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隧道穿越溶洞堆积物的设计与施工【转】  

2012-06-07 13:43:07|  分类: 土木工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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铁道部隧道工程局勘测设计院  张德和

【摘 要】本文介绍了合肥至芜湖高等级公路试刀山右线隧道穿越大型溶洞、断层、地层交接复合带及处理溶洞堆积物设计与施工的体会和经验。如:锁定相邻危险地段以巩固作业区“后方”;采用高压注浆和锚杆加固洞周岩体堆积物;采用钢筋混凝土“管梁”整体穿越大岩溶区;采用“眼镜工法”变大跨为小跨,确保施工安全;严格控制围岩变形防止结构沉降等。

【关键词】溶洞,堆积物,设计施工,“管梁”结构,“眼镜工法”

Design and Construction of Tunnel Passing through Karst Accretion

Abstract:In this paper the design and construction of the tunnel for the highway Hefei-Wuhu were described. This tunnel passes an area with a mixture of large Karst cave and fissure displacement. The experience of working with the Karst Accretion was described. It includes the consolidation of the accretion round the tunnel with high pressure injection and bolting, application of reinforced concrete 'tube beam' for large eroded cave, as well as 'glasses technology,' that is transforming large span into small ones to ensure the safety of the work, and the control of deformation of the rock to prevent settlement of the structure. It can be served as a reference for the similar project.

Keywords:Eroded cave, accretion, design and construction, 'tube beam' structure, glasses technology

 

1 工程概况与溶洞规模

试刀山隧道是合肥至芜湖高等级公路上最长的越岭隧道,系双管四车道工程,右线隧道1125米;左线隧道长1093米,左右隧道相距50米,开挖断面积约为110平方米。

隧道洞身穿越灰岩、泥灰岩、页岩、砂质泥岩及泥质砂岩。灰岩地段岩溶发育,分布20余个中小型溶洞,右线隧道开挖至44K+959处遇到大型溶洞、断层、地层交接复合带,发生顶部坍方。沿线路方向宽15米,影响长度约30米。溶洞内充满堆积物,塌落高度40米以上,堆积物多为大粒径孤石,淤泥填充,最大粒径达4米,一般为0.5米~2米,相互交错,挤压,大量堆积物从拱部塌落下来堆满掌子面,按常规方法三次清理千余方,仍是随清随坍,形成大型坍体,三块巨石卡在掌子面顶部难以处理而被迫停工。为探明溶洞规模,在掌子面左侧开挖一个4平方米的导坑,除灰岩堆积物外,夹有泥岩、砂岩剥落体,隧道底面以下溶洞被填平。根据超前导坑揭示及洞内洞外的调查,此溶洞位于石炭系灰岩与泥盆系泥岩夹薄层砂岩的接触带,垂直于隧道轴线向上延伸,上与地表“漏斗”相通,下与力寺水库关联,加之F5断层影响,地下水受泥岩隔水层的阻拦,接触带岩溶更易发育,在地下水的作用下,泥岩剥落,灰岩溶蚀切割,下至高程54.62米仍有岩溶发育。岩溶构成如图1,溶洞堆积物与隧道关系如图2。

2011年11月05日 - wuhelo100 - 赤鱼追波

图1 岩溶构成示意图

2011年11月05日 - wuhelo100 - 赤鱼追波

图2 溶洞堆积物与隧道关系示意图

2 设计思路与穿越堆积物的技术对策

溶洞堆积物宜固不宜清,应先支后挖,强支护,开挖断面要变大为小,步步为营。因此必须加固周围的岩堆,构成整体结构受力,并要求有安全的“后方”。

施工前必须做好稳固掌子面的工程措施,防止顶部巨石下坍危险。固结块石坍体,确保溶洞堆积物的稳定。

穿越溶洞堆积物应考虑地表“漏斗”水下来后,可能造成的隧道突发性外荷力。

加固隧底堆积物,确保底部深处水流通路,把穿越部分作为特别段进行支护与衬砌设计,采用封闭式钢筋结构混凝土整体衬砌。隧道拱圈矮边墙及底板整体按“地基梁”设计,使穿越结构形成一个受力整体——“管梁”,“管梁”置于加固后的堆积物上,两端置于坚固基岩上或处理过的基础,解决纵向承荷,如图3。

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图3 钢筋混凝土“管梁”结构示意图

结构完工后,在拱顶部位压人“坑道填充剂”,减缓溶洞堆积物上部落石对“管梁”结构的冲击,并封填平整地表“漏斗”,减少地表水下渗。

3 开挖方法选择

根据揭露出的溶洞堆积物的地质情况,控制围岩的变形,防止结构下沉是成败的关键,为此根据经验选择了安全性、可靠性、稳定性好,能够严格控制围岩变形的“眼镜工法”,作为通过溶洞堆积物的施工方案。“眼镜工法”以新奥法的施作为依据,采用分部开挖,划大断面为小断面,步步封闭成环,以缩小开挖跨度,减少扰动围岩。及时施作喷锚等初期支护,使断面及早闭合形成封闭结构,提高围岩自身的抗荷能力。开挖断面划分见图4。

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①侧导坑上半部开挖②侧导坑下半部开挖③中央上部环形开挖④中央中部开挖

⑤中央下部开挖⑥喷混凝土⑦隧道周边钢支撑⑧超前小导管⑨环向高压注浆锚杆

⑩围岩加固圈81-2.gif (139 bytes)钢筋混凝土“管梁”衬砌81-3.gif (135 bytes)边墙梁81-4.gif (150 bytes)底板梁81-5.gif (149 bytes)中央横向钢支撑

81-6.gif (145 bytes)中央隔墙钢支撑81-7.gif (148 bytes)侧导坑上半部仰拱钢支撑81-8.gif (144 bytes)设计开挖轮廓线

图4 “眼镜工法”开挖断面划分图

4 结构设计

穿越溶洞堆积物“管梁”结构断面采用复合式衬砌特殊设计。初期支护采用钢支撑,钢筋网,纵向小导管注浆,环向高压注浆锚杆,喷砼组成联合支护体系。二次衬砌采用模筑防水钢筋混凝土结构,初期支护与二次衬砌之间铺设防水层,其支护结构设计参数见表1。

表1 支护结构设计参数

 

初 期 支 护

二次衬砌

辅助施工
措  施

喷砼厚(cm)

锚  杆

钢筋网

钢支撑

拱墙厚(cm)

底板厚(cm)

拱墙底板30

环向高压注浆锚杆,外径Φ42,δ=3.5mm,长3.5m,环向间距1.0m注水泥浆(掺膨胀剂),Φ22砂浆锚杆长1.5m固定钢支撑用

φ6A3,10×10cm拱墙满铺及临时支护

H175 间 距0.75m纵向联结钢筋环向间距0.5m

60

70

拱部120°范围设置超前小导管,外径Φ42,δ=3.5mm,长2.5m,环向间距0.3m注水泥浆

 

喷射混凝上分三次喷至设计厚度。初喷及网喷采用ZP型早强喷混凝土,各喷5cm~7cm厚,最后采用普通喷混凝土喷至设计厚度。要求喷砼必须填实钢支撑与岩壁的间隙并将钢筋网和钢支撑覆盖至少2 cm以上,确保共同受力,喷射砼强度等级不低于C20。

溶洞堆积物岩石整体性差、采用高压注浆锚杆加固隧道周边3m~5m围岩,形成“注浆锚固加强带”,可以分担荷载。高压注浆锚杆解决了传统锚杆难以注浆的难题。通过调节注浆压力和改变浆液配比来控制浆液的扩散范围。确保锚杆锚固的质量及对周边围岩的加固效果。

“眼镜工法”控制围岩变形的关键是步步为营,环环封闭,约束变形必须采用较强的支护结构。钢支撑设计充分考虑了开挖断面划分及施工顺序的衔接,隧道周边钢支撑采用H175型钢栓接,两侧导坑上半部仰拱、中央隔墙与横向钢支撑等构件亦采用H175型钢栓接,详见图5。

2011年11月05日 - wuhelo100 - 赤鱼追波

图5 钢支撑总装图

为防止拱部崩坍和稳定开挖工作面,在隧道拱部120°范围内,设置了超前小导管注浆超前支护。

二次衬砌设计考虑了突发性外荷力,由断面计算决定采用拱墙衬砌厚度60cm,底板厚70cm,在溶洞全长范围内,隧道拱圈、矮边墙及底板梁均采用Φ22钢筋,按“地基梁”设计。详见图6。

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图6 钢筋混凝土“管梁”配筋图

根据选定的支护参数及施工方法,采用SAP84有限元分析程序进行了模拟计算,详见结构受力分析专题报告。验证结果表明,结构是安全的。

5 穿越溶洞堆积物施工

5.1 施工前的工程措施

强行通过溶洞堆积物之前,靠近掌子面15米范围内,已作好初期支护,先进行一次补强,并进行部分二次衬砌,确保施工有一个稳固的“后方”。

在掌子面后面适当位置砌筑挡碴墙,用洞内弃碴回填掌子面虚碴坡脚,并抬高平台稳住虚碴,台面横架钢梁,梁端固定在两侧灰岩上,平台面浇筋40cm砼,用浆砌片石封闭掌子面,并预埋压浆管,长、中、短管搭配并作好标识。如图7。

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图7 稳定掌子面的工程措施

压注浆或混凝土填充大孤石缝隙,用较低的压力反复注浆,先长后短,注长管时掺加膨胀剂,以有效的控制注浆范围,安全且节省。

5.2 施工方法

(1)侧壁导坑开挖及初期支护。开挖前先打设超前小导管,注砂浆。每个导坑分上、下两层人工开挖,上、下层及两侧导坑前后错开,一次循环进尺在0.75米以内,及时初喷早强混凝土(厚度5厘米~7厘米)。架设导坑钢支撑,设锁脚锚杆,设环向高压注浆锚杆,及时挂网,分两层喷混凝土,使导坑及时封闭。

(2)中央上部环形开挖。先打拱部超前小导管,注砂浆,从拱部中间向两边扩挖,挖一段喷一段,初喷5厘米~7厘米,每次进尺0.75米以内,设拱部钢支撑,设环向高压注浆锚杆,及时挂网,再喷一层混凝土至设计厚度。

(3)中央中、下部开挖。由于隧道断面开挖跨度较大,增设两道横向钢支撑,将中央中、下部分两次开挖。中部开挖后,设横向钢支撑。下部开挖完毕后,及时初喷,架设隧道底部钢支撑。底部周边设环向高压注浆锚杆,再喷射两次混凝土至设计厚度。至此,整个断面初期支护形成。

(4)初期支护质量检验及隧底堆积物稳定确认。喷射混凝土厚度采用预埋钢筋头,设置量测标志进行检查,并实行验收制度,不合格时立即补喷;钢支撑除了严格按设计下料,组焊和安设外,喷混凝土必须完全将钢支撑喷满喷实,现场采用观察和捶击法进行检查,发现有空鼓或不实之处,凿开空洞重新补喷;初期支护完成后,采用高密度综合物探方法检查隧道周边环形加固层及层外围岩情况,重点查明顶板及侧边墙5米以内是否存在有害空洞,隧道底部压浆是否密实,特别是隧道底部高压注浆锚杆加固,施工中要编制实施性施工组织设计。要专人负责,统一指挥,严把质量关。

(5)钢筋混凝土“管梁”施工。初期支护质量检验及隧底堆积物稳定确认后,可进行“管梁”施工,先施工隧道边墙梁及底板梁,在“管梁”全长范围内,边墙梁及底板梁应一次施工完毕。待达到强度后,进行拱墙部分钢筋绑扎,连续模筑防水钢筋混凝土拱墙。直至“管梁”施作完毕。

5.3 施工顺序(见图8)

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                                  (一)两侧导坑上半部开挖及支护  (五)中央下部开挖及支护

                                  (二)两侧导坑下半部开挖及支护  (六)模筑钢筋混凝土边墙梁及底板梁

                                  (三)中央上部环形开挖及支护   (七)临时钢支撑割除

                                  (四)中央中部开挖及支护     (八)模筑拱墙钢筋混凝土,“管梁”形成

图8 施工顺序图

5.4 控制围岩变形防止坍塌安全技术措施

(1)坚持先护顶后开挖的原则组织施工。采用短进尺弱爆破开挖,开挖成形后及时进行喷混凝土等初期支护或者边开挖边支护,步步为营。

(2)严格控制每循环进尺和台阶长度,各分部在完成规定的进尺后,必须立即喷射(5~7)厘米厚的早强混凝土,并架设钢支撑,认真做好钢支撑拱脚处理,应尽早使初期支护封闭成环,以减少围岩的松弛变形。

(3)采用高压注浆锚杆加固洞周3米~5米范围内围岩,以改善支护结构的受力条件,限制其过大变形。

(4)施工过程中对围岩及支护结构进行变位及应力量测,根据量测数据结合观察报告正确分析围岩和支护的稳定性,并采用正确的对策。

5.5 监控量测

主要进行了拱顶下沉量测,钢支撑及喷混凝土应力量测,量测结果如下:

(1)拱顶下沉量测

分别进行了两侧导坑及中央拱顶下沉量测。两侧导坑开挖时侧导坑拱顶下沉量仅为几个毫米,彼此没有太大的影响;中央上部环形开挖时中央拱顶下沉量比两侧导坑的拱顶下沉量大,约为13mm,比两侧导坑开挖时约增加5mm,由此可以认为“眼镜工法”分部开挖对控制围岩变形是有效的,两侧导坑因自成封闭结构支护是强有力的,两侧导坑完全可以同时掘进,中央下部初期支护应尽早形成封闭。

(2)钢支撑及喷混凝土应力量测

两侧导坑沿隧道周边的钢支撑在导坑开挖时轴力约为10tf,而在中央开挖时迅速增大到约30tf;中央隔墙的钢支撑,在中央开挖时,轴力增大不多,轴力的大小跟两侧导坑开挖时相近约10tf;中央拱顶的钢支撑轴力与隧道周边钢支撑轴力的增加程度一致约为20tf。临时支撑割除时,轴力分布现律没有发生变化,周边的钢支撑整体上增加了约15tf的轴力。

喷射混凝上应力,在两侧导坑开挖时为(5~8)kgf/cm2,中央开挖时与钢支撑应力变化规律一样,两侧导坑沿隧道周边的应力急剧增大,约为20kgf/cm2,分布形状大致呈均匀性。

从以上监控量测结果可以得出如下结论:“眼镜工法”最大荷载在中央开挖时发生,这与两侧导坑自身是封闭结构,而中央开挖时整个断面还未形成大的封闭结构有关,说明了尽早形成封闭结构是控制围岩变形的关键技术措施,同时“眼镜工法”开挖断面划分时,尽可能把形成封闭结构的两侧导坑宽度加大,以缩小中央上部跨度,再者中央分部不宜多,以二部开挖较为有利,因开挖高度所限多于两部时,应增加横向支撑,使每部开挖后均能形成封闭结构。总之,能尽早形成封闭结构对控制整个断面变形越有利。

“眼镜工法”在中央开挖时发生的最大荷载,几乎全部由隧道周边支护结构均匀地分担,说明中央隔墙支护结构可以减弱,但在整个断面形成封闭结构之前并非可有可无,一旦整个断面封闭成环,即使拆去隔墙支护结构,可以确认支护结构决不会出现大的变化。因此,采用“眼镜工法”控制围岩变形对开挖断面分部大小的研究是必要的,对支护结构亦应区别对待,以节省工程费用。

6 结 语

试刀山右线隧道溶洞堆积物规模较大,顶部孤石林立,底部溶洞崩塌堆积充填,地质条件错综复杂,采用“眼镜工法”安全顺利通过,证明所采取的技术措施是恰当的。选用的“眼镜工法”及“管梁”穿越通过的施工方案是可以借鉴的经验。

处理隧道岩溶,加强超前地质预报,对地质条件进行充分的分析研究尤为重要,大意不得。这是施工过程中必须认真做好的一项重要的不容忽视的工作。

此岩溶由断层,灰岩与泥岩夹砂岩接触带等多种复杂因素构成,且上与地表“漏斗”相通,下与力寺水库关联,在国内类似工程中是罕见的。对水的处理显得更为重要,除了在结构设计上充分考虑由此产生的隧道突发性外荷力外,又要确保溶洞水流通路畅通,防止水害危及结构安全,同时,对试刀山隧道地面“漏斗”进行了认真的工程处理,是确保结构物安全的要求。

另外穿越溶洞堆积物,巩固作业区“后方”,锁定危险范围的原则,对于处理任何不良地质地段及施工中的坍塌都是行之有效的通用作法。


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