插筋纵梁在温州赵山渡引水工程隧洞开挖中的应用

卢学文

1 概 述

赵山渡引水工程是国家重点工程,许岙隧洞进口位于浙江省瑞安市篁社镇村口村,隧洞呈城门洞形,高 4.1m,宽4.5m,其进口洞脸及两侧边坡地质条件极差,在整个引水渠系中,像这样地质条件的洞口不止一个,其它一些洞口采用传统方法开挖先后发生了坍塌事故,但许岙隧洞进口采用笔者介绍的方法开挖却取得了成功,其中插筋纵梁与减震爆破相结合并辅以格栅钢架及临时混凝土衬砌的施工方法是隧洞进口掘进成功的关键。

该隧洞进口明挖完成后,出露的洞脸及两侧边坡地质条件极差,洞顶以上覆盖层厚 24.3m,其中地表土层厚 1～3m,为残坡积层,岩性为黄褐色粉质粘土夹碎块石,坡积土以下为灰紫色全风化晶屑玻屑熔结凝灰岩,洞脸纵横节理发育,泥质充填,属土质围岩,极不稳定。整个覆盖层透水性极强,坡脚有地下水渗出。

2 插筋纵梁的应用

2.1 选择插筋纵梁的原因

在土质围岩中打超前锚杆很困难,皆因:

(1)钻孔时钻杆易卡住,很难拔出;

(2)孔内注浆或填装锚固剂困难。钻杆拔出后,孔内立刻会被孔内小石等堵住,需反复吹孔,其结果是孔越吹越大,注水泥砂浆或填锚固剂很难注满,钢筋与上部孔壁是脱开的,这些均已被工程实践所证实;

(3)安装超前锚杆时间太长。

相比之下,安装插筋纵梁就容易得多,只需将孔钻好,将钢筋直接插入或用大锤辅助打入即可,无需注浆或填锚固剂,经济方便,更重要的是为格栅钢架安设和临时衬砌争取了时间。

2.2 插筋纵梁的工作原理

插筋纵梁的工作原理见图 1,其作用为:

(1)临时支护作用。插筋纵梁是指两端具有支点的、沿洞轴线方向插入的近水平钢筋,作为纵向梁使用。以拱圈混凝土或格栅钢架为一个支点,前方未开挖围岩为另一个支点,形成简支梁承受围岩压力,以防止掘进时顶拱围岩失稳塌落,为临时支护、衬砌争取时间。

(2)悬吊作用。爆破后,插筋纵梁杆体大部分出露,格栅钢架安设时,用铁丝绑扎或焊接于出露的插筋纵梁杆体上,起悬吊作用。

图1 插筋纵梁工作原理示意图

2.3 插筋纵梁的设计参数

(1)材质。一般选用 φ18～25螺纹钢;

(2)长度。由插筋外露端长度 L1、设计单循环进尺 L2、未开挖岩体内插入长度 L3三部分组成(图 2)。插筋外露长度 L1由格栅钢架到开挖面的距离确定,一般为 50～70cm;单循环进尺 L2,一般为 70～100cm;未开挖岩体内的插入长度L3,一般为 70～80cm,故插筋纵梁长度以 190～250cm为宜。

(3)插入角度。应尽量采用小角度插入以减少超挖,一般应控制在 5°～10°。

2.4 插筋纵梁的安装

图2为插筋纵梁安装示意图,图中 1为格栅钢架,2为插筋纵梁与格栅钢架焊接点,3为假定的爆破后开挖面。准备掘进前,先预设插筋作为纵梁,其外露端浇入混凝土拱圈内或砌入浆砌石内,另一端插入土质围岩中。

图2 插筋纵梁安装示意图

2.5 插筋纵梁的经济意义

插筋纵梁的施工比打超前锚杆省时、省力、省钱,同时由于悬吊作用的应用,省掉了大量悬吊格栅钢架的径向锚杆,从而节约了大量资金。因此,插筋纵梁的应用具有重要的经济意义。

3 洞口开挖施工

3.1 坡面处理

首先对洞顶覆盖层进行了卸荷处理,以减小山岩压力对成洞的影响。洞脸及两侧边坡按土层1∶1.25、全风化层 1∶1的坡比进行了人工削坡,削成的坡面平整、光滑,坡面上喷 3～5cm厚的混凝土,封闭坡面,以防地表水下渗加速围岩风化。在洞脸上部马道坡脚及岩土交界处,各设一排直径50mm、孔深 3.5m的排水孔。

3.2 开洞口前的准备

沿洞脸坡脚处继续向前开挖,开挖宽度在原设计宽度基础上两侧各加宽 80cm;开挖高度比原设计高出 50cm即可。在拱顶设计开挖线外20cm,平行于设计开挖线布设两排水平超前插筋,间距 40～50cm、排距 60～70cm。插筋采用φ18螺纹钢,长 400cm,外露 50cm,孔内 350cm。钢筋直接插入孔内,不需注入砂浆或锚固剂。隧洞两侧在设计开挖线外用 C7.5浆砌块石砌成原开挖坡面坡度,要求与岩面顶紧。拱顶设计开挖线外立模浇筑厚 50cm、宽100cm的混凝土圈,拱圈基座为两侧浆砌石,要求拱圈与洞脸岩面接触良好,并将超前插筋外露端浇入混凝土拱圈中。由于洞口处设计开挖线外围岩仅厚 50cm,为防止开挖爆破时冒顶,以拱圈为基础沿洞脸坡面砌筑高 120cm、厚 100cm的 C7.5浆砌块石压顶,并将超前插筋外露端砌入砌石中。

3.3 进洞开挖施工程序

(1)自洞脸或开挖面在设计开挖线外 20cm,向前方开挖围岩中钻孔,插入钢筋(φ18～25);

(2)进行减震爆破;

(3)人工修整出拱顶安设格栅钢架所必须的空间(设计开挖线外 20cm),并将插筋纵梁杆体剥出;

(4)将格栅钢架点焊(或绑扎)于剥出的钢筋上;

(5)超前钻孔插入钢筋并将外露端焊于格栅钢架上;

(6)沿设计开挖线支立简易拱圈模板并进行C15混凝土临时衬砌;

(7)出碴;

(8)钻凿减震爆破孔,待临时衬砌养护 12h后爆破,重复以上步骤,直至进入地质条件较好的洞段;

(9)进入地质条件较好洞段后,在拱圈保护下,交错开挖两侧墙并临时衬砌边墙。

3.4 实施效果

赵山渡引水工程隧洞进口洞脸及两侧边坡地质条件极差,在整个引水渠系中,像这样地质条件的洞口不止一个,其它一些洞口采用传统方法开挖,先后发生了坍塌事故,但许岙隧洞进口采用插筋纵梁的方法开挖却取得了成功。实践证明:在地质条件比较差的围岩中进行超前支护时,以插筋纵梁取代超前锚杆是可行的,能够符合一次支护安全要求。

4 结 语

许岙隧洞进口开挖工程实践证明,在土质围岩中,以插筋纵梁取代超前锚杆是完全可行的,同时辅以减震爆破具有更好的效果。这种插筋纵梁与减震爆破相结合的特殊施工方法是在极不稳固土质围岩中隧洞口开挖的一种安全、经济、快捷、可靠的方法。

[1] 水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册(第 2卷施工技术)[M].北京:水利电力出版社,1990.

[2] 中国力学学会工程爆破专业委员会.爆破工程(上)[M].北京:冶金工业出版社,1992.