新奥法在超深竖井施工中的应用

宋旭亮,徐 矫

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京210098;2.中铁隧道集团三处有限公司,广东深圳518052)

0 引 言

New Austrian Tunnelling Method,缩写为 NATM,国内称为新奥法。它不是一种施工方法也不是一种掘进方法,而是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念[1]。新奥法采用薄层柔性支护以代替传统的厚层刚性衬砌,最大限度的保护岩体的结构和力学性质,防止围岩松动和坍塌,具有明显的多快好省的优越性[2]。新奥法已在许多国家得到推广,广泛地应用于公路、铁路、水工隧洞、地铁、竖井等地下工程,取得了良好的效果,其中应用工程有埋深1 000 m的山岭隧道,也有仅数米深的城市浅埋隧道。新奥法的广泛应用推动了隧道工程技术的快速发展,由于其经济效益明显并且受到国内外工程建设者的普遍重视,如今正是蓬勃发展阶段,成为各国地下工程施工中普遍遵循的原理。

1 新奥法原理

1.1 新奥法基本内容及特点

新奥法基本内容概括来说就是:在充分考虑围岩本身承载能力的条件下,因地制宜的做好地下洞室的开挖和支护。新奥法有三大支柱,分别是控制爆破、锚喷支护和监控量测[3]。在工程设计与施工中,采取措施从而充分发挥围岩的承载能力,才是问题的关键。支护只是手段,新奥法的目的是维护围岩稳定,它的主要特点有以下几点:基本思想是充分利用围岩的自身承载能力;基本理论依据是现代岩石力学;基本手段是控制爆破(钻孔爆破法开挖中的光面爆破和预裂爆破)和锚喷支护;基本方法是现场量测信息的反馈[4]。

1.2 与传统隧洞方法的比较

洞室衬砌的传统理论认为,洞室开挖后围岩变形,最终会坍塌,支护和衬砌的作用就是要将洞室开挖后可能坍塌下来的岩石支撑起来,于是采用刚度很大的衬砌。但是刚性衬砌与岩体并不能紧密结合,衬砌支护只是一种“被动”的承受较大荷载的结构物,该荷载与衬砌本身无关,等于不设衬砌时可能坍塌下来的全部岩石重量。采用新奥法的锚喷支护就不同,喷层与围岩紧密贴合,并且本身具有一定的柔性和变形特性,充分利用了围岩的自承作用,使得围岩在与锚喷支护共同变形的过程中取得自身的稳定。锚喷支护不是“被动”承受松动压力,而是与围岩协调工作,承受变形压力。这就是锚喷支护与一般刚性支护的根本差别。

2 工程概况

洞宫山特长隧道位于福建省南平市洞宫山风景区,左洞长6 541 m,右洞长6 532 m,整个隧道设置排风、送风超深竖井各一座。竖井位于隧道中部,地段围岩条件较好,除锁口段7 m为强风化凝灰质砂砾岩,竖井上部有17 m中风化凝灰质砂砾岩,自稳能力较差外,其余地段均为微风化凝灰质砂砾岩,岩石较坚硬,围岩自稳能力强,其中围岩的物理力学参数见表1。竖井布置在右洞轴线右侧,排风竖井距右洞轴线26.2 m,井深145.34 m,净空直径6.2 m;送风竖井距右洞轴线36.2 m,井深143.69 m,净空直径6.6 m。排风、送风竖井平面示意图如图1所示。

表1 围岩的物理力学参数

图1 送、排风竖井平面布置图

在超深通风竖井施工过程中,如何有效地在岩层中钻出直径为6.2 m和6.6 m的竖井,如何及时地对围岩进行支护而使其保持稳定,以及如何在施工过程中对竖井支护结构和周围围岩的变形特征进行监测,是确保竖井施工质量,围岩支护安全稳定的三大技术难题。

3 新奥法施工

新奥法经常应用于隧道施工,应用于竖井施工中则相对较少。洞宫山超深通风竖井施工采用新奥法,并且主要运用了光面爆破、复合式衬砌、监控量测三大手段。

3.1 光面爆破

洞宫山通风竖井导孔施工首先采用反井钻井法钻出一个216 mm的导孔,再换上新钻头反向扩孔将导孔扩至1.4 m,反井施工结束后,运用光面爆破手段将孔扩至设计大小。新奥法要求尽可能保持围岩的完整性,光面爆破可以减少爆破对围岩的破坏,减少超欠挖量,并保证周边平整[5]。

3.1.1 爆破设计

根据竖井围岩条件,Ⅴ级围岩仅在洞口锁口处存在,采用机械设备进行挖除掘进,局部进行弱爆破采用人工风镐进行修正,爆破设计不单独进行;Ⅳ级围岩仅在洞口段存在,且由于已有1.4 m的中空临空面,所以此级围岩采用Ⅲ级围岩爆破方案进行施工;Ⅲ级围岩由于围岩完整性较好,加上中部有1.4 m的中空临空面,开挖时不用进行掏槽,每循环进尺可提高到3.5 m以上。Ⅲ级围岩的爆破参数及眼位布置如表2及图2。

表2 Ⅲ级围岩爆破参数

图2 Ⅲ级围岩炮孔布置图

3.1.2 钻爆施工作业要点

采用全面开挖的方式,用YT-28人工手持风钻钻眼,1-7段毫秒延期电雷管进行引爆;钻眼深度、间距按照钻爆设计进行施工,周边眼布置在开挖轮廓线上,周边眼的外插角不大于3°,周边眼外的其它炮眼轴线方向应与竖井中线平行;沿轮廓线的调整范围和掏槽眼的眼位偏差不大于5 cm,其余爆破眼偏差不大于10 cm;钻眼完成后用高压风将炮眼内泥浆、石屑吹洗干净,清眼后立即装药;装药、引爆必须按爆破设计装药,已装药的炮眼及时用炮泥堵塞,然后将各段毫秒延期电雷管脚线集束于掌子面中央,并连接成起爆网络,然后通过起爆电缆引爆;爆破后进行通风30 min,然后对井壁松动的岩石、浮石进行清理。

3.2 复合式衬砌

复合式衬砌包括锚喷初期支护和混凝土二次衬砌两阶段,依据新奥法的原则,外层锚喷支护要具有一定柔性,从而调动围岩本身的承载能力。

3.2.1 初期支护

初期支护是永久支护的一部分,它必须保证围岩的稳定性。以送风竖井为例,初期支护采用锚杆、喷射混凝土支护。锚杆采用直径为25 mm的中空注浆锚杆,长为3 m,间距100 cm×100 cm呈梅花形布置,锚杆安装时,采用风动凿岩机成孔,孔深比注入岩体的锚杆深50 mm,用高压风清孔,再进行人工安装。钢架按设计图纸预先在井口加工场地加工成型,最后现场安装。钢筋网片采用直径为6 mm的HPB235钢筋电焊加工成型,网格为20 cm×20 cm,人工铺设后与钢架或锚杆焊接牢固。当竖井开挖成型并且表面清理完成后,为填平围岩凹凸不平的表面,封闭岩面、防止岩体风华、胶结松动的岩块,堵塞结构面的渗水通道,应立即进行初喷混凝土施工。喷射混凝土采用水泥搅拌法搅拌的C20混凝土。施工时先湿喷4 cm厚的混凝土,封闭围岩,在锚杆、钢架、钢筋网安装完成后复喷混凝土至设计厚度24 cm,喷完后应按规定洒水养护。

3.2.2 二次衬砌

二次衬砌主要用来提高支护的安全度,按新奥法原则必须在初期支护的变形基本稳定后进行,也就是围岩位移速度明显减缓,已产生的位移达到位移总量的80%～90%[6]。洞宫山竖井隧道二次衬砌施工前,应加强监控测量,依据围岩实际的变形情况来安排二次衬砌施工。竖井二次衬砌采用滑模进行施工,C25防水钢筋混凝土作为主体,承受初期支护变形产生的部分荷载。

洞宫山竖井复合衬砌成功的阻止了围岩变形并且充分发挥了围岩的自承能力,其复合式衬砌图见图3,复合式衬砌支护工程量见表3。

图3 送风竖井复合式衬砌平面图

表3 复合衬砌支护工程量

3.3 现场量测

为尽可能降低竖井开挖时对周围环境的影响,同时保证施工安全,在竖井施工时必须对竖井以及周围围岩情况进行实时监测[7]。根据洞宫山竖井施工的实际情况,主要有施工监控和系统监测两方面。

施工监控的观测对象主要是有可能发生破坏的围岩,主要有竖井周边收敛量测、钢架支撑内力量测以及地质和支护状态观察。采用JSS30型坑道式收敛计对竖井围岩进行监测,掌握围岩收敛情况,判断其稳定性,监测频率n根据监测断面至掌子面推进距离L和竖井开挖直径D之间的关系确定:当L≤3D,n=(1～2)次/d;L＞3D时,n=1次/2d;L＞5D时,n=1次/周[8];采用钢筋应力计和频率计测量钢架支撑内力,从而可知初期支护分担围岩压力的实际情况;对岩体岩性、产状进行观察,从而可知工作状态下围岩的变形和风化情况,节理裂隙和断层的分布和形状;每次开挖后对开挖面进行观测,如发现异常应立即进行处理。

系统监测的目的是检验设计的合理可靠性,针对竖井的支护状态进行观测,主要有锚杆轴力量测、二次衬砌应力量测。采用锚杆测力计以及拉拔器测量锚杆轴力,可获知锚杆内部的受力状态,检验锚杆布局的合理性;采用混凝土应变计、频率计对二次衬砌的应力进行监测,判断支护衬砌的受力状态。

在取得足够的各项监测数据后,要及时进行整理分析。以围岩收敛位移控制为例,首先根据数据绘制位移的时态变化散点图,再根据散点图的数据分布状况,选择合适的函数,对监测结果进行回归分析,以预测该测点可能出现的最大位移值,判断围岩稳定情况。通过适时监测了解施工过程中围岩以及支护状态,及时反馈信息,优化设计方案,保证施工安全。

4 结 语

洞宫山竖井施工采用新奥法的理念,钻井时通过光面爆破的手段,保证了竖井围岩表面的平整从而保证了围岩的稳定性;支护时采用复合式衬砌,初期支护具有一定的柔性,可以与围岩很好的紧密贴合,一起变形,同时产生的多余的荷载通过二次衬砌承受,充分发挥了围岩自身的承载能力,多快好省,不仅降低了成本,更是取得了极好的支护效果;现场量测时,通过对围岩变形情况以及竖井支护的监测,及时反馈施工,不仅可以保证安全,而且还可以进一步优化设计方案。新奥法在洞宫山通风竖井施工中的应用可以为同类工程的建设提供参考,也可以为以后新奥法能够形成完整的理论体系提供实践依据。

[1]廖胜君.新奥法在陈家岭隧道围岩施工中的应用[J].黑龙江交通科技,2010,33(7):98-99.

[2]徐志英.岩石力学(第三版)[M].北京:中国水利水电出版社,1993:145-146.

[3]林文体.新奥法理论在软弱地质隧道中的应用[J].交通标准化,2003,(5):63-65.

[4]严克强.新奥法的理论与实践第一讲新奥法简介[J].水力发电,1985,(1),47-48.

[5]陈广恩,殷建武.新奥法在河南某金矿斜井设计施工中的应用[J].科技信息,2007,(25):62-63.

[6]钟 林,彭振武,罗昌魁,等.复合衬砌在北斗坡隧道中的运用[J].工程建设,2008,40(5):42-44.

[7]严克强.新奥法的理论与实践第六讲新奥法的现场量测工作[J].水力发电,1985,(8):46-47.

[8]梅锦煜,党立本,苗树英,等.水利水电工程施工手册[M].北京:中国电力出版社,2002:297-298.