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软弱围岩浅埋隧道开挖支护施工关键技术

2021-04-01许兆勇

工程建设与设计 2021年4期
关键词:钢架钻机围岩

许兆勇

(中交第四航务工程局有限公司,广州510290)

1 工程概况

228 国道苍南龙沙至岱岭段工程,沿线共建设3 个分离式双向双洞隧道,单洞总长约4 100m。各隧道的地质条件各异,围岩等级不尽相同,分别为Ⅱ级、Ⅳ级和Ⅴ级。考虑到施工现场V 级围岩的特殊性,拟通过预留核心土的方法组织开挖作业。同时,城门隧道和岱岭隧道洞口处还应设计超前大管棚支护,设计的具体位置为隧道进出口明暗交界处。设计时需要用到的材料有φ108mm×6mm 热扎无缝钢管、丝扣长度≥15cm的厚套筒等。其中,前者的规格为节长2m、3m、6m,后者的规格为114mm×6mm,且纵向搭接长度≥3m。

2 水文地质概况

2.1 自然地理条件

隧道建设区域属丘陵地貌,沿线地形存在较明显的起伏,植被茂密。山体起伏较大,高程在64.96~81.76m,相对高差约168m。地表水较发育,集中在洞身K22+330 周边,属山润溪流,自西向东在K22+330 附近折向南从丘陵流向平原,枯水季节,流量较小;丰水季节,溪水流量较大。

2.2 地质构造及地震

现场地质构造单元较为复杂,为华南褶皱系浙东南褶皱带之温州—临海拗陷的温州—泰顺断拗之上,区域大断裂主要有2 条:温州—镇海大断裂和松阳—平阳大断裂。据地质调查隧道区断裂构造不发育。

2.3 水文地质条件及评价

从含水组地层岩性、水动力性质等角度展开分析,可将隧址区的地下水分为2 类:(1)松散岩类孔隙水,集中在丘陵山体表部以及局部坡麓地带,该部分地下水的覆盖岩性以含碎石粉质黏土、含黏性土碎石居多,厚度不均,富水性差,通过大气降水和基岩裂隙水2 种途径实现雨水的补给,基于此特点,地下水存在较明显的时段性,雨季迅速向低洼处排泄或补给。(2)基岩裂隙水,以风化带网状裂隙水为主,集中于丘陵深部。风化带网状裂隙水的富水性由岩性、地形地貌、风化程度与风化带厚度及植被发育程度等因素决定,一般含水性、透水性较差。隧道区水文地质条件较简单,水量总体较为贫乏,隧道开挖有可能出现滴水或淋雨状出水的现象,瓦窑岗隧道单洞涌水量424.03m3/d。

2.4 工程地质条件

隧址区为丘陵地貌,覆盖层厚度较薄,以残坡积的含碎石粉质黏土为主。下伏基岩的岩质坚硬,绝大部分为白垩系下统朝川组含角砾凝灰岩。

3 围岩变形预测

3.1 无支护下围岩变形预测

考虑无支护的施工工况,利用模型展开计算与分析,以确定具体位移变形量。结果表明,缺乏支护措施时,围岩变形现象明显,具有不收敛以及持续变形的特征,加之内外部因素的共同作用,存在隧道坍塌的风险。

3.2 仅有初期支护下围岩变形预测

初期支护用shell 单元模拟喷层支护、cable 单元模拟锚杆,型钢钢架经折算后由等效混凝土模拟。初期支护为C25 喷射混凝土且厚28cm;φ22mm 砂浆锚杆,长4.5m,间距lm×lm;H175 型钢,间距60cm。未设置超前支护。

经计算可知,拱顶超前变形量为68mm,期间所产生的总量为226mm,占比约37.1%。结合现阶段的行业规范,对于大跨度、特大跨度隧道而言,施工过程中Ⅴ级围岩的拱顶下沉量应稳定在200~300mm,同时,须保证超前变形量在该值的20%~30%。经对比分析后发现,围岩超前变形量超过该标准,为解决此问题,须辅以超前支护措施。

3.3 超前支护下围岩变形预测

在前述所提初期支护条件的基础上进一步采取超前支护措施,以最大限度地控制超前变形量。材料方面主要有φ108mm×6mm 热扎无缝钢管、丝扣长度≥15cm 的厚套筒。再次展开计算与分析,得知拱顶超前变形量为42mm,相比于全变形量(198mm)占比为21.2%,满足要求。

3.4 变形控制对策

以开挖和支护2 个环节为立足点,分别对围岩的变形采取控制措施。开挖环节采取三台阶七步开挖法,尽可能地阻止围岩荷载的释放;支护环节以大管棚超前支护为主要手段,以免出现大范围的超前变形现象。在隧道开挖期间按如下流程完成各项工作:

第1 步,上部弧形导坑开挖:以拱部超前支护工作落实到位且无质量问题为前提,环向开挖上部弧形导坑,开挖施工期间预留核心土,长3~5m,宽度宜为隧道开挖宽度的1/3~1/2。以初期支护钢架间距为参考,合理控制开挖循环进尺,不宜超过1.5m,经开挖作业后组织混凝土初喷施工,厚度控制在3~5cm。对于上台阶的开挖,要求其矢跨比>0.3,且在开挖后组织喷、锚、网系统支护作业,利用加工成型的构件架设钢架,于拱脚以上30cm 的位置设锁脚锚杆(下倾角30°),经焊接后与钢架稳定连接,再复喷混凝土,直至其满足设计厚度要求为止。

第2 步、第3 步,左右侧中台阶开挖:以初期支护钢架间距为参考合理控制开挖进尺,不宜超过1.5m,高度3~3.5m。在左右侧台阶开挖时要求其错开量达到2~3m,初喷混凝土厚度3~5cm,在完成喷、锚、网系统支护作业后对既有钢架采取接长处理措施,于拱脚以上30cm 的位置设锁脚锚杆(下倾角30°),经焊接后与钢架稳定连接,再复喷混凝土,直至其满足设计厚度要求为止。

第4 步、第5 步,左右侧下台阶开挖:开挖内容与第2 步、第3 步一致,不再赘述。

第6 步,上中下台阶预留核心土:经台阶开挖后,若无质量问题则及时设置仰拱初期支护,分段长度4~6m。

第7 步,隧底开挖:加强对各循环开挖进尺的控制,以2~3m 为宜,经开挖后若无误则设置仰拱,分段长度宜为4~6m。

4 大管棚施工

大管棚结构体系中,基础材料包含φ108mm×6mm 热扎无缝钢管,套筒(要求其丝扣长度≥15cm)等。其中前者规格为节长2、3、6m,后者的规格为114mm×6mm,且纵向搭接长度≥3m。管棚的前后两端分别设置15cm 的锥头和10mm 的加强箍。根据施工要求,管棚结构组成包含无孔钢管和有孔花管2 类。

4.1 搭设钻孔平台钻机

考虑到钻机施工的安全性和便捷性要求,组织明洞拱部土质的开挖时,采取环形开挖的方式,预留的核心土高度为暗洞开挖外轮廓线以下1.0m。将核心土作为钻机基本平台,通过脚手架的搭设完成钻机高度的调整。钻孔从拱顶开始向两侧同时作业,逐渐从高位孔转向低位孔,从而使核心土平台高度也相应降低。

平台所在的地基应具有稳定性与平整性,加强脚手架的连接,以免在钻机运行期间出现不均匀下沉、偏位等质量问题。

4.2 钻机

直径为φ127mm 的钻头能够大大提高钢管的安装效率。当岩质较好时,施工人员可以一次成孔。若钻机运行期间存在塌孔、卡钻等异常状况,需随即补浆,再恢复至正常钻进状态。

钻机运行初期阶段维持低速低压,待成孔达到10cm 后,综合考虑钻机运行稳定性以及现场地质条件合理调整。钻进施工期间利用斜测仪检测,及时掌握钻机的位置,以便调整偏差。同时,施工人员可根据钻机钻进的状态评估孔的质量。若钻进施工期间钻机发生故障,需由技术人员展开分析,探明成因后再采取针对性的处理措施。钻孔施工遵循先高后低的原则,按照先奇数孔、后偶数孔的顺序依次钻进。钻进期间产生的各项数据均要得到完整的记录,作为质量分析的依据,给洞身开挖提供引导[1]。

4.3 清孔验孔

孔口的清理可通过地质岩芯钻杆及钻头反复进行,在确保孔径、孔深符合要求的情况下确保孔内畅通,不会出现堵孔情况。孔内的钻渣则可以通过高压风从孔底向孔口清理。钻孔的检查通过全站仪、测斜仪等工具进行,检查的内同包括孔深、外插角以及倾角等[2]。

4.4 安装管棚钢管和注浆

施工人员对丝扣进行加工,并钻设和布置注浆孔,接着进行棚管顶进施工。

1)压浆前做好准备工作,例如,清理孔道、湿润孔壁。冲洗完成后利用不含油的压缩空气对孔内积水进行处理。

2)压浆使用BW-250/50 型注浆泵。压浆的实际压力达到设计要求后持续稳压注浆20min 以上。

3)注浆施工选择的是水灰比为1∶1 的水泥浆,初压0.5~1MPa,后续逐步增加,终压2.0MPa。

4)注浆结束后,施工人员及时关闭现场的设施,并对管内的浆液进行清理,向钢管内注入M30 水泥砂浆,在其固结后可提高管棚的刚度和强度。

5 结语

综上所述,浅埋软弱围岩隧道的施工环境复杂,施工期间易产生诸多安全隐患,轻则影响施工质量,重则诱发安全事故,造成不可估量的损失。因此,理解并正确应用相关施工技术很有必要。本文以软弱围岩浅埋隧道的施工条件为立足点,重点对其开挖支护施工关键技术展开探讨,希望能为同类型施工提供经验上的借鉴和理论上的支持。

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