(中建三局集团有限公司 陕西 西安 710075)
摘 要 :本文以某高速公路项目小净距隧道为例,通过对小净距隧道的施工,总结出一套小净距隧道施工控制技术,在施工质量、安全,效益、进度等方面取得了很好的效果,可为同类小净距隧道施工技术提供借鉴资料。
关键词 :小净距 爆破 监控 偏压 软弱围岩
一、 小净距隧道简介
近年来我国交通事业的发展迅速,公路特别是高速公路逐渐向山区延伸,公路隧道数量和型式越来越多,难度也越来越大。我国隧道建设型式和规模也不断发展,分离隧道、连拱隧道和小净距隧道的建设规模与数量也将不断增加。路线沿河傍山,拉开路线间距,对隧道洞外路基、桥梁等方案有较大影响,桥隧相连,采用分离式隧道方案对洞外桥梁布设和工程规模控制有较大影响,中短隧道:受路线整体线型技术指标控制,调整隧道间距自由度低。为减小路线间距,国内逐步修建了一批连拱隧道。连拱隧道存在的问题:施工工序较为复杂;工程造价高,工期长;易发生开裂渗漏,防水性能较差。
基于上述因素,加上高速公路建设中强调环境保护和土地利用率,小净距隧道应运而生并越来越受欢迎。小净距隧道既能解决接线难、土地利用率,简化工序等问题,又较连拱隧道施工造价低、难度低。
继连拱隧道之后,国内出现了首批的小净距隧道:
(图1:国内首批小净距隧道)
1、小净距隧道指的是围岩的位移场和应力场存在相互影响的双洞隧道结构,介于分离式隧道和连拱隧道之间。而中隔墙最小合理净距指的是能保证小净距隧道施工中隔墙塑性区不重叠的中隔墙厚度。目前对中夹岩的术语应用上较为混乱,有中间岩柱、中岩柱、中夹岩、中岩墙等。
( 图2:小净距隧道分类)
2、偏压隧道成因:
偏压隧道指的是由于某种原因而引起的围岩压力呈不均匀性分布,使得支护承受偏压荷载的隧道。隧道产生偏压的因素有很多,主要包括地形、地质和施工三个方面。
3、地形因素:
隧道顶部覆盖层相对较薄,地表有明显倾斜的土质并且松散的围岩,由于地形原因引起的偏压主要有单侧偏压、双侧偏压、隧道轴线与斜坡走向平行、隧道轴线与斜坡走向斜交等类型。
4、地质因素:
地质构造引起的偏压多存在于多裂隙围岩(Ⅲ~Ⅳ级较为突出)中。 层理或节理的产状以及其与隧道轴线之间的组合关系,围岩的控制性裂隙工程及地质条件。在隧道施工过程中,可能会出现由于施工方法不当或者支护未及时而引起的开挖断面一侧围岩局部坍塌,破坏了围岩压力的稳定性,出现应力集中而造成隧道偏压。
二、软弱围岩区小净距隧道特性
1:本次结合小净距隧道施工实例,对软弱围岩区偏压小净距隧道施工质量与安全进行讲述。项目共有隧道7座,其中4座为小净距隧道。其中隧道前期洞口出现滑塌;二衬内侧出现裂缝,裂缝均位于中夹岩侧。相邻分部的一座小净距隧道出现后行洞开挖到哪里,先行洞初支和二衬开裂到哪里。一百多米二衬崩裂掉块,中途停止开挖,凿除问题衬砌,换初期支护,重新施作二衬。
(图:3 初期支护钢拱架扭曲变形 )
该项目地质属于剥蚀低中山区,山恋重叠、沟壑纵横,侵蚀-岩溶地貌组合特征。岩性主要为页岩。属亚热带季风气候,四季分明,降雨主要集中在5~9月,夏季灾害性天气较多,常有暴雨-强降雨出现。围岩遇水易渗漏、易软化,给隧道施工带来不利影响。
2、软弱围岩区小净距隧道特性:
小净距隧道指并行双洞间距较小,其中夹岩厚度介于连拱隧道和分离式隧道之间,在隧道设计、施工中必须考虑双洞的相互影响,不能按独立双洞考虑的隧道结构,软弱围岩区小净距隧道的围岩稳定性与支护结构受力状况远比分离式隧道复杂。该项目的4座小净距隧道双洞间距在8.7~15.8m,结合其软弱围岩地段施工情况,将软弱围岩区小净距隧道特点 总结如下:
(1)围岩强度低。典型的软岩有泥岩、页岩、千枚岩等,该项目隧道软弱围岩区均为页岩。
(2)岩体破碎。受地质构造影响严重的坚硬岩石也可称为软弱围岩,其节理、裂隙、断层等结构面发育,围岩强度低、自稳性差。
(3)赋存环境差。隧道围岩一旦赋存于富水、高地应力等不良地质环境中将极易引起涌水、塌方等地质灾害,亦可称为软弱围岩。
(4)小净距隧道施工过程中双洞相互影响,当洞身处于软弱围岩地段时这种影响更加显著。
(5)中夹岩受力较集中。洞身开挖打破了平衡,出现应力重新分布,特别是后行洞开挖的再次扰动,使得二次应力场在中夹岩处叠加,出现应力集中。
(6)中夹岩易开裂失稳。施工爆破对中夹岩的松动影响较大,加上雨季和地下水的影响,页岩极速软化下沉、开裂失稳,形成流变。
小净距隧道先行洞施工与一般单洞施工无异,但后行洞施工时,先行洞附近围岩被挖空,失去了原有的支护平衡,围岩将产生复杂的应力重分布:受力特性表现为,先行洞周围围岩松弛或者松弛范围扩大,使支护结构荷载增加:变形表现为先行洞开挖施工时,后行洞支护结构及周边围岩向临空面拉伸。如果隧道之间的岩柱厚度不足,而隧道开挖时,轮廓线周围围岩塑性区过大,甚至贯穿岩柱,将导致结构的流变、塑性破坏。小净距隧道围岩自稳及支护结构的受力较一般隧道复杂,必须通过注浆及设置预应力对拉锚杆加固,控制爆破等措施,确保中夹岩的稳定。因此,小净距隧道施工的关键是加固中夹岩柱;中夹岩柱的稳定事关隧道施工的成败。
3、洞口施工
洞口施工应尽量避开雨季,雨水冲涮极易引起边仰坡滑塌,修建施工便道时尽量不要破坏隧道洞口山体坡脚,以免对洞口山体稳定性造成影响。小净距隧道洞口施工时,首先根据设计完成截水沟,埋设地表监测点,尽量减少洞口边仰坡的开挖,及时施作超前长管棚并注浆,提前做好洞口中夹岩加固处理,两个洞口工程应一次性施作完毕后再进行先行洞开挖。
4、小净距隧道进洞施工技术
由于对小净距隧道认识不够,项目伊始大家对于哪个洞为先行洞争论不休,都凭经验办事。部分人认为先开挖内侧深埋侧隧道,可减少偏压内力,如果先开挖外侧浅埋侧隧道,破坏山脚,易引起开裂变形,不利于顺利掘进。通过监测分析可知,小净距隧道垂直方向的围岩压力由基本压力q1和附加压力q2组成。小净距隧道先行洞开挖时只有基本压力q1,当后行洞开挖后施加了附加压力q2,无论是垂直压力,还是水平压力都增加很多,因此后开挖外侧浅埋侧隧道时,其内力就要比先开挖时多一个附加压力q2,然而外侧浅埋侧隧道围岩相对内侧深埋侧隧道要差一些,所以施工中更容易下沉开裂,这也正是我们经常所说的“先软弱侧,后坚硬稳定侧”的原因所在。对于软弱围岩偏压隧道必须坚持“早进晚出”即“零开挖”进洞理念,减少隧道洞口开挖的创口面积,减少对原生地貌的破坏,保证洞口边坡的稳定,防止滑塌。为了切实做到“零开挖”进洞,施工前要实测洞口纵断面,根据实测地面线确定明暗洞交界桩号,以减少开挖。一般山体内部受力平衡、自然稳定,若大开大挖,破坏坡脚,打破内部平衡,极易导致牵引式滑坡,造成洞口滑塌。洞口开挖时,应尽量保留两洞口之间中夹岩坡面土体,避免扰动,同时以50cm间距梅花型布置Φ50×3.5mm注浆小导管加固中夹岩坡面,确保洞口稳定。
进行软弱围岩区小净距隧道暗洞施工时,应选择恰当的施工方法,以期减少对软弱围岩的扰动;让中夹岩变形收敛,并及时对其进行加固、合理设置两洞掌子面间距,以减小双洞的相互干扰;适时施作二次衬砌,确保二次衬砌施工质量。暗洞施工时,中夹岩处理是否得当是控制施工质量与安全的关键。
软弱围岩区小净距隧道开挖工法主要有三台阶预留核心土法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。项目主要采用三台阶预留核心土法,洞口松散处左右洞均采用CD法;根据隧道围岩变形特点,一般V级围岩先行洞采用三台阶预留核心土法,后行洞采用CD法。选择该法的理由如下:
(1)相对双侧壁导坑法、CRD法等工序简单,易于控制;
(2)三台阶预留核心土法较经济合理,并能保证施工质量安全。留核心土法相比于台阶法,预留的核心土有效抑制了掌子面的挤出位移,保证了掌子面的稳定性上台阶每循环进尺控制在1榀钢架间距,中、下台阶每循环进尺控制在2榀钢架间距,台阶长度控制在3~5m,严禁单侧拉槽过长。
目前隧道开挖主要为钻爆开挖和机械开挖,对软弱围岩区小净距隧道而言首选机械开挖。爆破时应严格控制装药量,采用预裂爆破并使用空气间隔装药,减小爆破对围岩的扰动。III级围岩全断面开挖,每循环进尺3m,周边眼间距不超过50cm,每孔用药量600g(3节);辅助眼基本平行于周边眼,排间距不超过60cm。 IV级围岩台阶法开挖,每循环进尺2榀拱架,周边眼间距不超过40cm,每孔用药量400g(2节);辅助眼基本平行于周边眼,排间距不超过60cm。V级围岩预留核心土开挖,每循环进尺1榀拱架,周边眼间距不超过40cm,每孔用药量150g。为减小由于大断面爆破震动对中间岩柱的不良影响,在左洞上台阶开挖之前先进行侧导洞开挖,超爆破振动对开挖掌子面前后1B范围内影响较大 ;小净距隧道先行洞和后行洞掌子面间距不宜小于2B 。系统导管在靠近中夹岩一侧可适当增加打设长度,增加对中夹岩的加固效果。中夹岩超前导管注浆加固是在中、下台阶靠近中夹岩一侧斜向前方约45°打设超前导管注浆。两洞掌子面间距设置软弱围岩地段左右线相互影响更加显著。后行洞开挖后,山体出现应力释放,出现二次应力释放叠加,通过小净距隧道施工过程中监控和及时分析调整施工间距的实际情况,两洞掌子面间距距控制在25~35m,先行洞掌子面、仰拱均超前后行洞掌子面,后行洞掌子面对应先行洞初支成环、二衬未施工段落,使得先行洞已成环初支有较强承受能力抵抗因后行洞爆破引起的二次应力释放,同时又避免爆破产生的瞬时振动作用于先行洞二衬上引起二衬开裂。先行洞已成环初支抵抗围岩变形能力大大增强,可在一定程度上减小初支开裂掉块现象的发生,同时预留变形量的存在使得初支不至于侵限。先行洞二衬滞后于后行洞仰拱是较为理想的,如此能一定程度上减小后行洞开挖对先行洞二衬的影响。
进行软弱围岩区小净距隧道二次衬砌施工时,除需考虑两洞施工间距外,还应把握好二次衬砌施作时机。初支变形未稳定即施作二次衬砌或出现初支大变形时企图通过施作二衬来抵挡变形极,易使二衬出现开裂,二衬施作滞后影响安全,因此把握好二衬施作时机显得尤为重要。施工过程中应重视监控量测指导施工的作用,以监控量测结果为依据,科学、合理地确定二衬施作时机。
监控结果满足下列条件时进行二次衬砌施工是比较合适的:
(1)各测试项目所显示的位移率明显收敛减缓并已基本稳定;
(2)已产生的各项位移达到各项预计位移总量的80%~90%;
(3)周边位移速率小于 0.10~0.2mm/d,或拱部下沉速率小于 0.07~0.15mm/d。
小净距隧道衬砌裂缝分析及处治,小净距隧道常见病害主要是衬砌裂缝,如果施工方法等不合理导致衬砌严重开裂、崩块,就必须凿除返工。在此重点讲述衬砌裂缝病害。
隧道裂缝形式主要有:纵向水平裂缝、环状裂缝、斜向裂缝、网状裂缝。
(1)受力条件不利因素的影响隧道衬砌产生裂缝的原因有很多因素,从受力的角度分析,主要有以下几种原因:
1)隧道地基不均匀沉降,以致造成衬砌断面不适应受力的需要而产生裂缝,此种原因主要产生斜向裂缝和环向裂缝;
2)光面爆破效果差,局部欠挖,衬砌厚度不均匀,以致断面局部应力过大,此种原因主要产生局部裂缝;
3)隧道偏压,受力不均匀,造成局部开裂,此种原因主要产生纵向水平裂缝;
4)混凝土强度还未达到拆模的强度,就去掉支撑或模板,使混凝土过早受力,造成衬砌开裂,此种原因主要产生局部网状裂缝;
5)在初支变形未基本稳定的情况下,二衬紧跟掌子面,加之施工爆破震动的影响,造成衬砌开裂,此种原因主要产生局部网状裂缝或纵向水平裂缝;
6)仰拱底部浮渣未清理干净或积水浸泡,拱脚局部不密实,造成衬砌开裂,此种原因主要产生斜向裂缝或环向裂缝;
7)施工中拱部超挖过多,二衬混凝土与围岩不密实,加之上部岩土塌落导致拱顶混凝土损坏,此种原因主要产生拱顶纵向裂缝。
(2)混凝土自收缩、温度、选材、配比等因素的影响
1)混凝土自收缩。
2)温度的影响。温度的影响分为两部分,一部分是环境温度的影响,另一部分是混凝土内部水泥水化热引起温度的影响。选材、配比的影响。为了使混凝土拌合物在流动性提高的同时减少泌水、不分层离析,一般减少粗骨料最大颗粒,增加水泥用量,加大砂率,增加了混凝土裂缝。
3)二衬施工质量
二衬强度、厚度未达到设计要求,强度差异性太大、厚度厚薄不均匀,都容易导致受力不均匀,都会导致二衬产生裂缝。二衬施工时机不对,导致二衬过早承受围岩压力,也易导致二衬裂缝。
四、施工过程中控制重点
目前隧道施工中,对软弱围岩加固常用到超前导管注浆和系统导管注浆,及时施做仰拱,但施工过程中由于各种因素的限制易出现以下问题:
受到工期与成本的影响,超前注浆不及时;
(2)打设系统导管时由于施工台阶的空间限制,导管打设角度很不理想,加固效果差;
(3)打设系统导管过程中钻杆的高频振动导致开挖岩面破裂掉块,不仅影响围岩稳定还容易使初支背后形成空洞;
(4)注浆顺序不合理,注浆机压力不够且不安装止浆阀,注浆效果差。
(5)仰拱分幅施工,未及时成环。
及时对现场施工作以下优化调整:
(1)配置3~4人的注浆专班,中、下台阶施工时及时对上台阶超前导管进行注浆;
(2)调整施工工序:上台阶施工时先做好锁脚,中台阶施工完成后,利用台车作平台,统一打设上台阶、中台阶系统导管,避免了钻杆振动对开挖面的破坏,保证了导管打设角度与间距;
(3)开工前要求进场隧道专用的HS-6型双液灰浆泵,并配备相应的辅助工具;
(4)仰拱采取全幅一次完成 ,严禁半幅施工,以起到早闭合,防变形,塌方的作用,经上述优化调整后,取得了良好的效果。
五、结束语:
小净距隧道在今后高速公路建设中将越来越多地被采用,在后续过程中减少爆破振动,合理布置左右洞的施工间距,抓住中夹岩注浆加固的关键,适时施作二衬,取得了较明显的效果,为同类型小净距隧道施工提供了宝贵的施工经验,总结出可行性施工方案,为小净距隧道发展作出了贡献。
参考文献:
(1)JTGF60-2010公路隧道施工技术规范
(2)郭陕云.隧道施工技术方案及方法遴选要点[M].隧道建设,2006
作者简介:张志伟(1981-),男,工程师,2004年毕业内蒙古大学土木工程系,(daobo888@126.com)。