裝配式建筑工程知識(shí)分享：炭質(zhì)片巖地質(zhì)隧道施工變形控制

1 工程概況

新蜀河隧道全長8 989 m,是新建鐵路襄渝二線胡安段的重點(diǎn)控制工程。(參考《建筑中文網(wǎng)》)設(shè)計(jì)采用帶仰拱的曲墻復(fù)合式襯砌、除進(jìn)出口39 m為碎石道床外其余均鋪設(shè)彈性整體道床。整個(gè)隧道設(shè)2座斜井和1座橫洞,其中:漁王溝斜井長849. 64 m,險(xiǎn)灘溝斜井長992. 14 m,沙溝橫洞長263. 16 m。

隧道原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖6 780 m,Ⅳ級(jí)圍巖1 852 m,Ⅴ級(jí)圍巖357 m,變更設(shè)計(jì)后Ⅲ級(jí)圍巖2 621 m,Ⅳ級(jí)圍巖4 317 m,Ⅴ級(jí)圍巖2 051 m。地層巖性主要為石英云母片巖及云母石英片巖,呈互層狀,局部呈夾層狀,礦物成分主要為絹云母和石英等,片狀及塊狀構(gòu)造,變晶結(jié)構(gòu),巖層軟硬互層,片理發(fā)育,片理面具絲絹光澤,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,褶曲發(fā)育,片理產(chǎn)狀變化較大,巖體全風(fēng)化~弱風(fēng)化。

2 地質(zhì)特點(diǎn)

隧道洞身通過地層主要以志留系下統(tǒng)云母片巖為主,受區(qū)域構(gòu)造的影響,巖體中構(gòu)造和小褶曲發(fā)育,巖體受應(yīng)力和變質(zhì)作用的影響,使區(qū)域范圍產(chǎn)生大的褶曲構(gòu)造,而且使巖層自身形成了局部的褶曲、揉皺,造成產(chǎn)狀的多變。施工過程中洞身開始大量出現(xiàn)炭質(zhì)片巖地質(zhì)及部分零散段落。炭質(zhì)片巖巖體的抗剪強(qiáng)度低且對(duì)振動(dòng)影響很敏感,巖體扭曲、揉皺現(xiàn)象明顯,節(jié)理發(fā)育,巖體節(jié)理面光滑亮澤,往往夾雜有石英巖脈侵入體,并伴有地下水滲流。施工過程中出現(xiàn)了不同程度的初期支護(hù)變形、侵限、拆換和危及施工安全現(xiàn)象。

3 炭質(zhì)片巖特性和大變形特點(diǎn)分析

3.1 炭質(zhì)片巖特性

經(jīng)過近四年的現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析,新蜀河隧道炭質(zhì)片巖是一種具有沿片理面蠕滑、軟質(zhì)巖流變和構(gòu)造破碎綜合特性的特殊劣質(zhì)巖。炭質(zhì)片巖強(qiáng)度低、具有變形長時(shí)段發(fā)展的流變性質(zhì),在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用下,地層強(qiáng)烈扭曲揉皺,產(chǎn)生大量密集的節(jié)理和順層摩擦鏡面,巖體的整體性遭到嚴(yán)重破壞,由于富含炭質(zhì)滑膜的作用,巖體抗剪強(qiáng)度c值、內(nèi)摩擦角?值極低,是導(dǎo)致初期支護(hù)開裂、變形、侵限的基本地質(zhì)原因。

3.2 大變形特點(diǎn)分析

1)日變形量和累計(jì)變形量大:施工過程中圍巖日水平收斂達(dá)30 mm~50 mm,隨著隧道的掘進(jìn),變形也隨之加快,洞身開挖支護(hù)完成后,導(dǎo)致初期支護(hù)在很短時(shí)間內(nèi)變形侵限。2)蠕變加突變:開挖支護(hù)后,圍巖蠕變持續(xù)時(shí)間長,拆換侵限初期支護(hù)時(shí)易發(fā)生突變,造成圍巖失穩(wěn)坍塌。3)工序轉(zhuǎn)換易導(dǎo)致圍巖變形加劇:工序轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)圍巖變形收斂影響大,比如掌子面爆破,下臺(tái)階落底及仰拱開挖時(shí)圍巖均有明顯的變形加劇現(xiàn)象。

4 方案選擇

4.1 三臺(tái)階法施工

隧道上臺(tái)階開挖后,首先進(jìn)行圍巖封閉,接著進(jìn)行上臺(tái)階翻碴、打設(shè)錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、架立Ⅰ20鋼架和施作噴射混凝土,同時(shí)進(jìn)行中、下臺(tái)階出碴作業(yè)。出碴結(jié)束后即進(jìn)行施作中、下臺(tái)階的初期支護(hù),同時(shí)上臺(tái)階進(jìn)行打設(shè)超前小導(dǎo)管和隧道開挖工作。小導(dǎo)管采用?42無縫鋼管,長3. 5 m,循環(huán)長度2. 0 m,環(huán)向間距30 cm,外插角5°~10°。中部和下部施工時(shí),采用兩側(cè)錯(cuò)開開挖,縱向錯(cuò)開距離不小于2 m,單側(cè)開挖長度不大于1 m。

4.2 正臺(tái)階法施工

采用長臺(tái)階加臨時(shí)仰拱施工方案。正臺(tái)階增加臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20型鋼,并澆筑C20普通混凝土。先對(duì)掌子面進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換,進(jìn)行上臺(tái)階施工,掌子面初噴混凝土封閉,上臺(tái)階底部增設(shè)臨時(shí)仰拱,必要時(shí)預(yù)留核心土,下臺(tái)階分左右斷面錯(cuò)開,仰拱及二襯混凝土根據(jù)步長控制要求穿插進(jìn)行,及時(shí)跟進(jìn)。開挖采用弱爆破,上臺(tái)階出碴采用小型挖掘機(jī)、裝載機(jī)配合小型運(yùn)輸機(jī)械出碴,下臺(tái)階采用裝載機(jī)、挖掘機(jī)配合自卸汽車出碴。上臺(tái)階開挖高度5. 2 m,臺(tái)階長50 m。下臺(tái)階開挖高度4. 03 m,分左右斷面開挖,斷面錯(cuò)開3 m,仰拱開挖應(yīng)超前臨時(shí)仰拱拆除2 m。上臺(tái)階開挖循環(huán)進(jìn)尺1 m,下臺(tái)階左右斷面開挖循環(huán)進(jìn)尺均不超過1. 5 m,仰拱開挖循環(huán)進(jìn)尺不超過4 m。上臺(tái)階采用?42超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù);初期支護(hù)采用Ⅰ20型鋼拱架、?25中空錨桿,?8鋼筋網(wǎng)及C20噴射混凝土;臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20型鋼,并澆筑C20普通混凝土。

4.3 方案確定

根據(jù)炭質(zhì)片巖的變形特點(diǎn),三臺(tái)階法不能有效控制初期支護(hù)的變形,導(dǎo)致初支大量變形拆換,正臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱,在臨時(shí)仰拱的橫向支撐下,能有效的阻止圍巖的水平收斂,防止初支變形坍塌,確保了施工安全,加快了施工進(jìn)度。經(jīng)綜合考慮,最終確定采用正臺(tái)階加臨時(shí)仰拱的施工方法。

5 施工工藝

1)超前支護(hù):開挖前,采用?42超前小導(dǎo)管注漿對(duì)隧道拱部進(jìn)行超前支護(hù)。鋼管采用外徑42 mm,壁厚3. 5 mm,長3. 5 m熱軋無縫鋼管。循環(huán)長度2 m,環(huán)向間距30 cm,縱向搭接長度1 m,外插角5°~10°,全環(huán)36根。漿液采用水泥砂漿(加速凝劑),小導(dǎo)管與鋼拱架牢固焊接。

2)上臺(tái)階開挖:嚴(yán)格控制打眼深度及裝藥量,盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),根據(jù)圍巖變化情況調(diào)整爆破參數(shù)。

3)支護(hù)及施作臨時(shí)仰拱:上臺(tái)階開挖后,初期支護(hù)與臨時(shí)仰拱同步施作。臨時(shí)仰拱采用?22螺紋鋼縱向連接,間距100 cm。鋼架下設(shè)?8單層鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔間距20 cm×20 cm,并與型鋼點(diǎn)焊連接,現(xiàn)澆C20混凝土(加速凝劑),搗固密實(shí)。

4)下臺(tái)階開挖:采用兩側(cè)錯(cuò)開開挖,縱向錯(cuò)開距離不小于2 m,單側(cè)開挖長度不大于1 m。

5)下臺(tái)階支護(hù):下臺(tái)階開挖完成后,及時(shí)按設(shè)計(jì)施作初期支護(hù)。

6)仰拱施工:采用弱爆破開挖,棧橋跨越,每次施作4 m。

7)臨時(shí)仰拱拆除:采用人工風(fēng)鎬鑿除混凝土,氣割型鋼拱架,一次拆除長度4. 5 m。

8)防水板鋪設(shè):臨時(shí)仰拱拆除后,人工及時(shí)鋪設(shè)防水板,防水板焊接采用雙縫熱焊機(jī)焊接,單條焊縫寬度不小于1. 5 cm。

9)綁扎襯砌鋼筋:防水板鋪設(shè)完成后,及時(shí)綁扎襯砌鋼筋。10)澆筑混凝土:鋼筋綁扎完成后,模板臺(tái)車就位,混凝土采取罐車運(yùn)輸,混凝土輸送泵泵送入模,插入式振搗棒搗固密實(shí)。

6 采取的主要措施

1)加強(qiáng)支護(hù)措施。針對(duì)軟弱炭質(zhì)片巖變形特征及特點(diǎn),嚴(yán)格按照“強(qiáng)支護(hù)”的原則組織施工。初期支護(hù):采用?42超前小導(dǎo)管,環(huán)向間距30 cm,打設(shè)?22系統(tǒng)砂漿錨桿,長度3 m,間距1 m×1 m,掛設(shè)?6. 5×?8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔間距20 cm×20 cm,架立2榀/mⅠ20型鋼鋼架,噴射C25混凝土厚27 cm。

2)控制工序步長措施。優(yōu)化施工工藝,并對(duì)每個(gè)工序、工藝進(jìn)行監(jiān)控,確保工藝到位,嚴(yán)格控制工序步長,三臺(tái)階關(guān)鍵工序步長控制如下: a.上、中臺(tái)階長度在3 m~5 m,循環(huán)進(jìn)尺0. 8 m~1 m; b.仰拱施工一次不超過4 m,仰拱距離下臺(tái)階不超過8 m; c.二次襯砌距上臺(tái)階掌子面不大于50 m,仰拱緊跟下臺(tái)階等。

3)臨時(shí)加固措施。a.對(duì)變形控制采用?42的小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿加固,小導(dǎo)管長4 m、間距1 m×1 m梅花形布置。b.在軟弱圍巖段鋼拱架連接板處增加鎖腳錨桿,并對(duì)連接板處集中加固。c.正臺(tái)階施工,在起拱線部位增設(shè)臨時(shí)仰拱,臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20型鋼按照鋼拱架的間距設(shè)置,灌注25 cm厚C20混凝土。

4)釋放應(yīng)力措施。由于炭質(zhì)片巖特殊巖性的影響,圍巖變形量大易導(dǎo)致初期支護(hù)變形侵限,因此對(duì)大變形隧道的處理應(yīng)按照“先放后抗”的原則進(jìn)行,在臨時(shí)支護(hù)約束下盡量釋放變形,然后施作初期支護(hù),二襯及時(shí)緊跟。

5)控制爆破措施。開挖采用弱爆破和人工風(fēng)鎬配合修鑿,堅(jiān)持多打眼、少裝藥原則,盡量減少超挖,避免欠挖。

6)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),增加預(yù)留變形量,滿足施工需要。針對(duì)新蜀河隧道變形持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)變形量大的特點(diǎn),依據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析,增加了預(yù)留變形量,由設(shè)計(jì)的15 cm增加到45 cm。

7 炭質(zhì)片巖大變形隧道施工建議

1)強(qiáng)化工序組織、快速成環(huán),步序合理、工藝到位和采取的一系列措施對(duì)隧道變形具有抑制作用,以二襯施工控制開挖速度,是減少變形拆換的一個(gè)有效方法。

2)支護(hù)強(qiáng)度。炭質(zhì)片巖隧道圍巖變形非常嚴(yán)重,圍巖變形量大,致使隧道初期支護(hù)變形、開裂掉塊嚴(yán)重,侵占二襯空間,鋼架扭曲,甚至被剪斷。造成大量拆換,嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度。因此,炭質(zhì)片巖隧道施工地段應(yīng)加大鋼架型號(hào),提高噴射混凝土級(jí)別,抵抗圍巖變形。

3)以暴露時(shí)間控制工序步長、控制預(yù)留變形量的值。初期支護(hù)暴露時(shí)間越長時(shí),圍巖變形就越大,從控制圍巖變形角度來考慮,初期支護(hù)暴露時(shí)間越短越好,因此盡可能地縮短施工臺(tái)階,爭(zhēng)取早封閉、快成環(huán)。然后對(duì)初期支護(hù)暴露時(shí)間內(nèi)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,合理確定預(yù)留變形量數(shù)值。

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