新黄土隧道洞口段施工实例浅析

甘肃科技

GansuScienceandTechnologyVol.24󰀁No.10May.󰀁2008

新黄土隧道洞口段施工实例浅析

王礼刚

(中铁二十一局第五工程有限公司,甘肃兰州730000)

摘󰀁要:以闫家沟3#隧道为背景,根据黄土的结构、构造、工程特性和力学特性,探讨了新黄土隧道洞口段施工中常遇到的问题和相应的处理措施和施工方案,以及采取的监测方案和需要注意的事项,为今后类似工程提供一点参考。

关键词:黄土隧道;洞口段;施工技术中图分类号:U455.4

1󰀁工程背景

闫家沟3#隧道位于陕西省绥德县满堂川乡闫家沟境内,地处黄土梁分水岭地段,黄土冲沟发育,地下水较为丰富。地表为马兰组新黄土和坡积、冲洪积黄土状亚粘土,新黄土土质均匀,较疏松,孔隙大且发育,有较严重的湿陷性,易掉块、塌陷,为散体结构岩体,成洞性能差,并且洞口段有落水洞分布(如图1),隧道拱部基本全部处于松散土体内(如图2)。隧道最大埋深80m,工程所处地区最大冻土深度1.2m。

2󰀁施工技术的理论依据

2.1󰀁黄土的结构与构造

黄土为非均质骨架式架空结构,碎屑矿物组成的极细砂粒和粉砂粒构成基本骨架,细粉砂为填料,粘土矿物、水溶盐和吸附水膜为胶结物质。这种具有大孔和多孔的骨架式架空结构,使黄土表现出松散特性,尤其是新黄土和新近堆积黄土。

黄土形成过程中,生成了其原生层理构造,导致了黄土的各向异性以及物理力学性质的不均性。垂直节理发育是黄土最典型的构造特点,它破坏了黄土的完整性,影响黄土物理力学性质,尤其影响其中的地下水的渗流和分布。

2.2󰀁黄土的工程特性

由于黄土特殊的物质、结构和构造特征,决定了黄土具有不同于其它土体的特殊工程地质特性,主要表现在:

(1)孔隙率大、密度小;

(2)塑性较弱,一般情况下,Ip=8~13;(3)天然状态下,抗剪强度较高(c=0.03~0󰀁06MPa,󰀁=15~25);

(4)透水性强,渗透系数K可达1.0m/d以上;(5)各向异性明显,以透水性为例,较之水平方向而言,垂直方向的渗透系数要大得多,有时甚至要差数十倍;

(6)抗水性弱。黄土对水十分敏感,随着含水量的增加,黄土的压缩性急剧增大,抗剪强度和承载力显著降低;更为重要的是,水的作用使黄土结构发生破坏,发生强烈崩解,产生黄土湿陷;黄土遇水膨胀量小,但失水收缩明显,饱水黄土具有较强的触变性。0

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁甘󰀁肃󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

置,结合小导管地表注浆的实验结果,最后确定采用长度为20m的大管棚进行超前支护,以确保隧道施工安全。

2)根据新奥法的基本原理,软岩隧道开挖后及时支护,严格控制变形,尽早封闭成环。原设计隧道采用上下导坑进行开挖,由于一次开挖面积较大,影响隧道洞身的稳定,并且很容易产生大的变形,为了确保安全,把隧道洞身开挖调整为三步开挖,采取短进尺,少扰动,强支护的施工方案。

总之,黄土的特殊工程地质性质,如湿陷性、易触变性、强度低和承载力低,使得黄土隧道的成洞条件和稳定性差,病害易发和多发,尤其有地下水存在时。

2.3󰀁黄土的力学特性

黄土地层在无水时粘滞系数大,围岩立壁性好。但承载力较低,拱部范围地层稳定性较差,开挖后拱部垂直荷载较大,而且初期支护与周边地层的粘结力低;加之,有水作用下,因黄土湿陷,围岩失去自承能力,产生显著的附加沉陷;由于垂直节理发育,黄土的水平固结作用微弱,因此隧道开挖变形,引起黄土竖向崩解,致使在隧道周围沿两个破裂面范围内形成松弛体,引起应力重分布,造成很强的侧压力。格栅拱架或型钢拱架的支座一般直接落在黄土上,在垂直荷载和初期支护自重的作用下,初期支护的沉降量比较大,一旦外力超出基底承载力极限,拱脚或墙角容易失稳,引起隧道病害,如衬砌变形、开裂,甚至拱顶坍塌等。

黄土隧道与岩石隧道不同之处在于岩石隧道随着开挖后围岩的收敛变形应力发生重分布,并达到新的平衡,而黄土隧道则会随着变形破坏并不断加剧并引发衬砌混凝土的变形。故在黄土隧道结构设计中应把控制变形及其发展放在首位,从最大限度地保护围岩天然结构强度,减少变形产生裂缝造成土体强度的损失出发,选择能有效控制变形的支护型式,是隧道建设成败的关键因素。

4󰀁施工方法

4.1󰀁超前管棚注浆支护

由于洞口管棚加固正好处于落水洞地段,采用传统方法注浆会使大量浆液从落水洞流走,这样不仅起不到注浆效果,而且造成浪费。为了保证浆液不从落水洞流走,并能更好加强管棚的支撑强度,增加裂隙间的粘结力,采取在管棚口加止浆阀,分次循环注浆的方法处理,即第一次先注入设计量的1/3即可停止,保证浆液能流入裂隙内,并根据实际情况调整水泥浆和水玻璃的比例,控制浆液的初凝时间,然后再根据实际情况分一次或两次完成剩余的注浆量。所注双液浆的参数为:水灰比为1󰀁1,砂浆和水玻璃的比例为1:0.5~1󰀁1.5,终止注浆压力为1.5~3.5MPa。4.2󰀁洞身开挖支护4.2.1󰀁明洞基础施工

管棚注浆结束后,在进洞之前必须先进行明洞基础施工。明洞基础开挖完后,先进行承载力实验,等承载力满足设计要求后(如果承载力满足不了设计要求,必须采用灰土进行换填处理)再进行绑扎钢筋󰀁󰀁󰀁立模板󰀁󰀁󰀁灌注仰拱砼󰀁󰀁󰀁立模板󰀁󰀁󰀁灌注填充砼等工序施工。4.2.2󰀁钢架施工

明洞基础完工后,即可进行洞身开挖,由于该段地质较为复杂,洞口段采用短台阶开挖,必要时辅以临时扇型支撑,锚网喷及钢架支护,钢架间距1榀/0.6m。拱架加工如图3所示。4.2.3󰀁洞身开挖

洞身开挖程序如图4所示。

开挖前,先用洛阳铲进行超前探测,如果岩质较差或裂隙走向垂直于线路方向,对󰀁部位先分两步开挖,即两侧先开挖,开挖至两榀或三榀后再进行中间开挖,这样可以减少对岩体或裂隙的破坏,保证拱顶受力均匀,缓冲洞顶土方对洞身的压力。如果岩3󰀁施工方案的选择

3.1󰀁洞外边仰坡防护方案

该隧道进口段土质系新黄土类,含水量较大,水分蒸发后很容易变为松散土体,因此洞顶土体极为松散,而且在隧道拱口右侧土体内还存在落水洞,施工难度极大。为了保持洞口山体稳定,在尽量不伤及坡面原状的情况下,先对洞口段洞顶及隧道右侧的落水洞进行综合治理:首先对落水洞进行分层压实回填,并且落水洞顶部扩大1m范围内用C15砼进行回填,回填50cm厚,防止雨水渗入落水洞,影响隧道拱部土体的承载力,二是尽早完成洞口排水系统,并清除洞口上方可能滑塌的表土,采用网喷进行封闭,网喷参数:锚杆为󰀁22砂浆锚杆,L=4m,钢筋网为󰀁6钢筋@20cm,喷射砼为8cm厚的C20砼.保证边坡稳定,为下一步洞身开挖创造条件。3.2󰀁洞口段加固方案和洞身开挖方案的调整

1)针对洞内地质情况,以及落水洞与隧道的位第10期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王礼刚:新黄土隧道洞口段施工实例浅析

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架立好后,拱脚除用垫块或木板进行加固外,并用锁脚锚杆加固,锁脚锚杆长3.5m,因为󰀁、󰀁部位刚好开挖到半圆的位置,拱脚承受初期支护的整体压力,所以拱脚基础必须进行夯实处理并加垫木板或砼垫块,如果拱脚土质特别松散,必须加长锁脚锚杆或增加锚杆数量,并且锚杆拉拔力必须满足设计要求,保证拱脚不会出现大量下沉。󰀁部位开挖至2m后,进行󰀁部位开挖,同样型钢拱脚用琐脚锚杆和木板进行加固。如果在󰀁、󰀁部位开挖完后,拱顶下沉量比较大时,立即停止掌子面和󰀁、󰀁部位开挖,并在掌子面附近间隔进行扇型支撑,扇型支撑后,如果下沉还不稳定时,应间隔距离架设临时仰拱,防止隧道整体出现变形。

等拱顶下沉基本稳定后,在掌子面临时扇型支撑下,进行临时支撑外的下导坑开挖,先进行󰀁部位开挖,󰀁、󰀁、󰀁部位分别相隔一定距离依次进行开挖,如果地质较差时,󰀁、󰀁部位的拱架和󰀁、󰀁、󰀁部位一样,全部用锁脚锚杆进行加固,每侧加固2根。󰀁部位开挖完后,先进行一侧仰拱和填充施工,

体较好,即可对󰀁部位进行全部开挖,并采用钢筋砼垫块或木板对拱脚进行加固,垫块或木板宽度取

35cm,高度20cm,纵向长度与开挖进尺一致,保证拱脚受力均匀。在开挖过程中,如果发现落水洞,尽量采用少扰动、快支护的方案进行处理。如果落水洞较大,应架立模板,采用片石砼进行回填,并在砼中预留PVC管,等砼凝固、拱架立好后,对砼的背后空洞采用双液注浆处理,保证背后密实。如果落水洞较小,则增加径向锚杆和钢筋网,全部用喷射砼填充密实。

󰀁部位开挖2米后,进行󰀁部位开挖,󰀁部位拱

等仰拱和填充完工后,再进行󰀁部位开挖,保证初期支护迅速成环,并进行另一半的仰拱和填充施工。掌子面距仰拱和填充距离不超过10m。

在仰拱和填充施工10m后,洞外立即进行台车拼装,及时施做明洞。4.3󰀁监测方案4.3.1󰀁隧道监测项目

新黄土隧道与一般石质隧道最大的不同点之一就是拱部沉降和净空水平收敛比较大,而且隧道洞口地质复杂,在施工过程中必须加强监测,并根据监测结果指导隧道施工。隧道主要监测项目如表1。

表1󰀁隧道监控量测项目

量测项目洞内观察

洞外观察

净空水平收敛量测拱顶下沉量测地表下沉量测

监控量测内容

对隧道开挖面的围岩状况和地质变化情况观察并绘示意图对洞口地表情况、地表沉陷、边、仰坡稳定、地表水的渗透观察主要测量洞身围岩收敛变形情况主要测试洞身顶部的围岩下沉情况主要测试地表下沉情况

4.3.2󰀁监测频率

监测频率按规范规定频率进行,当监测数据出现异常时,适当加大监测频率,确保监测信息及时准确反馈至施工中去,并正确指导施工。

(1)地质状况及支护状况观察在每次开挖后进行。

(2)周边位移和拱顶下沉量测:每隔10~30m一个断面,每断面2对测点,用收敛计和水平收敛仪分别观测净空水平收敛值和拱顶下沉值。设点后1~15天每天量测一次,16天~1个月每2天量测一次,1~3个月每周量测一次,3个月以上每月量测1次。

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁甘󰀁肃󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

安全警戒值目前还无法确定,只能根据现场监控量测结果,绘制支护、衬砌、净空收敛、拱顶下沉时态曲线及与开挖面距离之间的关系图,分析判断围岩压力、砼应力等变化趋势,并根据变化趋势来决定二衬与掌子面的距离,根据监测结果随时调整初期支护的预留量等。

在施工监控过程中,要及时对所得数据分析、处理,以判断支护结构的稳定性和施工过程的安全性,并将所得的结果及时反馈于施工过程中,达到指导施工的目的。

(3)地表下沉量测:在隧道洞口地段布置断面,每断面7个测点,用水平仪和水准尺量测地表下沉量。当开挖面距量测断面小于2倍的开挖宽度时,每1天量测1次。当开挖面距量测断面小于5倍的开挖宽度时,每2天量测1次。当开挖面距量测断面大于5倍的开挖宽度时,每1周量测1次。4.3.3󰀁监测结果及处理方案

当隧道开挖完成30m时,由于6月4日晚受小雨影响,6月5日早晨发现地表出现一道裂缝,相对前一天地表位移最大为5㎝,拱顶下沉最大为2.6㎝。为了保证洞身施工安全,立即停止掌子面开挖,并用C20喷射砼对掌子面进行封闭。洞口段10m范围内间隔3m用I22工字钢加工成扇型支撑进行加固,洞身间隔5m用I22的工字钢加工成十字支撑进行加固。

加固完成后,间隔3小时进行观测,发现地表位移为1.9㎝,拱顶下沉1.5㎜。6日早晨观测结果为:地表位移为1㎝,拱顶下沉为5㎜。6日下午监测结果为:地表位移为8㎜,拱顶下沉为1㎝。据上述量测数据,为保证隧道安全,避免继续变形,及时对初期支护实行成环。7日开始进行格栅成环施工,由于洞口扇型支撑间距3m,所以先把没有立扇型支撑的格栅进行成环,然后逐渐拆除扇型及十字型临时支撑,并迅速成环。

由于新黄土隧道施工属于新课题,围岩稳定的(上接第177页)󰀁代码窗口、数据环境生成器、表单生成器󰀁󰀁󰀁,这些工具构成了创建表单的强大功能,但是面对这么多的工具,怎样合理的使用,最好的方法是从表单设计器工具栏开始,只要打开表单设计器工具栏,就可以通过直接点击工具按钮的方式,方便地打开其它表单设计工具。所以在用表单设计器设计表单时,要意识到首先寻找或者打开表单设计器工具栏,这种意识有利于把握表单的设计,减少周折。本例说明复杂往往是一种表面现象,复杂结构的整个组成部分具有规律性的联系,并且存在着关键环节,从关键环节开始就可以把握整个结构。在计算机教学中,有些要诀似乎是老生常谈,例如说,点击右键可以出现和当前被点击的对象相关联的快捷菜单;在Vfp6.0中,如果当前运行的程序不同,所显示的主菜单和下拉菜单的选项也不同,但是学生未必对这些要诀产生应有的意识。利用Vfp6.0系统,学生进行各种操作时,经常出现不知

5󰀁结束语

通过上述方案和及时监测的实施,顺利完成了该隧道在洞口安全通过落水洞的施工,施工中不仅未发生大面积的塌方,还节约了不少资金,在工期紧张的情况下既保证了施工安全,又保证了工程质量和施工进度。

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所措的情况。所以,经常适时适地强调这些学生熟视无睹的要诀及技巧,对于提高学生计算机使用技能是很有益处的。广而论之,对于那些所熟知的道理,究竟有没有意识到去遵循呢?又遵循了多少呢?其实很少,宝库就在身边,不要忘记去利用。

不能给学生提供一堆知识材料,要提供一个科学框架。忘却是难免的,随着时间的推移,材料会丢失,但是框架将保存,在需要时,材料将会被很快地填充到框架中。那么如何形成一各框架,这就要进行归纳,只有通过归纳才能在教学中形成科学的框架。所以,对于利用现代多媒体教学方式,进行可视化演示教学时,不可被形式所局限,不仅要注意演示的操作步骤描述,还要特别注意对于演示内容的归纳总结。

参考文献:

[1]󰀁史济民,汤观全.VisualFoxPro6.0及其应用系统开发

[M].清华大学出版社,2000.