公路隧道支護技術的探討

公路隧道支護技術的探討

防止坍塌風險的保證安全是隧道施工中的一項重要任務。塌方輕則造成經(jīng)濟損失,重則導致人員傷亡,并對后期運營管理和結構穩(wěn)定構成潛在威脅。我國有數(shù)座公路隧道施工中的塌方發(fā)展到地表,處治期長達一年之久;一些隧道建成后,在施工出現(xiàn)塌方的區(qū)段發(fā)生嚴重滲漏;有的隧道施工塌方區(qū)段襯砌嚴重開裂,以致運營不足10年被迫套拱加固。這樣的工例不勝枚舉。造成隧道塌方的原因是多方面的,但施工支護不當是重要原因之一。隧道的支護形式主要有錨桿支護,噴射混凝土支護和鋼架支護,或者幾種基本形式的不同組合。本文針對目前我國公路隧道支護中各單項技術存在的問題,探討各種支護方式的改進途徑。1錨桿改進1.1旋轉軸合理安裝的錨桿錨桿圖2眾所周知,錨桿不僅具有多種支護作用,而且具有及時、靈活等工程特性。目前我國在隧道支護中廣泛應用砂漿錨桿。這種錨桿長期支護效果好,價格便宜。但筆者認為這種錨桿存在2點不足:一是不能及時承載,根據(jù)我國《公路隧道施工技術規(guī)范》(JTJ042-94)第7.2.6.4款,普通砂漿“錨桿安裝后不得隨意敲擊,其端部3d內(nèi)不得懸掛重物”,可見這種錨桿支護的及時性無從談起,即使采用早強水泥砂漿錨桿,其支護作用也只能在1d之后才能發(fā)揮,如此長的等待時間在很多情況下是無法接受的;二是垂直向上錨孔不易灌注。隧道拱頂是支護的關鍵部位,在拱頂圍巖內(nèi)容易出現(xiàn)拉應力,巖體在重力作用下容易出現(xiàn)掉塊與離層,而砂漿錨桿在拱頂部位最難保證質量,因砂漿不易垂直向上灌注。近幾年一些隧道開始應用中空注漿錨桿,這種錨桿容易解決漿液垂直向上灌注的問題,但是砂漿錨桿不能及時承載的問題仍然存在。此外,由于中空注漿錨桿表面波狀螺紋的螺距過大,即使這種錨桿在里端用樹脂錨固,也不能用扭力扳手對其施加預應力?？煊菜嗨幇^桿是一種能及時承載、安裝方便且價格便宜的錨桿,它的端錨式已廣泛應用于我國的各類礦山井巷、水工隧洞和部分鐵路隧道。在公路隧道中,因為存在非錨固段的桿體銹蝕問題,快硬水泥藥包錨桿應用較少。1.2砂漿錨桿抗壓強度的缺陷復合錨固錨桿是指用不同的材料或方法,分部位、分時段錨固的錨桿。砂漿錨桿和快硬水泥藥包錨桿均采用單一的錨固方式,因而都存在一定的問題。如果對錨桿桿體稍加改造,并將不同的錨固方式相結合,則可構成性能優(yōu)越,兼顧及時承載和長期強度,且安裝簡便的復合錨固錨桿。1.2.1錨桿的安裝工藝在中空錨桿的前端對焊一節(jié)長約400mm的螺紋鋼,并在接近對焊處的中空桿體上鉆出漿孔,然后在中空桿體的后端對焊一節(jié)長300mm左右的外帶螺紋的中空螺桿,要求其螺距較小,見圖1所示。安裝時先向錨孔里端送快硬水泥藥包,并搗實,藥包數(shù)量由初錨段長度、鉆孔直徑及該段桿體直徑和藥包規(guī)格確定。然后將錨桿桿體插入錨孔,施加一定的壓力,保證錨桿里端到底并使初錨段周圍密實。此后,根據(jù)快硬水泥的性能,在初錨20~30min后,在錨桿的后端裝墊板,加預應力。由于錨桿后端對焊有小螺距中空螺桿,所以可以很方便地用扭力扳手施加預應力。最后,在適宜的時段向中空段注漿,充填鉆孔與桿體的間隙,并向孔周圍巖體內(nèi)壓漿,完成錨桿安裝。由于這種錨桿的成本仍然較高,所以宜用在隧道拱頂?shù)腻^固。1.2.2錨固的安裝工程上常用的砂漿錨桿桿體多為螺紋鋼。筆者認為這種錨桿宜用于隧道兩側圍巖的錨固,即傾角較小的錨孔的錨固。為了使工程上近水平錨孔的錨固效果更好,應在普通螺紋鋼桿體的后端對焊一段螺栓,見圖2所示。安裝時先向鉆孔里端送快硬水泥藥包并搗實,藥包數(shù)量確定方法同上。然后,向錨孔內(nèi)注漿,方法與一般的注漿方法相同,直到錨孔內(nèi)注滿砂漿。接著將錨桿桿體插入錨孔,同樣需要施加一定的壓力,以保證錨桿里端到底和初錨段周圍密實。此后,等待20~30min,在錨桿的后端裝墊板,上螺母,加預應力。2應用前景和前景濕噴技術是噴射混凝土技術的發(fā)展方向,近年來鋼纖維噴射混凝土也日益受到重視,這兩方面國內(nèi)已經(jīng)取得了可喜成果,目前正在使技術逐步完善并進一步擴大應用范圍。除此之外,筆者認為根據(jù)工程具體條件,采用快硬噴射混凝土和抗?jié)B噴射混凝土也簡單易行。2.1不良地質段,快硬混凝土噴射混凝土在涌水較大區(qū)段,普通噴射混凝土凝結速度慢,容易被水沖掉;在不良地質區(qū)段,普通噴射混凝土強度上升較慢,不能滿足施工要求。在這2種情況下,可用快硬水泥替代普通水泥拌和噴射料,從而形成快硬噴射混凝土?？煊矅娚浠炷量顾院?強度上升快。2.2抗?jié)B噴射混凝土。在地下水公路隧道防水難度大,要求高,工程上常用多道防線層層設防。在淋水區(qū),只有增加噴射混凝土的抗?jié)B性,才能使地下水沿設置的環(huán)向排水管向下流,否則,由于噴射混凝土的高滲透性,地下水會在噴層上大量漫滲,增大了地下水穿過防水板的機會,因此有必要在地下水較大區(qū)段采用抗?jié)B噴射混凝土代替普通噴射混凝土?？?jié)B噴射混凝土的配制方法是在普通噴射混凝土拌合料中加抗?jié)B劑。3對于火炬支架與鋼支架的連接,中,發(fā)生了“自由生長、高壓大時期、不穩(wěn)定。”鋼支架支護是隧道支護的基本方式之一,地質條件較差時用量很大。目前,我國公路隧道支護用的鋼支架主要有鋼格柵、工字鋼和H型鋼支架,它們在力學性能和施工工藝等方面均存在不足。首先,在力學性能上相對呈剛性。隨著圍巖的變形,支架上的壓力逐漸增加,當圍巖壓力達到一定量值時,支架的承載力達到極限,如果這時再增加壓力,支架便會發(fā)生各種形式的破壞。其次,上述鋼支架的節(jié)段間普遍采用法蘭對接,支架安裝前各節(jié)段的形狀與尺寸已加工定形。由于隧道在開挖過程中,地質條件不斷變化,局部較小規(guī)模的超、欠挖在所難免。若利用上述已定形的鋼支架,施工中調整余地較小,安裝相當不便。目前,在一些隧道修建水平較高的國家(瑞士等),廣泛采用U型鋼可縮性支架進行隧道初期支護。我國的其它地下工程行業(yè),也已有多年廣泛使用U型鋼支架進行圍巖支護的經(jīng)驗。我國公路隧道相對起步較晚,對于U型鋼支架尚處于認識與試驗研究階段。U型鋼是加工地下工程支架的專用型鋼,具有良好的斷面形狀和幾何參數(shù),U型鋼可縮性支架由若干支架節(jié)段組成。在工程上,隨著隧道圍巖的變形,U型鋼支架出現(xiàn)“滑動—增阻—再滑動—再增阻”的可縮變形工作過程,保證圍巖穩(wěn)定。安裝時,由于節(jié)段間相互搭接,節(jié)段間具有一定的“可伸縮性”,能使支架較好地適應隧道的開挖輪廓。鑒于U型鋼支架的諸多優(yōu)點,在隧道支護中用U型鋼支架替代普通鋼支架很有必要。4噴射混凝土的鋪設隧道在施工過程中經(jīng)常遇到不良地質,即圍巖類別低于Ⅲ類。這時設計的支護形式多為鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護,即在鋼支架或鋼格柵架設后,用噴射混凝土封閉圍巖,穩(wěn)定鋼支架。由于噴射混凝土的成本與模注混凝土的成本相比要高得多,所以施工中在架間常出現(xiàn)噴射混凝土凹槽,見圖3所示。對此,工程上的處理辦法,一是視而不見,直接在其上鋪設防水層;二是按照設計要求,用噴射混凝土補平架間凹槽。筆者認為這2種處理方法均不妥,前者初期支護與二次襯砌之間凹凸相互咬合,防水層的滑動介面作用不能發(fā)揮,最終容易使二次襯砌出現(xiàn)裂縫;后者看似嚴格質量管理,實質上已造成噴射混凝土材料浪費。對架間凹槽的最好處理辦法是用模注混凝土補平,其理由如下。(1)mpa左右模注混凝土強度一般為30MPa左右,噴射混凝土強度一般為20MPa左右。在隧道初期支護問題基本解決后,作為補強用的厚度較大(>15cm)的混凝土,模注混凝土和噴射混凝土相比,前者可使隧道襯砌結構的總體承載力更高。(2)噴射混凝土的洞穴噴射混凝土無法振搗,內(nèi)部孔隙率較大。當用鋼格柵支護時,格柵內(nèi)的噴射混凝土更是充滿空洞。當采用模注混凝土補強時,由于可振搗,混合料與水灰比穩(wěn)定,所以混凝土密實,骨料分布均勻,強度高且穩(wěn)定。洞頂收口時,可以先模噴,再裸噴,將不同工藝相結合。(3)模注射混凝土比射混凝土成本低在保證工程質量的前提下,降低工程造價是業(yè)主和承包商共同追求的目標。模注混凝土成本比噴射混凝土成本低得多。(4)模注混凝土替代噴射混凝土的必要性目前隧道施工中多采用潮噴工藝施做噴射混凝土,作業(yè)區(qū)乃至整個隧道內(nèi)粉塵量很大,若以模注混凝土替代噴射混凝土,隧道內(nèi)的工作環(huán)境會有所改善,有利于施工人員的身體健康和施工安全。(5)模注混凝土表面處理模注混凝土較噴射混凝土密實,抗?jié)B能力高,從而可以減少滲至防水板的水量,減小滲水穿越防水板的幾率。此外,模注混凝土較噴射混凝土表面平整。隧道襯砌完工后,若圍巖變形增加,作用在防水板上的壓力也增大,噴射混凝土容易將防水板壓得凹凸不平甚至局部出現(xiàn)損傷,而平整的模注混凝土則有利于保護防水板。5復合錨固錨桿針對目前我國公路隧道修建中支護技術存在的問題,介紹了幾條簡單易行,經(jīng)濟實用的改進途徑。(1)