雙層鋼架式隧道初期支護的分析與應(yīng)用

李軍偉

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司,廣東廣州 510420)

雙層鋼架式隧道初期支護的分析與應(yīng)用

李軍偉

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司,廣東廣州 510420)

伴隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展,全國交通路網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的態(tài)勢,路網(wǎng)設(shè)計中也不斷涌現(xiàn)出長大山嶺隧道、城市淺埋隧道、海底隧道等建設(shè)難度較大的地下工程。我國是目前世界上隧道數(shù)量最多、地質(zhì)最復(fù)雜、發(fā)展最快、工程施工穿越各類工程地質(zhì)最多、施工難度最大、施工水平最高的國家?？梢钥隙ǖ恼f隧道工程在我國的交通運輸領(lǐng)域會有更加廣闊的發(fā)展。本文中,筆者依據(jù)多年隧道施工管理經(jīng)驗,在結(jié)合結(jié)構(gòu)理論分析和工程實踐的基礎(chǔ)上,對雙層鋼架式初期支護在隧道施工穿越軟弱、無自穩(wěn)能力圍巖時的應(yīng)用加以闡述。

雙層鋼架 軟弱圍巖 新奧法 柔性支護

隧道工程是不可逆的，一旦施工完成就不具備拆除重建的條件，而且施工過程中遇到的未知因素多，所有設(shè)計、施工方案必須科學(xué)合理。根據(jù)“新奧法”理論，圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同受力以保持穩(wěn)定，鋼拱架、噴錨等柔性支護可以適應(yīng)圍巖在開挖后自穩(wěn)過程中沉降變形，而最終二者形成一個受力整體，因而在隧道施工過程中需要控制圍好巖變形并讓其保持穩(wěn)定。隧道施工過程中，可能遇到各種各樣的復(fù)雜地質(zhì)問題，地貌與氣候、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境等都會對其產(chǎn)生影響，而最長見的不利地質(zhì)條件就是淺埋段、斷裂破碎帶、溶洞填充等圍巖軟弱、無自穩(wěn)能力的情況。圍巖軟弱、甚至無自穩(wěn)能力的情況下，初期支護既要有足夠的強度、又要能夠協(xié)調(diào)圍巖趨于穩(wěn)定中的變形，而雙層鋼架式隧道初期支護在一定程度上解決了這樣的問題。

1 圍巖及支護受力分析

“新奧法”理論將巖體視為連續(xù)介質(zhì)，結(jié)合黏、彈、塑性理論，根據(jù)在巖體中開挖隧道后從變位產(chǎn)生到巖體破壞要有一個時間效應(yīng)的性質(zhì)，適時構(gòu)筑柔性并能與圍巖緊貼的支護結(jié)構(gòu)來保護圍巖的天然承載力，變圍巖本身為支護機構(gòu)購的一部分，使圍巖與構(gòu)筑的支護結(jié)構(gòu)共同形成堅固的承載環(huán)，進而形成長期穩(wěn)定的地下工程。按照“新奧法”理論，隧道二次混凝土襯砌作為安全儲備和承受部分流變荷載、地震作用等，施工過程中必須按圍巖穩(wěn)定性情況進行初期支護參數(shù)的調(diào)整，確保其有足夠的剛度和強度，并與圍巖形成一個整體共同受力。

工程實踐中，初期支護在軟弱、淺埋、破碎等底層中施工時發(fā)生大變形、甚至破壞塌方的實例較多。究其原因，在這類情況下，圍巖并未按理論參與受力，初期支護的計算實際受力與實際受力不符，按計算受力確定的支護強度無法滿足支護需要。在上述地質(zhì)情況下，為保證初期支護安全，必須采用較強的剛性支護、并盡可能加快支護速度。

2 雙層鋼架式初期支護方案和優(yōu)點分析

2.1 雙層鋼架式隧道初期支護方案

第一層鋼架采用型鋼鋼架以保證支護強度和剛度，第二層鋼架采用格柵鋼架以保證施工速度和后期整體強度。每層鋼架均需要布設(shè)鎖腳錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土。由于圍巖軟弱，隧道開挖形成的平衡拱高度很大，拱部需要設(shè)計很長的錨桿才能打入穩(wěn)定圍巖中起到錨固作用，施工難度大、時間長、再次擾動圍巖，存在不安全因素，故而拱部不設(shè)置系統(tǒng)錨桿。

2.2 優(yōu)點分析

軟弱、破碎等圍巖自承能力較小，并在開挖后迅速下降，圍巖形變壓力迅速轉(zhuǎn)化為松弛壓力，很快進入松弛狀態(tài)，即趨于失穩(wěn)。采用導(dǎo)管、注漿等超前支護，可以使圍巖自承力有一定提高，開挖后不會瞬間垮塌，為初期支護贏得時間。第一層鋼架采用型鋼鋼架并設(shè)置鎖腳錨桿、噴射混凝土，這種結(jié)構(gòu)剛度大、強度高，在很大程度上能夠限制軟弱、破碎圍巖的形變，并為后續(xù)第二層鋼架施工爭取時間。

第二層鋼架采用格柵鋼架，并設(shè)置鎖腳錨桿、噴射混凝土，具備以下優(yōu)點:(1)格柵鋼架制作安裝速度快。據(jù)統(tǒng)計，安裝1榀型鋼鋼架的時間，同等條件下可安裝4榀格柵鋼架。采用格柵鋼架可以加快施工速度，使支護盡早參與受力，進而增加整體支護強度、減少圍巖變形和失穩(wěn)的可能性。(2)格柵鋼架在橫斷面x、y兩個方向上具有等強度、等剛度、等穩(wěn)定度，并具有相對柔性，容許圍巖適度變形能力優(yōu)于型鋼鋼架。(3)格柵鋼架本身重量較輕，在能夠大幅度提高施工速度的同時，減輕了支護自身的重量，能更好的提供支護阻力。(4)工程造價低，節(jié)約成本。

3 工程實踐

某隧道初期支護發(fā)生大的沉降變形，在及時采取了在洞內(nèi)加設(shè)50cm/榀套拱、周邊注漿、增加豎向及斜向支撐等補強措施后，仍發(fā)生了坍塌事故。后經(jīng)對坍塌段的補勘發(fā)現(xiàn)該段頂部地層為強風(fēng)化砂巖，洞身處圍巖為砂巖和灰?guī)r，而且灰?guī)r面存在大小不等的土洞或溶洞，最大空洞直徑約13米，溶洞填充物大部分為粉質(zhì)粘土，并含較多碎石土。

該隧道塌方處的坍塌物為典型的松散、軟弱、破碎、無自穩(wěn)能力圍巖，施工難度大。經(jīng)過專家論證，塌方處的施工初期支護采用雙層鋼架式。具體方案為:第一層鋼架采用I22b型鋼鋼架，間距40cm，φ 8鋼筋網(wǎng)20×20cm，噴射C20混凝土28cm，4.5m長φ25鋼筋鎖腳錨桿;第二層鋼架為φ22鋼筋加工成20×20cm格柵鋼架，間距40cm，噴射C20混凝土20cm，4.5m長φ25鋼筋鎖腳錨桿。施工開挖方案采用雙側(cè)施工壁法，開挖前采用φ50小導(dǎo)管1×m布置并注1:1水泥漿進行超前支護。施工過程中控制開挖進尺，并加強監(jiān)控量測工作。

從現(xiàn)場實際施工情況來開，施工順利，施工過程中初期支護變形穩(wěn)定，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，二次襯砌施作前拱頂最大累計下沉量僅59mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計預(yù)留變形量200mm。

4 結(jié)語

雙層鋼架式隧道初期支護在隧道施工穿越軟弱、破碎、松散底層時，是一種有效的支護方式，能夠保證施工的順利、安全。隧道工程是一個非常復(fù)雜、未知數(shù)很多大系統(tǒng)工程，施工過程中總會遇到各種各樣的地質(zhì)條件，怎樣在不利的地質(zhì)條件安全順利施工，是所有隧道工程技術(shù)人員應(yīng)該思考和總結(jié)的問題。通過不斷總結(jié)經(jīng)驗、實踐創(chuàng)新，相信我國的隧道工程事業(yè)的發(fā)展必將更加快速、和諧。

[1]《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60-2009).

[2]《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70-2004).

[3]楊會軍,王夢茹.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學(xué)報,2006 (3):92-96.

[4]王夢茹.中國隧道及地下工程修建技術(shù).人民交通出版社.