浅谈复合式衬砌支护在隧道工程中的应用

2010-08-15赵建秋段海松

科技传播 2010年14期

关键词：风化围岩隧道

赵建秋，段海松

中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201

浅谈复合式衬砌支护在隧道工程中的应用

赵建秋，段海松

中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201

隧道工程在施工过程中的风险性非常大，如果发生事故将会导致非常严重的后果，造成重大的损失，所以采取合理的支护方式对隧道工程进行支护，对隧道的安全直观重要。

隧道；支护；安全

1 概述

近年来，随着我国高等级公路的发展，公路隧道的建设规模越来越大。到2001年底，全国公路通车总里程为169.8万km，居世界第4位。据普查结果，全国共有公路隧道1 781处，计710 km，其中，特长隧道达l8处，计66 km。这些隧道在降低交通事故发生率、缩短行程、提高车速、保护环境诸方面都发挥了积极作用，取得了良好的社会经济效益。但是，我们还必须清醒地认识到，同国外一些经济发达国家(尤其是北欧和日本)相比，我国在公路隧道支护方面还存在着较大的差距。随着我过经济建设的快速发展，各种基础设施也在以前所未有的速度建设着，为了改善多山地区的经济常常需要修筑铁路、公路，这样不可避免的会穿越大山，由此隧道工程也应运而生了。众所周知，隧道施工风险非常大，如果对隧道工程的加固处理不当，极易引发恶性事故，对此，多数隧道施工单位都得到了隧道施工安全的教训，深感隧道施工安全控制责任之重，在隧道施工初期就对隧道工程的不良地质条件作出合理评价，并结合以往的工程经验对隧道提出合理的支护措施。隧道围岩压力主要由围岩本身的结构自承力，超前支护加固层、初期支护层、最后是仰拱和二衬围成的拱圈所承载。隧道支护设计是通过计算围岩压力确定支护参数的，但施工中往往会出现：一方面钻爆控制不好，破坏了岩层，致使围岩结构承载能力降低；另—方面超前支护、初期支护施工少放锚杆、钢筋、钢架等材料，施工不规范，降低了支护的强度。最终导致支护不足以承载上部围岩压力时，引发隧道塌方事故。

2 工程概况及不良地质条件

2.1 工程概况

某隧道工程场址地貌单元属闽东南沿海低山丘陵——滨海平原区。隧址区陆域为风化剥蚀型微丘地貌，两岸地势开阔平坦，主要为残丘——红土台地，丘顶高程25～40m，丘体多呈椭圆体，坡度和缓。丘间洼地高程一般6～16m，沟、塘较多。滨海局部为全新世冲海积阶地，地面高程一般3～6m，略向海边倾斜。海岸带为海蚀海岸及堆积海滩地貌，岸线曲折，岸坡以土质陡坎为主，坎高8～21m，部分地段坎底基岩裸露。五通岸多为侵蚀海岸，海滩多礁石，西滨岸为堆积海岸，海滩宽阔，滩面被浮泥覆盖，被辟为海产养殖场。隧址区海域约4.5km，五通侧水下岸坡稍陡，一般水深21m，最深处26m，海底起伏，多有礁石分布；西滨侧水下岸坡平缓，一般水深15m，海底平坦，渐升至出露。地质调绘和钻探揭示，勘察场区地层主要为第四系覆盖层及燕山期侵入岩两大类。

2.2 不良地质条件

1）水土流失及岸坡坍塌：场区不良地质现象主要是海岸坍塌及红土台地水土流失现象，对本隧道工程的影响不大。

2）砂土液化和软土震陷：场区范围内普遍沉积了全新世松散砂土及海积软土，软土层最厚处可达11m左右；海底饱和中细砂及软土在Ⅶ度地震力作用下可产生液化或震陷现象，但这两类土体对暗挖隧道无影响。两岸丘间洼地局部发育全新世软土（淤泥质亚粘土或泥炭质土），在路堑开挖或路基填土工程中，容易引起变形破坏。

3）深厚全-强风化层及风化槽：场区五通岸陆地南半部、西滨岸陆地及西滨侧潮间带基岩全～强风化带厚度较大；在海域几条构造破碎带处全-强风化带异常深厚，而形成风化深槽。此类全-强风化岩体强度低、自稳能力差，在极端地质条件下，存在发生渗透破坏的可能，其中全、强风化二长岩脉因高岭土矿物含量较高，具弱膨胀潜势，其它全、强风化岩不具膨胀性，但不排除局部段因高岭土矿物含量较高而具弱膨胀潜势。

4）岩体的放射性：经孔内及岩石样本的测试并参照国家标准《建筑材料放射性核素限量》GB6566-2001进行评价，钻孔和岩石样本的测试数据均未超过福建省厦门地区γ辐射照射量率（43.45-217nGy/h），可以初步判定，测试井附近的天然放射性核素在工程规定的限量范围内。

5）岩爆：地应力原位测试在CZK3孔附近进行，地应力测试方法为水压致裂法，根据该钻孔的钻孔岩芯情况，在该钻孔共选择了10个测段进行测试，成功获得8个测段的压裂资料。成果分析表明：隧道洞深最大水平主应力约为3.0MPa，方位为N30W～N45W，即NNW向，属于低应力区（不足抗压强度的1/20）。从应力角度对该隧道洞身段进行岩爆预测分析认为该隧道在施工期无岩爆现象发生。

3 复合衬砌支护的选择

3.1 复合式衬砌初期支护

对于Ⅳ～Ⅴ级围岩段由钢拱架、径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成；对于Ⅰ～Ⅲ级围岩段则由径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成。

由于主洞开挖断面大，而工字钢具有支护作用发挥快，能够与喷射混凝土层和围岩共同形成承载结构的特点。对于岩体自稳能力差的软弱围岩地段设置钢支撑能够立即控制围岩的继续松弛和变形，对隧道开挖后的洞体稳定有重要意义，因此主洞Ⅳ～Ⅴ级围岩段采用工字钢钢拱架。对于服务隧道，由于其开挖断面相对较小，而钢筋格栅钢架具有加工容易，安装方便，材料相对节省，且能够与喷射混凝土紧密结合的优点，有利于控制喷射混凝土的裂缝。因此服务隧道初期支护钢支撑均采用钢筋格栅钢架。

每榀工字钢或格栅钢架之间用Φ23的钢筋连接，并与径向锚杆及钢筋网焊为一体，与围岩密贴形成承载结构。

3.2 复合式衬砌二次衬砌

对于海底隧道，在Ⅴ、Ⅳ级围岩地段，二次衬砌是主要承载结构，由于岩体风化严重，节理发育、自稳时间较短，二次衬砌按承担上部土压力覆土荷载和地下水静水压力计算，对于主洞，二次衬砌都需采用钢筋混凝土结构；对于服务隧道，由于结构断面相对较圆顺，Ⅴ级围岩地段二次衬砌采用钢筋混凝土结构，Ⅳ级围岩地段二次衬砌采用素混凝土结构即可。

对于Ⅰ～Ⅲ级深埋围岩地段虽然基本位于海域，地下水静水压力较大，但该段岩体比较稳定，岩石的抗压强度较高，围岩自身形成的承载拱的承载能力较大。同时由于围岩的弹性抗力较高，在一定程度上缓解了地下水压力对衬砌结构的不利影响，根据计算均采用素混凝土结构。

按照新奥法设计原理，在隧道施工过程中必须注意初期支护的变形与稳定监测，根据监测数据合理确定二次衬砌的施作时间，及时调整支护强度，尽可能发挥围岩和初期支护的承载能力。

衬砌完成后对隧道工程及相应的相应的结构进行监测，通过对监测结果的分析发现，该隧道工程的变形在允许范围内，说明该复合衬砌方式在该隧道工程中的应用是成功的。