大断面富水煤系地层公路隧道开挖施工技术

张金光

1 工程背景

1.1 工程简述

二广(二连浩特—广州)高速公路是国家高速公路网的一部分,大崛坑2号隧道位于二广高速公路怀集—三水段,设计为分离式双向六车道隧道,隧道右线长292 m(左线445 m),设计最大开挖净宽为16.57 m,最大开挖净高为11.47 m,最大开挖断面积为152.3 m2。

1.2 地质及水文地质

隧道区位于梅仔坑复式背斜的核部南西翼,总体呈一单斜构造,受北东向吴川—四会深大断裂带的影响,区内断裂构造极其发育,裂隙以层面裂隙和垂直层面的陡倾裂隙构造节理为主。断裂破碎带(F4)分布于隧道出口处,结构松散,岩体破碎,稳定性差;进出口属于第四纪残坡积土及全～强风化粉砂岩、片岩、炭质页岩夹煤层,洞身为强风化粉砂岩、片岩夹薄层煤层,裂隙发育,较破碎,以Ⅴ级围岩为主。

2 施工方法的选择与确定

基于两次掌子面塌方的经验教训,同时根据隧道煤系地层产状特点:与隧道成大角度相交,倾角为 65°,其最不稳定部位是在掌子面,因此所选择的施工方法应尽量减小掌子面的高度。考虑采用的方法有:双侧壁导坑法(在侧壁导坑内再分上下台阶)、三台阶预留核心土法、CRD法等。

3 三台阶上弧形导坑法施工技术

3.1 三台阶上弧形导坑法洞身开挖基本原则及步序

1)基本原则。根据现场施工经验教训,在“管超前,严注浆,弱爆破,短进尺,早封闭,勤量测”的十八字原则基础上,再增加以下几条:预判准,短台阶,大拱脚,交错挖,强锁脚,紧衬砌。

2)开挖步序。a.分3个台阶八部(步)开挖:先开挖上台阶弧形导坑;然后开挖核心土,为施工上台阶提供通道;再进行中下台阶开挖。b.前后支护紧密结合——开挖前的超前支护(辅助施工)和边挖边初期支护。c.二衬紧跟——先仰拱和回填,后墙拱。

3.2 三台阶上弧形导坑法施作要点

1)台阶分部。考虑到掌子面稳定,同时也考虑到有利于拱部初期支护受力,上台阶取3.5 m,中台阶取3.1 m,下台阶取2.66 m,仰拱开挖高度为2.21 m。

2)核心土。a.从实际施工情况看,上台阶核心土长度可取3 m～4 m;核心土顶面为弧形,与拱部开挖轮廓线对应,核心土左右脚部离开挖轮廓线2 m～3 m;距拱顶高度可取1.4 m～1.8 m,在稳定性极差时取小值。核心土长度最短取3 m,在确保稳定的同时,也是为超前小导管提供工作平台,太短则小导管角度易打大,角度太大则不能有效起到超前支护的作用。b.在中台阶施工时不留核心土,直接落底(至中台阶)。c.下台阶可留部分核心土,做成斜坡,两侧拉槽开挖。主要是为满足道路放坡需要,确保车辆行驶安全。

3)短台阶。a.从保证核心土的作用考虑,上台阶长度最短不宜小于5 m,一般取5 m～8 m;上台阶也不宜过长,过长则会发生较大变形。b.根据现场施工经验,中台阶的施工长度可取7 m～10 m,不宜超过10 m。c.下台阶长度以满足施工空间需要即可,但不宜大于15 m,据此三台阶上弧形导坑法的仰拱封闭距离可控制在30 m左右。

4)台阶错台。对于三台阶上弧形导坑法,在中、下层开挖时,每层均左右错开进行,同层间错开至少3 m,以避免上层初期支护两脚同时悬空。

5)大拱脚。为确保开挖中(下)台阶时,上(中)台阶拱脚稳定,中(下)台阶两侧拱脚处预留土体顶宽不宜小于3 m,其坡度可取1∶0.3～1∶0.5。大拱脚是确保上层初期支护拱脚稳定的关键。

6)短进尺。一次开挖进尺可按“123”施作:a.上台阶一次进尺不应大于“1榀”拱架距离。b.中台阶一次进尺不应大于上台阶一次进尺的 2倍,即“2榀”拱架距离。c.下台阶一次进尺不得超过“3榀”。d.掌子面距离最近一榀拱架的距离不得超过 30 cm。

7)锁脚锚杆(管)与拱脚垫块。a.上中下台阶在拱架架立完成后均必须打设锁脚锚杆,每个拱脚不少于两根。b.锁脚锚杆采用3.5 m长φ 22药卷锚杆或φ 42 mm小导管,并与拱架焊接牢固。锁脚锚杆的施作质量是施工控制的关键。c.拱脚处应清除虚渣,直接落于坚实的基底上,或采用混凝土垫块垫于拱脚下,避免拱脚悬空。

8)早封闭。煤系地层在开挖后,掌子面易失稳,因此开挖后迅速支护(封闭掌子面)对施工安全有重要意义,从施工情况看,开挖后前一两个小时是关键:a.初喷混凝土工序移至出渣前进行,先喷后出渣。b.在立架完成后,先喷后锚。

9)仰拱及二衬紧跟。仰拱封闭距离决定了弧形导坑净空位移趋于稳定的距离,因此及时封闭仰拱对于控制大断面净空位移及稳定有关键性意义。现场施工组织围绕这一关键,紧凑工序衔接,尽可能缩短仰拱封闭距离。根据现场施作经验,仰拱封闭距离30 m～45 m可以确保安全。二衬紧跟仰拱填充施工。

10)超前支护。超前支护采用φ 42 mm注浆小导管,环向布设范围为106°,共41根,环向间距为40 cm,在围岩极破碎地段其间距加密为30 cm。

11)初期支护。a.超挖处必须回填密实,不得留有空洞。b加强施工组织,紧凑工序衔接,在开挖后必须在最短的时间内支护和封闭,以避免开挖面暴露时间过长而失稳。

12)做好排水。a.在初支喷射混凝土与围岩间安设Ω形弹簧排水管,在初喷3 cm～5 cm后设置,每5 m一道。b.由于围岩渗水量较大,在两侧设置引水沟,引水沟应距离初期支护不小于1 m。

4 其他施工措施

4.1 瓦斯地段施工措施

虽然设计中有“隧道区未探测出瓦斯等有害气体的存在”的说明,但为确保施工安全,在施工中采用了人工现场监测的方法,并加强安全保证措施及做好各种施工预案。

4.2 超前地质预判

采用TSP作长期预报,采用地质雷达作短期预报;利用风钻打超前探孔作为施工过程中最直接的预报。

4.3 监控量测

在隧道施工中,任何围岩变化尤其是有不稳定趋势时都会通过量测数据反映出来,具体量测项目与方法不再赘述。

5 结语

大崛坑2号隧道采用三台阶上弧形导坑法安全、按期完成了洞身开挖,施工主要体会如下:1)在地质雷达的基础上,采用风钻打超前探孔最直接的探明了前方3 m～5 m围岩的情况,做到了“预判准”,为确定相应施工措施提供了依据。2)采用三台阶上弧形导坑法的开挖方式,需坚持“管超前,严注浆,弱爆破,短进尺,早封闭,勤量测”的十八字原则。3)该施工方法有效性体现在:a.开挖方式有效的降低了开挖面的高度,稳定了掌子面。b.短进尺,减少了对围岩的扰动、加快了封闭时间,同时也为提高工效创造了条件。c.短台阶、大拱脚及加强锁脚的施工方法减少了对围岩的扰动,同时也避免了两侧拱脚同时悬空,保证了结构稳定及施工安全。4)隧道洞身开挖在采用三台阶上弧形导坑法后,未再出现过塌方,确保了施工安全。施工实践证明,在大断面、富水煤系地层中尤其是掌子面易失稳的情况下,三台阶上弧形导坑法是一种适宜的施工方法,该法能有效的稳定开挖面,确保施工安全;同时与双侧壁导坑法、CRD法等相比,其技术经济效益也是显而易见的。

[1] JTJ 042-94,公路隧道施工技术规范[S].

[2] 周爱国,唐朝晖,方勇刚,等.隧道工程现场施工技术[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 任文胜.隧道塌方原因分析及处理方案研究[J].山西建筑,2008,34(9):345-346.