論水利工程隧洞塌方的處理方法
2012-12-31 00:00:00黃榮旺
【摘 要】隧洞塌方有塌方體厚度范圍大的塌方和不足以將隧洞堵塞的小塌方，嚴(yán)重塌方和輕微塌方都會對人員及公共財產(chǎn)的損失造成不同程度的影響。我們處理任何一種塌方都不能掉以輕心，都要謹慎對待，并根據(jù)塌方的具體實際情況而采取合理的塌方處理方法。
【關(guān)鍵詞】隧洞塌方；原則；依據(jù)；方案
1.水利工程隧洞塌方的原因
1.1信息出入
目前沒有可靠的預(yù)防處理技術(shù)應(yīng)對軟弱破碎帶地層等不良地質(zhì)，使得完工的隧洞不能承受足夠的承載力以及可能出現(xiàn)的山巖壓力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，引起塌方。
1.2成本控制
項目成本控制不同于簡單、獨立的施工管理，是對一個或多個工程建設(shè)項目的前期投資、中期建設(shè)、后期使用功能以及資金、工程進度、質(zhì)量等多種因素所進行的綜合的、宏觀的協(xié)調(diào)和監(jiān)控的過程。目前，工程建設(shè)項目的成本控制主要分為對施工前期的成本預(yù)測，施工過程的成本管理以及工程完工后的成本總核算三個部分。在水利工程設(shè)計時，沒有重視一些附屬的非主要的隧洞洞室，為了控制工程成本投入，而一味地設(shè)計過短的洞軸線，甚至常把洞軸線選在埡口最低處，這樣隨著隧洞施工的不斷深入，洞口處開挖的深度和洞臉仰坡的高度就會越來越大，造成塌方發(fā)生。
1.3地質(zhì)因素
水利建設(shè)由于其地質(zhì)條件的復(fù)雜性、水底環(huán)境的多變性、巖土體情況的不確定性和工程的隱蔽性等原因，使得巖土工程處理的對象極其復(fù)雜，這使得工程設(shè)計方案在施工過程中需要不斷根據(jù)具體情況及時進行變更。原來水利工程的信息主要來自于工程現(xiàn)場，這造成了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性、人為性及滯后性，再加上頁巖本身的薄度和強度都較低，節(jié)理有裂隙，容易形成大的塌方冒頂。節(jié)理夾層風(fēng)蝕下逐漸被軟化形變，圍巖受力環(huán)境遭破壞而致坍塌。
1.4施工方法不當(dāng)
主要表現(xiàn)為：在開挖、襯砌過程中，設(shè)置支護結(jié)構(gòu)和支撐構(gòu)件時出現(xiàn)了支護支撐強度過低或支撐的位置不當(dāng)?shù)冗@些不符合實際的情況，不得不拆除支護和支撐結(jié)構(gòu)而引起塌方。雖然成本控制的理念已經(jīng)深入到了許多施工單位的文件中，由于可以對成本控制中收集到的數(shù)據(jù)進行全面分析的配套的軟件開發(fā)相對不足，所以導(dǎo)致了許多成本控制信息即使收集到位，也無法更加便捷地輸出可使用的形式。其應(yīng)用還處于初期。
2.隧洞塌方的預(yù)防工作
2.1工程建設(shè)前做好項目評估工作
工程施工前，請相關(guān)部門進行施工可行性研究，得出項目的施工概率預(yù)算報告，控制好項目的管理進程和科學(xué)成本，合理配置資源。嚴(yán)謹、慎重地對建設(shè)項目的可行性進行研究，力求決策準(zhǔn)確，真實，避免在決策項目建設(shè)時出現(xiàn)失誤，在此基礎(chǔ)上，可以保證建設(shè)投資的效益能夠提高。
2.2在隧洞施工中要準(zhǔn)備好施工所需要的材料和工具
開挖隧洞時遵循“弱爆破、短進尺、勤支護”的原則，加強支撐支護，合理安排開挖進度和襯砌進度，搞好施工排水，這些措施對預(yù)防隧洞塌方起到重要作用。
2.3抓好工程設(shè)計，控制成本預(yù)算
項目建設(shè)的過程中，成本的控制很重要，包括在工程項目的投資決策和設(shè)計等環(huán)節(jié)，都要做好成本預(yù)算。施工單位要求聘請專業(yè)的項目可行性分析公司，對項目的投資回收進行分析。這包括施工項目的進程設(shè)計，以及資金投入的時間、數(shù)量設(shè)計等，才能更有效地控制建筑工程造價，避免超標(biāo)，功能過剩。
3.隧洞塌方處理
3.1塌方處理原則
所謂“小塌清、先支后清”，就是指當(dāng)隧洞塌方量不大時，將塌方的頂部支護牢固，確保洞頂不會掉塊砸傷施工人員的情況下，將塌料全部清除的處理方法。所謂“大塌穿，先棚后穿”，就是指當(dāng)隧洞塌方量很大又難以清除，對塌穴形狀和大小無法查明時，可將塌方體看作松散破碎的巖層處理，先將塌方部位的兩端用超前預(yù)灌漿大管棚、鋼支撐聯(lián)合支護的方法支頂牢固，最后通過對棚頂?shù)臉?gòu)建來防止其坍塌。
3.2塌方處理依據(jù)
對塌方的正確認知，是處理塌方的前提條件。普氏平衡拱力理論為塌方的處理提供了一個理論依據(jù)。前蘇聯(lián)學(xué)者普洛托雅克諾夫提出了一個理論：從松散介質(zhì)中開挖隧道，隧道上方會形成一個高度為h=b/fk的拋物線的平衡拱。式中：b為平衡拱的跨度的1/2，m；fk是巖石堅固性系數(shù)，巖石fk=R/10，R為巖石的抗壓極限強度（MPa），取值時需考慮到巖體裂隙及節(jié)理的影響。
若隧道側(cè)壁穩(wěn)定時，平衡拱寬度就是開挖寬度，這時b=bt。
若隧道側(cè)壁不穩(wěn)定時，平衡拱寬度為：
b=bt+Ht·tg（45°-φ/2）
式中：Ht為隧道凈高，m；bt為隧道凈寬的1/2，m。
通過上述普氏平衡拱力理論分析自然拱的穩(wěn)定性，確定塌方穩(wěn)定后，方可對塌方進行處理。
3.3處理方案
目前國內(nèi)對處理隧洞塌方體通常采用管棚法、盾構(gòu)法和臺階法三種方案。
（1）管棚法：將隧道圍巖內(nèi)破碎和不穩(wěn)定的部位用鋼架結(jié)構(gòu)來加固，這個鋼架多用鋼管及波形鋼板組成的牢固鋼架結(jié)構(gòu)，支護著隧洞，這樣可以保證隧洞開挖工作在較為安全的工作環(huán)境下順利進展。
（2）盾構(gòu)法：在隧洞地中將盾構(gòu)機械逐漸推進，通過盾構(gòu)機械的外殼和管片支承圍巖來防止隧洞坍塌，同時用切削裝置開挖土體，并用出土機械將土體運出洞外，千斤頂在后部頂進，并預(yù)制混凝土襯砌管片，形成隧道結(jié)構(gòu)。
（3）臺階法：在開挖隧洞塌方體分成上半部分和下半部分兩次開挖，先開挖上半部分后開挖下半部分，也可先開挖下半部分后開挖上半部分。
4.工程實例
云縣沙壩河水庫輸水隧洞的巖石成分主要是頁巖、片麻巖并夾雜灰?guī)r，屬于Ⅳ及Ⅴ類巖石，節(jié)理裂隙的走向與洞軸線平行。洞形斷面結(jié)構(gòu)的平衡拱的圓弧半徑2.3m，洞墻壁的高度1.8m，洞口寬度1.5m，洞內(nèi)雙層鋼筋混凝土的襯砌厚度為40cm。
塌方情況： 0+60-0+90（無壓段）段在施工開挖過程中產(chǎn)生嚴(yán)重塌方。坍塌松散體主要是碎片石渣，中間夾雜灰?guī)r大孤石。經(jīng)準(zhǔn)確測量，該隧洞軸線長度約30m，塌方松散體與掌子面夾角60°，拱頂以上寬度15m，拱頂以上高度18m。
塌方原因：
（1）坍塌段的節(jié)理裂隙發(fā)育。
（2）圍巖成份是破碎且為極不穩(wěn)定的Ⅴ類。
（3）開挖不容易成洞，易坍塌。
（4）地下水源豐富。
完工方案：建設(shè)單位對該段塌方采用的是管棚法加雙液灌漿處理方案。在塌方處理過程中，先將塌方的松散體固結(jié)，同時將塌方松散體的頂部及邊墻部位支撐固定，及時有效地預(yù)防再次產(chǎn)生塌方。施工工序流程圖見圖1。
塌方處理：
設(shè)計單位從隧洞的長期運行安全考慮，做了各方面的加強輔助工作：①加強了該段混凝土襯砌厚度、鋼筋等；②因該段塌方高度較大，在洞頂上方山體容易形成空洞，影響隧洞的長期運行安全，設(shè)計單位從洞外用水泥砂漿、泥漿的混合液或泥漿進行灌漿填堵空洞；③該段混凝土襯砌時在邊墻上預(yù)先埋上排水管，地下水可以通過排水管排出，這樣減少水對管棚及鋼筋的銹蝕。該遂洞塌方經(jīng)采取以上塌方處理方案，經(jīng)過30d處理完畢，并獲得了預(yù)期的效果。經(jīng)過近1a的觀測，該段隧洞圍巖結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，位移及變形在規(guī)范要求時，已襯砌的混凝土部分未產(chǎn)生裂縫。
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