大斷面富水煤系地層公路隧道開挖施工技術

張金光

1 工程背景

1.1 工程簡述

二廣(二連浩特—廣州)高速公路是國家高速公路網(wǎng)的一部分,大崛坑2號隧道位于二廣高速公路懷集—三水段,設計為分離式雙向六車道隧道,隧道右線長292 m(左線445 m),設計最大開挖凈寬為16.57 m,最大開挖凈高為11.47 m,最大開挖斷面積為152.3 m2。

1.2 地質及水文地質

隧道區(qū)位于梅仔坑復式背斜的核部南西翼,總體呈一單斜構造,受北東向吳川—四會深大斷裂帶的影響,區(qū)內斷裂構造極其發(fā)育,裂隙以層面裂隙和垂直層面的陡傾裂隙構造節(jié)理為主。斷裂破碎帶(F4)分布于隧道出口處,結構松散,巖體破碎,穩(wěn)定性差;進出口屬于第四紀殘坡積土及全～強風化粉砂巖、片巖、炭質頁巖夾煤層,洞身為強風化粉砂巖、片巖夾薄層煤層,裂隙發(fā)育,較破碎,以Ⅴ級圍巖為主。

2 施工方法的選擇與確定

基于兩次掌子面塌方的經(jīng)驗教訓,同時根據(jù)隧道煤系地層產(chǎn)狀特點:與隧道成大角度相交,傾角為 65°,其最不穩(wěn)定部位是在掌子面,因此所選擇的施工方法應盡量減小掌子面的高度。考慮采用的方法有:雙側壁導坑法(在側壁導坑內再分上下臺階)、三臺階預留核心土法、CRD法等。

3 三臺階上弧形導坑法施工技術

3.1 三臺階上弧形導坑法洞身開挖基本原則及步序

1)基本原則。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗教訓,在“管超前,嚴注漿,弱爆破,短進尺,早封閉,勤量測”的十八字原則基礎上,再增加以下幾條:預判準,短臺階,大拱腳,交錯挖,強鎖腳,緊襯砌。

2)開挖步序。a.分3個臺階八部(步)開挖:先開挖上臺階弧形導坑;然后開挖核心土,為施工上臺階提供通道;再進行中下臺階開挖。b.前后支護緊密結合——開挖前的超前支護(輔助施工)和邊挖邊初期支護。c.二襯緊跟——先仰拱和回填,后墻拱。

3.2 三臺階上弧形導坑法施作要點

1)臺階分部。考慮到掌子面穩(wěn)定,同時也考慮到有利于拱部初期支護受力,上臺階取3.5 m,中臺階取3.1 m,下臺階取2.66 m,仰拱開挖高度為2.21 m。

2)核心土。a.從實際施工情況看,上臺階核心土長度可取3 m～4 m;核心土頂面為弧形,與拱部開挖輪廓線對應,核心土左右腳部離開挖輪廓線2 m～3 m;距拱頂高度可取1.4 m～1.8 m,在穩(wěn)定性極差時取小值。核心土長度最短取3 m,在確保穩(wěn)定的同時,也是為超前小導管提供工作平臺,太短則小導管角度易打大,角度太大則不能有效起到超前支護的作用。b.在中臺階施工時不留核心土,直接落底(至中臺階)。c.下臺階可留部分核心土,做成斜坡,兩側拉槽開挖。主要是為滿足道路放坡需要,確保車輛行駛安全。

3)短臺階。a.從保證核心土的作用考慮,上臺階長度最短不宜小于5 m,一般取5 m～8 m;上臺階也不宜過長,過長則會發(fā)生較大變形。b.根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗,中臺階的施工長度可取7 m～10 m,不宜超過10 m。c.下臺階長度以滿足施工空間需要即可,但不宜大于15 m,據(jù)此三臺階上弧形導坑法的仰拱封閉距離可控制在30 m左右。

4)臺階錯臺。對于三臺階上弧形導坑法,在中、下層開挖時,每層均左右錯開進行,同層間錯開至少3 m,以避免上層初期支護兩腳同時懸空。

5)大拱腳。為確保開挖中(下)臺階時,上(中)臺階拱腳穩(wěn)定,中(下)臺階兩側拱腳處預留土體頂寬不宜小于3 m,其坡度可取1∶0.3～1∶0.5。大拱腳是確保上層初期支護拱腳穩(wěn)定的關鍵。

6)短進尺。一次開挖進尺可按“123”施作:a.上臺階一次進尺不應大于“1榀”拱架距離。b.中臺階一次進尺不應大于上臺階一次進尺的 2倍,即“2榀”拱架距離。c.下臺階一次進尺不得超過“3榀”。d.掌子面距離最近一榀拱架的距離不得超過 30 cm。

7)鎖腳錨桿(管)與拱腳墊塊。a.上中下臺階在拱架架立完成后均必須打設鎖腳錨桿,每個拱腳不少于兩根。b.鎖腳錨桿采用3.5 m長φ 22藥卷錨桿或φ 42 mm小導管,并與拱架焊接牢固。鎖腳錨桿的施作質量是施工控制的關鍵。c.拱腳處應清除虛渣,直接落于堅實的基底上,或采用混凝土墊塊墊于拱腳下,避免拱腳懸空。

8)早封閉。煤系地層在開挖后,掌子面易失穩(wěn),因此開挖后迅速支護(封閉掌子面)對施工安全有重要意義,從施工情況看,開挖后前一兩個小時是關鍵:a.初噴混凝土工序移至出渣前進行,先噴后出渣。b.在立架完成后,先噴后錨。

9)仰拱及二襯緊跟。仰拱封閉距離決定了弧形導坑凈空位移趨于穩(wěn)定的距離,因此及時封閉仰拱對于控制大斷面凈空位移及穩(wěn)定有關鍵性意義。現(xiàn)場施工組織圍繞這一關鍵,緊湊工序銜接,盡可能縮短仰拱封閉距離。根據(jù)現(xiàn)場施作經(jīng)驗,仰拱封閉距離30 m～45 m可以確保安全。二襯緊跟仰拱填充施工。

10)超前支護。超前支護采用φ 42 mm注漿小導管,環(huán)向布設范圍為106°,共41根,環(huán)向間距為40 cm,在圍巖極破碎地段其間距加密為30 cm。

11)初期支護。a.超挖處必須回填密實,不得留有空洞。b加強施工組織,緊湊工序銜接,在開挖后必須在最短的時間內支護和封閉,以避免開挖面暴露時間過長而失穩(wěn)。

12)做好排水。a.在初支噴射混凝土與圍巖間安設Ω形彈簧排水管,在初噴3 cm～5 cm后設置,每5 m一道。b.由于圍巖滲水量較大,在兩側設置引水溝,引水溝應距離初期支護不小于1 m。

4 其他施工措施

4.1 瓦斯地段施工措施

雖然設計中有“隧道區(qū)未探測出瓦斯等有害氣體的存在”的說明,但為確保施工安全,在施工中采用了人工現(xiàn)場監(jiān)測的方法,并加強安全保證措施及做好各種施工預案。

4.2 超前地質預判

采用TSP作長期預報,采用地質雷達作短期預報;利用風鉆打超前探孔作為施工過程中最直接的預報。

4.3 監(jiān)控量測

在隧道施工中,任何圍巖變化尤其是有不穩(wěn)定趨勢時都會通過量測數(shù)據(jù)反映出來,具體量測項目與方法不再贅述。

5 結語

大崛坑2號隧道采用三臺階上弧形導坑法安全、按期完成了洞身開挖,施工主要體會如下:1)在地質雷達的基礎上,采用風鉆打超前探孔最直接的探明了前方3 m～5 m圍巖的情況,做到了“預判準”,為確定相應施工措施提供了依據(jù)。2)采用三臺階上弧形導坑法的開挖方式,需堅持“管超前,嚴注漿,弱爆破,短進尺,早封閉,勤量測”的十八字原則。3)該施工方法有效性體現(xiàn)在:a.開挖方式有效的降低了開挖面的高度,穩(wěn)定了掌子面。b.短進尺,減少了對圍巖的擾動、加快了封閉時間,同時也為提高工效創(chuàng)造了條件。c.短臺階、大拱腳及加強鎖腳的施工方法減少了對圍巖的擾動,同時也避免了兩側拱腳同時懸空,保證了結構穩(wěn)定及施工安全。4)隧道洞身開挖在采用三臺階上弧形導坑法后,未再出現(xiàn)過塌方,確保了施工安全。施工實踐證明,在大斷面、富水煤系地層中尤其是掌子面易失穩(wěn)的情況下,三臺階上弧形導坑法是一種適宜的施工方法,該法能有效的穩(wěn)定開挖面,確保施工安全;同時與雙側壁導坑法、CRD法等相比,其技術經(jīng)濟效益也是顯而易見的。

[1] JTJ 042-94,公路隧道施工技術規(guī)范[S].

[2] 周愛國,唐朝暉,方勇剛,等.隧道工程現(xiàn)場施工技術[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 任文勝.隧道塌方原因分析及處理方案研究[J].山西建筑,2008,34(9):345-346.