陡倾结构面切割条件下小净距隧道安全施工工艺

2021-07-28郝永明

科技创新导报 2021年3期

郝永明

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-0275

摘要：本文总结了小净距隧道在不同陡倾结构面的角度及陡倾结构面的组合下的位移和应力特点，根据这些特点提出了采取在中间岩体注浆和进行预应力锚杆施工等措施能够有效提高围岩的承载能力，提出通过对围岩塑性区、变形量以及应力集中程度进行预测来对围岩的穩定性进行监测、控制，并根据围岩的控制原则从开挖方式、加固方式、爆破选择等角度提出了对围岩稳定性的控制技术。

关键词：小净距隧道围岩承载能力加固控制原则

中图分类号：TU744 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（c）-0011-03

The Safe Construction Technology of Small Clear Distance Tunnel Under the Condition of Cutting Steep Structural Surface

HAO Yongming1，2

（1. China Communication Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 100027 China; 2. China Communication South Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 100027 China）

Abstract： This paper summarizes the characteristics of displacement and stress of small clear distance tunnel under different angles and combinations of steep-dip structural planes， According to these characteristics， it is suggested that grouting in the middle rock mass and construction of prestressed anchor bolt can effectively improve the bearing capacity of surrounding rock， The stability of surrounding rock is monitored and controlled by predicting the plastic zone， deformation and stress concentration of surrounding rock， and according to the control principle of surrounding rock， the control technology of surrounding rock stability is put forward from the angles of excavation method， reinforcement method and blasting choice.

Key Words： Small clear distance tunnel; The surrounding rock; Carrying capacity; Reinforcement; Control principle

小净距隧道施工中不同的施工方式、净距等都会对结构的稳定性产生重大影响，而不同角度组合的陡倾结构面、不同开挖间距、不同净距以及不同开挖方式所产生的位移和应力都有所不同。本文基于研究不同条件下的小净距隧道的位移和应力特点，总结出一套小净距隧道安全施工工艺。

1 小净距隧道的位移和应力特点

不同角度组合的陡倾结构面、不同开挖间距、不同净距以及不同开挖方式下小净距隧道的位移和应力存在以下特点。

（1）小净距隧道中不同陡倾结构面的角度及陡倾结构面的组合对隧道施工中产生的位移、应力、塑性区会产生不同程度的影响。当结构面大于75度后，隧道施工中产生的位移、应力以及塑性区都会随着角度的增大而降低。

（2）陡倾结构面存在的条件下，小净距隧道施工过程中，掌子面的距离应该选取较大值，范围为10～25 m，特别是需要爆破的情况下，掌子面间的施工距离应该设置得大，以免对陡倾结构面产生较大的影响。

（3）隧道之间净距小于D时，中间岩体随着净距的减小而逐渐出现应力集中现象，产生的塑性区也会慢慢贯通，因此，在较小的施工净距下，因采取措施对中心岩体采用加固等方式进行处理[1]。

（4）在陡倾结构面存在的条件下，小净距隧道施工众多方法中应首先考虑采取多台阶的施工方法，该施工方法可以有效地减少隧道施工中对围岩的扰动程度。

基于以上的分析，对小净距隧道安全施工工艺进行了研究，从中间岩体的保护、围岩控制、支护结构、施工工序等方面给出施工工艺方法。

2 中间岩体的加固方式

（1）中间岩体注浆预加固。

隧道小净距的施工过程中，由于围岩中存在结构面[2]，由于围岩比较破碎，隧道中间岩体较其他区域的厚度值更小，故易在隧洞施工的过程中对中间岩体产生较大的影响，甚至导致破坏，在设计过程中采取在中间岩体进行注浆预加固，或在中间岩体中增加预应力锚杆等措施可以有效降低施工的破坏影响。在施工过程中宜选取使用超前小导管进行注浆预加固操作，通过在中间岩体中增加预应力锚杆以及注浆预加固等措施可以有效的增加岩体的承载力进而提高中间岩体的整体承载力[3]。宜采用Φ42厚5mm的无缝钢管进行超前小导管的加工，并且上端密封完整，沿着钢管距离20cm进行打孔，孔的直径选择6mm，可以让水泥浆有效的经所打的孔进行岩层，从而包围超前小导管进而形成一个完整的整体，该措施可以有效提高围岩的自身稳定能力。超前小导管的长度选择为3.5m，注浆的搭接长度为1.0m，以40cm为一个间隔沿着隧道断面进行放置，钻孔的角度应选择在10°～15°之间。注浆液的选择水泥浆，水泥则选择使用超细品种的水泥，在整个注浆的过程中应使注浆的压力值保持在1MPa左右的范围内。在进行后行洞的施工过程中也需要对整个开挖面采取注浆进行加固的措施。

（2）中间岩体预应力锚杆施工。

在先行洞已经施工10m以后，便可在中间岩体采用预应力锚杆进行加固，锚杆的放置应该根据图纸所标注的位置先测量定点，然后钻孔打入锚杆，锚杆的选用采取Φ28螺纹钢进行加工制成，加工长度的选择应根据相关的岩体厚度、衬支厚度、工作长度进行计算得出，最终选择锚杆的长度为6.24m。锚杆的安装应一次性在先行洞完成，并且安装过程中应采取包裹保护等措施保护锚杆的打入端，该措施可以有效保护锚杆的丝口在后行洞的施工时不被破坏，有利于后开挖段的施工。所选砂浆应在锚杆安装完成后的规定时间以内达成所需的强度，根据图纸相关规定，应在24h内达到设计强度的25%。在砂浆强度满足规定后，可以在先行洞中的锚杆段进行垫板的装配，并对螺丝帽进行拧固操作以满足相关的设计要求。后行洞开挖完成以后，应该及时处理锚杆头部被包裹的地方，并增加应力满足相关规定。采取锚杆加固强化中间岩体以后，可以同时增加围岩的约束能力也可以增加其极限强度值。

（3）中间岩体施工监控量测。

在进行小净距隧道施工过程中因为围岩自身的稳定性以及支护结构上的受力较多而杂，因而必须定时进行受力的监测，定期使用水准仪测量按10m间隔距离进行拱顶沉降的监控，前15d应每天测量一次，15～30d中间应间隔2d测量一次，1～3个月每周测一次。周边收敛采用收敛计测，测量周期的选择与拱顶沉降时选择的周期一致。在采用水准仪进行地表沉降的测量中，应每天于先行洞和后行洞开挖面小于2倍洞宽时测量一次，少于5倍隧道宽度时应每隔2d进行一次测量，多于5倍隧洞宽度时每周进行一次测量，在于对围岩的应力应变进行定期测量监控，如整个观测期以内支护结构都处于稳定情况，即可进行下一步的施工操作。

应实时对测量所得数据进行测量效果图的制作，并与设计断面进行比对，当位移-时间曲线处于平稳时，则可以进行二衬的施工;如若位移-时间曲线出现拐点，表明支护结构并不安全，此时应增加对于支护结构的监控次数，并及时调整支护结构参数，如果不能保证施工中的安全，应及时停止施工。经过对沉降的监测，对中间岩体实施预注浆加固以及施加预应力措施，就能使施工安全进行。

3 围岩的控制

由前面分析可知，小净距隧道中间岩体处存在明显的应力场和位移场叠加，双洞间塑性区贯通也较为严重，因此在设计和施工时应对中间岩体有足够的保护措施，从而确保施工安全。

（1）小净距隧道围岩稳定性控制原则。

隧道开挖使得原本处于平衡状态的岩土体受到扰动，通过围岩变形和应力转移寻求新的平衡状态，对于小净距隧道，这一过程尤为漫长。通常情况下小净距隧道双洞施工进程因场地和设备限制而不同步，先行洞的施工对围岩形成一次扰动，后行洞在开挖时对双洞之间的中间岩体形成二次扰动，此时先行洞的支护-围岩平衡状态也被打破，因此，在后行洞施工过程中应减小围岩扰动，同时通过对先行洞的实时监控量测及时对支护进行加强，防止围岩失稳。根据隧道设计要求，隧道围岩变形标准是确定的，这就决定了隧道的容许变形量是确定的，因而通过采取施加支护和加固等方法可以有效对围岩产生的变形进行控制，进而也实现了维持围岩的稳定性[4]。

首先进行隧道围岩稳定性判别，根据本文提出的方法对围岩塑性区、变形量以及应力集中程度进行预测，并采用工程类比法或理论分析等手段确定以上3个评价指标的控制标准，并依次对三者进行评价，只要有一项不满足安全规定即视为围岩无法保持时刻平稳，这时就需要对围岩进行一定的施工措施来维持其稳定性，时刻监察围岩变形大小以及监控围岩的受力情况，采用信息技术等高速通信方式施工，可以有效增加隧道施工中的安全度[5]。

（2）小净距隧道围岩稳定性控制技术

首先，秉承新奥法的设计理念，应使得围岩自身稳定性可以有效表现出。根据以往大量的施工经验可以得出，采用分布开挖的方法能够使围岩的自承能力有效发挥，通过保留核心土的方法使其发挥出自身稳定性，在开挖过程中也能保持围岩的稳定性，不会发生一挖即塌的现象[6]，从而为支护结构的施作争取时间，当隧道支护结构封闭成环后围岩变形得到一定程度的释放，因此支护结构有了有效的支撑，其在隧道施工过程中能够有效的发挥作用，保证了施工的安全。再者，从小净距隧道围岩稳定性特点来看，应加强中间岩体的加固措施。由于小净距隧道中间岩体在施工过程中受到多次扰动，因此其力学行为相当复杂，当隧道穿越软弱破碎围岩时必须采用必要的加固措施[7]。常用的加固方式有注浆加固、管棚、小导管以及锚杆等，通过这些方式加固可提高中间岩体的强度、刚度和稳定性，可以有效保证施工安全、效率的进行。由文献可知，通过加固措施可使得隧道周围塑性区和弹性区交替分布，而弹性区可视为承载圈而存在，这相当于在隧道周边人工制造了一个具有一定承载能力的承载拱，对于浅埋隧道尤为有效。此外，当采用钻爆法对小净距隧道施工时爆破方式的合理选择也会对施工过程产生比较大的影响。炮眼的布置、装药量的多少等都对爆破振动有着重要影响，而爆破振动不可避免地对隧道围产生较大扰动，因此需要对爆破振动对于中间岩体的扰动情况进行预测，从而合理地选择技术参数。距离爆源最近的振动监测点各方向振速最大，监测点振速随掌子面距离逐渐减小[8]。总而言之，在开挖小净距隧道过程中应尽量减少中间岩体的扰动，同时合理开挖和支护是施工的关键[9]，如有必要，应采取对应的施工措施来加固中间岩体，维持其稳定性，从而实现小净距隧道围岩稳定性控制的目的，使隧道工程能够达到安全施工的要求，保证整个工程安全、可靠、有效率的完成。

4 结论

（1）本文通过研究小净距隧道不同角度组合的陡倾结构面、不同开挖间距、不同净距以及不同开挖方式所产生的位移和应力，从中间岩体的保护、围岩控制、支护结构、施工工序等方面给出施工工艺方法。

（2）提出通过对围岩塑性区、变形量以及应力集中程度进行预测来对围岩的稳定性进行监测、控制。

（3）从开挖方式、加固方式、爆破选择等角度提出了一套围岩稳定性控制技术。

参考文献

[1] 张兵.软弱围岩小净距隧道中夹岩柱关键施工技术[J].科技视界，2017（4）：244.

[2] 毛华荣.连拱隧道衬砌结构安全与施工方案合理性研究[D].杭州：浙江大学，2016.

[3] 常泳涛.大断面小净距隧道围岩-边坡稳定性分析[D].阜新：辽宁工程技术大学，2019.

[4] 陈佳.大断面小净距隧道中间岩柱加固方案研究[J].公路工程，2014，39（4）：202-206.

[5] 肖剑秋.公路偏压隧道量测与有限元模拟分析[J].铁道科学与工程学报，2011，8（1）：82-86.

[6] 李云，龚伦.山岭隧道信息化施工技术[J].科技创新导报，2009（21）：62-63.

[7] 張励.小净距隧道围岩稳定性控制技术研究[J].公路，2018，63（6）：346-350.