祁会芳 王世宇 孙东晓
川气东送管道工程西起川东北普光首站,东至上海末站,是继西气东输管线之后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉。管道干线自西向东途经四川、重庆、湖北、安徽、浙江、上海四省两市,全长约1 700 km,管道沿线所经地貌段大致分为沟谷单元、山地单元、河流穿越单元和其他不良地质段。
下面以川气东送管道工程为例,谈一下天然气管道工程隧道工程主要不良地质现象及治理措施,请专家、同行指正。
川气东送天然气管道隧道工程主要不良地质现象有松散地层、不良地质构造、溶洞、煤系瓦斯地层、采空区等。
松散地层结构松散、胶结弱、稳定性差,在施工中易发生坍塌。
1)超前锚杆或超前小导管:爆破前,将超前锚杆或小钢管打入掘进前方稳定的岩层内。
2)管棚:适用于围岩为砂黏土、粘砂土、亚黏土、粉砂、矽砂、砂夹卵石等非常松软、破碎的土壤。管棚长度根据地质情况确定。
对于极其松软、破碎、软塑地层,或有大量涌水的软弱地段以及断层破碎带的隧道,通常采用小导管注浆固结地层。
对于埋深较浅的隧道可在地面进行预注浆。
开挖完成后立即架设钢拱架能阻止围岩过度变形,提供较大的早期支护刚度,钢拱架支撑可很好的与锚杆、钢筋网、喷射混凝土合理组合,构成联合支护,增强支护功能的有效性,且受力条件较好,对隧道断面变形的适应性好。
不良的地质构造包括断层、裂隙、破碎带等,对于一般的地质构造带,按照软弱围岩进行施工、支护。但有些地质构造带富含水或与地上水、地下水有联系,需要认真对待。对于此类情况要做好“探水”和“堵水”。
开挖过程中对部分地段实施了超前钻探。根据工程地质条件及施工期间长江水位状况,探水距离一般为30 m~50 m。
在隧道施工中,根据钻探出水情况确定堵、排水方案。为节省投资,对于量少而清澈的出水,不危及围岩稳定和施工安全的,可以通过排水设施排走。对于水量较大、危及施工安全或者水量虽小但较混浊,可能通过裂隙与江水导通的出水,则必须注浆堵水。注浆堵水根据水量大小可采用长导管注浆或小导管注浆。
隧道在溶洞地段施工时,应根据地质详勘资料及现场实际,查明溶洞分布范围、类型情况(大小、有无水,溶洞是否在发育中,以及其填充物)、岩层的稳定程度和地下水流情况(有无长期不进来源、雨季水量有无增长)等,分别以引、堵、越、绕等措施进行处理。
1)当暗河和溶洞有水流时,宜排不宜堵,在查明水源流向及其与隧道位置的关系后,用暗管、涵洞、小桥等措施,宣泄水流或开凿池水洞,将水排出洞外。2)当水流的位置在隧道上部或高于隧道时,应在适当距离处开凿饮水斜洞(或引水槽),将水位降低到隧道底部位置下,再行引排。
1)对已停止发育、跨径较小、无水的溶洞,可根据其余隧道相交的位置及其充填情况采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭,根据地质情况决定是否需加深边墙基础。
2)隧道拱以上空溶洞,可视溶洞的岩石破碎程度采用喷锚支护加固,或加设护拱顶回填的办法处理。
当溶洞较大较深,可采用板、梁、拱、桁架等方式跨越,但两端或拱座位置与稳固可靠的基础上,必要时用圬工加固。
施工中遇到一时难以处理的溶洞时,可采用迂回导坑绕过溶洞继续进行隧道施工,再行处理溶洞。
瓦斯地层施工的主要措施:1)隧道穿越瓦斯逸出地段,应预先确定瓦斯探测方法,并制定瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。2)隧道采用全断面开挖。3)加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的方法。隧道施工中必须采用机械通风,通风设备必须防止漏风,并配备备用的通风设备。4)若瓦斯排放量较大,使用一般的措施难以稀释到安全标准,可使用超前全封闭注浆。5)开挖后要及时喷锚支护,并保证其厚度,以免漏气和防止围岩失稳。6)施工中采用的设施均为防爆设施。7)严格执行有关规章制度。
在选线时由于初勘资料不足,再加上有些道路的详勘工作跟不上,致使隧道在施工过程中穿入采空区。特别是富煤地区浅部大多有小煤窑采空区存在,如果施工前探查不清,施工准备不足,穿入采空区将给施工带来一定的困难。
隧道穿越采空区时的施工对策主要有:1)超前预测预报。2)采空区位于隧道洞身上方。当采空区位于洞身上方,特别是近水平、缓倾斜的采空区且距隧顶较近时,必须采用加强支护,即在隧道拱部设管棚,管棚用格栅钢架支撑。3)采空区位于隧道横断面中部。当采空区横跨隧道中部,在隧道断面范围的采空区,采煤时所充填的弃土、矸石将被挖除,而两端塑性区范围内的空区,应换填密实的片石、块石,再用水泥砂浆浇筑,或用素混凝土充填,以便提高隧道开挖后所形成的塑性区范围内的支撑强度,防止出现大的变形。4)采空区位于隧道断面内顶部与底部。当隧道在倾斜、急倾斜、薄及中厚煤层穿过时,采空区将位于隧道断面内的顶部与底部,顶、底部应分别治理,拱部应系统设置小导管管棚,管内应注入C20水泥砂浆。5)采空区位于隧道底板以下。采空区位于隧道底板以下,未在隧道断面内出露,但距隧道底部较近时,可在隧道内钻孔注入水泥砂浆,提高采空区原充填料的强度,以防止隧道下沉。当隧道内施工条件允许时,也可采用旋喷桩固结隧道底岩体,这种措施也可取得良好的加固效果。当采空区距隧道底部较深,一般超过15 m以上时,这时在洞内钻孔注浆,往往施工难度较大,且很不经济,不仅注浆量增大,同时也延误工期。如果条件允许,根据隧道所处的地形地貌,可在隧道侧掘一小平峒或小斜井,在平峒、斜井侧向隧道采空区内注浆加固。
治理范围的确定:治理范围包括采空区治理长度和采空区治理宽度。治理长度是以采空塌陷区沿路线延伸方向的边界为起点所确定的长度,治理宽度为路基宽度+围护带宽度+路基两侧按应力扩散角所确定的边界宽度。
[1]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].
[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技术规范[S].
[3]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[4]GB 50086-2001,锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].
[5]GB 6722-2003,爆破安全规程[S].
[6]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[7]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].
[8]GBJ 50017-2003,钢结构设计规范[S].