法研究中央穹顶大跨度隧道开挖的合理性, 以实际施工中双侧壁导坑加拱部跳挖法为基本点, 可以采取开挖分步相同、开挖顺序不同的三种施工工法。开挖工法一和工法二均首先开挖左侧壁导坑, 再开挖右侧壁导坑, 而工法一先开挖两侧壁, 再开挖中间, 工法二则先开挖中间, 再开挖两侧;工法三是对左、右两侧导坑同时开挖, 而拱部岩体先开挖中部、再开挖两边。对三种施工工法产生的位移沉降、洞周塑性区及洞周变形通过有限元数值模拟对比分析, 理论上表明工法三的情况最为不利, 工法一的各项指标是最优的。而实际施工条件采用工法二更为实用的工法, 该工法引起的地面沉降最大值可控制在30㎜以内, 满足沉降控制及对周围环境保护的要求。经研究得出的结果显示:当外部地面有建筑物需要保护时, 应先开挖邻近建筑物一侧的导坑, 拱部也应先开挖邻近建筑物一侧的岩体。

工程中央穹顶大跨度隧道依据“新奥法”原理, 遵循少进尺、快封闭的原则, 采用浅埋暗挖法进行设计和施工。初期支护采用格栅钢架、锚杆、超前长锚杆、工字钢临时支护、网喷混凝土联合支护形式, 二次衬砌为钢筋混凝土结构, 初期支护与二次衬砌之间设防水层防水。

3 施工过程的质量控制

针对工程中央穹顶大跨度隧道为圆形结构形式, 加之结构的跨度较大, 覆盖层深的特点。为有效控制地面的下沉, 保证洞库围岩稳定和施工安全, 工程采取了下面质量控制措施:一是采用超前小管棚注浆和长锚杆超前支护加固围岩, 使围岩形成一整体, 充分利用围岩自身的强度;二是加强监控测量, 严格按照设计图要求测量各项数据;三是防水以疏为主, 疏堵结合, 多道设防。

3.1 小管棚及长锚杆施工质量控制

(1) 工程采用机具:XY-2B-300型电动油压钻机、BW-250/50型注浆泵。

(2) 施作的方法: (1) 准备工作:清理干净作业面, 在工作面处先安设受力钢拱架和挂钢筋网, 并按要求标明小管棚和锚杆位置, 为按设计孔向钻进奠定基础。 (2) 先施作小管棚, 小管棚为D89X6mm无缝钢管, 管棚长度为10.0m, 搭接长度3.0m, 注水泥—水玻璃双液浆, 注浆终压力2.5每MPa。 (3) 再施作超前长锚杆, 锚杆采用D22-D32螺纹钢筋, 施作长锚杆长度为5.5m, 搭接长度2.0m。

(3) 保证手段:在施工过程中, 采用水平测斜仪经常性地测量管棚在钻进过程中的偏斜度, 及时发现偏斜值超出设计要求的施工误差, 及时纠偏。

(4) 后续工作:在开挖洞室的过程中, 要辅以D22系统锚杆。系统锚杆间距为80cm, 沿小管棚和超前长锚杆的间隙布置。

3.2 隧道施工过程及质量控制

(1) 首先, 根据作业面的情况安设受力钢拱架, 并标示小管棚和超前长锚的孔口位置, 打设孔口管, 受力钢拱架采用I25a制成, 在隧道施工前, 先打设小管棚和超前长锚杆。 (2) 从大跨度隧道平面来分, 化成五个范围进行施工, 先四周后中间进行开挖。采用台阶法施工, 设临时支撑, 按环形次序开挖, 每级台阶长度为6m。每次开挖长度控制在1.0m, 开挖的同时应及时施作初期临时支护和临时支撑并快速封闭。 (3) 分布槽基坑采用网、锚、喷混凝土联合支护、逐层开挖, 逐层支护。 (4) 初期支护拱顶与岩层间因混凝土收缩形成的空隙及时用预留的注浆管高压注浆后, 用闸阀关闭注浆管, 待固结后进行切除, 防止产生空隙造成后期路面下沉。 (5) 在隧道推进的同时要进行洞室内二次模筑衬砌的跟进施工。顶、底板模筑混凝土结构在以上承力结构达到强度后进行, 顶、底板模筑混凝土时, 先绑扎钢筋, 再拆除临时支撑。为防止产生过大的地面下沉, 每次模筑长度限制在4.5m以内。在此过程中, 严密进行监控量测, 及时分析监测数据, 一旦出现不稳定信息, 要迅速增强支护, 并调整修改后续施工设计, 同时注意各先后浇筑衬砌间钢筋接驳器的设置。

3.3 施工现场的监控量测

在大跨度隧道施工过程中实地沉降观测点的布置及沉降曲线见图5。

测量的主要方法有: (1) 现场目测观察; (2) 净空水平收敛量测: (3) 洞外地表沉降监测; (4) 围岩沉降量测; (5) 结构内力量测等。

在整个施工过程中, 现场监控量测工作要严格实施, 随时反馈信息, 及时调整施工工序和进度, 修正支护参数, 确保施工安全。一旦出现变位异常或支护参数不足等现象, 应立即停止开挖作业, 及时采取封闭开挖面、加固等措施。现场应配备一定数量的临时支撑以便于及时加固。实际效果, 路面最大沉降为7.8mm, 平均值为5.0mm, 均未超过规范要求的30mm, 充分体现了监控测量在隧道施工中的重要作用。

4 结语

(1) 工程施工的初期支护是永久性的除了保持作业面的稳定之外, 它还承受了整个隧道初期荷载的20%~30%, 既节省了支护材料, 支护效果也获得了更好的保证。 (2) 为了发挥围岩自身的承载能力, 初期支护要紧贴岩层, 将初期支护紧贴岩层与之形成整体, 共同抵抗岩层的变形失稳。 (3) 监控量测是隧道施工过程中至关重要的一项工作。通过对监控量测反馈信息的分析可以及时调整支护参数, 对周围岩层的沉降变形量做到严格的掌控。通过监测信息反馈, 掌握二次衬砌最佳时机, 避免初期支护与周围岩层因松弛变形造成失稳。全隧道在个施工过程中未发生沉降事故, 保证了安全施工。 (4) 要使隧道施工能顺利进行要特别注意设计人员与施工人员和监测人员互通情况, 及时采取分析工程中出现的异常, 采取适当的措施, 把设计论证和施工实践紧密结合, 才能保证“穹顶大跨度隧道暗挖”工程的顺利实施。

摘要：本文就广东省深圳市某洞库工程施工, 在群洞中大跨度隧道施工采用的技术和方法以及工序进行综述, 对隧道施工的技术和方法作一个总结和综述, 指导施工实践。

关键词：群洞,穹顶,大跨度隧道施工,技术