新奥法施工中隧洞薄弱段动态反馈设计的应用

张玉浩,刘 越,徐 侃

(1.绍兴市河道综合整治投资开发有限公司,浙江 绍兴 312000;2.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

隧道位于地层之中,受到周围地质环境的强烈影响。在山体未被开挖之前,地质体处于初始应力状态,一旦地质体被开挖后,隧道周围岩石处于松弛应力状态,一般应进行支护,平衡围岩的应力,形成稳定的洞室结构体系。从隧洞形成过程分析,隧道洞室结构=围岩+支护结构。施工前期尽管进行了详细的地质勘察,但要完全掌握隧洞的地质条件,实际上是很困难的,也是不现实的。因此在施工过程中,如果原设计中有不适应变化了的地质条件,必须对预设计进行修改。隧洞开挖过程中,如何减少对围岩的扰动,保护围岩原来的稳定性,如何提高开挖后的围岩强度和稳定性就非常重要。特别是在新奥法施工过程中遇到软弱夹层、溶洞、断层、破碎带、流砂、涌水、严重风化层、软弱土层等,必须及时改变开挖方式,选择相应支护结构。

1 新奥法施工和动态反馈设计

1.1 新奥法施工方法

新奥法施工时采用现场监控、量测信息指导施工,即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的两侧为基准,对隧道施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整,以保证施工安全、坑道围岩稳定、施工质量和支护结构的经济性。新奥法隧洞开挖的基本原则为 “少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。”施工工艺流程见图1。

1.2 反馈式设计理论

现代隧洞施工前期,设计人员按照规范规程,依据施工之前地质资料,采用工程类比方法,通过力学分析而做出施工图设计即所谓预设计。在施工过程中,如果原设计中有不适应变化了的地质条件,必须对预设计进行修改。隧洞开挖过程中,如何减少对围岩的扰动,保护围岩原来的稳定性,如何提高开挖后的围岩强度和稳定性,就非常重要。动态反馈设计就是在施工过程中,不断根据地质变化随时对预设计进行修改,是根据多方反馈信息,在动态中做出的修改。

图1 隧洞新奥法施工工艺流程框图

动态反馈设计的依据是反馈的信息。其反馈的信息包括地质超前预报、监控量测数据、掌子面地质描述和实际发生的地质条件,通过分析所获取的这些信息,与预设计时的地质资料对比,得出地质变化状况,然后依据规范要求,经原设计部门做出修改,报经设计决策机构审定,由施工单位具体实施。在实施过程中,监理、监控、勘察等部门依据动态反馈设计方案,进行监理、监测,再次获得信息,反馈到设计、施工单位,如此反复循环,直至工程完工交付使用。

2 动态反馈设计在新奥法隧洞施工中的应用

2.1 工程概况

绍兴市某引水工程东西向横穿上虞市、绍兴县和越城区,至绍兴市区,再向北流入曹娥江,以改善绍兴市城区水环境,是一项兼顾城市景观及生态旅游等综合性工程,是绍兴市清水工程中的1项关键性工程。

工程主要建筑物有:进口河道、进口闸站、输水隧洞、连接箱涵、出口河道及下游配水节制闸等建筑物组成。整个引水工程从小舜江口至平水东江节制闸全程约26 km,其中输水隧洞全长约14.6 km。

2.2 工程区地质条件

工程区地处浙西北(扬子准地台)与浙东南 (华南褶皱系)两大地质构造单元的衔接带。江山—绍兴深断裂带斜贯工程区,其主断裂带于平水—富盛一带通过,受其影响,工程区地质构造复杂,断裂构造十分发育,以NE和NW向2组断裂系构成测区断裂构造的基本格局,尤以NE向断裂最为发育。

隧洞出口位于绍兴县平水镇中灶村附近,出口处山坡较为平缓,坡度一般为12～15°。由于征地和政策处理等原因,隧洞于性质较差的炭质灰岩段提前进洞,进洞段地形平缓,覆盖层为4～6 m,岩体厚度仅为6 m左右,工程地质条件差。

出口段地层岩性为:基岩:前震旦系陈蔡群 (Pt1-2ch)灰～青灰色黑云斜长变粒岩,局部岩石具蚀变现象。微风化岩石致密、坚硬。强风化带厚1.00～3.50 m,弱风化带厚3.00～5.00 m。

黑色炭质灰岩,性质差,软化系数为0.15～0.20,岩石单轴饱和抗压强度为13MPa,层理发育,层理厚度为5～15 cm,钻孔岩芯多崩解为扁饼状,强风化带厚1.10～2.50m,弱风化带厚2.00～3.10 m。分布于隧洞出口前端处。

覆盖层:第四系全新统残坡积层(el-dlQ4),含碎石粉质黏土,灰黄～黄褐色,可塑,厚度一般为2.00～6.50 m。

2.3 动态反馈设计的运用

由于进洞条件发生了较大变化,由地质部门进行了重勘,监测部门针对围岩变形情况进行监测,掌子面开挖后,监理部门反应上覆覆盖层顶部出现裂缝,根据各部门综合意见,设计方案突破常规提出动态反馈设计理念,与新奥法施工相呼应,采取一次支护+二次支护的工程措施,即边开挖、边支护,根据各部门反馈意见,及时调整支护方案,一次支护做强,使其具有部分永久支护的特性,二次支护减弱。这样,可根据开挖洞室的实际情况调整一次支护类型,同时部分洞段取消二次支护,这样可提高隧洞施工的安全性。

2.4 支护形式调整方案

一次支护采用形式:洞脸边坡设计轮廓线上30 cm左右布置1排Ф20超前锚杆,间距50 cm,L=4.5 m,外圈布置两排Ф 20锁口锚杆,L=4.5 m,间距80 cm,排距80 cm,梅花形布置。

洞顶平台布置Ф 20系统锚杆,L=3m,间距2 m,排距2 m,梅花形布置;隧洞进口10m范围内,采用超前锚杆施工方法,顶部150°范围布置 Ф 20超前锚杆,L=3.0 m,间距50 cm,排距120 cm,16号工字钢钢拱架每榀60 cm,和超前锚杆焊接,纵向Ф 16搭接钢筋@250,Ф 20系统锚杆,L=3 m,排距1 m;在隧洞进口10 m范围再往里段,超前锚杆的排距和钢拱架的间距,视实际岩石开挖的破碎程度可作适当调整。具体调整方案详见图2。

二次支护采用形式:C20钢筋混凝土衬砌,环向钢筋采用Ф22搭接钢筋@200,轴线方向钢筋采用Ф 12搭接钢筋@250。

图2 支护调整方案图

2.5 施工过程中动态反馈设计的应用

经过调整支护方案,结合监测单位围岩收敛值和应变值监测报告,在炭质灰岩段隧洞施工过程中取得了很好的效果。在桩号14+518 m位置受接触断层F1的影响,局部发生了小范围的坍塌,但由于支护调整及时,对工程未造成较大影响。同时,坍塌段根据动态反馈设计理念,相应调整了支护方案和爆破参数,在隧洞施工中取得了较好的效果。

3 结 语

围岩地质病害的特征多为突发性,对此,客观要求决策者迅速做出反应,尽快做出动态反馈设计,尤其是在新奥法施工的隧洞工程中,以便于施工单位采取应对措施,对其进行紧急治理。而动态反馈设计应根据地质超前预报和监控量测数据等信息,结合开挖暴露出的地质情况,对预设计进行修改、优化,确定合理的开挖方法、顺序,以及修改支护方法和调整参数,这对通过地质条件较复杂的隧洞段施工是大有裨益的。