軟弱結(jié)構(gòu)條件下支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

摘要：在引水隧洞施工過程中，如果圍巖不穩(wěn)定會導(dǎo)致施工難度上升。本文深入分析了軟弱結(jié)構(gòu)條件下常用的施工支護(hù)技術(shù)。在軟弱結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行隧洞開挖施工作業(yè)時，需要對軟弱結(jié)構(gòu)的具體情況進(jìn)行分析，明確適合的支護(hù)方式。本工程應(yīng)用鋼架結(jié)構(gòu)作為主要支護(hù)材料，針對隧洞特點、地質(zhì)條件，將銑挖機(jī)開挖和人工開挖進(jìn)行有效結(jié)合，利用高強(qiáng)度、輕重量、可升降的安全防護(hù)棚輔助施工，提高施工效率的同時，降低了隧洞開挖和支護(hù)過程中存在的安全風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：軟弱結(jié)構(gòu)；支護(hù)技術(shù)；隧洞

中圖分類號：U455.4""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""""""""" 文章編號：

Under the Condition of Weak Structure Supporting Technology Application

Abstract： During the construction of diversion tunnel， if the surrounding rock is unstable， the construction difficulty will increase. In this paper， the commonly used construction support technology under the condition of weak structure is deeply analyzed. It is necessary to analyze the concrete condition of the weak structure and determine the suitable support method when the tunnel excavation is carried out under the condition of weak structure. In this project， steel frame structure is used as the main supporting material. According to the characteristics and geological conditions of the tunnel， the excavation of milling machine and manual excavation are effectively combined， and the construction is assisted by the safety protection shed with high strength， light weight and can be lifted， which improves the construction efficiency and reduces the safety risks in the process of tunnel excavation and support.

Keywords： weak structure;support technology;tunnel

0 引言

在軟弱結(jié)構(gòu)條件下開展支護(hù)施工作業(yè)時，需要全面掌握軟弱結(jié)構(gòu)的具體特點及施工難點，才能夠根據(jù)實際情況采取科學(xué)合理的支護(hù)施工技術(shù)，提升軟弱結(jié)構(gòu)條件下支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果，從而為后續(xù)隧洞開挖施工提供有利條件。

1 軟弱結(jié)構(gòu)特點分析

1.1 工程概況

本文以青海省引大濟(jì)湟北干二期支渠工程項目為例，在該項目施工過程中，設(shè)計引水隧洞6座，總長度為5 018 m，其中最長的隧洞為1 433.5 m。該工程項目的地質(zhì)條件為卵礫石、黃土、粘土巖。在本次施工過程中選擇兩條隧洞進(jìn)行深入分析，其中一條隧洞長度為1 433.5 m，屬于長隧洞，為第四系高階地沖洪積卵礫石層，該層砂礫石厚度大，分布連續(xù)，微膠結(jié)，為泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，砂礫石透水性較強(qiáng)，無地下水活動或活動輕微。另一條隧洞長度為448.39 m，為短隧道，隧洞進(jìn)口和洞身段為第四系高階地沖洪積卵礫石層，該層砂礫石厚度大，微膠結(jié)，為泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，砂礫石透水性較強(qiáng)；出口段為風(fēng)積黃土，厚度約15 m，該黃土地基濕陷等級為Ⅲ級。兩條隧洞的圍巖類型均為V類圍巖。隧洞斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.78 m×2.84 m（寬×高）。

在隧洞初期支護(hù)過程中，需要利用間距80 cm鋼拱架（H140 mm×80 mm）、波浪形噴射混凝土加鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，噴射厚度為10 cm。鋼筋網(wǎng)片采用Ф8 mm鋼筋，網(wǎng)片規(guī)格尺寸為20 cm×20 cm；邊墻拱架設(shè)鎖腳錨桿，錨桿采用Ф18 mm鋼筋，長度1.5 m，間距80 cm，如圖1所示。

在支護(hù)施工過程中，需要根據(jù)施工現(xiàn)場進(jìn)行確定具體的施工流程，見圖2。

1.2 軟弱結(jié)構(gòu)變形機(jī)制

一般情況下，軟弱圍巖隧洞在開挖過程中圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化是導(dǎo)致圍巖變形的重要原因。圍巖應(yīng)力狀態(tài)受圍巖力學(xué)參數(shù)、支護(hù)力的影響相對較大[1]?，F(xiàn)階段，在隧洞施工中更加重視以鋼拱架和噴射混凝土為主形成初期支護(hù)和二次襯砌的支護(hù)體系。這一支護(hù)體系雖然可以為圍巖提供有效的支護(hù)力，但會導(dǎo)致圍巖無法發(fā)揮其自身承載能力，圍巖變形也比較大，存在較多安全隱患。

導(dǎo)致軟弱圍巖應(yīng)力變化的因素較多，圍巖自身的力學(xué)特性和開挖施工過程中的擾動情況及支護(hù)類型等都會對圍巖的變化產(chǎn)生一定影響。軟弱圍巖變形是比較復(fù)雜的力學(xué)演化過程。在隧洞開挖過程中，如果產(chǎn)生較大振動，圍巖應(yīng)力狀態(tài)會出現(xiàn)變化，導(dǎo)致圍巖物理力學(xué)參數(shù)降低，使圍巖變形。圍巖變形會使圍巖裂隙擴(kuò)張，如果受地下水影響，會導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

對軟弱圍巖變形機(jī)制進(jìn)行分析，可以明確開挖后圍巖力學(xué)參數(shù)降低、支護(hù)力提供不及時等情況會對圍巖的穩(wěn)定性和承載力產(chǎn)生直接影響。因此，在開展軟弱結(jié)構(gòu)下支護(hù)施工過程中也要從這兩方面出發(fā)，保證支護(hù)體系的合理性，提高軟弱圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 隧洞支護(hù)開挖施工意義

在隧洞建設(shè)過程中開挖支護(hù)是保證工程建設(shè)順利進(jìn)行的重要基礎(chǔ)。隧洞建設(shè)一般是在一些地質(zhì)條件比較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行，有效的支護(hù)技術(shù)是確保隧洞工程安全施工的重要手段。在隧洞施工過程中，需要從巖層的本身特性出發(fā)進(jìn)行分析，如果巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較差，特別是存在一些已經(jīng)被破壞的巖層，在隧洞施工之前需要進(jìn)行支護(hù)施工[2]。

一般情況下，會利用鋼架作為支護(hù)材料，鋼架的適應(yīng)度和剛性都比較強(qiáng)，應(yīng)用鋼架結(jié)構(gòu)可以確保工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。之后利用混凝土進(jìn)行噴射施工，可以提高巖層結(jié)構(gòu)的承載力。在施工初期混凝土作為可塑性比較強(qiáng)的材料，可以充分填充鋼架及巖石之間的縫隙，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)的牢固性得到有效提升，從而保證施工安全。一般在支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝完成后還要進(jìn)行全面檢查，要根據(jù)支護(hù)工程的安裝順序和結(jié)構(gòu)特點開展全面檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并快速處理，這樣能夠在最大程度上確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高對軟弱結(jié)構(gòu)的處理效果，保證隧洞開挖施工作業(yè)安全穩(wěn)定進(jìn)行。

3 軟弱結(jié)構(gòu)條件下常用支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 鋼架支護(hù)施工技術(shù)

在軟弱結(jié)構(gòu)條件下開展支護(hù)施工作業(yè)時，鋼架支護(hù)技術(shù)是其中的應(yīng)用要點。在鋼架支護(hù)完成后，利用噴射混凝土進(jìn)行加固，有助于提高鋼架結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的穩(wěn)定性。該支護(hù)技術(shù)主要是在具有一定自穩(wěn)性的巖層中進(jìn)行施工。若巖層的穩(wěn)定性比較差，鋼架支護(hù)施工技術(shù)的施工難度會有所增加。此外，鋼架支護(hù)施工技術(shù)本身具有一定的安全風(fēng)險，為了降低這一安全風(fēng)險，保證在隧洞開挖支護(hù)過程中的安全水平，需要加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制工作，在對該支護(hù)體系進(jìn)行應(yīng)用之前，需要對施工區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對施工區(qū)域的地質(zhì)條件和水文條件進(jìn)行全面把控，判斷是否可以應(yīng)用鋼架支護(hù)施工方案[3]。

在鋼架支護(hù)施工過程中還要加強(qiáng)鋼架制作質(zhì)量管理工作，保證鋼架的每一個節(jié)點或弧度與設(shè)計要求相符合，要進(jìn)行分節(jié)焊接。在對鋼架節(jié)點進(jìn)行連接時，以高強(qiáng)螺栓為主。為了確保鋼架和圍巖之間的適應(yīng)性，還需要用混凝土填補(bǔ)鋼架與圍巖之間的空隙。這樣才能夠?qū)鷰r的形狀和穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制，同時提高支護(hù)體系的整體承載力。

3.2 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿支護(hù)技術(shù)在應(yīng)用過程中需要根據(jù)實際施工需求對不同類型的錨桿進(jìn)行科學(xué)選擇。砂漿錨桿在施工前需要先完成孔位標(biāo)注工作，并進(jìn)行鉆孔和孔洞清潔作業(yè)。之后在孔洞內(nèi)注入砂漿，插入固定錨桿，將錨桿墊板和螺栓安裝完成后可以形成錨桿支護(hù)體系。但是在實際施工中，錨桿支護(hù)設(shè)計方案易與施工現(xiàn)場之間存在差異，主要是在施工階段和設(shè)計階段本身會存在一些不同。設(shè)計圖紙是為施工提供依據(jù)的，但是在具體的施工作業(yè)中，受地質(zhì)條件和外部自然環(huán)境的影響，可能會遇到設(shè)計圖紙無法有效發(fā)揮作用的情況，此時需要根據(jù)施工現(xiàn)場情況對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整和更改，確保設(shè)計數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)相符合，防止出現(xiàn)安全隱患，提升支護(hù)施工的合理性。

4 安全防護(hù)棚施工技術(shù)

安全防護(hù)棚施工技術(shù)主要是在圍巖結(jié)構(gòu)軟弱、不穩(wěn)定的條件下進(jìn)行隧洞開挖時，拱頂易出現(xiàn)坍塌、掉塊問題，存在較大的安全隱患。一般情況下，在隧洞開挖過程中，會對圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致本身并不穩(wěn)定的圍巖出現(xiàn)脫落、坍塌等問題。對安全防護(hù)棚進(jìn)行有效運(yùn)用可以減少這一類安全隱患，確保施工人員的人身安全，同時能夠提高隧洞開挖效率。

需要注意在安全防護(hù)棚操作過程中，其雖然能夠有效抵抗拱頂存在的安全風(fēng)險，但是防護(hù)棚對隧洞內(nèi)部的空間有一定要求。如果洞身斷面本身比較小，安全防護(hù)棚在應(yīng)用過程中還要占用一定空間，會導(dǎo)致作業(yè)空間受到限制，可能影響施工進(jìn)度。如果安全防護(hù)棚比較重，不方便移動和安裝，會導(dǎo)致安全防護(hù)棚的應(yīng)用效益下降。如果防護(hù)棚使用的材料不合格，會對防護(hù)棚的防護(hù)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。安全防護(hù)棚的具體施工效果見圖3。

4.1 開挖防護(hù)技術(shù)要點

軟弱結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行開挖施工作業(yè)時，需要根據(jù)工程項目的實際情況和經(jīng)濟(jì)效益制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕し桨?。該工程在施工過程中，長隧洞主要利用銑挖機(jī)進(jìn)行開挖、短隧洞以人工開挖為主。

1）人工開挖要點。在人工開挖過程中，需要加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用，對各種開挖工具進(jìn)行科學(xué)應(yīng)用。在人工開挖時，可以配合風(fēng)鎬保證開挖效率。在具體的開挖施工作業(yè)中，上部圍巖變化預(yù)測難度相對較大，隧洞拱頂以上部位可能會出現(xiàn)坍塌和掉塊問題，影響施工效率，甚至威脅施工人員的人身安全。為了防止出現(xiàn)意外事故，要利用科學(xué)合理的措施為施工人員提供安全可靠的施工環(huán)境。在本次施工過程中，安全防護(hù)棚技術(shù)是主要技術(shù)要點。除了常規(guī)支護(hù)技術(shù)之外，對安全防護(hù)棚技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時，需要利用鋼管、鋼筋、底托進(jìn)行施工。在實際操作時，需要先利用4根φ60 mm鋼管作為鋼管底部完成底托安裝作業(yè)，之后在φ60 mm鋼管內(nèi)安裝φ42 mm鋼管形成立桿，然后將φ12 mm鋼筋按照0.1 m×0.1 m的間距焊接成弧形網(wǎng)片，并與立桿進(jìn)行連接。這樣可以形成具有升降功能的防護(hù)罩。在立桿底部順著隧洞的方向需要利用角鋼進(jìn)行連接，可以提高安全防護(hù)棚的穩(wěn)定性。在立桿上還可以設(shè)置卡扣進(jìn)行升降。安全防護(hù)棚施工方法見圖4。

2）銑挖機(jī)開挖作業(yè)。在對長隧洞進(jìn)行開挖施工時，主要利用銑挖機(jī)進(jìn)行開挖，可以提高開挖效率。銑挖機(jī)施工時，可以在無支護(hù)的掌子面進(jìn)行開挖，但操作室需設(shè)在有支護(hù)的安全范圍內(nèi)，以保證軟弱結(jié)構(gòu)坍塌不會威脅操作人員的人身安全，可以提高開挖作業(yè)的安全水平和開挖效率。

4.2 安全支護(hù)技術(shù)要點

在初期支護(hù)前施工人員會暴露在無任何防護(hù)措施的隧洞內(nèi)，為了縮短鋼拱架和網(wǎng)片的安裝時間，減少對施工人員人身安全的威脅，需要利用安全防護(hù)棚進(jìn)行防護(hù)，以防止人員傷亡事故。一般開挖作業(yè)完成后需要立拱架，要先將安全防護(hù)棚就位降落到低位，方便人工將鋼拱架放置在防護(hù)棚的外圈卡槽內(nèi)，然后將鋼拱架連接筋和鋼筋網(wǎng)片根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行焊接，之后將防護(hù)棚的立桿部位進(jìn)行上抬，確保立桿升到拱架需要的設(shè)計位置后，通過卡扣固定立桿，操作人員在防護(hù)棚下安裝邊墻拱架，與拱部拱架進(jìn)行連接，從而形成受力環(huán)，隨后人工完成兩側(cè)邊墻鋼筋網(wǎng)片的安裝。

5 結(jié)語

在軟弱結(jié)構(gòu)下開展支護(hù)施工作業(yè)時，需要根據(jù)工程項目的具體情況對安全支護(hù)技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用。在本次施工過程中，為了保證開挖支護(hù)作業(yè)順利進(jìn)行，主要利用安全防護(hù)棚降低在隧洞開挖和支護(hù)過程中存在的安全風(fēng)險，對提高施工人員的安全保障具有積極作用。需要注意在安全防護(hù)棚施工過程中，盡量利用高強(qiáng)度輕重量的材料，同時利用卡扣實現(xiàn)防護(hù)棚的升降功能，以方便進(jìn)行操作。在隧洞開挖支護(hù)過程中，應(yīng)將銑挖機(jī)開挖和人工開挖進(jìn)行有效結(jié)合，在提高施工效率的同時，降低安全風(fēng)險。

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