【摘要】
依托成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道為工程背景,通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究,形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案。研究結(jié)果表明,布設(shè)整齊的超前小導(dǎo)管在掌子面前方一定范圍內(nèi)形成類似拱殼的連續(xù)體,可主動承擔(dān)上方圍巖壓力,改善掌子面圍巖受力環(huán)境,同時小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力,穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體;相較于短錨桿,由于長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處,將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用;工程實踐表明,采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形,降低隧道拱頂塌方風(fēng)險。
【關(guān)鍵詞】
軟弱圍巖; 偏壓隧道; 大變形; 超前小導(dǎo)管; 組合支護(hù)方案
【中圖分類號】U456.3+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A
[定稿日期]2023-08-01
[作者簡介]李燮(1983—),男,本科,工程師,主要從事施工技術(shù)工作。
[通信作者]任波(1987—),男,本科,工程師,主要從事工程技術(shù)工作。
0 引言
對于軟弱圍巖隧道,施工不當(dāng)極易造成掌子面失穩(wěn)塌方、初噴混凝土開裂、鋼拱架彎折等軟巖大變形誘發(fā)的不良現(xiàn)象[1-4],嚴(yán)重影響隧道施工,威脅作業(yè)人員生命安全。
為此,國內(nèi)外眾多學(xué)者對軟巖隧道的建設(shè)展開了大量研究。王亞東[5]采用大型有限元軟件MIDAS模擬了大斷面千枚巖公路隧道開挖支護(hù)全過程,通過記錄計算過程中各測點變形歷程,研究分析了千枚巖隧道的變形規(guī)律;李子運(yùn)[6]結(jié)合數(shù)值計算、現(xiàn)場監(jiān)測及室內(nèi)試驗等多種手段研究分析了在不同圍壓下軟巖變形破壞過程,并揭示了隧道軟巖大變形孕育機(jī)理和圍巖變形特征;郭小雄[7]依托蘭渝鐵路毛羽山隧道為工程背景,采用數(shù)值計算研究分析了擠壓型軟巖隧道圍巖變形特征及破壞機(jī)理;雷明鋒等[8]借助模型試驗?zāi)M了不同偏壓角軟巖偏壓隧道的開挖卸荷行為,系統(tǒng)分析了在不同偏壓角下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形規(guī)律,并總結(jié)了淺埋偏壓隧道的最終破化特征;Bizjak等[9]采用有限差分法建立數(shù)值模型分析了軟巖隧道開挖支護(hù)后圍巖應(yīng)力場和位移場的演化規(guī)律,并分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征,研究結(jié)果表明,支護(hù)時間和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對控制隧道拱頂沉降起著關(guān)鍵性作用。王鐵男等[10-11]結(jié)合數(shù)值分析和現(xiàn)場實測的研究手段,通過對比分析在不同注漿范圍下隧道開挖后結(jié)構(gòu)受力及圍巖變形特征比選出了超前小導(dǎo)管環(huán)向布設(shè)的最優(yōu)范圍。
綜上,國內(nèi)外大多學(xué)者對軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征等進(jìn)行了深入的研究,并取得了顯著成果,而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形控制的系統(tǒng)性研究還很匱乏,提出一套系統(tǒng)完整的軟巖大變形支護(hù)體系迫在眉睫。本文依托成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道為工程背景,通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究,形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案,為類似工程科學(xué)組織施工提供依據(jù)。
1 工程概況
成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道進(jìn)口端為茶店鎮(zhèn)白果村,出口端為茶店鎮(zhèn)民主村,隧道設(shè)計為單洞雙向8車道,設(shè)計車速為80 km/h,隧道凈寬17.75 m,凈高5 m,掌子面最大開挖面積為231.4 m2,為國內(nèi)外罕見的特大斷面隧道。隧道左洞起止里程為LK20+935~LK23+018,左洞全長2 083 m,右洞起止里程為RK20+972~RK23+070,全長2 098 m(圖1)。
如圖1所示,隧道穿越地層巖性以中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主,局部夾砂巖,整體巖性較差,巖質(zhì)較軟,巖體較為破碎,圍巖等級主要為V級。開挖卸荷后,圍巖應(yīng)力集中,為避免隧道因發(fā)生軟巖大變形導(dǎo)致拱頂失穩(wěn)塌方,施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。同時隧道位于構(gòu)造剝蝕低山地貌的龍泉山背斜西翼,場區(qū)起伏較大,高差懸殊,隧道洞身地質(zhì)構(gòu)造偏壓特征明顯。
2 小導(dǎo)管超前支護(hù)
2.1 超前支護(hù)選型
隧道圍巖主要為V級中風(fēng)化~強(qiáng)風(fēng)化泥巖,巖性較差,巖質(zhì)較軟,巖體較為破碎,為避免隧道因開挖卸荷后發(fā)生軟巖大變形導(dǎo)而致拱頂失穩(wěn)塌方,施工中應(yīng)做好超前支護(hù)措施。
小導(dǎo)管作為一種常見的超前支護(hù)措施常用于隧道工程施工中[12-14]。超前小導(dǎo)管施作后,掌子面一定范圍內(nèi)圍巖位移及地表沉降可得到有效控制,這是由于在開挖之前,超前小導(dǎo)管已將掌子面前方不穩(wěn)定的巖塊連接起來,提高了松散破碎圍巖的整體性;其次,掌子面前方簡單堆積疊在一起的松散圍巖在超前支護(hù)作用下形成類似組合梁的整體,開挖卸荷后共同受力變形;同時,小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了組合梁的整體抗剪、抗彎能力,穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體,降低了掌子面失穩(wěn)坍塌風(fēng)險。小導(dǎo)管越長,開挖卸荷后拱頂沉降越小,控制效果越好,越有利于促進(jìn)隧道掌子面穩(wěn)定[15-16]。
2.2 超前小導(dǎo)管方案設(shè)計
超前小導(dǎo)管長初步設(shè)計為4.5 m,采用孔徑50 mm×5 mm的熱軋無縫鋼管,小導(dǎo)管布設(shè)范圍為拱頂120°范圍內(nèi),均布于隧道邊墻至拱頂部分,管棚插入角初步設(shè)計為20°,環(huán)向間距為0.4 m,為方便施工,超前小導(dǎo)管前端設(shè)計為尖錐狀,整體設(shè)計如圖2所示。
2.3 現(xiàn)場工藝
2.3.1 鋼管制作
超前小導(dǎo)管長度設(shè)計為4.5 m,為方便注漿,導(dǎo)管設(shè)計為有孔鋼花管,每間隔15 cm設(shè)置8 mm孔眼,通過孔眼注漿加固周圍土體,同時,為便于施工,將鋼管前端設(shè)計為錐形,尾部焊接6 mm加筋箍,注漿時,漿液填充至尾部0.5 m范圍外,鋼管具體制作工藝如圖3所示。
2.3.2 小導(dǎo)管施工
采用氣腿式鑿巖機(jī)按照設(shè)計方向鉆孔,鉆孔到設(shè)計位置后,先用高壓風(fēng)、水清孔,然后頂進(jìn)超前小導(dǎo)管,安裝鋼筋籠,封管,注0.8∶1水泥漿液(如地下水豐富,則采用水泥水玻璃雙漿液,水泥漿與水玻璃重量比 1∶0.5),注漿完畢充填M30水泥砂漿。
工藝流程為:開挖至設(shè)計位置—鉆機(jī)就位鉆孔—鉆孔質(zhì)量檢驗—頂管—安裝止?jié){塞封孔—注漿(水泥漿或水泥水玻璃雙漿液)—注漿質(zhì)量檢驗—安裝墊板—M30砂漿充填,具體施工工藝如圖4所示。
2.3.3 小導(dǎo)管注漿
避免初始漿液濃度過高,注漿采用跳孔注漿的方式進(jìn)行,由下向上逐步注漿,注漿時還應(yīng)采用分段注漿的方式,使?jié){液分布均勻;注漿壓力設(shè)為0.5~1.0 MPa,注漿后當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.0 MPa時停止注漿;漿液水灰比初步設(shè)置為 0.8∶1,根據(jù)注漿效果優(yōu)化調(diào)整,注漿量采用式(1)計算:
Q=klm(1+n)(1)
式中:k為加固圍巖體積;l為填充率;m為填充系數(shù);n為損耗系數(shù)。
3 錨桿加強(qiáng)支護(hù)
3.1 強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)選型
為確保掌子面開挖穩(wěn)定,有效控制圍巖變形,施工過程中除了采用超前小導(dǎo)管穩(wěn)定掌子面前方圍巖外,還采取錨桿徑向加強(qiáng)支護(hù)圍巖的措施。大量研究表明錨桿具有改善圍巖力學(xué)參數(shù),提高圍巖承載能力的作用,減少圍巖變形,可從源頭上解決軟弱圍巖大變形難題[17-18]。對于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道僅采用超前小導(dǎo)管單一支護(hù)措施而不能滿足現(xiàn)場需求的現(xiàn)狀,綜合考慮超前小導(dǎo)管結(jié)合錨桿的組合支護(hù)方式。
3.2 支護(hù)方案設(shè)計
工程實踐表明,長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好,更能預(yù)防掌子面失穩(wěn)坍塌。這是由于短錨桿并沒有錨入穩(wěn)定巖層中,而是全部位于受開挖影響的松動區(qū)域內(nèi),相比之下,長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處,將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用。從錨入穩(wěn)定巖層深處的長錨桿對圍巖位移的控制效果更佳,更能有效控制掌子面上方圍巖沉降,通過現(xiàn)場錨桿參數(shù)比選,最終確定采用4.5 m超前小導(dǎo)管結(jié)合6 m中空注漿錨桿的組合支護(hù)方案。
如圖5所示,中空注漿錨桿按設(shè)計要求采用帶排氣孔的中空錨桿,擬采用雙管注漿,錨桿外徑為32 mm,呈梅花型布設(shè),環(huán)縱間距設(shè)計為1.2 m×1.2 m,布設(shè)范圍為隧道拱墻位置,施工時垂直洞壁徑向打入。
3.3 現(xiàn)場工藝
按照設(shè)計圖紙要求布設(shè)錨桿后采用開挖臺車和鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔,成孔后進(jìn)行清孔。將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底,安裝止?jié){塞、墊板、螺母,然后連接注漿管,用注漿泵通過尾部向孔內(nèi)注漿,漿液采用水泥砂漿,注漿壓力控制在0.3~1.0 MPa。注漿順序自下而上逐根進(jìn)行,注漿后將止?jié){塞塞入鉆孔,用速凝水泥封孔防止?jié){液從端部漏出。
如圖6所示,錨桿施作具體工藝流程為:錨桿鉆孔測量放樣—鉆機(jī)就位—鉆孔角度定位—鉆孔—高壓空氣、水清孔—鉆孔質(zhì)量檢查—錨桿打設(shè)—中空錨桿注漿—安裝墊板—錨桿質(zhì)量檢查。
通過對拱頂沉降變形以及隧道洞周收斂變形的實時監(jiān)測表明,現(xiàn)場施工安全一直處于可控狀態(tài),說明采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形,降低隧道拱頂塌方風(fēng)險,是合理可行的。
4 結(jié)束語
本文依托成都市東西城市軸線(東段)工程龍泉山二號隧道為工程背景,通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究,形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案,研究得到主要結(jié)論:
(1)超前小導(dǎo)管可事先將掌子面前方一定范圍的圍巖擠壓加固,形成一個類似拱殼的連續(xù)體,承擔(dān)上方圍巖壓力;同時小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力,穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體。
(2)錨桿具有改善圍巖力學(xué)參數(shù),提高圍巖承載能力,減少圍巖變形的作用。由于長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處,將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用,故而長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好,更能預(yù)防掌子面失穩(wěn)坍塌。通過現(xiàn)場參數(shù)比選,最終確定6 m長中空注漿錨桿作為強(qiáng)化支護(hù)措施。
(3)工程實踐表明,采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形,降低隧道拱頂塌方風(fēng)險。
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