韭菜坪隧道充填型溶槽處治技術(shù)優(yōu)化研究

張建功，陳學(xué)明

(1.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司北京工程設(shè)計(jì)分公司，北京 100082；2.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100082)

1 韭菜坪隧道概述

韭菜坪隧道位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi)，該隧道為分離式隧道，右線全長(zhǎng)1981(起訖樁號(hào)YK57+189～YK59+170)米，左線全長(zhǎng)1998(起訖樁號(hào)K57+189～YK59+187)米。隧道穿越地層主要為古生界二疊系下統(tǒng)矛口組(P1 m)灰?guī)r，巖體裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，呈碎塊狀。根據(jù)物探成果，(YK59+077～YK59+108)段存在巖溶發(fā)育帶(推測(cè)巖溶發(fā)育形式為淺層充填型溶槽、深部溶蝕裂隙，洞身部位以溶蝕裂隙為主)，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，該段地下水主要為風(fēng)化裂隙水和基巖裂隙水，水量受大氣降水影響顯著，圍巖富水性不均一，隧道開(kāi)挖時(shí)呈淋雨?duì)畛鏊?/p>

隧道施工從出口大里程向小里程方向掘進(jìn)，掌子面開(kāi)挖至YK59+113，采用瑞典MALA地質(zhì)雷達(dá)(配100 MHz天線)及配套分析軟件REFLEX進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行了洞內(nèi)超前地質(zhì)鉆探和現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)。綜合判斷YK59+077～YK59+108(埋深約50～60 m)段，隧道起拱線以上巖體中發(fā)育大型充填型溶槽(與地表貫通)，縱向長(zhǎng)度約為31 m，最大寬度約為25 m，充填物主要為含黏性土中砂，褐黃色、稍濕、松散-稍密狀，主要成分為長(zhǎng)石、石英、云母，局部夾可塑狀黏土團(tuán)塊。溶槽充填物整體性較差，隧道施工揭穿溶槽底板，易誘發(fā)冒頂和塌方。根據(jù)土工試驗(yàn)和地勘經(jīng)驗(yàn)，充填物物理力學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1 充填物物理力學(xué)性質(zhì)表

2 充填型溶槽處治原則

充填型溶槽設(shè)計(jì)應(yīng)本著“結(jié)構(gòu)安全、保護(hù)環(huán)境、施工易操作、工程造價(jià)低”的原則，安全、穩(wěn)妥的通過(guò)溶槽地段。

3 充填型溶槽處治方案

依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70-2010，采用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)”軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法采用荷載結(jié)構(gòu)法。計(jì)算結(jié)果(原設(shè)計(jì)襯砌類型)滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果和原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)襯砌斷面圖1所示。

表2 配筋及正常極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果極值表

說(shuō)明:(1)Ag：縱向受拉鋼筋的截面面積；Ag'：縱向受壓鋼筋的截面面積。

(2)ρ：縱向受拉鋼筋的配筋率；ρ'：縱向受壓鋼筋的配筋率。

(3)安全系數(shù)K1：系《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70--2004)》9.2.4-2查得；安全系數(shù)K2：系由驗(yàn)算公式計(jì)算所得。

(4)Y：表示“滿足”；N：表示“不滿足”。

圖1 原設(shè)計(jì)襯砌類型斷面圖

由于隧道圍巖缺陷的探測(cè)及判釋技術(shù)不完善，加之現(xiàn)有隧道計(jì)算理論不成熟，與實(shí)際的差異較大等因素，考慮到充填型溶槽規(guī)模大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，與一般的隧道圍巖的襯砌類型無(wú)法對(duì)比，為了保證襯砌體系的穩(wěn)定性和施工時(shí)安全性，將原設(shè)計(jì)的超前支護(hù)、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿及開(kāi)挖方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)超前支護(hù)優(yōu)化方案

隧道內(nèi)超前支護(hù)常采用的形式為超前砂漿錨桿、單層/雙層超前小導(dǎo)管、超前大管棚、超前小鋼管等，為防止開(kāi)挖造成掌子面坍塌，擾動(dòng)整個(gè)溶槽范圍造成地表塌陷等情況，將原設(shè)計(jì)的φ42×4 mm超前小導(dǎo)管優(yōu)化為φ108×6 mm的超前大管棚，并且管棚與管棚中間采用φ42×4 mm的小導(dǎo)管，仰角為45°，長(zhǎng)度為6 m，縱向間距為2 m。加強(qiáng)超前注漿支護(hù)，為考慮施工方便超前管棚循環(huán)長(zhǎng)度為15 m，搭接長(zhǎng)度不小于3 m。

(2)系統(tǒng)錨桿優(yōu)化方案

系統(tǒng)錨桿在大型充填型溶槽的隧道中懸吊作用、擠壓加固作用及成拱效應(yīng)難以充分發(fā)揮，為了提高充填物整體的穩(wěn)定性，因此將中空錨桿優(yōu)化為徑向注漿小導(dǎo)管加固充填物，徑向注漿采用φ50×4 mm鋼花管，長(zhǎng)度為6 m，間距為50(縱)×100(環(huán))cm,注漿采用水泥漿液，水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1.5 MPa，注漿終壓1～1.5 MPa，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：①每孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量。②注漿壓力達(dá)到最高設(shè)計(jì)的注漿壓力并保持10 min以上。③如果長(zhǎng)時(shí)間注漿壓力不上升(一般指8 h)，可按注漿量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注漿效果控制。注漿順序：宜由下往上，按照兩序孔進(jìn)行，即先隔孔跳排注單號(hào)孔，然后注其余雙號(hào)孔，這樣通過(guò)實(shí)施約束性注漿的模式，實(shí)現(xiàn)擠壓密實(shí)的注漿目的。注漿漿液總方量Q采用注漿對(duì)象的總土方量進(jìn)行計(jì)算：

Q=KVn=0.2×31×18.7×6×0.28=194.78 m3

單孔設(shè)計(jì)注漿量

Q1=194.78/1 178=0.165 m3

(3)鎖腳錨管優(yōu)化方案

據(jù)受力分析：隧道支護(hù)體系與溶槽填充物間的接觸應(yīng)力在拱頂和拱腰部位的差異很大。隧道支護(hù)的最危險(xiǎn)之處在拱腰(約與隧道中線成40°夾角)處，然而拱頂處壓力值偏小，這是由于拱頂下沉變形量大，應(yīng)力得到充分釋放，而壓力又是隨支護(hù)變形而向洞室移動(dòng)，因此造成拱頂接觸應(yīng)力減小。因此每榀拱架在拱腰(約與隧道中線成40°左右的夾角)處左右側(cè)各增加1組(2根φ42×4 mm，長(zhǎng)度為6 m)鋼花管并且與鋼拱架焊接牢固，防止鋼拱架失穩(wěn)變形。

(4)開(kāi)挖掘進(jìn)優(yōu)化方案

公路Ⅴ級(jí)巖石隧道開(kāi)挖方法一般分為：硬質(zhì)巖采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，軟質(zhì)巖一般采用三臺(tái)階、CD法、CRD法等。該隧道原設(shè)計(jì)的開(kāi)挖方式采用的環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，因遇到了填充性溶槽，開(kāi)挖斷面過(guò)大，可能會(huì)造成坍塌或引起填充性溶槽段已完成的初期支護(hù)變形，同時(shí)考慮到安全施工，因此優(yōu)化為三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱的開(kāi)挖方案，這樣可以有效的控制拱頂下沉和邊墻收斂。

(5)施工過(guò)程的注意事項(xiàng)

因?yàn)樵撍淼朗欠蛛x式隧道，右線填充性溶槽施工過(guò)程中掌子面的距離至少與左線掌子面錯(cuò)開(kāi)3D m(D代表隧道的開(kāi)挖寬度)，以免左洞爆破影響右洞。該段仰拱施工距離掌子面不大于3 m，二次襯砌施工距離掌子面不大于10 m。鋼拱架的連接螺栓鏈接牢固，鎖腳錨管的打入角度為斜向下30°～45°，并與鋼拱架焊接牢固。拱腳落在穩(wěn)定的巖石上或增加混凝土墊塊，保證拱架穩(wěn)定以免拱架受力以后下沉。

4 施工后效果評(píng)價(jià)

韭菜坪隧道按照上述方案進(jìn)行施工，在施工過(guò)程中每5 m布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，對(duì)邊墻收斂和拱頂下沉進(jìn)行了全過(guò)程監(jiān)測(cè)，其中在斷面YK59+103處，邊墻收斂和拱頂下沉的累積量最小，分別為43.3 mm和77.5 mm；在斷面YK59+093處，收斂和拱頂下沉的累積量最大，分別為44.8 mm和79.3 mm；從監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)分析，邊墻收斂和拱頂下沉在隧道開(kāi)挖21 d后就趨于穩(wěn)定，并且在19～21 d，每天的收斂速率和下沉速率在0.2～0.1 mm。說(shuō)明了初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理。

圖2 YK59+103拱頂下沉和邊墻收斂的曲線圖(最小值)

圖3 YK59+093拱頂下沉和邊墻收斂的曲線圖(最大值)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了韭菜坪隧道大型充填型溶槽(與地表貫通)處治技術(shù)的成功案例，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論，可在同類型巖溶隧道施工過(guò)程中推廣借鑒。

(1)大型充填型溶槽，在充填物含水率不高時(shí)(不會(huì)發(fā)生突泥)，通過(guò)采用大管棚超前注漿的超前支護(hù)方案，對(duì)保持充填物的穩(wěn)定和防止開(kāi)挖時(shí)塌落(方)效果更佳。

(2)大型充填型溶槽取消系統(tǒng)錨桿，采用小導(dǎo)管徑向注漿加固溶槽，注漿量按照注漿對(duì)象的總土方量進(jìn)行計(jì)算和控制，既可確保施工安全又能合理控制工程造價(jià)。

(3)在進(jìn)行大型充填型溶槽隧道初期支護(hù)時(shí)，在應(yīng)每榀鋼拱架拱腰位置增加1組鎖腳錨桿(管)，對(duì)防止鋼拱架失穩(wěn)變形更為有利且效果明顯。

(4)為確保大型充填型溶槽隧道安全掘進(jìn)，開(kāi)挖要盡量減少開(kāi)挖臨空面，及時(shí)封閉成環(huán)，讓隧道初期支護(hù)受力更及時(shí)、更充分。