隧洞開挖施工的實踐與體會

/隧洞開挖施工的實踐和體會一、概述隧洞開挖施工方法由巖體質(zhì)量、洞室斷面的大小等因素確定，不同圍巖類別的、斷面大小的洞室開挖方法不一樣。對于小斷面圍巖較好的狀況，一般選用全斷面開挖；對于中小斷面的圍巖差的洞室接受短臺階法開挖；大斷面較好圍巖長臺階、分層分部開挖；大斷面較差圍巖超前導洞法或者留核心土法施工。對于不同圍巖條件開挖時，接受噴混凝土、掛網(wǎng)錨噴、超前錨固、管棚、鋼支撐等措施進行加固圍巖。本文作者長期在生產(chǎn)一線從事洞室開挖施工，依據(jù)多年的實踐對不同圍巖條件下的開挖施工出現(xiàn)的塌方、平安支護等特別狀況下的施工措施進行總結，供應其他洞室開挖施工中可以借鑒的閱歷。二、圍巖產(chǎn)狀、自身承載時效和塌方部位的關系巖石走向、傾向、傾角“三要素”組成巖石產(chǎn)狀。洞軸線和巖層走向的關系，是確定塌方部位的首要因素。圍巖類別不同，自身承載時效不同，超過自身承載時效就塌方，這是塌方發(fā)生的客觀條件和規(guī)律。選用適宜的開挖方式和平安支護措施是確保平安、經(jīng)濟的關鍵。以水平層狀的Ⅲ類巖石為例，論巖石自身承載時效和塌方部位的關系。Ⅲ類水平巖層，自身承載時效在七天至一個月之間，簡潔塌方部位是兩拱肩。駕馭巖石自身承載時效和塌方部位，就明確了錨護的重點部位。洞挖過程依據(jù)重點部位適時錨護，保證開挖過程平安、經(jīng)濟。不了解這類巖石的特性，忽視對兩拱肩的重點錨護，超過巖石自身承載時效，兩拱肩起先塌方，洞子形成平頂形態(tài)，進而引發(fā)洞頂?shù)乃胶兔绊?。特別是大直徑隧洞，處理回頭塌方，不僅施工難度大，而且增加投入和延誤工期。Ⅲ類直立巖體，圍巖夾制作用最小，而自身承載實力最強，有利于洞挖爆破及平安作業(yè)。當巖層走向和洞軸線一樣時，巖石自身承載實力變?nèi)?，對洞挖爆破及平安作業(yè)不利。這類巖層走向的塌方規(guī)律，先從兩邊洞邦向洞軸線方向鼓出，進而巖層折斷垮邦。越垮洞室的跨度越大，洞頂?shù)膲毫υ酱?，巖石自身承載實力無法支撐越來越大的壓力，加速塌方和冒頂。這就是大冒頂?shù)木売伞Ａ私饬诉@類巖石的特性，知道塌方部位和時間，在洞挖過程中，剛好錨護兩邊洞邦，就有效預防了洞頂?shù)乃胶兔绊敗＂箢悗r層向右傾倒60-80度左右，左洞邦向洞軸線方向鼓出，進而巖層折斷塌方。右拱肩順巖層滑塌。這類巖層走向的隧洞，錨護的重點部位是左洞邦和右拱肩。同樣是原理，巖石向左傾倒，錨護的重點倒位置。以上代表性的不同巖層走向的塌方部位，在Ⅲ類巖石上是如此，在各類相同巖石走向的巖石上，塌方的部位是相像的，只是巖石自身承載時效不同。至于各類巖石不同的自身承載時效，相對應的平安支護措施在下一節(jié)專題論述。三、各類圍巖自身承載時效和平安支護在隧洞工程開挖中，巖石類別確定巖石自身承載實力的強弱和巖石承載時間的長短。水電系統(tǒng)圍巖類別分五類，簡短地說，Ⅰ類巖石完整、堅硬，自身承載時間最長，隧洞成形后巖石自身能承載一年以上不塌方。Ⅴ類巖石最軟，一般比較裂開，自身承載時間最短，在一小時以內(nèi)。在Ⅰ類圍巖洞挖施工，經(jīng)過光爆處理洞壁，巖石自身承載一年以上不塌方。一般狀況下，在Ⅰ類圍巖不須要平安支護，巖石自身能夠承載。Ⅱ類圍巖稍差，自身承載實力在半年以內(nèi)。依據(jù)Ⅱ類巖石自身承載時限，一般洞挖工程都設計打插筋，φ22鋼筋，長度3.0m左右，孔距1.5m左右，排距2.0m之間，梅花型布孔。沿洞圈打不同角度的注漿錨桿，是圍巖形成和插筋長度相同厚度的巖石自身承載環(huán)，就能滿足洞挖工程的平安。Ⅲ類圍巖自身承載實力在七天至一個月之間。因此，除按Ⅱ類巖石標準打注漿錨筋外，巖石比較完整的要素噴混凝土，拱肩以上10cm，拱肩以下5cm；巖石裂開，有水洞段要加筋掛網(wǎng)，密度15cm×15cm，和插筋焊接，再噴混凝土。使洞圈和插筋相同厚度的巖石自身承載環(huán)整體受力，才能滿足洞挖工程的平安。Ⅳ類圍巖是比較軟弱的，巖石自身承載實力在幾個小時至一天時間以內(nèi)。打插筋，掛鋼筋網(wǎng)的標準和Ⅲ類裂開巖石相同。部分巖石裂開，有地下水的洞段要加鋼格柵支撐。掛鋼筋網(wǎng)的密度10cm×10cm。噴錨的混凝土一般要求填加鋼針或纖維，增加混凝土強度。噴錨厚度為：拱肩以上15cm，拱肩以下10cm。有水洞段要剛好打排水孔減壓，才能滿足Ⅳ類圍巖上洞挖工程平安。Ⅴ類圍巖是最軟弱的，易風化的巖石組成。即使完整的Ⅴ類巖石，自身承載實力也在1小時以內(nèi)。傾倒、裂開、有地下水的Ⅴ類圍巖，不經(jīng)灌漿等幫助措施，巖石自身很難承載。這是在水牛家電站導流洞進口段傾倒、裂開、有地下水的Ⅴ類圍巖施工實踐總結的結論。在上述條件下進行洞挖，進洞前先用邁式錨桿沿開挖線偏外5cm超前錨固、鋼筋掛網(wǎng)、噴混凝土、灌漿封掌子面。進洞以后，偏開挖線外5cm打設32mm邁式錨桿，孔距40cm，每次超前鉆進6.0m，灌漿后掘進。這類巖石極軟，開挖方式為：拱肩以上部位多用風鎬打，鎬頭挖，個別較大漿塊、石塊接受小炮松動爆除。每次掘進80cm至100cm，初噴混凝土5cm左右，制止巖石分化和石渣塌落。安裝鋼格柵，沿鋼格柵打3m環(huán)行邁式錨桿，和鋼格柵焊接，使3m厚度圍巖自身承載環(huán)整體受力。鋼筋掛網(wǎng)10cm×10cm，二次噴射混凝土，拱肩以上15cm，拱肩以下10cm。環(huán)行邁式錨桿灌漿后，巖石自身承載環(huán)成形。在傾倒、裂開、有地下水的Ⅴ類巖石上支護，盡管各種平安支護措施并用，在巖石自身承載環(huán)沒有形成之前，特別洞頂個別吃不到漿的部位，在施工過程中仍會出現(xiàn)塌方的狀況。塌方高度在0.5m左右，用木料或石塊即使填塞密實，噴射混凝土和塌方面緊密接觸，可制止接著塌方。塌方高度超過1.0m，為減輕拱架壓力，在拱架上加鋼支撐，拱架和鋼支撐之間、鋼支撐和鋼支撐之間、鋼支撐和前一榀拱架之間、拱架和拱架之間焊接成相互受力，并把來此洞頂?shù)膲毫ο蚨窗钜?，貼巖石面掛鋼筋網(wǎng)，噴混凝土封閉，可制止塌方。塌方高度超過2.0m，要先制止周邊不再接著塌方，特別留意引發(fā)冒頂。依據(jù)塌方形態(tài)，，接受不同形式支護。拱架上加鋼撐，鋼撐上再加拱架，拱架上再加鋼撐頂?shù)綆r石面，前后左右焊接成整體，貼巖石面掛鋼筋網(wǎng)，噴混凝土封閉，方可制止塌方。這種雙層拱支撐的要點，是要從其次層拱架上把壓力引伸到洞邦去，壓力向外伸展，不直壓拱架，確保洞邦不接著塌方。雙層拱分載壓力，可有效防止洞子冒頂。另一種支撐方式，是在拱架上制作擺方木的平臺，前后左右和巖石面頂緊，左右方向制作支撐點，把壓力引向洞邦，用方木擺井字形，面積大的擺田字出頭形態(tài)，各出頭點頂緊周邊巖石，扒釘連接成整體，噴射混凝土，使方木各出頭點和巖石面緊密接觸，確保周邊不接著垮塌，就制止了冒頂。洞子冒頂后的形態(tài)多是寶塔山形。每次首先垮塌的部位是周邊。周邊越垮越寬，洞頂才會越冒越高。限制冒頂，好比“圍魏救趙”，能限制住周邊不接著垮塌，就限制住了冒頂。支撐是同樣的道理，重點是周邊。隧洞承載靠圍巖自身，傾倒裂開的巖石也是如此。打超前錨桿、環(huán)形系統(tǒng)錨桿、鋼格柵支撐、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、灌漿等，都是幫助巖石形成自身承載實力。幫助措施其本身承載實力并不高，每平方米10噸左右，要平衡受力，而承載圍巖山體壓力，主要靠巖石自身承載環(huán)。環(huán)形系統(tǒng)錨桿在巖石自身承載環(huán)中起主要作用。鋼格柵、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、灌漿對環(huán)形系統(tǒng)錨桿起幫助作用。在傾倒、裂開、有地下水的Ⅴ類圍巖上搞洞挖，平安工作的重中之重在環(huán)形系統(tǒng)錨桿打設上。四、不同圍巖類別洞挖施工方法洞挖應針對巖石的類別、自身承載時效、塌方部位科學確定開挖方式。像洞徑在7m左右，圍巖自身承載時效在半年以內(nèi)的Ⅰ、Ⅱ類巖石，選擇全斷面一次掘進，就是合理的開挖方式。Ⅲ類圍巖自身承載時效在七天至一個月之間。為了減輕爆破對圍巖的破壞，增加巖石自身承載實力，先中間、后周邊的全斷面掘進，就是切合實際、高效的開挖方式。先中間就是留出光爆位置作為愛惜層，中間先放一炮，人為的把光爆最小抗拒線引向內(nèi)圈。其次茬炮中間和周邊光爆同時進行，能有效愛惜圍巖不受破壞，光爆半孔完好率有些可達到100%。幫助巖石自身承載的措施，主要是沿洞圈打不同角度的注漿插筋，使圍巖形成自身承載環(huán)。圍巖自身承載環(huán)幫助形成措施，就是確定合理的支護方式。最簡潔的方法依據(jù)洞壁上光爆半孔完好率來確定：半孔完好率能保留90%以上，打注漿插筋就能自身承載；低于80%要幫助素噴混凝土，拱肩以上10cm，拱肩以下5cm；低于70%要掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土，拱肩以上15cm，拱肩以下10cm，才能形成巖石自身承載環(huán)。Ⅳ類圍巖自身承載時效是幾個小時至一天時間。為確保洞挖平安，先上部再下部的分層開挖是適宜的方法。分層就降低了掌子面的高度，減小了面積，也就相應地降低了塌方的幾率。Ⅳ類巖石洞挖，一般狀況是要打環(huán)形系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土，個別巖石裂開、有地下水洞段加鋼格柵支撐，幫助圍巖形成自身承載環(huán)。先進行上半部分開挖和平安支護，確保洞頂平安后再進行下半部分開挖和平安支護是Ⅳ類圍巖中洞挖的科學方法。Ⅴ類圍巖自身承載時間最短，在1小時以內(nèi)。傾倒、裂開、有地下水的洞段，巖石自身很難形成承載環(huán)。在Ⅴ類圍巖上搞洞挖，幫助巖石形成自身承載環(huán)是關鍵。打邁式超前錨桿，鉚釘拱肩以上部位。用邁式錨桿中心通道向巖層灌漿，粘連、固定裂開巖渣。這一措施可承載洞深0.8~1.0m以內(nèi)的壓力，超過1.0m就很緊急。因此在傾倒、裂開、有地下水的Ⅴ類圍巖上洞挖，開挖方式是短進尺、弱爆破、強支護。短進尺是依據(jù)Ⅴ類圍巖自身承載能承載的最大深度，每茬炮掘進深度不宜超過1.0m。弱爆破是洞挖爆破過程不等破壞超前錨桿以外的漿粘巖渣。強支護是每掘進0.8m到1.0m，先初噴混凝土，制止巖石風化塌落，支撐鋼格柵、打環(huán)形邁式系統(tǒng)錨桿和鋼格柵焊接、掛鋼筋網(wǎng)、再次噴混凝土，二次噴射厚度：拱肩以上15cm，拱肩以下10cm，環(huán)形邁式錨桿灌漿。這些幫助圍巖自身承載的措施全部做到位以后，圍巖自身承載環(huán)能形成。依據(jù)Ⅴ類圍巖的自身承載時效對平安支護的要求，全斷面掘進成功幾率較