某淺埋隧道設計施工技術

PAGE14-某淺埋隧道設計施工技術摘要：結合渝利鐵路某雙線淺埋隧道的修建情況，針對施工中出現(xiàn)的淺埋偏壓與軟弱圍巖的特殊地質(zhì)問題，提出了在此特殊地質(zhì)條件下隧道進洞設計、施工時應掌握的設計機理，采取相應的施工技術方法和防范處理措施，總結相關經(jīng)驗，以期對將來類似工程設計、施工有一定的借鑒。關鍵詞：淺埋隧道；軟弱圍巖；設計機理；施工技術TecnologyofDesignandConstructionforaShallowTunnelAbstract：Combinedwiththeconstructionofadouble-trackshallowtunnelandspecialgeologicalproblemsincludingshallowcoveredslopeandsoftsurroundingrockinYulirailway,thedesigningoftunnelentrance,designprinciplesrequiredduringtheconstruction,constructiontechnologyandtreatmentmeasuresunderthespecialgeologicalsituationwerepresentedinthispaper.Therelevantexperiencewassummarizedforacertainreferencetoothersimilarprojectdesignandconstruction.Keywords：ShallowTunnel；SoftSurroundingRock；DesignPrinciples；ConstructionTecnology1引言近年來，隨著國家宏觀經(jīng)濟及綜合國力的不斷增長，高速鐵路等基礎設施建設得到快速發(fā)展，尤其是2008年年底，國家為應對金融危機，計劃投巨額完善鐵路設施，為高鐵大面積修建提供了前所未有的機遇，但由此線路選線在經(jīng)過山區(qū)時不可避免的需要修建眾多的隧道。在山嶺隧道修建過程中，常遇到一些不利于隧道施工的特殊地質(zhì)條件地質(zhì)地段，如隧道進出洞口洞室的淺埋、偏壓現(xiàn)象、巖體穩(wěn)定性等問題。在開挖、支護以及后期的隧道運營過程中，由于各種因素的影響都可能發(fā)生土石坍塌、坑道受壓、支撐變形、襯砌結構斷裂和各種特殊施工問題，嚴重影響施工進度、安全和質(zhì)量，甚至對安全運營造成威脅。本文結合某高速鐵路隧道工程施工中出現(xiàn)的一些不良地質(zhì)問題，提出了相應的優(yōu)化設計處理措施，以期對將來的隧道設計、施工有一定的借鑒。2工程概況某隧道位于重慶市境內(nèi)，起止里程為D1K193+870～D1K194+978，全長1108m，全隧除斜切、斜切延伸段采用明挖法施工，設置明作襯砌，D1K193+984～D1K194+054段采用拱部明挖，拱下CRD法暗作，設置復合式襯砌外；其余段落均采用暗挖法（CRD、臺階法）施工，設置復合式襯砌。暗挖法按錨噴構筑法施工，光面爆破法施工。隧道全線超淺埋，平均埋深14.5米，最大埋深44.6米，進口段埋深僅為4.4米，全隧均為Ⅴ級圍巖，洞口段節(jié)理裂隙發(fā)育，單斜構造，順層偏壓；線路紅錢范圍內(nèi)地表建筑物及電力網(wǎng)等結構物密集、施工干擾大。拱上明挖、拱下CRD斷面圖3總體設計淺埋隧道是指在洞室開挖后對地層的影響能波及到地表的一種特定條件下的隧道工程。最大的特點是埋深淺，施工過程中由于地層損失而引起地面移動明顯，對周邊環(huán)境的影響較大，因此對開挖、支護、襯砌、排水、注漿等方法提出更高要求，施工難度增加。為防止刷坡對自然邊仰坡的破壞，降低洞口洞頂不良地質(zhì)給隧道施工帶來的危害，并有利于保護地表植被，依照山體山坡的自然形狀，根據(jù)隧道接長明洞之原則，某隧道進口洞門設于D1K193+870，暗洞進洞設于D1K194+054。D1K193+870—D1K193+984段采用明挖法，D1K193+984—D1K194+054段采用拱上明挖，拱下CRD法施工。先明挖施工拱部120°范圍上半斷面，做好臨時邊仰坡錨噴網(wǎng)防護，最后按CRD工法施作拱部以下部位，二次襯砌施作完成后及時回填漿砌片石和夯填土石。施工中做到“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”。4施工措施為了安全地穿越隧道淺埋松散地層，設計中常采取的措施有：地表砂漿錨桿預加固，隧道拱肩覆蓋層及洞口邊仰坡封閉，洞內(nèi)小導管(或大管棚)注漿預加固等。4.1地表砂漿錨桿預加固淺埋隧道洞室開挖后，其上方巖體因原有平衡被破壞和臨空面的形成，大多會產(chǎn)生向洞室內(nèi)的豎向下沉和向洞口端的縱向滑坍。如果僅僅依靠開挖后洞室內(nèi)的支護，往往難以使這兩種位移得到及時控制，即使以最快的速度進行支護，也需要一定時間才能形成支護的強度和剛度。而洞口段埋深一般只有幾米，其巖性大多數(shù)比較軟弱破碎，有的甚至就是松散體，固此在洞室開挖前將山體用錨桿進行預加固，能有效地減少地表沉陷和沉陷體的體積；減少地表最大沉陷值與洞內(nèi)收斂值之比；減少地表的縱向滑移；減少洞室頂部的壓力，即加大了山體的自承能力。地表錨桿采用全長砂漿錨桿，錨桿與砂漿共同組成錨固體，即它的錨固作用是通過錨桿與砂漿之間的握裹力以及砂漿與周圍孔壁之間的粘結力共同實現(xiàn)的。這可以從加固時的施工過程和施工完成后錨桿與砂漿共同發(fā)揮作用兩個階段共同認識，其中前者的主要功能在于提高巖土體的整體強度和剛度，后者的主要功能則在于增強巖土體的摩阻力和抑制巖土體的沉陷滑移，進而達到減少山體壓力的效果。地表預加固砂漿錨桿參數(shù)設計：錨桿采用20錳硅螺紋鋼．直徑為18~8gmm；地面砂漿錨桿的長度應根據(jù)洞室覆蓋層厚度和實際施工能力確定；地表橫向加固范圍可根據(jù)地形和邊仰坡的破裂面確定；錨桿間距一般為1.0～1.5m，并按梅花形布置：安置地面錨桿的鉆孔直徑一般為60~100mm；錨固孔注漿砂漿宜采用C15水泥單漿液。當巖體節(jié)理裂隙發(fā)育時。可用水泥—水玻璃雙漿液注漿密實。采取地表預加固處理的措施無論是在環(huán)保、高邊坡的穩(wěn)定安全、工程造價經(jīng)濟上都較接明洞方案占有大的優(yōu)勢。4.2地表風化破碎層及時封閉為防止地表水滲入圈巖體，雨水對松散覆蓋層的沖刷及地表層的繼續(xù)風化，必須首先做好洞頂上方邊仰坡截排水溝，同時對隧道外側拱肩覆蓋層、洞口邊仰坡及時進行噴射混凝土封閉并錨桿掛網(wǎng)加固。4.3洞內(nèi)導管或管棚超前支護淺埋松散巖土體的自身承載能力非常有限，為保證施工安全。在受力最為復雜的洞口采用中管棚進洞，視地質(zhì)圍巖情況并通過監(jiān)控量測的反饋信息，可酌情采用雙排小導管或大管棚超前預支護進洞，在受到施工工期等條件限制的情況下，可利用鋼拱架及聯(lián)結鋼筋組成的套向架取代鋼筋混凝土結構護拱。開挖支護斷面圖4.4暗洞施工方法因該隧道全線超淺埋，圍巖破碎，設計全部為Ⅴ級，施工風險較高，暗洞采用交叉中隔壁法（CRD）、埋深較深處采用大拱腳臺階法施工。CRD法施工各分部增設臨時仰拱和兩側交叉開挖，每步短時間及時封閉成環(huán)，以抑制圍巖變形，達到圍巖沉降可控、初期支護安全穩(wěn)定的目的。同時仰拱超前，拱墻緊跟施工，使形成封閉環(huán)。襯砌斷面宜采用曲墻式，應使用鋼模板臺車整體襯砌，先墻后拱一次成型，并保證施工質(zhì)量。4.5下穿民房施工技術隧道D1K194+340~D1K194+520下穿民房段圍巖質(zhì)軟，節(jié)理發(fā)育，巖層緩傾；風險等級為中度；設計上采用大拱腳臺階法開挖，φ42小導管超前支護，該淺埋段紅錢范圍內(nèi)地表房屋及電力網(wǎng)等結構物密集，線路下穿民房較多，在隧道中線范圍各30m范圍內(nèi)有6棟民房，此段埋深平均28米，最小19米，施工風險及干擾較大。1、在民房段布設拱頂沉降觀測樁，施工中對該段地表進行沉降監(jiān)控樁，特別是民房地基沉降情況，如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即報相關單位，以便處理。該段施工采用控制爆破，按下穿民房處爆破震動波速不大于5cm/s控制。2、采用四臺階(上、中、下、仰拱)分部爆破開挖施工，每循環(huán)進尺控制在1.2m左右。3、下穿民房控制爆破設計⑴每循環(huán)進尺控制在1.2m左右，按照公式，可以計算Ⅴ級圍巖爆破施工的理論炸藥用量Q=q×s×L=0.36×137×1.4=69.0Kg，實際取69Kg；炮眼理論數(shù)量N=q×s/(r×n)=0.36×137/（0.5×0.5）=197個,實際取195個,平均單孔裝藥量0.35Kg，炸藥的線裝藥密度0.25Kg/m。⑵爆破效果檢查：每次爆破后，對爆破效果進行仔細檢查，分析爆破參數(shù)的合理性，以確定出適合本巖層最佳爆破參數(shù)。除普通段落常規(guī)檢查外，主要檢查、核定及分析以下幾個方面的內(nèi)容：距開挖面18m位置進行爆破震動速度監(jiān)測，是否滿足設計要求的不小于5cm/s，如不滿足，應及時調(diào)整循環(huán)進尺和單孔裝藥量。與當?shù)鼐用衩芮新?lián)系，經(jīng)常詢問民房有無開裂等實際情況，及時拍照取證。⑶爆破設計優(yōu)化：根據(jù)每次爆破后檢查情況，分析原因及時修正爆破參數(shù)，提高爆破效果，改善技術經(jīng)濟指標，進行動態(tài)施工。4、下穿民房段的施工措施：⑴施工原則：早預報、管（錨桿）超前、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測，步步為營，以防為主，穩(wěn)步前進。⑵加強超前地質(zhì)預報工作,進一步判明地質(zhì)情況,獲取施工中掌握的參數(shù)，采取相應的處治措施。⑶通過民房地段開挖后應及時進行初期支護或臨時支護，工序緊扣、銜接，盡早施作抑拱和二次襯砌，以使永久支護體系盡早發(fā)揮作用。掌子面穩(wěn)定性差時，應隨時噴混凝土封閉工作面，必要時掌子面打設臨時錨桿，減少巖層暴露時間，抑制圍巖過大變形。⑷需采取輔助施工措施：采用超前小導管預注漿或超前錨桿加固圍巖，及時施作噴、錨支護，并輔以工字鋼支撐加強措施，構成強支護體系，及時形成封閉結構。⑸當拱頂民房段地面有開裂，或拱頂有下沉時，可采用預留核心+臺階法施工。5監(jiān)控量測該隧道全線超淺埋，均為Ⅴ級圍巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，單斜構造，順層偏壓，且洞頂?shù)乇斫ㄖ锩芗?，按新奧法設計、施工，采用復合式襯砌，監(jiān)控量測是一項重要的管理工作，施工過程中應加強監(jiān)控量測工作，以確保施工安全。5.1量測目的⑴通過監(jiān)測了解地層在施工過程中的動態(tài)變化，明確工程施工對地層的影響程度及可能產(chǎn)生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)。⑵通過監(jiān)測了解支護結構及周邊建（構）筑物的變形及受力狀況，并對其安全穩(wěn)定性進行評價。⑶通過監(jiān)測了解施工方法的實際效果，并對其進行適用性評價。及時反饋信息，調(diào)整相應的開挖、支護參數(shù)；⑷通過監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)，為以后的工程設計、施工及規(guī)范修改提供參考和積累經(jīng)驗。5.2監(jiān)測項目實施方法1、地表沉降地表沉降測點埋設：用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入長200～300mm，直徑20～30mm的圓頭鋼筋，四周用水泥砂漿填實。地表沉降計算：在條件許可的情況下，盡可能布設導線網(wǎng)，以便進行平差處理，提高觀測精度。施工前，由基點通過水準測點監(jiān)測出地表沉降觀測點的初始高程H0，在施工過程中測出的高程為Hn。則高差△Ｈ＝Hn-H0即為地表沉降值。地表沉降分析：括地表沉降歷時規(guī)律、地表沉降歷程規(guī)律、縱向地表沉降規(guī)律、橫向地表沉降規(guī)律等。分析施工對周邊環(huán)境的影響程度及影響范圍，及與時間及開挖面之間的關系，預測最終地表沉降。2、建筑物監(jiān)測目前，對于建筑物監(jiān)測項目主要是沉降與傾斜（通常采用差異沉降法）沉降監(jiān)測點布置：監(jiān)測點的位置和數(shù)量應根據(jù)建筑物的體態(tài)特征、基礎形式、結構種類及地質(zhì)條件等因素綜合考慮。為了反映沉降特征和便于分析，測點應埋設在沉降差異較大的地方，同時考慮施工便利和不易損壞。一般可設置在建筑物的四角（拐角）上，高低懸殊或新舊建筑物連接處，伸縮縫、沉降縫和不同埋深基礎的兩側，框架（排架）結構的主要柱基或縱橫軸線上。地表沉降計算：施工前，由監(jiān)測基點通過水準測量監(jiān)測出建筑物沉降監(jiān)測點的初始高程H0，在施工過程中測出的高程為Hn。則高差△H＝Hn-H0即為建筑物沉降值。傾斜計算：根據(jù)建筑物相臨兩點的沉降值，在計算建筑物沉降差△s，按公式tgθ=△s/b進行傾斜計算（一般采用差異沉降法），如圖所示，頂部水平位移采用公式SH2=Hg×△s/b計算。式中：θ——為所求建筑物水位移產(chǎn)生的傾斜角；b——建筑物寬度；△s——建筑物的差異沉降；變形規(guī)律分析：繪制變形歷時曲線，預測最大變形值，判斷建筑物的安全。建筑物沉降歷時曲線圖建筑物沉降歷時曲線圖右線盾構到達前右線盾構通過后左線盾構到達后期沉降3、凈空收斂監(jiān)測測點布設原則：與結構拱頂下沉測點布置在同一個斷面上。在同一斷面內(nèi)，收斂基線的布設，應根據(jù)斷面大小選擇不同的布置型式，通常情況下可以采用，如下圖所示的型式。安裝測點時，在被測結構面用鑿巖機或人工挖孔徑為40～80mm深20cm的孔，在孔中填塞水泥沙漿后插入收斂預埋件，盡量使兩預埋件軸線在基線方向上并使銷孔軸線處于垂直位置，上好保護帽，待沙漿凝固后即可進行監(jiān)測。收斂測量與計算：按下式計算凈空變化值。Un=Rn-Rn-1Un——第n次監(jiān)測的凈空變形值Rn——第n次監(jiān)測時的凈空變形值Rn-1——第n-1次監(jiān)測時凈空變形值變形分析：繪制收斂歷時曲線，預測最大收斂變形值，判斷初支結構的穩(wěn)定情況。收斂歷時曲線4、拱頂下沉監(jiān)測沉降點埋設：沉降點埋設原則應以能反映結構安全為原則，并盡量與地表沉降測點相對應，以利于對比分析。拱頂下降的水準基點布設在洞內(nèi)和洞外均可，要布設牢固，易于監(jiān)測。拱頂下沉降測點一般用Ф6鋼筋彎成三角形，固定在待測面上。測點大小要適中。監(jiān)測時用1把長度適宜的（長度依據(jù)隧道高度而定）鋼卷尺，尺端連一個掛勾，可以掛在測點上。要保護測點，使監(jiān)測數(shù)據(jù)不中斷。監(jiān)測應在水準儀及掛尺檢驗合格后方可進行；不得在測點和掛尺處有振動時進行監(jiān)測；盡量選擇在監(jiān)測環(huán)境好時進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)計算與分析：對同一測點而言，拱頂沉降計算如下式。U=Ui-Ui-1式中：Ui——第i次監(jiān)測高程；Ui-1——第i-1次監(jiān)測高程；U——第i次沉降值；數(shù)據(jù)分析與處理同地表沉降：繪制沉降歷時曲線。沉降歷時曲線5、爆破振動監(jiān)測測點埋設：一般的地表振動監(jiān)測，因振動幅值不大，頻率不很高，只需將傳感器直接置于地表，周圍用石膏粘附即可。在地下工程內(nèi)墻壁上監(jiān)測強烈爆破振動時。需用鋼釬嵌入巖體中，將傳感器固定在鋼釬上。而一般巖體表面盡可能直接安裝傳感器，不要通過釬桿安裝傳感器，它可能使振動波形失真。現(xiàn)在有些傳感器有安裝磁座，比較方便、可靠。這種情況下，可在地表下埋入（膠結）一塊小鐵板，將傳感器座直接吸附固定在鐵板上。監(jiān)測結果與分析：監(jiān)測波形圖，根據(jù)波形圖分析最大振動速度，每段時間間隔及裝藥量是否合理等。爆破震動振動速度圖6幾點認識⑴首先系統(tǒng)采用小導管超前支護技術，靠近工作面架設的第一排鋼拱架，是不受力的。⑵開挖方法選用合理，初期支護必須從上向下施作，一次支護穩(wěn)定后方可施作二次模筑襯砌。⑶采用監(jiān)控量測技術控制地表下沉和防塌方是最可靠的方法。⑷突出快速施工，考慮時空效應，做到四個及時：及時支護、及時量測、及時反饋、及時修正。⑸采用復合式襯砌結構，一次支護由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架組成。鋼拱架連結處設鎖腳錨桿（管）和鋼拱架焊接。施作臨時支護時應視地質(zhì)情況對導坑采用徑向錨桿，底部型鋼橫撐加強支護，工序變化處之鋼架（或臨時鋼架）應設鎖腳錨桿，以確保鋼架基礎穩(wěn)定。⑹淺埋暗挖法18字方針是施工的原則和要點的精辟總結，即：“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”。⑺必須遵循信息化反饋設計