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软弱围岩隧道设计与施工技术解析,不看不知道!

原标题:软弱围岩隧道设计与施工技术解析,不看不知道!

软弱围岩隧道设计

在隧道工程的设计与施工中,除了了解软弱围岩隧道“自稳差、易坍塌”的工程特点,还必须清楚地认识到隧道不同于地面建筑物的3个主要特点:

(1)隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的,即:隧道=围岩+支护

(2)隧道承受的压力具有不确定性。

(3)支护体系是控制围岩变形的关键。

为有效控制隧道工程安全风险,避免或减少坍方事故发生,应以“充分调动围岩的承载能力,有效控制围岩变形和松弛”为设计理念,按新奥法原理进行软弱围岩隧道设计。

根据新奥法原理,软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。

隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护,约束围岩变形,并根据变形监控量测结果,适时施作二次衬砌。

初期支护设计

初期支护是由喷射混凝土、锚杆、钢架组成的联合支护体系,是复合衬砌隧道的主要承载结构。

1

喷射混凝土

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作用

喷混凝土能及时、有效地防止开挖面岩层的松散、离层和掉落,是有效地保护围岩、防止坍方的重要手段。喷混凝土与围岩的粘附是发挥喷混凝土支护效果的保证,也是喷混凝土最主要的力学作用。

上:填充裂隙;下:界面附着防掉块

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设计施工要点

① 喷混凝土应具有必要的早期强度,以尽快对围岩提拱支承力,24小时抗压强度不应低于10MPa。

② 喷混凝土应有足够的后期强度,强度等级不应低于C25。

③ 与围岩应具有足够的粘附强度,使喷混凝土与围岩尽快形成整体,阻止围岩松动下滑,与围岩的粘结强度不应低于0.5MPa。

④ 软弱围岩采用钢筋网喷混凝土,增强喷混凝土的抗剪强度、提高粘附性。

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施工要求

① 喷混凝土应采用湿喷工艺:湿喷法其喷射混合料进入喷射机前已经按规定加入水拌合均匀,因此较干喷工艺具有水灰比能准确控制,利于水泥的水化,施工粉尘小,回弹少,混凝土均质性好,强度高的优点。

② 喷混凝土必须与岩面密贴,不可有空洞,以保证良好的共同受力状态

③ 喷混凝土必须快速、及时施作。

2

锚 杆

锚杆作为初期支护的另一主要构件,设计施工中是必不可少的,特别是在软弱围岩中,其对围岩的加固作用十分明显。

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作用

在软弱围岩中单凭喷射混凝土往往难以抵抗围岩的巨大形变压力,不能有效地保证支护的可靠性。在这种情况下,需要将喷射混凝土与锚杆联合使用,并把锚杆作为主要的支护措施。

软弱围岩中锚杆的主要作用是通过形成具有一定厚度的“加固圈”来“加固围岩”。 “加固圈”承担外层围岩传来的荷载,使得最后传到喷射混凝土层的荷载大为减小。

锚杆对围岩的加固是通过锚杆周围的水泥砂浆与围岩的粘结力来实现的,因此需保证锚固可靠,且锚杆垫板必须与岩面紧贴。

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设计施工要点

① 锚杆的布置一般沿洞室周边径向均匀布置,必要时底部也要加锚杆;

② 为保证加固带有一定厚度,锚杆的长度与间距之比一般为2:1;

③ 为防止锚杆间围岩坍落,还应配合网喷混凝土,喷层主要承担锚杆间的局部坍塌荷载。

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施工要求

① 锚杆锚固可靠,全长粘结;

② 要用垫板,且垫板要求与岩面紧贴。

3

钢 架

钢架分型钢钢架与格栅钢架两种,一般应与锚杆、喷混凝土共同使用。

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作用

① 喷混凝土发挥作用前支撑围岩;

② 对喷射混凝土进行补强;

③ 作为超前支护的支点;

④ 与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护的作用。

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钢架适用范围

钢架的最大特点是刚度大,架设后能够立即承载受力。因此,多用于软弱破碎或土质围岩中,需要控制围岩变形迅速发展的场合。如浅埋、偏压及土层隧道等。

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设计施工要点

① 一般采用工字钢,或“八字结”形联系钢筋的格栅钢架;

② 钢架间距一般为0.6~1.0m。

③ 为增加钢架的整体性,每榀钢架间应设纵向连接构件;

④ 钢架拱脚及墙脚应有控制钢架位移和下沉的措施。

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施工要求

① 接头是整个钢架的薄弱环节,必须加强;

② 钢架应直立安装,并用混凝土预制块与围岩顶紧;

③ 型钢钢架应预留注浆孔,及时对喷混凝土层后回填注浆,保证与围岩密贴;

④ 分部开挖钢架落底接长时,要注意防止失稳。

二次衬砌设计

软弱围岩中二次衬砌也是主要承载结构,二次衬砌与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力,应适时施作。

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作用

软弱围岩隧道中,二次衬砌的主要作用:一是承载,二是安全储备,保障运营的安全。

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设计施工要点

① 二次衬砌原则上应适时施做。

② 软弱围岩二次衬砌应带仰拱,与边墙应圆顺连接,减少应力集中。

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施工要求

① 二次衬砌应先施工仰拱,分段整体浇注 。

② 二次衬砌背后空洞应回填密实。

不同围岩该选择何种开挖方法?

各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况

a.全断面法

适用于单线铁路隧道Ⅰ~Ⅲ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅰ~Ⅱ级围岩地段。通常采用全断面钻孔一次起爆方法。为控制好开挖轮廓,减少超欠挖,提高光面爆破效果,可推广预留光爆层的开挖方法。

  b.台阶法

适用于单线铁路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ级围岩地段。台阶数量和长度,要根据围岩条件而定。Ⅲ级围岩一般采用两台阶法;Ⅳ级围岩及Ⅲ级偏弱围岩,可改用三台阶法。

台阶法施工的循环进尺,要根据开挖跨度和围岩类别、自稳时间严格控制,并与初期支护钢架设计间距相对应。每次以架立1~2榀钢架为宜。

上部断面开挖视围岩自稳条件,可采用一次开挖成形和环形导坑预留核心土开挖法,该法适用于单线铁路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩地段。当围岩自稳性很差时,必须采用小导管或锚杆(注浆)等超前支护措施;土质隧道还可采用人工预切槽,槽内嵌设钢架,喷混凝土预支护后再开挖的方法。

下部断面(中、下层台阶)是开挖作业的重要环节。近年来,在下部开挖中,因方法欠妥,作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起,必须引起高度重视。在开挖顺序上,宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的做法,不宜采用拉中槽挖马口的方法。侧槽开挖长度,靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖,人工清壁扒碴,严禁使用重型机械开挖和装碴,以免对围岩过大扰动、破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性。

c.分部开挖法

分部开挖法主要有双侧壁导坑法(适用于单线铁路隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅳ~Ⅵ级围岩)、中隔法(适用于单、双线铁路隧道Ⅴ级围岩、浅埋隧道及三线隧道)或交叉中壁法(适用于双线、三线隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩及浅埋隧道)。这些施工方法也适用于对地表沉降有严格限制的城市公路隧道。

双侧壁导坑法在控制地中和地表下沉方面,优于其它施工方法。此外,由于两侧导坑先行,能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水。为后续施工创造条件。因此城市浅埋、软弱、大跨公路隧道和山岭软弱破碎、地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法。

d.进洞方法

进洞施工方法要根据洞口段地形、地貌和围岩条件而定。

洞口段为整体性好的Ⅰ、Ⅱ级硬岩时,路堑成型后,即可按全断面法直接进洞。

洞口段为浅埋、坡积、软弱的Ⅳ、Ⅴ级围岩时,宜采用台阶法进洞。一般应结合洞口路堑施工分层开挖,到达暗洞进口里程前4m左右,沿设计开挖廓线外0.1m施作管棚(常用¢42mm小钢管,有条件的也可用¢89mm钢管)超前支护,而后按台阶法施工。拱部要采用环形开挖留核心土法,下部视情况分一层或两层开挖。为确保安全顺利进洞,暗洞前4m的初期支护通常做成套拱。当暗洞掘进20米左右后,要及时施作仰拱和二次衬砌。

软弱围岩隧道施工技术

超前预报

超前加固

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