新奧法在超深豎井施工中的應(yīng)用

宋旭亮,徐 矯

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京210098;2.中鐵隧道集團三處有限公司,廣東深圳518052)

0 引 言

New Austrian Tunnelling Method,縮寫為 NATM,國內(nèi)稱為新奧法。它不是一種施工方法也不是一種掘進方法,而是一個具體應(yīng)用巖體動態(tài)性質(zhì)的完整的力學(xué)概念[1]。新奧法采用薄層柔性支護以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的厚層剛性襯砌,最大限度的保護巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),防止圍巖松動和坍塌,具有明顯的多快好省的優(yōu)越性[2]。新奧法已在許多國家得到推廣,廣泛地應(yīng)用于公路、鐵路、水工隧洞、地鐵、豎井等地下工程,取得了良好的效果,其中應(yīng)用工程有埋深1 000 m的山嶺隧道,也有僅數(shù)米深的城市淺埋隧道。新奧法的廣泛應(yīng)用推動了隧道工程技術(shù)的快速發(fā)展,由于其經(jīng)濟效益明顯并且受到國內(nèi)外工程建設(shè)者的普遍重視,如今正是蓬勃發(fā)展階段,成為各國地下工程施工中普遍遵循的原理。

1 新奧法原理

1.1 新奧法基本內(nèi)容及特點

新奧法基本內(nèi)容概括來說就是:在充分考慮圍巖本身承載能力的條件下,因地制宜的做好地下洞室的開挖和支護。新奧法有三大支柱,分別是控制爆破、錨噴支護和監(jiān)控量測[3]。在工程設(shè)計與施工中,采取措施從而充分發(fā)揮圍巖的承載能力,才是問題的關(guān)鍵。支護只是手段,新奧法的目的是維護圍巖穩(wěn)定,它的主要特點有以下幾點:基本思想是充分利用圍巖的自身承載能力;基本理論依據(jù)是現(xiàn)代巖石力學(xué);基本手段是控制爆破(鉆孔爆破法開挖中的光面爆破和預(yù)裂爆破)和錨噴支護;基本方法是現(xiàn)場量測信息的反饋[4]。

1.2 與傳統(tǒng)隧洞方法的比較

洞室襯砌的傳統(tǒng)理論認為,洞室開挖后圍巖變形,最終會坍塌,支護和襯砌的作用就是要將洞室開挖后可能坍塌下來的巖石支撐起來,于是采用剛度很大的襯砌。但是剛性襯砌與巖體并不能緊密結(jié)合,襯砌支護只是一種“被動”的承受較大荷載的結(jié)構(gòu)物,該荷載與襯砌本身無關(guān),等于不設(shè)襯砌時可能坍塌下來的全部巖石重量。采用新奧法的錨噴支護就不同,噴層與圍巖緊密貼合,并且本身具有一定的柔性和變形特性,充分利用了圍巖的自承作用,使得圍巖在與錨噴支護共同變形的過程中取得自身的穩(wěn)定。錨噴支護不是“被動”承受松動壓力,而是與圍巖協(xié)調(diào)工作,承受變形壓力。這就是錨噴支護與一般剛性支護的根本差別。

2 工程概況

洞宮山特長隧道位于福建省南平市洞宮山風(fēng)景區(qū),左洞長6 541 m,右洞長6 532 m,整個隧道設(shè)置排風(fēng)、送風(fēng)超深豎井各一座。豎井位于隧道中部,地段圍巖條件較好,除鎖口段7 m為強風(fēng)化凝灰質(zhì)砂礫巖,豎井上部有17 m中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂礫巖,自穩(wěn)能力較差外,其余地段均為微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂礫巖,巖石較堅硬,圍巖自穩(wěn)能力強,其中圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。豎井布置在右洞軸線右側(cè),排風(fēng)豎井距右洞軸線26.2 m,井深145.34 m,凈空直徑6.2 m;送風(fēng)豎井距右洞軸線36.2 m,井深143.69 m,凈空直徑6.6 m。排風(fēng)、送風(fēng)豎井平面示意圖如圖1所示。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 送、排風(fēng)豎井平面布置圖

在超深通風(fēng)豎井施工過程中,如何有效地在巖層中鉆出直徑為6.2 m和6.6 m的豎井,如何及時地對圍巖進行支護而使其保持穩(wěn)定,以及如何在施工過程中對豎井支護結(jié)構(gòu)和周圍圍巖的變形特征進行監(jiān)測,是確保豎井施工質(zhì)量,圍巖支護安全穩(wěn)定的三大技術(shù)難題。

3 新奧法施工

新奧法經(jīng)常應(yīng)用于隧道施工,應(yīng)用于豎井施工中則相對較少。洞宮山超深通風(fēng)豎井施工采用新奧法,并且主要運用了光面爆破、復(fù)合式襯砌、監(jiān)控量測三大手段。

3.1 光面爆破

洞宮山通風(fēng)豎井導(dǎo)孔施工首先采用反井鉆井法鉆出一個216 mm的導(dǎo)孔,再換上新鉆頭反向擴孔將導(dǎo)孔擴至1.4 m,反井施工結(jié)束后,運用光面爆破手段將孔擴至設(shè)計大小。新奧法要求盡可能保持圍巖的完整性,光面爆破可以減少爆破對圍巖的破壞,減少超欠挖量,并保證周邊平整[5]。

3.1.1 爆破設(shè)計

根據(jù)豎井圍巖條件,Ⅴ級圍巖僅在洞口鎖口處存在,采用機械設(shè)備進行挖除掘進,局部進行弱爆破采用人工風(fēng)鎬進行修正,爆破設(shè)計不單獨進行;Ⅳ級圍巖僅在洞口段存在,且由于已有1.4 m的中空臨空面,所以此級圍巖采用Ⅲ級圍巖爆破方案進行施工;Ⅲ級圍巖由于圍巖完整性較好,加上中部有1.4 m的中空臨空面,開挖時不用進行掏槽,每循環(huán)進尺可提高到3.5 m以上。Ⅲ級圍巖的爆破參數(shù)及眼位布置如表2及圖2。

表2 Ⅲ級圍巖爆破參數(shù)

圖2 Ⅲ級圍巖炮孔布置圖

3.1.2 鉆爆施工作業(yè)要點

采用全面開挖的方式,用YT-28人工手持風(fēng)鉆鉆眼,1-7段毫秒延期電雷管進行引爆;鉆眼深度、間距按照鉆爆設(shè)計進行施工,周邊眼布置在開挖輪廓線上,周邊眼的外插角不大于3°,周邊眼外的其它炮眼軸線方向應(yīng)與豎井中線平行;沿輪廓線的調(diào)整范圍和掏槽眼的眼位偏差不大于5 cm,其余爆破眼偏差不大于10 cm;鉆眼完成后用高壓風(fēng)將炮眼內(nèi)泥漿、石屑吹洗干凈,清眼后立即裝藥;裝藥、引爆必須按爆破設(shè)計裝藥,已裝藥的炮眼及時用炮泥堵塞,然后將各段毫秒延期電雷管腳線集束于掌子面中央,并連接成起爆網(wǎng)絡(luò),然后通過起爆電纜引爆;爆破后進行通風(fēng)30 min,然后對井壁松動的巖石、浮石進行清理。

3.2 復(fù)合式襯砌

復(fù)合式襯砌包括錨噴初期支護和混凝土二次襯砌兩階段,依據(jù)新奧法的原則,外層錨噴支護要具有一定柔性,從而調(diào)動圍巖本身的承載能力。

3.2.1 初期支護

初期支護是永久支護的一部分,它必須保證圍巖的穩(wěn)定性。以送風(fēng)豎井為例,初期支護采用錨桿、噴射混凝土支護。錨桿采用直徑為25 mm的中空注漿錨桿,長為3 m,間距100 cm×100 cm呈梅花形布置,錨桿安裝時,采用風(fēng)動鑿巖機成孔,孔深比注入巖體的錨桿深50 mm,用高壓風(fēng)清孔,再進行人工安裝。鋼架按設(shè)計圖紙預(yù)先在井口加工場地加工成型,最后現(xiàn)場安裝。鋼筋網(wǎng)片采用直徑為6 mm的HPB235鋼筋電焊加工成型,網(wǎng)格為20 cm×20 cm,人工鋪設(shè)后與鋼架或錨桿焊接牢固。當豎井開挖成型并且表面清理完成后,為填平圍巖凹凸不平的表面,封閉巖面、防止巖體風(fēng)華、膠結(jié)松動的巖塊,堵塞結(jié)構(gòu)面的滲水通道,應(yīng)立即進行初噴混凝土施工。噴射混凝土采用水泥攪拌法攪拌的C20混凝土。施工時先濕噴4 cm厚的混凝土,封閉圍巖,在錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)安裝完成后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度24 cm,噴完后應(yīng)按規(guī)定灑水養(yǎng)護。

3.2.2 二次襯砌

二次襯砌主要用來提高支護的安全度,按新奧法原則必須在初期支護的變形基本穩(wěn)定后進行,也就是圍巖位移速度明顯減緩,已產(chǎn)生的位移達到位移總量的80%～90%[6]。洞宮山豎井隧道二次襯砌施工前,應(yīng)加強監(jiān)控測量,依據(jù)圍巖實際的變形情況來安排二次襯砌施工。豎井二次襯砌采用滑模進行施工,C25防水鋼筋混凝土作為主體,承受初期支護變形產(chǎn)生的部分荷載。

洞宮山豎井復(fù)合襯砌成功的阻止了圍巖變形并且充分發(fā)揮了圍巖的自承能力,其復(fù)合式襯砌圖見圖3,復(fù)合式襯砌支護工程量見表3。

圖3 送風(fēng)豎井復(fù)合式襯砌平面圖

表3 復(fù)合襯砌支護工程量

3.3 現(xiàn)場量測

為盡可能降低豎井開挖時對周圍環(huán)境的影響,同時保證施工安全,在豎井施工時必須對豎井以及周圍圍巖情況進行實時監(jiān)測[7]。根據(jù)洞宮山豎井施工的實際情況,主要有施工監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)測兩方面。

施工監(jiān)控的觀測對象主要是有可能發(fā)生破壞的圍巖,主要有豎井周邊收斂量測、鋼架支撐內(nèi)力量測以及地質(zhì)和支護狀態(tài)觀察。采用JSS30型坑道式收斂計對豎井圍巖進行監(jiān)測,掌握圍巖收斂情況,判斷其穩(wěn)定性,監(jiān)測頻率n根據(jù)監(jiān)測斷面至掌子面推進距離L和豎井開挖直徑D之間的關(guān)系確定:當L≤3D,n=(1～2)次/d;L＞3D時,n=1次/2d;L＞5D時,n=1次/周[8];采用鋼筋應(yīng)力計和頻率計測量鋼架支撐內(nèi)力,從而可知初期支護分擔(dān)圍巖壓力的實際情況;對巖體巖性、產(chǎn)狀進行觀察,從而可知工作狀態(tài)下圍巖的變形和風(fēng)化情況,節(jié)理裂隙和斷層的分布和形狀;每次開挖后對開挖面進行觀測,如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即進行處理。

系統(tǒng)監(jiān)測的目的是檢驗設(shè)計的合理可靠性,針對豎井的支護狀態(tài)進行觀測,主要有錨桿軸力量測、二次襯砌應(yīng)力量測。采用錨桿測力計以及拉拔器測量錨桿軸力,可獲知錨桿內(nèi)部的受力狀態(tài),檢驗錨桿布局的合理性;采用混凝土應(yīng)變計、頻率計對二次襯砌的應(yīng)力進行監(jiān)測,判斷支護襯砌的受力狀態(tài)。

在取得足夠的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)后,要及時進行整理分析。以圍巖收斂位移控制為例,首先根據(jù)數(shù)據(jù)繪制位移的時態(tài)變化散點圖,再根據(jù)散點圖的數(shù)據(jù)分布狀況,選擇合適的函數(shù),對監(jiān)測結(jié)果進行回歸分析,以預(yù)測該測點可能出現(xiàn)的最大位移值,判斷圍巖穩(wěn)定情況。通過適時監(jiān)測了解施工過程中圍巖以及支護狀態(tài),及時反饋信息,優(yōu)化設(shè)計方案,保證施工安全。

4 結(jié) 語

洞宮山豎井施工采用新奧法的理念,鉆井時通過光面爆破的手段,保證了豎井圍巖表面的平整從而保證了圍巖的穩(wěn)定性;支護時采用復(fù)合式襯砌,初期支護具有一定的柔性,可以與圍巖很好的緊密貼合,一起變形,同時產(chǎn)生的多余的荷載通過二次襯砌承受,充分發(fā)揮了圍巖自身的承載能力,多快好省,不僅降低了成本,更是取得了極好的支護效果;現(xiàn)場量測時,通過對圍巖變形情況以及豎井支護的監(jiān)測,及時反饋施工,不僅可以保證安全,而且還可以進一步優(yōu)化設(shè)計方案。新奧法在洞宮山通風(fēng)豎井施工中的應(yīng)用可以為同類工程的建設(shè)提供參考,也可以為以后新奧法能夠形成完整的理論體系提供實踐依據(jù)。

[1]廖勝君.新奧法在陳家?guī)X隧道圍巖施工中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2010,33(7):98-99.

[2]徐志英.巖石力學(xué)(第三版)[M].北京:中國水利水電出版社,1993:145-146.

[3]林文體.新奧法理論在軟弱地質(zhì)隧道中的應(yīng)用[J].交通標準化,2003,(5):63-65.

[4]嚴克強.新奧法的理論與實踐第一講新奧法簡介[J].水力發(fā)電,1985,(1),47-48.

[5]陳廣恩,殷建武.新奧法在河南某金礦斜井設(shè)計施工中的應(yīng)用[J].科技信息,2007,(25):62-63.

[6]鐘 林,彭振武,羅昌魁,等.復(fù)合襯砌在北斗坡隧道中的運用[J].工程建設(shè),2008,40(5):42-44.

[7]嚴克強.新奧法的理論與實踐第六講新奧法的現(xiàn)場量測工作[J].水力發(fā)電,1985,(8):46-47.

[8]梅錦煜,黨立本,苗樹英,等.水利水電工程施工手冊[M].北京:中國電力出版社,2002:297-298.