隧道穿越堆积体结合大型水库的处理技术

2011-11-06张刚吴秋良

重庆建筑 2011年11期

关键词：拱架底板锚杆

张刚,吴秋良

（重庆建工集团股份有限公司总承包公司重庆 401122）

1 工程概况

1.1 工程地理位置及水文地质环境

本工程为重庆市轨道交通六号线二期工程礼嘉-金山寺区间隧道的施工通道,根据市政规划、施工用地等条件综合考虑选址于一大型水库边,从一松散堆积体下方穿行至区间正线,如图1所示。

图1 区间隧道施工通道地理位置图

拟建区原始地貌宏观上属构造剥蚀浅丘地貌,局部地势低洼处形成地表水汇聚地水库或鱼塘。后因建筑活动在原低洼地段堆积弃土,土层高约20m,自然堆积,堆土时间距今约两年,基本无自稳能力。紧邻松散体为一鱼塘并联通大型水库,水库蓄水量达50万方。通道主要穿过侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层,过松散体段洞顶原状第四系全新残坡积粘性土(Q4el+dl)层厚度在0～4m,上方其余均为松散填土最深处达22m,如图2所示。洞身拱角下位于强风化砂岩与砂质泥岩夹层中,裂隙较发育,呈块状结构,厚层状构造,节理基本水平,为弱Ⅴ级围岩。

该段紧邻大型水库,地勘预计涌水量33.0L/min·10m,施工期间由于爆破等原因可能加大原有裂隙,导致基岩裂隙贯通,成为输水通道,使水库积水涌入隧道,且因堆积处原为大型鱼塘,存在大量积水及淤泥。

1.2 断面及线性设计

通道最大纵向坡率为13.3%,转弯半径58m,净宽6.0m,净高5.5m,直墙拱断面,中间设两个错车道,第一个错车道位于松散体下方,长度为20m,净宽9.0m。

1.3 施工风险

施工通道施工风险主要来自大型松散堆积体及水库。

（1）松散体为自然堆积未经压实处理,自稳能力差不易形成自然平衡拱,初期支护需要承受较大垂直和侧压荷载,易发生坍塌、初支局部受力过大造成变形失稳等事故。

（2）隧道紧邻水库,裂隙较发育,节理基本水平,且砂岩透水性强,加之施工扰动加大透水通道,易发生涌水、坍塌、初支失稳等事故。

（3）堆积体处原为低洼鱼塘区域,存在大量积水及淤泥,加之隧道拱顶覆土较薄且地下水与松散体一结合易发生冒顶、涌水事故,造成群死群伤。

（4）局部存在偏压情况,隧道易发生侧移、扭曲等事故。

因此,建设主动配电网是应对配电网大规模分布式电源接入的一种尝试。根据GIGRE C6.11工作组的工作报告,主动配电网可定义为:可以综合控制分布式能源(分布式电源、柔性、负载和储能)的配电网,可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理。分布式能源在其合理的监管环境和接入准则的基础上对系统承担一定的支撑作用。从本质上说,主动配电网是利用先进的信息、通信以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管理,能够自主协调控制间歇式新能源与储能装置等分布式电源单元,积极消纳可再生能源并确保网络的安全经济运行[10]。

因此本隧道虽为一施工通道,其施工难度不亚于主体工程,施工方案的选择不仅要考虑开挖、支护过程中围岩的稳定，也要考虑隧道支护完成后的安全稳定。

2 方案比选

2.1 方案一

地表注浆加固,加强松散体自稳能力,靠水库侧帷幕注浆止水。

Φ108大管棚超前支护。

H195*195格栅拱架柔性支护体系,中空注浆系统锚杆,普通锁脚,双向双层钢筋网,喷射C25混凝土300mm。

2.2 方案二

采用双层超前小导管兼作固结地层及超前支护用,并将支护范围从传统拱部延伸至边墙,形成拱墙地层固结超前支护圈,保证在开挖过程中拱部及边墙的稳定。第一层以15°角施作主要起超前支护和固结地层作用,第二层以45°角打入,在起到扩大固结地层范围作用的同时起到初支形成后系统支护作用,超前小导管间距及规格如图3示意,梅花形布置,如此在进行隧道开挖时拱墙已形成4m以上的岩层自稳封闭加强环,保证隧道开挖安全。

图3 双层超前小导管支护示意图

开挖初支完成后进行底板混凝土浇筑前采用3.5m长钢花管进行底板加固注浆,防止底板隆起、涌水以及形成封闭岩层加固环并起到抗扭、抗侧移作用。

超前注浆及底板加固注浆均采用水泥、水玻璃双液浆,加固的同时起到堵水作用,考虑隧道初支形成后两侧水压会出现不一致情况,因此岩层注浆加强环堵水的目的在于最大限度降低涌水量,对局部渗水预埋滤管排出减少水压对初支的压力。

2.3 方案比较

方案一的优点：经过地表注浆固结松散体及帷幕注浆封水处理后,与普通隧道施工相近,大大降低了施工风险。缺点：因松散体范围、方量较大,造成浆体扩散速度快、范围广；同时,帷幕注浆封水范围较长,注浆量巨大、耗时长,成本高；采用大管棚超前支护因隧道半径小且净空受限,施作困难。

方案二的优点:注浆量相对较少且易控制,小导管施工比大管棚较容易,型钢拱架刚性支护增强了初支承载能力,成本较低、工期较合理。缺点:施工安全风险稍大。

2.4 方案选择

从安全、工期、成本、技术综合分析考虑,最后决定本施工通道采用方案二施工。

3 施工要点

3.1 边坡处理

进洞前对洞口上方的松散体按1∶1.5放坡开挖,并进行小导管注浆、网喷支护处理边坡,在坡脚设置重力式片石混凝土挡墙,在挡墙与洞门前设置2m宽缓冲平台；硬化反坡边坡周边场地并施工截排水沟、积水井,防止因雨水汇集过多渗入松散体增加地下水压力；开挖时应自上而下有序进行,并保持边坡的稳定,保证弃土、弃渣不导致边坡附加变形或破坏现象发生[1]。一次开挖高度控制在2m以内,并及时初喷混凝土并施作小导管、钢筋网等。

3.2 超前支护

超前小导管采用外径Φ50mm,壁厚4mm的热轧无缝钢管加工制成,导管长6m,前端加工成锥形,尾部焊接Φ6mm钢筋加劲箍,管壁四周每15cm钻4排Φ6mm注浆孔,小导管沿拱架外侧打入岩体,在导管头部双面满焊锚固板（10cmx10cmx1cm）使其与I20b工字钢拱架连接。导管采用钻孔施工,钻孔孔径控制在80mm以上,孔眼深度应大于导管长度,清孔、验孔后,采用锤击或钻机顶入,其顶入长度不小于管长的90%[2]。导管尾部置于钢架上,并与钢架焊接。纵向两环小导管的搭接长度不小于1.0m。间隔一孔或几孔由下至上注浆,注浆压力0.5～1.0MPa,采用水泥—水玻璃双液浆,水泥浆水灰比为1.25∶1～0.5∶1,水玻璃模数以2.4～2.8为宜,水玻璃浓度使用范围为30～45波美度,水泥、水玻璃浆体积比为1∶1～1∶0.3,初凝时间可用不同配合比和少量磷酸氢二钠来控制。

3.3 隧道开挖

根据地质特点及线路设计,本段洞身处于坡积粘性土(Q4el+dl)及强风化砂质泥岩中,若采用单一钻爆开挖,单位用药量大,振动加强易增加裂隙发育,加大涌水量增加施工风险；若采用单一机械开挖或静态爆破,虽对围岩扰动降到最低,但速度缓慢且造价高；因此采用人工、机械开挖并配合钻爆的开挖方式。先对坡积粘性土(Q4el+dl)进行人工机械开挖,待形成临空面后进行钻眼松动光面爆破,但用药量控制在0.4kg/m3,开挖进尺控制在1m左右为宜,以减少对地层的扰动。

3.4 拱架质量控制

型钢拱架的加工与安装质量为控制成败的关键之一。对拱架弯制、焊接、连接板及螺栓孔位的精度等要严格控制,实行试拼验收保证加工质量；安装时对拱架的垂直度、左右间距、连接板是否密贴、螺栓扭矩等是否达标,拱架基础是否坚实等为安装控制要点[3]。另外保证拱架及初期支护质量的重中之重在于锁脚锚杆,锁脚锚杆采用长大锚杆,增强初支与岩层加强环连接,使其整体受力,锁脚锚杆采用Φ32药卷锚杆,长5m,并将锚杆头部做成弯钩与型钢拱架密贴双面满焊。

3.5 底板结构施工

底板注浆固结在拱墙初支完成后底板混凝土浇筑前完成,采用外径Φ50mm,壁厚4mm的热轧无缝钢管加工制成,导管长3.5m,前端加工成锥形,尾部焊接Φ6mm钢筋加劲箍,管壁四周每15cm钻4排Φ6mm注浆孔,成孔与注浆与超前小导管相同,注浆时浆液从底板岩层裂隙溢出时停止注浆,注浆导管1m间距梅花形布置,注浆位置与掌子面保持10m左右,既不影响开挖与初支作业,又能快速形成岩层注浆加固环,在增强岩层自稳能力的同时有效防止底板涌水,防止地下水侵蚀软化造成底板隆起及拱角收敛超标和初支失稳等事故。然后进行底板钢筋绑扎（Φ12@150X150双层）、C30p8混凝土浇筑形成初支封闭环。在隧道两侧设置排水沟,每隔30m设置集水井。在初支及底板完成后,因水库渗水与隧道地下水贯通造成隧道局部范围水压过大,出现不规则渗漏,对此严禁采用堵水方式,宜采用打孔埋设透水盲管引水集中排入排水沟内,以减少水压对初支的荷载。

4 施工监测

4.1 监测措施

因松散体有自然沉降和滑移的可能,单一依靠地表沉降及洞内常规观测数据不能准确判定松散体的稳定性,因此不仅要作隧道拱顶沉降、收敛、地表沉降、围岩内部位移和锚杆轴力监测,还应增加对松散体土体位移的监测,通过数据综合分析判定松散体的稳定情况,以便及时采取补救措施。土体围岩监测采用在隧道开挖范围外5m左右侧、纵向间距10m利用地质钻机打孔埋设测斜管进行松散体的滑移监测。如图4所示。