复杂地质高陡边仰坡偏压双连拱隧道进洞施工技术

发表时间:2021/6/28   来源:《基层建设》2021年第6期   作者:张广辉
[导读] 摘要:本文以国道G105改线工程内莞隧道为例,介绍了在复杂地质条件下高陡边仰坡偏压进洞施工技术,包括施工偏压护面墙、大边墙、增设钢架护拱、延长导向管、横向超前小导管等措施,本文通过对洞口高陡边仰坡防护施工、利用护拱进洞技术的运用总结,为类似工程施工提供参考和借鉴。
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        摘要:本文以国道G105改线工程内莞隧道为例,介绍了在复杂地质条件下高陡边仰坡偏压进洞施工技术,包括施工偏压护面墙、大边墙、增设钢架护拱、延长导向管、横向超前小导管等措施,本文通过对洞口高陡边仰坡防护施工、利用护拱进洞技术的运用总结,为类似工程施工提供参考和借鉴。
        关键词:高陡边仰坡;偏压隧道;双连拱隧道;洞口施工技术
        1、工程概况
        内莞隧道位于河源市连平县内莞镇,内莞隧道为分岔隧道,隧道左线长660m,隧道右线长635m,其中K2332+645~YK2332+867(ZK2332+868.019)222米为连拱段,剩余段落为小净距段。进口位于依山傍河又紧邻G105国道的两山之间,洞口段浅埋偏压且右洞露拱,位于内莞向斜的南东翼,为下坪正断层和内莞逆冲断层所夹持,洞口围岩主要为碎石、块石、强风化石英砂岩,局部为中风化石英砂岩,土质不均,强度低,原始地形陡,局部雨季受扰动易崩塌。基岩裂隙发育,易渗水,根据稳定流理论公式计算得隧道单洞正常进水涌水量取值12526.03m³/d,单洞最大进水涌水量值13940.96m³/d;隧道进口浅埋、偏压地段全长约100m,埋深厚度小于50m。如何能顺利通过洞口地质复杂、高陡边仰坡、偏压、浅埋段,制定合理、安全的施工技术方案,是该隧道施工的控制重点。
        由于隧道进口左洞全部嵌在山体里与高边坡路基相连,边坡高66米,需等边坡开挖防护至洞顶后,洞口段才能进行施工,在施工过程中其受力结构极其复杂。因洞口土质不均、风化严重,受偏压力的作用,极易造成防护结构变形失稳,形成安全隐患。因此隧道进洞前需要对山体和洞身岩体增设加固措施,采取合理的开挖支护方式和方法,始终保持该段山体施工过程中岩体稳定和受力平衡。(详见附图)
 
        图1:洞口平面图
 
        图2:洞口横断面图
        2、施工方案
        隧道进口安全进洞是本工程的施工重点,也是难点。针对隧道进口段地质复杂、高陡边仰坡、浅埋偏压、右洞露拱等特点,制定合理的施工方案,施工过程中应减少对边仰坡的扰动,采用人工+机械开挖、控制爆破或者预裂爆破等方式,先进行洞口段左侧边仰坡、防护工程及锚索抗滑桩施工,后充分利用大边墙和护面墙的支撑力,施工右洞护拱及大管棚、左洞和中导洞导向墙、大管棚、钢架锚喷支护、双连拱进洞等施工转换。该施工技术的特点主要体现在施工高陡边仰坡、锚索抗滑桩、大边墙和护面墙、护拱、导向墙、大管棚施工、双连拱进洞等关键环节。
        3、施工方法、工艺
        3.1边仰坡开挖防护施工及稳定性分析
        ⑴本段ZK2332+635~仰坡K0+032边坡位于隧道明洞上方和隧道仰坡段,为四级边坡,在边坡施工时开挖至隧道明洞顶部;分级坡高15米,坡率1:0.3,最大高度66.5米。为了减少地形偏压对隧道洞口的影响,保证隧道施工及营运安全,洞口段左侧边坡采用抗滑桩+锚索格梁+主动防护网加固防护,仰坡采用预应力锚杆+主动防护网+挂网喷浆方案保证仰坡稳定,同时为了保证边坡开挖的稳定和受力平衡,我们采用软件对边坡开挖进行受力分析。如图:
    
        图3  左侧边坡断面图          图4  洞口仰坡断面图
        ⑵边坡稳定性评价
 
        图5  受力验算
        该边坡为土质加岩石边坡,岩层节理裂隙较发育,土质不均,强度低,抗剪强度较低,在外界条件作用下极易发生崩塌脱落。依据赤平投影图,本段边坡存在顺倾不利结构面和结构面组合。
        ⑶边坡稳定性计算
        本段边坡安全计算选取了过渡 K0+001.571 典型横断面,进行稳定性分析,采用的力学参数如下表:
                                           表1
 
        按安全系数 1.15 计算出结构面粘聚力 c=27.5kpa,结构面内摩擦角φ=26.4°。在此基础上,加固后边坡稳定系数Fs=2.59,满足设计规范要求。以此计算结果作为边坡加固防护的依据。
        3.2锚索抗滑桩
        因该段边坡高陡,浅埋偏压,坡率为1:0.3,又紧邻G105国道,易出现边坡位移和滑塌,为确保施工安全,在隧道洞口施工前必须先行施工锚索抗滑桩,锚索抗滑桩设置在明洞内侧以及临近洞口段,才能有效预防边坡滑移和确保洞口边坡的稳定。
        锚索抗滑桩施工:采用K型2m×3m锚索抗滑桩,共计8根,间距6m,桩身采用C25钢筋混凝土,在桩顶2m位置均匀布置两根锚索孔,直径φ150;桩身分为两部分,其中锚固段长度7m,悬臂段12m。施工流程为:测量放样→先开挖隧道洞口段锚索抗滑桩顶面标高以上的边仰坡→锚索抗滑桩开挖→出碴→绑扎护壁钢筋→护壁立模→灌注护壁混凝土→拆模→钢筋笼安装→主筋下放及固定→浇筑桩身混凝土。桩身混凝土强度达到规范要求后,才可进行洞口开挖施工。
        3.3护面墙施工
        为了改善右洞浅埋及偏压段边坡的稳定性,在YK2332+658~YK2332+668段设置护面墙及岩壁锚杆防护,沿山体坡面设置,岩面打设C22砂浆锚杆,锚杆长度为2.5m,锚杆端头50cm预留与护面墙内钢筋网焊接;护面墙基础开挖深度2.0m,宽度3m,基础坡率为1:0.3,基础开挖完成后进行地基承载力试验,承载力小于400KPa时,需对地基进行注浆加固处理,地基加固采用Φ76*5mm钢管打入强风化层,深度不小于2m,并注浆加固。护面墙混凝土等级为C20,墙身高为14.33m,墙厚为2.5m。其主要作用是杜绝右洞浅埋段裸露山体风化,减少雨水对软质岩和破碎地带的侵蚀及施工过程中的扰动。
        3.4偏压大边墙施工
        ⑴由于进口为连拱隧道,洞口开挖断面较大,加之右洞露拱严重,既有地形十分陡峭,山体偏压严重,有顺层滑坡和位移等风险,为了减小洞口开挖对山体的扰动,因此进洞前需要先施工大边墙来均衡山体侧压力,确保进洞施工安全。
        ⑵因大边墙基础位置是原G105国道路基,因此基坑开挖后需进行地基承载力试验,承载力小于400KPa时进行地基加固处理,地基加固采用Φ76*5mm钢管,长度3m-6.5m,间距1m*1m,全部打入强风化层,并注浆加固,管身需预留50CM伸入大边墙基础里,保证基础与围岩的连接。
        ⑶大边墙基础施工完成后,开始施工大边墙墙身,在设计位置预留护拱钢架平台,浇筑大边墙至完成,同步回填大边墙内侧露拱段和外侧基坑。
 
        图6  大边墙示意图
        3.5护拱施工
        常规露拱段施工,基本是采用反压回填后注浆加固土体或者回填水泥土等参合料,待强度满足条件后施工导向墙,然后钻孔施工,因回填土或其他参合料密实性很难达到原状山体的密实性和强度,最终会导致钻孔很难成孔或者钻不到设计长度,不能保证大管棚安装到位,也不能起到洞口加强支护的作用,对于地质复杂、浅埋、偏压严重的洞口施工将会留下安全隐患。
        因此为了保证大管棚的施工质量,采用提前预埋导向管与山体过渡衔接的方法进行施工。首先利用大边墙预留的平台,安装架设露拱段护拱工字钢,钢架采用Ⅰ20b工字钢,每榀间距 0.5m,纵向连接采用双层Φ22钢筋连接,间距1m,每榀钢架与山体锚固采用两根φ50注浆小导管进行锁脚,锚杆长5m,横向打入山体进行加固。在工字钢外侧按照露拱实际长度铺设导向管,导向管采用φ133mm,壁厚4mm(见洞口平面图),环向间距40cm,安装角度为1~3°,然后浇筑60cm厚C25砼护拱,护拱的作用既可以用作导向墙施工,又可以形成一个明洞结构,使露拱段可以在其保护下,正常开挖施工,施工安全可控。
 
        图7  护拱示意图
        3.6导向墙施工
        在右洞施工护拱及大管棚的同时左洞和中导洞可以施工导向墙,右洞直接利用护拱就可以进行大管棚钻孔施工;左洞和中导洞导向墙基础坐落在坚硬的岩石上,确保其稳定坚固,左洞导向墙在拱部106°范围内布设,为保证长管棚施工精度,导向墙内设4榀I20b工字钢架,钢架外边缘设φ133mm,壁厚4mm的导向钢管,导向管焊接固定在钢架上,外插角度为1~3°环向间距40cm,共36根,钢架各单元由连接板焊接成型。导向墙采用60cm厚C25混凝土,长度2m。
        3.7超前大管棚施工
        隧道进口段围岩主要为碎石、块石、强风化石英砂岩,局部为中风化石英砂岩,土质不均,强度低,原始地形陡,局部雨季受扰动易崩塌。基岩裂隙发育,易渗水。为保证主洞开挖安全,采用长管棚支护。左线长管棚长度为15m,长管棚导向管采用φ133mm,壁度4mm,长度为2m,与导向墙I20b工字钢焊接为整体,安装角度为1~3°;右线长管棚长度为40m,直接利用护拱及预埋的导向管进行施工。
        大管棚钢管采用热轧无缝钢管φ108mm,壁厚6mm的热轧无缝钢尖管,钢管前端呈尖锥状,管棚每节长度分为3m、4m、6m,15m长管棚钢管由3+2×6=15m和6+3+6=15m两种组成,40m长管棚钢管由3+5×6+4+3和6×6+4=40m两种组成,间隔布置,管棚钢管之间要求采用丝扣连接,连接长度不小于15cm。
        大管棚钻孔设备采用100B潜孔钻,搭设管棚施工工作室,钻机脚手架平台应支撑在稳固的地基上。根据施工中不同的地质要求,及时调整钻孔施工方法,如土层采用“钻杆+薄壁岩芯管+三翼钎头”的钻具组合进行施工;破碎岩层采用“螺旋钻杆+潜孔冲击器+钻头”的钻具组合进行施工。钻孔先施钻奇数孔,待奇数孔注浆凝固后,再钻设偶数孔,两台钻机同时作业。管棚尾部2.0m范围内不设置注浆孔,其余部分按15cm间距梅花型设置注浆孔,孔径12mm。管棚注浆压力控制在0.5~2 MPa。注浆过程中注浆压力逐级缓慢提升。注浆浆液采用水泥单浆液,水灰比为0.8:1;当地下水较大采用水泥-水玻璃浆液。
        3.8隧道连拱段进洞施工
        隧道进口连拱段采用三导洞法施工,先开挖中导洞施做中隔墙,待中隔墙达到设计强度后在施工正洞;因右洞进洞段浅埋、偏压、又露拱,先行施工右洞,隧道右洞开挖时,必须做好中隔墙左侧空洞处的临时支护工作,临时支护采用回填级配碎石和C20混凝土组合的形式,在拆除中隔墙临时支护时,距离主洞掌子面10-20m范围内的临时支护不可拆除,以同样的工序及时施工左洞。
        连拱段施工工序为:1、中导洞超前支护→2、中导洞开挖支护→3、浇筑中隔墙→4、右导洞超前支护→5、右导洞开挖支护→6、右主洞超前支护→7、右主洞上台阶开挖支护→8、右主洞下台阶开挖支护→9、浇筑右洞仰拱衬砌→10、全断面模筑右洞二次衬砌→11、左导洞超前支护(右导洞掌子面超前左导洞掌子面30m后开挖施工)→12、左导洞开挖支护→13、左主洞超前支护→14、左主洞上台阶开挖支护→15、左主洞下台阶开挖支护→16、浇筑左洞仰拱衬砌→17、模筑左线主洞二次衬砌。
 
        图8  双连拱施工工序示意图
        3.9洞顶及护拱顶回填土
        明洞段二衬和洞门端墙施工完成后,及时进行洞顶及护拱顶回填,回填前应做好防水层和排水管施工。回填时,衬砌及护拱混凝土强度不小于设计强度的75%。回填料可利用洞渣或者水泥土回填,不得采用膨胀岩土,明洞两侧应对称分层夯实,分层厚度应小于0.3m,两侧回填高差应小于0.5m,回填土压实度应符合设计规范。
        3.10监控量测
        施工过程中,应根据《公路隧道施工技术规范》及设计要求,结合现场实际情况,重点进行高陡边仰坡地表位移和深层水平位移监测,通过对边仰坡监测地表位移最大偏移值0.8cm,深层位移值0.7cm,规范预警值为2.0cm,位移变化量均较小,边坡坡面未出现裂缝无其他异常,表明在此段监测期间内总体处于相对稳定状态。隧道需进行洞内外观察、浅埋地段地表位移量测、中导洞开挖后围岩周边收敛和拱顶下沉监测等,经现场实测值与规范值对比分析,实际变化量均在可控范围,无异常,满足规范和设计要求。在施工中及时反馈监测数值并采取相应技术措施分析,才能保证施工过程中边仰坡和隧道开挖安全稳定可控。
        4、结束语
        该隧道已顺利进洞,未出现任何安全、质量事故,采用该施工技术对山体扰动小,技术可靠、安全系数高,利用大边墙及护面墙,加强支护,既减少了对围岩的扰动,又充分利用支挡结构,减小了围岩的偏压受力,为地质复杂高陡边仰坡偏压双连拱隧道进洞施工提供了实践经验,经济效益和社会效益显著。
        该施工技术适用于隧道洞口段地形浅埋、偏压、露拱、且边坡陡峭的各类Ⅲ级、Ⅳ级,Ⅴ级围岩隧道。
 
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