曾瑜璇
(福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000)
泉州市惠女水庫引調(diào)水工程,通過輸水隧洞和輸水管道輸水至惠女水庫,輸水線路總長(zhǎng)約為18.081 km。設(shè)計(jì)輸水流量為12 m3/s。輸水線路羅東管道起點(diǎn)位于羅東鎮(zhèn)靴丘村西北側(cè)山麓,與山美~羅東隧洞連接,隨后輸水管道往東南向布置,下穿在建的沈海高速公路復(fù)線泉州段。下穿段全長(zhǎng)300 m,底坡i=2.06%~0。
隧洞工程圍巖分類分為Ⅱ~Ⅴ類,其中DX0+000~0+110為Ⅱ類圍巖,DX0+110~0+160為Ⅲ類圍巖,DX0+160~0+210為Ⅳ類圍巖,DX0+210~0+300為Ⅴ類圍巖。根據(jù)鉆孔資料,該區(qū)塊分布的土層自上而下為人工堆積土夾碎塊石、坡殘積砂質(zhì)粘土、全風(fēng)化凝灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、弱風(fēng)化凝灰?guī)r。
為確保高速公路的運(yùn)營(yíng)安全,隧洞施工遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”的原則,隧洞穿越全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化三種巖土層,此次施工根據(jù)不同的地質(zhì)條件制定相應(yīng)的施工方法。
DX0+300~DX0+280段強(qiáng)風(fēng)化但無出水情況,考慮有塌方風(fēng)險(xiǎn),采用超前大管棚支護(hù)。
管棚的鋼管直徑為108 mm,鋼管環(huán)向間距為40 cm,長(zhǎng)度為20 m。縱向搭接2.0 m,仰角為3°。施工流程:測(cè)量定位-鉆機(jī)鉆孔準(zhǔn)備-鉆管棚孔-頂?shù)谝还?jié)管-接管頂進(jìn)至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度-注漿。
2.1.1 測(cè)量放樣
(1)第一環(huán)大管棚(DX0+300~DX0+280)
①管棚的起始中心里程(DX0+301)測(cè)設(shè):用坐標(biāo)法落點(diǎn),依據(jù)隧道進(jìn)口布設(shè)的控制網(wǎng);在中心線的垂直方向上分兩邊各布置2個(gè)控制樁,確保可以隨時(shí)檢查方向的正確性并加以校正。
②在中心線的垂直方向布設(shè)一個(gè)與大管棚半徑相對(duì)應(yīng)鋼格柵用以定位。測(cè)設(shè)控制樁以及每根導(dǎo)管的中心線方向,同時(shí)落點(diǎn)在鋼格柵上,在點(diǎn)位的兩端焊接長(zhǎng)20 cm(φ20)的短鋼筋頭作為導(dǎo)向;同時(shí)為了確保鋼格柵的穩(wěn)固,用工字鋼布設(shè)五道支撐在方格柵下邊加固。
③鉆孔的方向和傾斜度控制
1.2 腹膜反折懸吊裝置的設(shè)計(jì) 自制腹膜反折懸吊裝置由 Hem-o-lok 夾和與之連接的穿刺器、固定裝置及施夾鉗組成,施夾鉗用于將懸吊裝置置入體腔,并將 Hem-o-lok 夾夾閉固定于腹膜反折上;穿刺器及其附屬連接線用于調(diào)整腹膜反折懸吊的牽引方向及高度;固定裝置用于固定連接線,保持腹膜反折懸吊的高度和方向(圖1)。
鉆孔方向的控制采用方向樁,為了確保鉆孔方向的精確性,在每個(gè)導(dǎo)管的中心軸方向,布置兩個(gè)方向樁;
鉆孔傾斜度控制:孔內(nèi)控制,分別在距孔口2 m處、1/2孔深處、終孔處三處用精密水平陀螺儀進(jìn)行測(cè)量;孔外控制,測(cè)設(shè)大導(dǎo)管孔口及鉆機(jī)中心的高程進(jìn)行控制;
(2)第二環(huán)大管棚(DX0+282~DX0+262)
①測(cè)設(shè)同第一環(huán)大管棚。洞挖至DX0+282 樁號(hào)時(shí),每環(huán)管棚縱向搭接2 m。在DX0+282 樁號(hào)之前的洞身開挖后,防止塌陷,立即初噴混凝土,然后架設(shè)鋼拱架作為支撐,掛網(wǎng)同時(shí)噴混凝土加以覆蓋。
②由于第二環(huán)大管棚在洞內(nèi)施工,施工空間有限且不能夠影響后續(xù)的施工,故需要在鉆機(jī)機(jī)身正中央上面的初期支護(hù)拱部設(shè)點(diǎn)用彩色油漆標(biāo)記,可以通過標(biāo)記來推算鉆機(jī)中心的高度,同時(shí)鉆孔時(shí)的傾斜度也可以通過孔口及鉆機(jī)中心兩點(diǎn)的高程得以控制。
2.1.2 鉆孔
在施工開挖工作面處安設(shè)受力拱架,并在其上正確標(biāo)明管棚位置;在鋼架上沿隧道開挖輪廓線縱向鉆設(shè)管棚孔;施工參照布設(shè)好的孔位、傾斜度、方向,施工中孔深的偏差要控制在10‰以內(nèi),孔口位偏差要控制在±5 cm以內(nèi)。
鉆孔要根據(jù)不同的地質(zhì)相應(yīng)的調(diào)整施工參數(shù)。開孔施工初期,確保方向的正確性,要低壓慢轉(zhuǎn),然后逐步的提高轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定的壓力;遇到堅(jiān)硬的巖石結(jié)構(gòu),采用金剛石鉆頭低壓恒定的低速進(jìn)行;快成孔時(shí),用清水清洗孔內(nèi)的雜物(泥漿、石渣),掏孔檢查,確認(rèn)無塌孔和探頭石時(shí),才可安設(shè)鋼管。大管棚施工完成后見圖1。
圖1 大管棚施工完成后示意圖
確保大管棚的整體受力效果更好,接長(zhǎng)管棚鋼管時(shí)鋼管接頭在隧道縱斷面上錯(cuò)開2 m。由于大導(dǎo)管(φ108×8 mm)得長(zhǎng)度規(guī)格是4 m~6 m的不等,無法達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,因此必須將管子連接起來。此工程連接管子的方法采用了外套管法和絲扣法。
絲扣法:在管子的兩端分別車出長(zhǎng)度不小于15 cm、深度不大于1/2 壁厚(4 mm)的公、母螺紋。管子兩兩連接時(shí)母螺紋與公螺紋套在一起,用力擰緊即可。
外套管法:兩兩管子連接時(shí)直接在接頭處套長(zhǎng)40 cm的外套管(φ127×4 mm),用電弧焊將縫隙焊滿、焊牢。
2.1.4 送管
第一環(huán)大管棚,用PC200 反鏟挖掘機(jī)挖斗向前送管。第二環(huán)大管棚受施工空間限制無法采用大型送管設(shè)備,故送管采用鉆機(jī)。成孔后,通過異型接頭,用主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)大導(dǎo)管邊旋轉(zhuǎn)邊向前推進(jìn),直至將全部管子送到位。這樣每環(huán)的大管棚都剛好搭在兩個(gè)環(huán)的襯砌頭上,相當(dāng)于橫梁,可以更好的起到預(yù)支護(hù)的作用。
2.1.5 注漿
在鋼管上鉆孔距為50 cm呈梅花型布置的出漿孔(?10 mm);由于鋼管尾部作為為止?jié){段,故尾部2 m不鉆孔。
采用單液注漿,水泥漿水灰比(W∶C)為0.5∶1。水泥漿液攪拌在拌合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌,先加水,待水量加足后將水泥投入,攪拌時(shí)間大于3 min,防止水泥凝固,在注漿過程需要不停攪拌漿液;注漿過程中先難后易原則,有水孔注漿放在最后,先注無水孔;從拱頂依次排序?qū)ΨQ向下進(jìn)行;注漿過程遇到跑漿問題,采用間隔的方法灌注;注漿結(jié)束后,利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力,直至漿液完全凝固。
在破碎圍巖隧洞段(即斷層帶處)采用超前小導(dǎo)管注漿施工技術(shù),注漿小導(dǎo)管在超前大管棚施工完成后開始。小導(dǎo)管外徑選擇?42 mm的熱軋鋼管,厚4.0 mm,長(zhǎng)度4 m,鋼管前端做成尖錐狀,尾部焊上箍筋,便于超前小導(dǎo)管插入圍巖內(nèi)。
(1)鉆孔
沿隧洞縱向開挖輪廓線向外以5°的外插角鉆孔,將小導(dǎo)管打入圍巖。方便導(dǎo)管的的打入圍巖,孔徑要比導(dǎo)管直徑大3 mm~5 mm;縱向兩組小導(dǎo)管間亦有不小于2 m的水平搭接長(zhǎng)度。小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm;利用鉆機(jī)將鋼管頂進(jìn)鋼架腹板孔,鋼管內(nèi)的砂石用高壓風(fēng)吹出;小導(dǎo)管安裝完成后,防止工作面坍塌,孔口用塑膠泥封,附近及工作面噴射砼。
(2)注漿
注漿采用水泥砂漿,水泥砂漿水灰比:0.5~1.0(重量比);注漿壓力:0.5 MPa~1.0 MPa,對(duì)于有涌水量的松散破碎帶采用水泥水玻璃雙漿液;各種地層條件下圍巖孔隙率參考消息值:粘土25%,全風(fēng)化15%,弱風(fēng)化10%。
為了確保機(jī)械設(shè)備和管路的正常,注漿前要先進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn),灌漿采用群管灌漿,每次3~5 根,這樣可以充分發(fā)揮設(shè)備效率且加快施工速度。
D0+235~D0+265 段在全風(fēng)化巖與強(qiáng)風(fēng)化巖交界處屬地下水富水區(qū),隧洞開挖過程中是地下水出露的匯集處,根據(jù)交界面的走向和傾角分析確定超前小導(dǎo)管在邊墻上布設(shè)范圍的下限,通過小導(dǎo)管灌漿起到有效的阻水的作用。并在核心去鉆設(shè)鋼花管進(jìn)行引排水,以降低外水壓力,保證開挖掌子面穩(wěn)定。除此之外,通過止水注漿小導(dǎo)管預(yù)防隧洞在開挖過程中地下水對(duì)開挖圍巖的影響,避免圍巖因軟化而坍塌冒頂,帷幕注漿范圍為開挖輪廓線外2 m。此段開挖采用上部導(dǎo)坑超前開挖法對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào),故確定采用止水注漿小導(dǎo)管施工。
注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.0 m,間距為40 cm,呈環(huán)形布置,每一循環(huán)搭接長(zhǎng)度不小于1.0 m。注漿小導(dǎo)管見圖2。
圖2 止水注漿小導(dǎo)管布置圖
小導(dǎo)管在尾部預(yù)留1.0 m的止?jié){段,其余管身鉆注漿孔,孔徑10 mm,孔間距15 cm,呈梅花型布置,小導(dǎo)管前端宜做成尖錐狀,尾部焊上箍筋。注漿參數(shù)同2.2 超前小導(dǎo)管施工方法”。
拱頂下沉量測(cè),在噴砼是,按隧洞縱向間距每5 m~10 m埋設(shè)1 個(gè)測(cè)點(diǎn);洞內(nèi)凈空水平收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)斷面與拱頂下沉測(cè)點(diǎn)斷面相一致(即兩者處于同一斷面上),每斷面按兩條測(cè)線布設(shè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)在隧洞開挖后噴錨時(shí)埋設(shè),初始讀數(shù)在每次開挖后12 h內(nèi)讀取,并做記錄。拱頂下沉和洞內(nèi)凈空水平收斂量測(cè)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布置見圖3。
圖3 拱頂下沉和洞內(nèi)凈空水平收斂量測(cè)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布置
拱頂下沉量測(cè)和洞內(nèi)水平凈空收斂量測(cè)的測(cè)試頻率宜相同,測(cè)量第20 天以后,量測(cè)斷面距開挖工作面的距離大于5 m,變形速度小于1 mm/d,各測(cè)試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂,圍巖基本穩(wěn)定。
2014 年12 月該段隧洞已經(jīng)按照本方案順利實(shí)施,并順利通車運(yùn)行,運(yùn)行至今無明顯沉降問題,表明此方案切實(shí)可行。
隧洞位于地下,斷面較小,施工難度本身就大,加之不良的地質(zhì),給施工帶來更大的困難。因此在施工過程中,必須要提前制定詳細(xì)的施工方案,綜合考慮地質(zhì)及出水情況采取最佳的施工方法。下穿沈海高速?gòu)?fù)線泉州段隧洞工程土洞段圍巖支護(hù)施工的成功為今后類似的工程提供了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參考。
(1)同層臺(tái)階避免兩側(cè)同時(shí)開挖,一側(cè)必須在相應(yīng)的側(cè)支護(hù)結(jié)束后才能開挖另一側(cè),一次性開挖長(zhǎng)度要小于兩榀拱架間距。在圍巖松散的施工段,為安全起見必須開挖一榀,支護(hù)一榀。
(2)大管棚巖體支護(hù)時(shí)插入巖石部分要大于3 m,這樣可以避免在山體滑動(dòng)時(shí),全部荷載集中到初期支護(hù)上,分擔(dān)一部分荷載,控制隧洞下沉和變形。
(3)大管棚的接頭在同一斷面上比較容易出現(xiàn)安全隱患,因此接頭處必須縱向錯(cuò)開。