某隧道施工支护技术研究

岳英龙,兰传波,李新永

(1.山东德林工程项目管理有限公司;2.烟台平安路桥工程检测有限公司)

1 工程概况

1.1 隧道工程区地质构造

某隧道工程位于潘家山复式(背斜)褶皱构造的北东翼,娄山关大断裂的南西面,距娄山关大断裂约 1.0km,走向西北,倾向西南,倾角 80°,受大断裂影响,隧道工程区内断层相对较发育。其中 F1断层(龙井坡断层)为纵断层,位于隧道南西面,距右幅隧道 45～230m,断层走向 150°～190°,断层倾向 258°左右,倾角 73°,为逆断层。 F2断层为一北东向横断层,在隧道右幅 K89+440,左幅 K89+400地表处斜交穿过隧道,断层倾向 126°,倾角 78°,为逆断层。

此外,区内小型压缩性错断、节理均较发育,岩石结构面呈舒缓波状或直线状,但挤压破碎带不明显,被结构面所切割的岩体大小不一,形状各异。

1.2 隧道工程区岩体结构

受断层影响,在断层附近的局部岩层地层产状变化较大。除构造作用,岩石表面风化作用强烈,风化节理、微节理、隐节理等次生结构面较发育,风化节理长多在 0.05～2.00m之间,节理产状为 190°∠80°、270°∠80°,均垂直于层面或平行于层面,相互切割使岩石呈破裂状结构、镶嵌状结构;而微节理则发育其间,纵横交错,一般长度 0.05～0.2m,间隔 2～4cm,多成组出现;隐节理则发育与风化节理切割的岩块中,岩石受力后即沿节理面破裂。经强风化作用后岩石呈砂屑状或碎屑状。

1.3 隧道工程区水文地质条件

隧道工程区白云岩、泥质白云岩、角砾状白云岩和泥质粉砂岩均为透水层,由于断裂构造的影响,区内地下水除受大气降水补给,部分渗入基岩,形成基岩裂隙水外,还部分接受 F1断层上盘地下水的渗入,地下水较丰富。区内地下水埋藏较浅,钻孔揭露水位均在隧道顶板之上。

2 初期支护

2.1 锚杆支护

某隧道采用 Φ22砂浆锚杆、RD25N中空注浆锚杆和R25N自进式锚杆。根据地质情况,在Ⅱ类围岩采用RD25N锚杆间距 60cm×80cm,锚杆长度 350cm;Ⅲ类围岩 RD25N锚杆间距 80cm×100cm,锚杆长度 300cm;Ⅳ类围岩RD25N锚杆间距 120cm×120cm,锚杆长度 250cm;Ⅴ类围岩只在拱部施设 RD25N锚杆间距 150cm×150cm,锚杆长度 250cm。原设计在破碎围岩带采用径向 R25N自进式锚杆代替中空锚杆。但考虑锚杆的锚固力主要取决于锚杆和锚固材间的附着力和锚固材与围岩间的附着力,而自进锚杆对周围围岩的加固作用有限,尤其是对于节理裂隙极为发育的破碎围岩带,加固效果一般,在施工中以普通砂浆锚杆代替。

2.2 喷射混凝土

喷射的混凝土采用提高喷混凝土的早期强度、增加厚度和采用湿喷混凝土施工工艺可以大大提高喷混凝土的质量。

(1)材料及配合比

采用 P.O32.5R水泥,每立方 460kg;砂为机制砂,表观密度 ρ′s=2.745×103kg/m3;碎石最大粒径 dmax=16mm,表观密度 ρ′G=2.669×103kg/m3;AJ型速凝剂掺量 3.5%。C20喷射混凝土配合比,每立方米喷射混凝土材料用量为m水泥∶m速凝剂∶m砂∶m石=460∶16∶1∶745∶745。

(2)施工工艺

准确计量各种材料,减少误差。延长混凝土搅拌时间不少于 60s。安装喷射机后启动送风加料,待混凝土喷出后加速凝剂,控制风压,减少回弹和堵管。

暂停时,先关闭速凝剂计量泵,停止加料,待残留混凝土及速凝剂被吹净后停风关机。

喷射前处理欠挖,用风清洗岩面。连续上料保持机桶内料满。纵向喷射 1.5～3m(开挖进尺)一段,先拱后墙喷射;每次喷射宽度 1.5～2m,喷射时自下部水平方向旋转喷射并采用旋转相叠和行见相叠(搭接 10～15cm),然后向上喷射,超挖部位补喷平整。喷嘴距岩面1.2m左右且尽量垂直与岩面。每次喷射混凝土厚度控制在 6cm左右,最后补足厚度并保证喷射表面平整。喷射后在混凝土表面适当以小水压力喷湿表面养护不少于 3d。

2.3 格栅与型钢拱支护

本隧道在Ⅱ类、Ⅲ类围岩段分别采用钢筋格栅钢架或工字钢拱架加强初期支护,和喷射混凝土共同受力发挥其承载作用。工字钢拱架用纵向连接钢筋连接架设后可以立即发挥其作用,但是在喷射混凝土时其背部易出现空隙,其安装和加工较困难,与混凝土共同受力后易出现裂缝;格栅钢架加工安装较容易,与围岩密贴和混凝土结合良好,容许围岩适度变形,但不能立即承载,格栅钢架刚度随混凝土强度的提升增大,提供的支护阻力随之增大,造价较低。

洞口浅埋偏压段、Ⅱ类围岩段和破碎带围岩采用 20b工字钢拱架、间距 60cm、纵向用 Φ22钢筋连接,形成刚性拱架,可作临时支撑承受较大的围岩压力同时作为超前小导管的支撑构件。由于此类围岩开挖采用上下断面分部开挖的方案,在拱架制作时宜分节段制作加工安装,上半断面分成 3节,边墙分2节,共5节;安装时用楔块使拱架与围岩楔紧,上半断面拱脚处采用扩挖成马蹄喷射混凝土补足,使拱脚牢固。

Ⅲ类围岩段采用钢筋格栅钢架,根据实际地质情况间距分别为 80cm、100cm和 120cm,纵向用 Φ22钢筋连接。格栅与锚杆焊接后迅速喷射混凝土以形成联合支护。

格栅钢架或工字钢拱架架立前检查开挖断面和隧道中线合格后立即架设,并保证位置准确,连接牢固,与围岩间的空隙不小于 4cm用楔块楔紧,每榀楔块不少于 13处,喷射混凝土要保证密实,在钢架或拱架处适当增加喷射厚度,以加强其承载力。

3 超前支护

为保证掌子面稳定采用超前支护的方法。龙井隧道进口段以及紧急停车带采用超前水平砂浆锚杆支护,仰角 5～100,长 250cm,环距 30cm,每环 36根,150cm一环。出口段采用超前 Φ42小导管注水泥浆支护,长 450cm,仰角 10～150,环距 40cm,240cm一环。超前砂浆锚杆或小导管均以格栅钢架或工字钢拱架作为支撑构件并焊接牢固,利用其抗弯刚度改善掌子面前方围岩状况,从而稳定围岩。水平砂浆锚杆采用先灌后锚保证灌入砂浆饱满密实。小导管在管壁四周钻 Φ8mm小孔,作为压浆孔,钢管前端加工成尖锥形,尾部焊加劲箍;用风枪钻眼,清孔后大锤打入,采用 UBJ3型挤压式灰浆泵注水泥浆。

4 塌方治理

该隧道地质构造复杂,节理裂隙发育,地下水丰富以及断层破碎带影响,在施工阶段出现了多次塌方,其中以右线YK89+000～YK89+030段塌方规模较大,塌方后塌方拱部呈平屋顶倒漏斗形,影响范围隧道纵向 18m、横向 16m、塌方高度 12m,塌方数量达 3500m3。

4.1 分析

经多次到现场调查和研究,认为龙井隧道出现的多次塌方事故主要有以下原因。

(1)该隧道地质情况较复杂,岩层缓倾角薄层层理构造发育,岩性以强—中风化白云岩和泥质白云岩为主,岩石破碎,节理裂隙发育,层间夹泥,有地下水渗出,致使岩层间结合力降低,引起拱部失稳、坍塌,塌方段围岩类别鉴定为弱Ⅲ类。

(2)从进口到出口由低渐高并在隧道中部与隧道轴线相交有一泥质砂岩层,岩层厚度 30～80cm,实际地质情况与设计提供的地质报告有出入。原设计泥质砂岩层与隧道轴线相交里程在 K89+040范围,影响长度到 K89+265;根据地质雷达预测掌子面前方围岩情况报告和开挖后掌子面地质情况,其相交里程在 K88+900,影响范围到 K89+350。

4.2 处理方案

本着安全、快速、保质的原则处理塌方,见图 1。

图 1 塌方治理图

(1)根据现场情况及时确定塌方治理方案并形成工地会议纪要为变更索赔提供依据。

(2)先加固未塌方段,采用以下两种方案。

其一,二衬距塌方较远时采用增加喷射混凝土厚度和注浆小导管对未塌方拱部和边墙进行加固,根据情况采用超前小导管注浆加固靠近塌方段围岩。

其二,二衬靠近塌方段时,抓紧施工二次衬砌,以防止塌方的进一步扩大。

(3)充分利用围岩塌方后处于一种相对的暂时稳定的状态,抓紧时间处理塌方。在塌方内沿塌方面施工初期支护。

(4)为防止再次塌方对二次衬砌造成较大压力,在塌方内设片石混凝土护拱,拱脚 2m、中部 1.5m,预留通道作为护拱背部回填 1.5m厚土石缓冲层的通道;预埋排水管和隧道环向排水系统连接通过纵向排水系统排除地下水;预留注浆管衬背注浆。

(5)由洞外向里清渣。

(6)设置防水层,预留注浆管,连接环向排水管和塌方内排水管。

(7)安装衬砌钢筋,进行二次衬砌。

(8)衬背注浆。

5 岩溶洞治理

该隧道岩溶发育,在左洞 ZK89+551.45段出现一较大溶洞。该溶洞在行车前进方向左侧,从拱脚以上 80cm处到拱顶,线路方向长度 12m,洞内有水流出。该段已进入断层破碎带。经过现场调查和研究,针对龙井隧道岩溶较发育的情况,采取了以超前小导管注浆加固和超前支护,同时挖除洞内淤泥,预埋引水管,增加排水盲沟数量(原设计 10m一道,调整为 3m一道,调整范围隧道长度 20m),并将软式透水管盲沟变更为无纺布盲沟,见图2。

图 2 无纺布盲沟施工图

超前小导管(见超前小导管布置图)采用 Φ42mm、δ=3mm钢管加工制作,小导管长 450cm,花管部分长 350cm。除正洞按照变更设计要求(每循环 240cm间距,环距40cm)施作小导管超前预注浆加固外,在溶洞范围前后加3m(3+12+3=18m)采取径向注浆补强,特别是在溶洞到边墙底范围采取注浆加固改良底部围岩。径向注浆采用注浆花管进行全孔一次性由下到上注浆,径向间距 ×纵向间距 =40cm×240cm。底部注浆加固改良采用上述钢花管垂直打入,布设间距：横向 ×纵向 =40×120。初始注浆压力0.5～0.6MPa,终压 1.2～1.5MPa,终压时保持一定压力持续时间为 3min;注浆材料采用单液水泥浆。

图 3 超前小导管布置图

该段初期支护和二次衬砌加强,初期支护采用 20b型钢拱架间距60cm,纵向Φ22钢筋连接。二次衬砌厚度60cm,内设双层钢筋。

6 破碎带施工方案

受F2断层影响,破碎带内岩石节理裂隙发育,容易引起掉块和小塌方,对隧道稳定性有一定影响。隧道地下水主要有上层滞水和孔隙潜水,溶洞水,破碎带内含水丰富,对隧道危害极大。根据地质雷达预报掌子面前方和勘察掌子面围岩情况,综合判定该围岩类别为弱Ⅲ类。采用台阶法开挖,短进尺(每循环进尺不大于 120cm)、弱爆破、强支护以及加快二次衬砌进度,保证二衬距掌子面不超过 100m。

(1)超前小导管注浆超前加固,用 UBJ3型挤压式灰浆泵由下往上进行一次性压浆。

(2)初期支护采用 20b型钢拱架间距 60cm,纵向 Φ22钢筋连接,Φ8钢筋网片,网眼尺寸 20cm×20cm,喷射混凝土 24cm,径向 RD25N锚杆长 350cm,纵向 ×环向间距=60cm×80cm,与型钢拱及钢筋网焊接牢固,保证支护共同受力。

(3)二次衬砌厚度 60cm,内设双层钢筋。

(4)加强现场监控量测,重点放在对拱顶下沉、型钢拱内力、周边收敛量测等项目上。

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[1]公路隧道施工技术规范,人民交通出版社 .

[2]中国锚固与注浆工程实录选.岩土锚固与注浆技术专业委员会.科学出版社.