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小陇山隧道大变形处治施工及体会

2012-03-23王江

城市建设理论研究 2012年4期
关键词:围岩修正变形

王江

摘要:本文论述了甘肃宝天高速公路小陇山隧道在Ⅳ级围岩段初期支护之后发生隧道大变形的机理,分析变形原因,提供了处理方案并有效地遏制隧道变形,取得了深刻的施工体会。

关 键 词:公路隧道大变形处治

Abstract: this paper discusses the precious days in gansu province highway tunnel in the area Ⅳ level for surrounding rock primary support occurred after the large deformation mechanism of the tunnel, and analyzes deformation reason, provide the treatment scheme and effectively curb the tunnel deformation, made deep construction experience.

Close key words: highway tunnel large deformation treatment

中图分类号:U45文献标识码:A文章编号:

正文:

宝天高速公路小陇山隧道下行线长3980米,下行线进口施工掘进175m之后进入Ⅳ级围岩,该段岩性为板岩、片岩,局部夹有大理岩、变砂岩,开挖后发现糜棱岩夹层,洞身岩体呈小块状、碎块状结构,有渗水现象,完整性差;围岩走向与隧道轴线夹角22°~25°,倾角40°~42°,南北向。

1、下行线进口第一次大变形及处治

2006年6月10日午后,于桩号XK53+807处开始至XK53+795处总长约12m的范围内左侧拱腰部发生塌陷变形,变形由蠕变和突变两部分构成,总体变位最大处达25cm,已侵入二衬界限,属隧道大变形。

大变形发生前,监测到收敛速率为6mm/d,而在Ⅴ级围岩段多次监测到7mm/d且最长持续时间为5天,由于施工单位不具备科研条件、没有拱架应力的量测手段,应力与应变之间的关联又非常复杂,根据收敛速率不能得到拱圈必然塌陷的结论。

此次大变形只发生于左侧拱腰,而右侧尚无大的变化。因此岩层产状不利于左侧拱腰的稳定,限于分析手段其它原因不详。

大变形导致花拱架与喷射混凝土局部脱离,拱圈腰部断裂、喷砼掉块、剥落,从掉块来看喷层厚度和密实度尚符合设计要求。

为防止变形继续扩大,避免隧道坍塌事故,采取了紧急处治措施:

1.1、临时加固处治

增加10榀I18型材内拱,间距1m,与花拱架同位置支撑,内拱之间用纵向连接筋连接,与受喷面的间隙用楔块顶紧,内拱之下顶撑2×6根Φ120钢管琵琶柱,立柱之间用小导管焊接为空间桁架,然后喷砼覆盖内拱,构成壳层最小处22cm的“双曲拱”,稳定隧道。

1.2、永久加固处治

在隧道基本稳定后进行砂浆锚杆加固,然后左侧壁回填注浆、孔深4m,注浆压力0.5~1.0MPa,形成永久加强支护,以利于二衬前逐榀更换拱架、确保二衬结构尺寸。

下行线进口洞室大变形段由施工单位上报换拱方案,经监理单位批准,完成了换拱作业;也由于换拱作业,临时内拱被拆除。

2、下行线进口第二次大变形及处治

该洞室在后续边墙、仰拱施工中,监测到最大变形速率10mm/d、持续发生4天,证明围岩具有流变特性。

现场立即采用临时支撑和回填洞渣形成“土牛”的措施,避免了隧道大塌方,但还是发生了大变形,变位最大处持续到51cm,已侵入隧道净空。

由于支护砼普遍开裂且时有掉块发生,存在较大的质量、安全隐患,为保证工程质量、保证人员安全,采取紧急处治措施:

2.1、停止掌子面掘进,集中力量完成下台阶施工。对存在塌方风险的左侧拱圈(行车方向)停止开挖并采用渣料回填,回填高度达到拱腰以上。

2.2、采用Φ200管材在左拱1/3及1/6处打两排斜撑,该斜撑上部与拱架点焊,下部使用垫板或楔块夹紧;将临时支撑大部埋入回填渣料内,辅助稳定坑道,有效减小左侧掉拱的风险。补喷所有开裂部位,以方便观察和直观发现情况并减缓拱顶喷砼的掉块,加强调度与观察,避免掉块伤人。

先处置已开挖的下台阶XK53+810~770共40m段,填充封闭再根据支护断面图逐榀换拱,完成换拱随后逐段固结注浆。

两次大变形使变形总量最大处达到70cm左右,左侧围岩塑性区扩大,原有系统锚杆基本失效,因此在左拱部按1.2m×1.2m布设5m的加长锚杆,该锚杆在换拱时及时跟进,在终喷层之前打设完成。在40m变形段拱圈配筋,因Ⅵ级和Va衬砌配筋型式相同,拱圈与仰拱断开设计配筋,本段隧底(建筑物基础面)承载力为Ⅳ级围岩水平,因此借用Va级衬砌配筋型式而仅在拱圈加筋,配筋量600㎏/m总重24T。

通過以上措施的处理,下行线进口隧道大变形问题得到了彻底的解决,保证了二次衬砌的施工安全,避免将来运行中的后患。

3、施工体会

3.1、从开挖情况来看,小陇山隧道天水侧洞口在进洞相当长的范围内,围岩产状不利于隧道稳定;由于Ⅵ级、Ⅴ级、Ⅳa级设计有超前支护,该问题基本被解决而不能显露。

隧道开挖后,开挖轮廓边周向着净空位移,隧道周边长度有变短趋势而产生相互挤压、形成环向压应力,隧道围岩“自成拱”;当围岩走向与隧道轴线构成小夹角时,隧道几乎是平行穿过岩层;在围岩倾角42o的情况下,开挖后进洞方向右侧拱腰岩层结构面为径向,环向压应力垂直于结构面,岩层被压紧,围岩单元体的重力、沿开挖周边斜向上的压力合力、径向向外的岩体抗力(嵌合力、牵拉力或层间结合力)获得平衡,因此极少出现掉块、也从未诱发塌方;而左侧拱腰围岩结构面与开挖周边相切,环向压应力在拱弧与岩层切点处平行于结构面,与重力共同使岩层产生层间剥离的法向(径向)力,层间结合力不足以提供抗力时即发生掉块。

如果围岩存在局部构造,就会形成具有滑移趋势的块体、造成侧壁滑塌。因此施工中多次出现由“冠石”松动而破碎围岩滑动塌方或大片超挖;支护施工后,其回填质量受多种因素的影响得不到完全提高,初期支护表面发生了多处开裂、变形。

3.2、隧道进入Ⅳb级衬砌时,虽然围岩基本质量指标较高,但围岩级别应根据地下水、围岩产状、地应力三项修正,具体如下:

根据围岩基本质量指标BQ=90+3Rc+250Kv,

该段围岩设计平均值Rc≈67MPa,Kv=0.49(Jv=13条/立方岩体);

判别式90Kv+30=74.1>Rc=67取Rc=67

判别式0.04Rc+0.4=3.08>Kv=0.49,取Kv=0.49

因此BQ=90+3Rc+250Kv=90+3×67+250×0.49=413.5;

即:修正前本段围岩基本质量指标为Ⅲ级居中。

修正后的围岩基本质量指标为[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3);

地下水修正系数K1=0.25(点状滴水);

围岩产状修正系数K2=0.6(极不利组合);

地应力修正系数通过外延计算得K3=0.675;

初始围岩应力修正系数K3没有充分的参考资料,按照设计规范提供的两个建议值:BQ=450时建议K3=1.0;BQ=250时建议K3=1.5,插值计算得出K3=0.675。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)=413.5-100×(0.25+0.6+0.675)=261;

围岩基本质量指标BQ=413.5,而修正后的围岩基本质量指标[BQ]=261,即围岩由Ⅲ级居中经过地下水、围岩产状、地应力三项修正后变为Ⅴ级偏上、Ⅳ级偏下。

由此不难看出:岩石分类标准变为现行的围岩分级标准后,岩石坚硬程度和岩体完整程度是两大基本因素,同时经过地下水、围岩产状、地应力状况等三项因素的修正,比较完整地反映了围岩的实际成洞能力,是定量与定性结合的产物,提高了围岩分级的准确性。

4、结语

小陇山隧道工程天水侧洞口(尤其是下行线进口),在Ⅳ级围岩段宜设计为Ⅳa级支护,或者至少应设计成Ⅳb级支护左侧拱腰增加超前支护的形式,使工程稳步建设。由于该侧洞口洞线为直线,所以在相当长的范围内,围岩产状不利于隧道稳定;只有经过一个较大的断层使得围岩产状相对隧道轴线发生改变时,这种不利组合才会消失,隧道施工才会进入正常状态。

参考文献:

[1] 喻渝.挤压性围岩支护大变形的机理及判定方法[J].世界隧道,1998,(1):81-83.

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[5] 姜云,王兰生.隧道工程围岩大变形问题研究[C].2003年全国公路隧道学术会议论文集.北京:人民交通出版社,2003:15-22.

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