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基于监测技术的软弱围岩茜坑隧洞设计施工原则

2012-03-29黄志怀

东北水利水电 2012年1期
关键词:进尺隧洞围岩

李 东,黄志怀

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611)

茜坑隧洞全长322 m,设计为有压自流隧洞,水压差14.5~19.0 m,设计断面为城门洞型,断面尺寸为2.5 m×2.7 m,采用新奥法施工。茜坑隧洞围岩为花岗岩,围岩稳定性差,极易塌方。隧洞全段均为不良地质条件。下面根据工程建设需要,针对软弱围岩隧洞工程不良地质条件下的新奥法施工,给出了软弱围岩隧洞的设计和施工原则。

1 软弱围岩隧洞设计原则

软弱围岩茜坑隧洞洞体开挖卸荷后变形量大,空间效应与时间效应均较明显,围岩结构复杂,地层含水量大,设计工作必须根据监测结果采用动态设计的原则,根据围岩变形规律确定开挖方式、开挖程序、开挖进尺、一次支护参数、永久衬砌参数和时机。为此应采用如下设计原则:

1)根据初设阶段提供的地质条件、沿线的地层岩性、结构设计特点和运行要求,进行专门的施工期和运行期的安全监测设计,定期适时开展监测工作,并根据地质条件变化,及时调整监测项目和监测布置。

2)现场设计代表应根据监测结果,及时调整隧洞的开挖进尺,调整一次支护参数。

3)根据监测数据需要对设计做出重大调整时,应进行现场试验或理论计算进行验证。

4)现场设计应与施工、地质、监测有机配合,做到调整及时有效。

5)为了信息处理及时,监测单位应向设计、施工、监理、地质、建设单位监测报告,以监控指标为标准,发现异常时,及时进行预测预报,设计及时做出相应的对策。

6)施工地质和监测应进行跟踪工作,必要时应做超前预测预报。

2 软弱围岩隧洞施工原则

2.1 关于隧洞开挖的安全规定

1)尽可能采用非爆破方法开挖,主要目的是不扰动围岩,保护围岩固有的自稳能力。

2)短进尺,就茜坑隧洞而言,隧洞开挖循环进尺不得大于1.5 m,变形特大的洞段不得大于0.5 m,循环进尺按设计要求及时调整。

3)采用分步开挖方式,先开挖上导洞,上导洞领先下导洞3~5 m,下导洞每循环进尺与上导洞相同。

4)下导洞开挖分左右两侧进行,一侧领先另一侧1~2个循环,目的为减缓变形速率,防止变形突然释放。

5)开挖时,变形释放量应控制在30%以内。

6)地下水发育的部位,需要采用导水封闭控制措施。

7)严格控制开挖轮廓尺寸,每开挖一个循环后立即进行测量,绘制开挖图和地质素描图。

2.2 关于一次支护

1)一次支护必须在开挖后立即施作,开挖一个循环支护一个循环,支护没完成之前,不得进行下个循环开挖。

2)一次支护施工的程序是:安装超前小导管开挖→安装格栅拱架→第一次喷射混凝土→布置钢筋网、绑扎连接筋→第二次喷射混凝土→视需要滞后1~2个循环,第三次喷射混凝土。

3)一次支护完成后,在设计的观测断面安装监测仪器,并立即开展监测工作,监测仪器安装位置与掌子面距离不大于1.0 m。

4)格栅拱架的间距应和开挖进尺一致,上导洞格栅拱架安装后,以锁脚锚干固定,系统锚干或超前导管应与格栅拱架焊接,下导洞格栅拱架应在底板开挖控制线以下0.5 m设置0.5 m×0.5 m的混凝土基座,基座混凝土强度等级为C20。

5)一次支护的格栅拱架、钢筋网、喷混凝土、连接筋、系统锚杆、锁脚锚杆、超前导管必须按工程质量检查标准进行质量控制。

6)依据监测结果,设计单位应及时调整一次支护的相关参数。

7)根据变形监测结果,确定是否需要进行二次临时支护,并确定其方案和支护参数。

2.3 关于永久衬砌时间的确定

按永久性水工建筑物结构受力最小的原则,隧洞的永久衬砌应该在围岩变形全部释放后施作较为合理。实际上GB50087-2001[1]《锚干喷射混凝土支护技术规范》与SL279-2002[2]《水工隧洞设计规范》均有相应的规定,例如GB50087-2001第5.3.5条规定:

1)隧洞周边水平收敛速度小于0.2 mm/d;拱顶或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d。

2)隧洞周边水平收敛速度,以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降。

3)隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

SL279-2002第6.6.4条也规定:采取了支护或加固措施的围岩,根据其稳定状况,可不计或少计围岩压力。

在一些软岩隧洞工程中,永久衬砌施作时间也是按上述原则确定的,为了防止衬砌过多地承担剩余的变形压力,规定隧洞周边径向位移速率小于0.1 mm/d,断面周边位移达到总位移量的90%,在必须同时满足上述两条件下,开始永久混凝土衬砌。

对于具有大变形和流变效应明显的软岩而言,要达到上述标准需要较长时间,一次支护需要较大刚度,否则会发生围岩失稳,甚至发生较大塌方。在这种隧洞施工过程中,发生较大塌方的主要原因除没有采用信息化设计与施工外,永久衬砌选择的时间不甚合适,也是原因之一。

在茜坑隧洞,根据监测结果分析,当距开挖面2.5倍洞径时,围岩的“空间效应”变形基本完成,超过2.5倍开挖洞径后,围岩变形主要来源于“时间效应”,2.5倍洞径以后的剩余变形大小,主要取决于围岩的流变特性。

对于Ⅳ类围岩而言,岩体变形的时间效应较小,时间效应曲线衰减也较快,20 d后围岩变形速率已小于0.1 mm/d,并已接近稳定状态,在此之后围岩剩余变形一般小于1.0 mm,所做的混凝土衬砌承受的围岩变形压力一般小于20 kPa。

对于全风化类围岩,虽然其流变效应较大,开挖至3倍洞径之后,尽管空间效应引起的变形已经完成,仍有一定的时间效应引起的变形,由于一次支护较强的约束,30 d内围岩变形速率小于0.1 mm/d。所以,对于流变效应较大的围岩,采用刚度较大的格栅拱架喷混凝土支护限制时效变形是必要的。否则,仍需要采用早衬砌措施提供抗力来限制这种变形,避免造成大的危害。

一般地讲,一次支护和二次混凝土衬砌之间仍有一定的径向接触压力,对于流变效应较大的围岩,一次支护在工程初期发挥了重要的作用,二次混凝土衬砌对隧洞的长期稳定性也起到必不可少的作用。

3 结语

1)根据初设阶段提供的地质条件、沿线的地层岩性、结构设计特点和运行要求,进行专门的施工期和运行期的安全监测设计,定期适时开展监测工作,并根据地质条件变化,及时调整监测项目和监测布置。

2)为了确保隧洞施工安全,防止围岩失稳,杜绝塌方事故,应严格执行“短进尺、勤监测、快支护”的原则。

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