公路隧道软弱围岩超前支护与深空注浆施工技术研究
摘 要:本文基于笔者多年从事公路隧道施工的相关工作经验,以公路隧道软弱围岩隧道超前支护与深空注浆施工技术为研究对象,论文详细阐述了施工步骤与细节,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词:浅埋偏压 隧道施工 软弱围岩 注浆
中图分类号:TB21 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(c)-0070-02
1 偏压隧道的工程特性
1.1 偏压隧道的定义
由于各种原因使对称的隧道结构左右两侧所受荷载不同而使结构内力左右不对称的现象称为偏压现象,出现偏压现象的隧道称为偏压隧道。围岩级别高,围岩自身强度就低,隧道开挖引起的荷载全部或大部由隧道结构承担,由于各种原因引起的不对称荷载也就全部施加在隧道支护结构上。按照普氏和太沙基理论,隧道开挖后,其上方围岩将形成天然平衡拱,而天然拱的形成与隧道埋深有关,埋深小时,无法形成天然拱,隧道承受的竖向荷载与地形便密切相关,因此偏压隧道多数处于软岩、浅埋且有较大地形横坡的地段。
1.2 隧道偏压的影响因素
影响隧道偏压的因素有以下几个方面:地形因素、地质因素和工程因素,其中前两种属于内在因素,第三种属于外在因素。
(1)地形因素。
软岩浅埋隧道隧址区地层中构造应力一般不易积累,地应力以自重应力为主。随深度的变化,基本按静水压力状态的形式存在。对于浅埋隧道,隧道结构承受的围岩压力为松动土压力,即为隧道上部覆盖岩土的自重减去岩土体假设破裂滑动面上的阻力。隧道结构四周荷载随地表横坡增大而增大,当地表横坡较大,隧道支护结构内靠山一侧受弯拉应力、靠沟侧受压应力作用,超过隧道结构承载极限时,就会出现偏压破坏现象。
山体横坡越大,软质岩、岩堆、构造线附近的变质岩类地段山体易出现滑坡或滑动趋势增大,滑面在隧道断面内或隧道下方时,靠山侧隧道结构会受很大的弯剪应力,外侧拱腰及拱顶承受很大的压应力。隧道有向外向上抬起趋势,甚至整体旋转而破坏。
(2)地质因素。
地质因素可分为围岩的完整状态、围岩结构面性质、结构面组合状态以及岩石单体强度等。围岩结构状态的完整程度受节理和裂隙发育程度来确定,节理裂隙愈发育,受节理裂隙的切割分裂,围岩岩块愈小,围岩的φ值愈小,偏压愈严重,同时围岩完整性差,围岩抗剪强度低,洞壁岩体不能承受由于隧道开挖而产生的较大的应力,松动圈较大。由于节理裂隙影响,松动圈不均匀性大,围岩对支护结构产生的偏压愈大;围岩结构面性质是在各种不同的地质作用下形成的。
2 浅埋隧道特性研究
浅埋隧道与深埋隧道相比,主要是难以形成承载拱。浅埋隧道多数有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带、软弱围岩等对隧道开挖有很大影响的特殊地形、地质问题。在开挖过程中和开挖完成后会出现拱顶下沉急剧增大、隧道净空收缩、地表开裂等,有时也会出现掌子面失稳。
所以,在这种情况下,要采取掌子面稳定措施和控制地表下沉措施。地表下沉与埋深有密切关系。埋深大时,在隧道横断面内形成了承载拱,开挖引起的下沉局限在隧道周边,而埋深浅时,没有形成承载拱,开挖下沉会直接达到地表面。在这种情况下,埋深小的隧道,因不能期待形成承载拱,故为防止支护下沉、增强支撑力而应采取必要的措施,并研究采用药液压注、垂直锚杆等辅助施工方法。浅埋隧道掌子面前方的先行下沉很大,会造成很大的地表下沉,因此,研究前方地层的改善、管棚、水平高压旋喷等辅助方法是必要的。在浅埋偏压软弱围岩隧道施工时,为了保证安全及工程质量,节约投资、加快进度和保证运营期间的安全,必须采用一定的技术措施,包括正确的施工方法,合理的支护形式等。因此浅埋偏压软弱围岩隧道施工一直是隧道施工过程中需要面临和解决的重要课题之一。
3 超前支护
对于围岩的自稳能力较差时,为了预防坍方,必须采用超前支护体系,主要的内容有超前锚杆、小导管注浆、管棚、全断面预注浆、深孔注浆、帷幕注浆以及在洞口浅埋段采用的地表注浆等。
在软弱破碎地质隧道施工中,虽然采用深孔注浆达到了止水固结的目的,但固结范围有限,加上地质及注浆有些不确定因素,为保障施工万无一失,一般在开挖前均采取超前支护,超前支护一般采用超前锚杆或超前小导管。对于地下水压较大的隧道,开挖前一般还要采取排水降压措施,主要采取钻孔排水,钻孔深度应超出注浆范围。
浅埋偏压软弱围岩隧道施工需要解决的问题是掌子面的稳定性和合理化施工(安全而快速的施工)两大问题。对掌子面稳定性起重要作用的超前支护,是确保掌子面前方稳定不可缺少的手段。
3.1 超前锚杆
在隧道周边,未开挖前先施作超前锚杆,起到预先加固的作用,其主要参数为:全苗杆的直径φ=20～30mm;长度=3.0～5.0m;间距d=0.3～0.5m;外插角α=10＂～15＂。
锚杆一般采用普通砂浆锚杆,特殊情况下可采用药包锚杆或迈式锚杆。
3.2 小导管注桨
小导管超前注浆,是在地基灌浆法基础上发展起来的一项围岩加固止水技术,它同时具有超前支护作用,是不良地质隧道与地下工程施工常用的一种开挖辅助措施。在隧道开挖掌子面上,沿设计开挖轮廓线以外0.2～0.3m,钻孔安装小的钢花管,然后进行高压注浆加固,等浆液达到一定强度后再进行开挖。其主要参数为:小导管的直径φ=40～60mm; 长度1=3.0～5.0m; 间距d =0.3～1.0m。
3.2.1 技术特点
超前支护体系,提高了岩体的稳定性,控制了围岩松弛变形,增强了施工的安全性。加固效果好,注浆质量易于控制。采用常规小型机械,无需配备专用设备,工艺操作简便。
3.2.2 适用范围
适用于风化很严重、节理很发育和碎石土、砾石土等各种软弱围岩条件下
的隧道及地下工程地层加固,也可用于处理坍方主体。
3.2.3 主要技术措施
小导管水泥一水玻璃双液预注浆止水加固松散围岩。
3.3 管棚
当围岩十分软弱、破碎、变形量很大时,一般在V、VI级大变形的条件下,可采用长管棚的超前加固措施,其主要参数为:管棚的直径φ＝108～180llun。
长度1=10～40m;间距d=0.5～1.0m;注浆压力F=1.5～3.0MPao。
管棚法的基本原理就是在开挖之前将一个伞形的金属保护棚架预先安放在隧道开挖轮廓线的外弧线上,该棚架由一定间距排列的大惯性矩的钢管构成,起到保护下部地层开挖的作用,一般超前长度在5～30m,有短管棚、长管棚。先用钻机打一定深度的钻孔,然后插入金属钢管,再用注浆机压入水泥砂浆或混合浆液,待其凝固后就可以开挖。在法国马赛地铁2号工程、日本第一福田尾隧道、成渝高速公路中梁山隧道工程、北京第三使馆区的供热管线工程的暗挖隧道等都使用了该工法。
3.4 超前支护辅助方法
下面就国内外各种超前支护辅助施工方法作详细介绍。
(1)压缩空气法或气压室法。
被开挖地层的稳定性往往取决于地层是否充分排水,在地层透水性差时水对开挖影响不大,但在地层透水性好时如砂层,水就会对开挖产生较大的影响,这时一般用排水井和压缩空气控制地下水。后者利用压缩空气的压力(0.1MPa左右)来抑制地下水不流出,并对开挖面产生支护作用,减小地面沉降,这是压缩空气法或气压室法的主要原理,在慕尼黑和维也纳的地铁工程已经取得了成功应用。
(2)冷冻法(冻结施工法)。
冷冻法一般适用于地下水比较丰富、或地下水压比较大的地层中,它是采用冷冻机和循环泵将氟利昂或低温液化气通过冷冻管注入隧道前方地层中使地层孔隙水冻结而得到强化,一般按30m一段进行土木工程施工,但要考虑解冻后的地面下沉。
(3)顶盖法。
其主要步骤是:明挖壕沟到隧道拱顶;利用切入隧道开挖轮廓的泥土作为建造隧道顶盖的土模板;浇注混凝土拱后回填壕沟;在顶盖保护下结合必要的临时支护来开挖隧道。优点是能有效控制地面沉降,工期短,但对地表环境破坏比较严重,在顶盖完成后应对地表植被进行恢复处理。德国波鸿市的韦斯特坦根特公路隧道曾应用本方法进行过施工。
4 深孔注浆
深孔注浆适用于断层破碎带、软弱破碎围岩,地下水特别发育,易形成涌水以及因地下水而造成特大坍方的隧道。深孔注浆分为深孔充填注浆和深孔劈裂注浆。
4.1 准备工作
主要是对工程地质进行分析,收集分析钻孔的排碴;记录分析钻孔的推进压力,钻速以及钻进不同长度时出水量的大小,推断开挖面前方的地质构造、岩性、水源位置及水量大小。
4.2 止浆墙
由于开挖面围岩软弱,注浆时有较高的压力,易引起开挖面垮坍,严重影响注浆效果和施工安全,因此开挖面必须设置止浆墙。对于未坍原始岩体,一般采用挂钢筋网、喷射混凝土作止浆墙。具体作法是:先在开挖面钻孔,埋设注浆用孔口管(孔口管一般用φ150～200mm,长1.5～2.0cm钢管制作),钢筋网焊在孔口管上,钢筋网网格间距30cm,再喷射15～20cm厚的C20级混凝土,这样网喷混凝土与开挖面岩体共同形成止浆岩盘。如在坍方地段,则应设置加厚混凝土止浆墙。一般灌注100～150cm厚C20级混凝土作止浆墙。
4.3 钻孔作业
孔口管作为钻孔导向管,在注浆设计中应加以布置,布置原则应根据注浆段长度、加固扩散范围等参数决定。钻机作业机具可采用液压凿岩车、地质钻机、锚杆钻机等。
4.4 注浆作业
将注浆混合器连接在孔口管上,试压洗孔,将孔眼内的石碴冲掉,保证注浆通道顺畅;注水约2～3min,使围岩孔隙畅通:然后进行注浆,对于软弱、断层带的围岩体,先注纯水泥浆,注入一定量或达到一定压力后,并持续5min,再注双液浆(CS),如注纯水泥浆大量漏浆时,可先注双液浆(CS),再注纯水泥浆,最后再注双液浆。注浆过程应作好记录,记录注浆时间、注浆量,注浆压力变化,围岩、止浆墙以及已支护或衬砌地段的窜浆情况。注浆结束后,拆卸注浆部件,清洗干净对注浆机械进行检修保养,保证下循环注浆使用。一般采用推进式注浆,即分段累进注浆。当有的部位钻孔过程中出水量很小时,可一次钻到设计深度,然后进行全孔一次注浆。如在钻孔中发现出水量较大时,应分段钻孔,比例sm,再加10m,15m,直到设计深度,注浆与钻孔一致,分次进行。注浆一般按由内向外,由下到上的顺序进行。
参考文献
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