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2009年6月底,由于工期緊迫,施工單位提出將隧道原設(shè)計(jì)厚40cm初襯模筑混凝土變更為厚30cm噴射混凝土,混凝土強(qiáng)度參數(shù)不變,且掛鋼筋網(wǎng),初期支護(hù)鋼拱架型號(hào)Ⅰ16變?yōu)棰?0b,增強(qiáng)施工靈活性,較大程度地加快施工進(jìn)度。業(yè)主、監(jiān)理同意,并依據(jù)2009年6月25日土工實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)單位同意變更上述隧道初期支護(hù)相關(guān)施工圖。
隧道坍塌及分析
隧道初期支護(hù)坍塌施工單位由隧道出口方向進(jìn)行洞身開挖施工。2009年8月3日晚,當(dāng)施工至K1+043時(shí),K1+077—K1+043段發(fā)生洞頂塌方,地表出現(xiàn)不同程度沉陷。塌方時(shí),正值工人休息,掌子面沒有施工人員,無傷亡。原因分析a)據(jù)現(xiàn)場踏勘,從工程施工的角度出發(fā),該隧道為小導(dǎo)管注單液漿超前支護(hù),施工中小導(dǎo)管注漿壓力不足,未能形成拱頂?shù)沫h(huán)效應(yīng),另外施工雖采用上下臺(tái)階法施工,但上臺(tái)階設(shè)置的臨時(shí)仰拱未能及時(shí)跟進(jìn)或施工質(zhì)量不高,從而使初期支護(hù)形不成封閉環(huán),加之上臺(tái)階工字鋼落腳處地質(zhì)條件差,隨著圍巖應(yīng)力的釋放以及變形的積累,極易產(chǎn)生初期支護(hù)下沉變形,造成坍塌。b)補(bǔ)充地質(zhì)勘察報(bào)告《陽城縣北留鎮(zhèn)隧道工程土體物理力學(xué)性質(zhì)檢測報(bào)告》(2009.8)認(rèn)為勘探深度范圍內(nèi)地基土沉積時(shí)代成因類型主要為第四系中更新統(tǒng)紅色粉質(zhì)黏土。地下水埋藏深度距地表19.0~25.0m,水位標(biāo)高652.46~657.67m,為孔隙潛水類型,來源為大氣降水。場地環(huán)境類別為Ⅲ類,場地土對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均不具腐蝕性;場地土體無膨脹性,豎向收縮率0.40~4.05。坍塌前一周出現(xiàn)過強(qiáng)降水,經(jīng)土質(zhì)分析,含水量隨深度的增加而增大,最小含水量7.3%,位于最上部;最大含水量為26.4%;地層中含水量較大,致使土體的抗壓和抗剪性降低,是造成隧道洞頂塌方的又一重要因素(見圖2)。
處治方案及施工措施
綜合分析隧道洞頂坍塌各種因素,并根據(jù)補(bǔ)充鉆探資料及現(xiàn)場觀測,通過深入研究和仔細(xì)論證,本著處理措施應(yīng)安全、經(jīng)濟(jì)、可行的原則,提出隧道塌方段地表和洞內(nèi)注漿加固的綜合處治方案。初襯已封閉的段落對初襯已封閉的段落,馬上做好二次襯砌,進(jìn)一步保證隧道的安全。對作了拱部初期支護(hù),但未作仰拱的段落,拱腳用φ42、長4.0m的鎖腳錨管進(jìn)行注漿加固,以免造成更大的損失。鎖腳錨管注水泥—水玻璃雙液漿,注漿壓力不小于1.0MPa;雙液漿參數(shù)為水泥∶水玻璃=1∶0.5,水泥漿水灰比為1∶1,水泥標(biāo)號(hào)為42.5。隧道塌方段地表塌陷處理a)先在洞內(nèi)既有掌子面插φ42×6和φ89×7花管,長6.0m,外插角分別為10°、20°,水平搭接不小于1.0m,并注雙液漿,間距1.0m,呈梅花型布置,把隧道內(nèi)塌落土體整體加固。b)對隧道山頂水廠道路下土體進(jìn)行注漿加固,并采取足夠的支撐措施以保證道路和施工的安全。c)在塌陷處適當(dāng)放緩邊坡開挖至距地表深約8m處,做矢跨比為1/12的土牛;開挖時(shí)一定要注意邊坡的穩(wěn)定,必要時(shí)要對邊坡進(jìn)行加固。d)在土牛上,做厚為70cm的鋼筋混凝土防護(hù)罩,防護(hù)罩四邊要坐在開挖面四周沒有擾動(dòng)的原狀土上。防護(hù)罩采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土,從北向南分段連續(xù)施工,每次進(jìn)度沿路線方向長6.0m。e)防護(hù)罩四周沿路線方向每5.0m預(yù)留一個(gè)直徑10cm的孔,以便隧道頂部塌陷土層有空洞時(shí)注入粉煤灰等輕質(zhì)材料填充密實(shí)。f)防護(hù)罩四周腳部按梅花型設(shè)置φ42、長5.0m、縱向間距0.5m的鎖腳錨管,并雙液注漿,端部伸入防護(hù)罩中不小于0.5m。注漿后與防護(hù)罩中鋼筋焊接,最后在防護(hù)罩四腳處回填高1.0m的漿砌片石,頂緊以穩(wěn)定四周土體。g)緊靠山頂水廠道路一側(cè)的防護(hù)罩一定要坐于道路下原狀土上,并且在防護(hù)罩上砌石頂緊道路下土體。圖2K1+040處勘探孔含水量變化曲線5.3隧道內(nèi)塌方段處理a)在掌子面固結(jié)的土體,保留中部坡道,不對稱開挖兩側(cè)土體,新開挖出的掌子面用蛇皮袋裝土分兩層臺(tái)階壘防護(hù)墻,臺(tái)階寬度要不小于1.0m。b)壘好防護(hù)墻后,不對稱施作K1+077—K1+083段已作拱部支護(hù)而未塌落的兩側(cè)邊墻和仰拱。仰拱采用C25模筑現(xiàn)澆混凝土,拱腳混凝土底部基礎(chǔ)要擴(kuò)大,以增加接觸面積,并增設(shè)支撐墊板來增強(qiáng)拱腳承載力,減少拱頂下沉。墻角用φ42、長4.0m的鎖腳錨管,每處2根。c)在離隧道洞頂塌方段較近時(shí),停止前進(jìn)。施作該段二次襯砌仰拱混凝土,預(yù)留兩側(cè)鋼筋,并施作片石混凝土回填至排水溝底部。d)對于K0+965—K1+077未開挖和塌陷段落,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑上下微臺(tái)階先墻后拱開挖法。并輔以超前中、小導(dǎo)管及鎖腳錨管等措施,按照“管超前、短進(jìn)尺、少擾動(dòng);強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán);勤量測、緊襯砌”的原則,各道工序緊密銜接,環(huán)環(huán)相扣,隨挖隨支,保證隧道初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全(見表1)。隧道二次襯砌配筋二次襯砌配筋根據(jù)不同情況分為4段進(jìn)行:K0+965—K1+030段、K1+030—K1+083隧道冒頂段、K1+083—K1+088二襯加強(qiáng)段、K1+088—K1+120段。其中K0+965—K1+030、K1+030—K1+083兩段,二次襯砌為全封閉式配筋;K1+083—K1+088、K1+088—K1+120兩段,由于隧道底部現(xiàn)已片石混凝土回填接近路面標(biāo)高,所以僅在片石混凝土回填頂面以上二次襯砌配筋,并且在墻腳設(shè)置φ42、長4.0m的鎖腳錨管。
1)對圍巖變形的判斷與控制。
對于軟巖隧道圍巖變形的研究主要集中在三個(gè)方面:a.從理論方面對變形機(jī)理進(jìn)行研究;b.選擇合理的施工工法對圍巖變形進(jìn)行控制;c.運(yùn)用有限元或其他數(shù)值模擬的手段對圍巖的變形量和變形趨勢進(jìn)行預(yù)測。從眾多的學(xué)術(shù)論文和科研成果中不難發(fā)現(xiàn),對于圍巖變形的機(jī)理多是采用連續(xù)性介質(zhì)理論進(jìn)行分析,而實(shí)際工程中的圍巖是非連續(xù)的,它是巖塊和結(jié)構(gòu)面在三維空間的一種非定向關(guān)系。尤其是對于地質(zhì)狀況比較復(fù)雜的軟弱圍巖,都是由多種物理成分組成的,且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的隨機(jī)性。但是,在實(shí)際的研究和應(yīng)用中,例如采用數(shù)值模擬的方法對軟巖隧道圍巖變形進(jìn)行分析時(shí),又必須運(yùn)用巖體的本構(gòu)關(guān)系,這本身就是存在問題的,更不要說計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性了。不論是理論分析還是數(shù)值模擬都沒有辦法對圍巖的變形量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。這將引起另外一個(gè)問題,就是在采取控制變形措施時(shí),通常采用的是依據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)制定施工方案,并沒有針對不同的變形量采取相應(yīng)的控制措施,因此變形控制措施也具有一定的盲目性。另外,隧道施工中變形可以達(dá)到1.0m甚至更大,軟弱圍巖變形本質(zhì)上屬于大變形問題,然而巖體力學(xué)中使用的彈塑性變形理論雖然對材料的非線性進(jìn)行了考慮,但是嚴(yán)格意義上仍屬小變形理論。
2)對合理支護(hù)時(shí)機(jī)的探討。
隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)始終是隧道界討論的熱點(diǎn)問題,二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)是保證二次襯砌長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。特別是對于軟巖大變形隧道,如果二次襯砌施作過晚,則可能造成初期支護(hù)變形過大而無法控制,以致隧道失穩(wěn);但如果施作過早,則不利于地應(yīng)力的釋放和充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,從而使二襯受力過大而導(dǎo)致開裂,降低了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此,合理確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)是保證隧道施工階段和長期運(yùn)營階段安全性的關(guān)鍵。但是現(xiàn)階段,對于隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)的研究仍然沒有形成系統(tǒng)的體系。研究者多根據(jù)具體的工程背景選擇不同的巖石彈塑性模型,采用的確定合理支護(hù)時(shí)機(jī)的判定方法也各有不同。對于二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的影響因素的分析也多是針對單一影響因素,并沒有綜合考慮。
2軟巖隧道的發(fā)展與展望
為了滿通建設(shè)的需要,將不可避免的遇到更多的軟巖隧道工程。圍巖大變形的控制問題仍然是未來軟巖隧道工程需要解決的關(guān)鍵問題。從根本上講要更深入的研究圍巖的變形機(jī)理,找出適用于實(shí)際工程地質(zhì)狀況的圍巖的本構(gòu)關(guān)系。在施工的過程中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要貫穿整個(gè)隧道的開挖過程,監(jiān)控測量要及時(shí)跟進(jìn)。對于具有代表性的工程要完善施工工法,以便以后類似工程經(jīng)驗(yàn)借鑒。隧道是地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)雜受力體。支護(hù)是一個(gè)過程,一個(gè)好的支護(hù)方案要讓這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào)。考慮到軟弱圍巖的蠕變特性,圍巖的自穩(wěn)能力是與施加相關(guān)的,因此二次襯砌的支護(hù)需要一個(gè)合理的時(shí)機(jī)。反過來理解,如果要確定合理的二襯支護(hù)時(shí)機(jī),首先要對圍巖的蠕變特性和變形機(jī)理進(jìn)行充分而深入地分析,只有在此基礎(chǔ)上,才能選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)形式以及確定合適的支護(hù)參數(shù)。由于目前的研究多針對二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)探討,應(yīng)該將整個(gè)支護(hù)過程統(tǒng)一起來,形成與不同圍巖級(jí)別、不同斷面尺寸、不同開挖方式、不同支護(hù)參數(shù)相對應(yīng)的系統(tǒng)的支護(hù)方案,以及更完善的施工工法。
1)對圍巖變形的判斷與控制。對于軟巖隧道圍巖變形的研究主要集中在三個(gè)方面:
a.從理論方面對變形機(jī)理進(jìn)行研究;
b.選擇合理的施工工法對圍巖變形進(jìn)行控制;
c.運(yùn)用有限元或其他數(shù)值模擬的手段對圍巖的變形量和變形趨勢進(jìn)行預(yù)測。從眾多的學(xué)術(shù)論文和科研成果中不難發(fā)現(xiàn),對于圍巖變形的機(jī)理多是采用連續(xù)性介質(zhì)理論進(jìn)行分析,而實(shí)際工程中的圍巖是非連續(xù)的,它是巖塊和結(jié)構(gòu)面在三維空間的一種非定向關(guān)系。尤其是對于地質(zhì)狀況比較復(fù)雜的軟弱圍巖,都是由多種物理成分組成的,且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的隨機(jī)性。但是,在實(shí)際的研究和應(yīng)用中,例如采用數(shù)值模擬的方法對軟巖隧道圍巖變形進(jìn)行分析時(shí),又必須運(yùn)用巖體的本構(gòu)關(guān)系,這本身就是存在問題的,更不要說計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性了。不論是理論分析還是數(shù)值模擬都沒有辦法對圍巖的變形量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。這將引起另外一個(gè)問題,就是在采取控制變形措施時(shí),通常采用的是依據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)制定施工方案,并沒有針對不同的變形量采取相應(yīng)的控制措施,因此變形控制措施也具有一定的盲目性。另外,隧道施工中變形可以達(dá)到1.0m甚至更大,軟弱圍巖變形本質(zhì)上屬于大變形問題,然而巖體力學(xué)中使用的彈塑性變形理論雖然對材料的非線性進(jìn)行了考慮,但是嚴(yán)格意義上仍屬小變形理論。
2)對合理支護(hù)時(shí)機(jī)的探討。隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)始終是隧道界討論的熱點(diǎn)問題,二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)是保證二次襯砌長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。特別是對于軟巖大變形隧道,如果二次襯砌施作過晚,則可能造成初期支護(hù)變形過大而無法控制,以致隧道失穩(wěn);但如果施作過早,則不利于地應(yīng)力的釋放和充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,從而使二襯受力過大而導(dǎo)致開裂,降低了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此,合理確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)是保證隧道施工階段和長期運(yùn)營階段安全性的關(guān)鍵。但是現(xiàn)階段,對于隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)的研究仍然沒有形成系統(tǒng)的體系。研究者多根據(jù)具體的工程背景選擇不同的巖石彈塑性模型,采用的確定合理支護(hù)時(shí)機(jī)的判定方法也各有不同。對于二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的影響因素的分析也多是針對單一影響因素,并沒有綜合考慮。
2大跨軟巖隧道的發(fā)展與展望
為了滿通建設(shè)的需要,將不可避免的遇到更多的軟巖隧道工程。圍巖大變形的控制問題仍然是未來軟巖隧道工程需要解決的關(guān)鍵問題。從根本上講要更深入的研究圍巖的變形機(jī)理,找出適用于實(shí)際工程地質(zhì)狀況的圍巖的本構(gòu)關(guān)系。在施工的過程中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要貫穿整個(gè)隧道的開挖過程,監(jiān)控測量要及時(shí)跟進(jìn)。對于具有代表性的工程要完善施工工法,以便以后類似工程經(jīng)驗(yàn)借鑒。隧道是地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)雜受力體。支護(hù)是一個(gè)過程,一個(gè)好的支護(hù)方案要讓這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào)。考慮到軟弱圍巖的蠕變特性,圍巖的自穩(wěn)能力是與施加相關(guān)的,因此二次襯砌的支護(hù)需要一個(gè)合理的時(shí)機(jī)。反過來理解,如果要確定合理的二襯支護(hù)時(shí)機(jī),首先要對圍巖的蠕變特性和變形機(jī)理進(jìn)行充分而深入地分析,只有在此基礎(chǔ)上,才能選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)形式以及確定合適的支護(hù)參數(shù)。由于目前的研究多針對二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)探討,應(yīng)該將整個(gè)支護(hù)過程統(tǒng)一起來,形成與不同圍巖級(jí)別、不同斷面尺寸、不同開挖方式、不同支護(hù)參數(shù)相對應(yīng)的系統(tǒng)的支護(hù)方案,以及更完善的施工工法。
1概述:
圓梁山隧道全長11068m,是新建鐵路渝懷線上最長的單線隧道,隧道主要穿越毛壩向斜和桐麻嶺背斜,其中毛壩向斜高壓富水區(qū)總長2200m,向斜翼部最大埋深780m,核部最小埋深550m。該段巖溶和巖溶水異常發(fā)育,巖溶、高壓富水是地質(zhì)難題。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,毛壩向斜段正常涌水量為55000m3/d,,最大涌水量83000m3/d,且洞身處存在4.6MPa的高靜水壓力。毛壩向斜高壓富水區(qū)大量排水將會(huì)引起地下水位大幅度下降,甚至可能被疏干,直接影響居民的生產(chǎn)、生活用水,也可能引起局部地面的塌陷或開裂。為了減少隧道修建對周圍環(huán)境的影響。針對圓梁山隧道高壓富水區(qū)采取了“注漿堵水,限量排放”的施工原則。
2開挖面超前地質(zhì)探測及涌出物分析
為確保圓梁山隧道的安全優(yōu)質(zhì)、快速順利施工,有效地采取施工方案,選擇合理的注漿方法,在圓梁山隧道施工中采取了多種地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報(bào)手段,如超前探水孔鉆探、紅外線、TSP地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)和地質(zhì)素描等手段,通過對地質(zhì)預(yù)報(bào)信息的綜合分析,可以比較準(zhǔn)確地判明前方地質(zhì)情況。
2.1探測過程
圓梁山隧道出口端平導(dǎo)掘進(jìn)到毛壩向斜高壓富水區(qū)后,獨(dú)頭掘進(jìn)達(dá)7133米,并在PDK355+058處開始進(jìn)行反坡開挖,為了確保施工安全,每30m進(jìn)行一次超前鉆孔,以探明前方地質(zhì)情況,圓梁山隧道出口端平導(dǎo)開挖至PDK355+019時(shí),于2003年6月27日6點(diǎn)開始在掌子面采用MKD-5S地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行常規(guī)超前探測工作。超前探孔布置如圖1所示。
圖1探水孔橫斷面布置圖2注漿段地質(zhì)情況示意
Fig.1Layoutofwater-exploringholesFig.2Geologicprofileofgroutingsegment
在探水孔施作過程中,探1#在整個(gè)鉆進(jìn)過程中,巖粉為深灰色顆粒,有白色方解石顆粒,有刺激性氣體逸出;鉆至3m處為破碎巖層,寬度約0.2~0.3m,鉆孔內(nèi)有水涌出,涌水量為20m3/h,充填有黃泥;8~40.6m巖粉為深灰色,較堅(jiān)硬,局部有破碎灰?guī)r,發(fā)生卡鉆。探2#有少量水,鉆進(jìn)過程巖石破碎。探3#孔深30.20米,當(dāng)探水孔鉆至15m處有0.3~0.5m巖溶管道,有巖溶水涌出,充填有泥砂和粘土,并含少量礫石,6月27日測得鉆孔涌水壓力為1.4MPa,全孔涌水量實(shí)測100m3/h左右。于2003年6月28日結(jié)束探孔。通過探孔情況和地質(zhì)資料分析掌子面前方3m處有一寬度較小的破碎帶,在15m處發(fā)育一小型巖溶管道。由于泥砂太多及停電影響,同時(shí)洞外大量降雨,導(dǎo)致探3#孔涌水量及水壓急劇增大,7月5日涌水量增大到200m3/h左右,由于此處反坡開挖,抽水設(shè)施由于泥砂和停電的影響導(dǎo)致掌子面大量涌水不能抽出,引起掌子面淹沒。后加快抽水,將掌子面水用兩路Φ150mm鋼管引出,并在掌子面施作了模筑混凝土封閉掌子面,止?jié){墻厚2m,又因水大混凝土密封困難改為3m。掌子面穩(wěn)定后又進(jìn)行了TSP地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)和紅外線超前探水等探測和驗(yàn)證。根據(jù)以上地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)成果可判定前方地質(zhì)條件大致如圖2所示。
2.2涌出物分析
2003年6月29日現(xiàn)場采集涌出物并對涌出物進(jìn)行篩分試驗(yàn),測試結(jié)果圖3、圖4示。
圖3涌出物成份比例圖4涌出物篩分曲線
Fig.3Proportionofgushed-outmaterialsFig.4Sievingcurveofgushed-outmaterials
由圖3、圖4來看:涌出物中粉砂、中砂占86%,而粗砂和礫石等占13.8%,礫石長約3~10mm,說明涌出物在巖溶管道中經(jīng)過長期遷移和沖蝕作用下被磨圓和篩選,因而隧道斷面內(nèi)巖溶管道或溶隙最大直徑大于10mm,涌出物累計(jì)篩余百分率曲線比較平緩,可見原地層充填物在未受到壓力水沖出前,其級(jí)配相當(dāng)合理,呈較致密結(jié)構(gòu)。從涌出物86%為中細(xì)砂可以看出,在巖溶形成過程中,由于地下水的溶蝕作用,泥砂被搬運(yùn)填充在灰?guī)r裂隙中,后經(jīng)不斷溶蝕,逐漸形成巖溶管道。一旦超前鉆孔或隧道開挖揭穿巖溶管道容易發(fā)生涌水突泥。
2.3涌水量及水壓測試
在超前探測和注漿過程中對平導(dǎo)掌子面涌水量進(jìn)行了測試和水壓測試如圖5、圖6所示。由圖5可見:在進(jìn)行頂水注漿前平導(dǎo)掌子面處涌水量是急劇增大的,然后逐漸趨于穩(wěn)定,最大涌水量200m3/h;由圖6可見:在封堵掌子面后涌水壓力不斷上升,最后穩(wěn)定在2.4MPa。
圖5掌子面涌水量變化曲線圖6水壓力變化曲線
Fig.5CurveofwatersprayingonthefaceFig.6Curveofhydraulicpressure
3注漿設(shè)計(jì)及施工
3.1注漿方案的確立
根據(jù)超前探孔過程中涌水狀況,從安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮,結(jié)合該工程實(shí)際情況,針對前方出現(xiàn)的巖溶管道水,經(jīng)過反復(fù)研究,制訂了“以堵為主”的施工原則,采用了“注漿堵水,封堵巖溶管道,加固破碎地帶”的施工方案。根據(jù)溶洞區(qū)工程及水文地質(zhì)復(fù)雜,選用“深淺孔結(jié)合復(fù)式全斷面注漿”堵水措施。
3.2頂水注漿和小導(dǎo)管周邊注漿
根據(jù)二院要求及現(xiàn)場實(shí)際,在掌子面施作2.5~3m厚砼止?jié){墻,兩個(gè)探水孔的孔口管預(yù)埋入止?jié){墻,然后對其進(jìn)行頂水注漿。由于砼止?jié){墻與開挖面周邊密封施做的不夠嚴(yán)密,導(dǎo)致頂水注漿時(shí)周遍跑漿嚴(yán)重,于是決定在止?jié){墻周邊進(jìn)行小導(dǎo)管注漿。如圖7所示。
⑴小導(dǎo)管注漿管長L=3m,采用Φ32mm焊接鋼管。注漿管前端加工成圓錐狀并封死。花管部分長2m,在花管段上間隔30mm~40mm,按梅花型布設(shè)Φ4~6mm的溢漿孔。管尾部分采用兩道Φ8mm的圓型鋼筋焊箍,其中一道用于纏上60cm左右的麻絲后用于止?jié){,另一道采用絲扣和注漿管連接。
⑵小導(dǎo)管沿隧道開挖輪廓線布置,略向外傾斜,外插角為50~100。
⑶注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿和HSC漿液,其配比為W:C=0.8:1,C:S=1:1,凝膠時(shí)間為30s~3min。超細(xì)水泥MC漿,其水灰比為1:1~0.6:1,HSC漿液水灰比為1:1~0.8:1,凝膠時(shí)間為30min~60min。
⑷注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用定壓結(jié)合定量的原則,注漿終壓為2~3MPa,單孔注漿量為0.2~0.4m3。
3.3超前預(yù)注漿加固
全斷面超前預(yù)注漿是在整個(gè)斷面上布孔,通過注漿形成截水帷幕,并加固周圍巖體,注漿加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5.0m,注漿段長30m,即PDK354+020~9DK355+990。注漿設(shè)計(jì)如圖8、9所示。
⑴注漿孔采用MKD-5S型鉆機(jī)成孔。開始用大直徑鉆頭鉆進(jìn)2m后安設(shè)φ108mm無縫鋼管作為孔口管。再改用φ90mm鉆頭鉆至15~30m。孔口管長度150cm,孔口處纏60cm的麻絲。并用HSC漿錨固。
⑵鉆孔深度以達(dá)到鉆入巖層2~3為原則,采用前進(jìn)式分段鉆進(jìn)和注漿工藝。
⑶在巖溶管道段注漿是以堵水加固為目的,在巖石破碎帶(少量水)注漿是以加固地層為目的。因此在漿液配置及單孔注漿順序上予以區(qū)別對待。
①用引水管將水引出后,封閉掌子面。注漿時(shí)關(guān)閉閥門,形成靜水壓力注漿。
②對破碎無水巖層,初始注漿可注入稀漿(1.5:1~1:1),因稀漿中的水泥顆粒在脈沖壓力的作用下對沖開及溝通裂隙能夠起到劑的作用,一旦裂隙沖開后即進(jìn)入正常的雙液漿注漿。
③對于涌水量較大巖層,凝膠時(shí)間可適當(dāng)縮短,使?jié){液進(jìn)入地層后能較快凝固,避免漿液隨水流失,達(dá)到控制注漿的目的。
圖8超前預(yù)注漿孔位布置(單位:cm)圖9超前預(yù)注漿縱斷面布置(單位:cm)
Fig.8Crosssectionofadvancedpre-groutingholesFig.9Longitudinalsectionofadvancedpre-grouting
3.4注漿材料
注漿材料采用普通水泥單液漿或普通水泥—水玻璃雙液漿(CS)。
注漿孔無水時(shí)采用普通水泥單液漿,水灰比W:C=0.8:1~1:1;有水孔則采用單液水泥漿、普通水泥—水玻璃雙液漿(C—S漿)和超細(xì)水泥漿、HSC漿,根據(jù)水量大小選擇配比和漿液凝膠時(shí)間。涌水量小時(shí),水泥C漿:水灰比W:C=1.:1~0.8:1,C:S=1:1~0.8:1,水玻璃S漿濃度30Be'。孔內(nèi)水量較大時(shí),水灰比W:C=0.8:1~0.6:1,C:S=1:0.3~0.6,水玻璃S漿濃度35~40Be',當(dāng)雙液注漿壓力上升到3MPa左右時(shí),開始注入超細(xì)水泥(MC)或HSC漿,直到達(dá)到設(shè)計(jì)終壓7MPa。
3.5注漿工藝
采用前進(jìn)式分段注漿工藝,鉆一段,注一段。分段長度根據(jù)鉆孔情況確定,若出現(xiàn)大的涌水或泥砂(Q>10m3/h)則按1~2m分段;若涌水涌泥(砂)較小(Q<10m3/h)或輕微卡鉆,則鉆孔注漿段長度可適當(dāng)加大至3~5m。如無涌水涌泥(砂)和卡鉆的情況發(fā)生,則可采用全孔一次性注漿方式進(jìn)行。以保證注漿質(zhì)量和減少掃孔作業(yè),增加作業(yè)時(shí)間和效率。
3.6注漿參數(shù)
注漿參數(shù)主要依據(jù)設(shè)計(jì)加固范圍和經(jīng)驗(yàn)選定,本段注漿縱向加固長度30m,主要參數(shù)如表1所示
表1注漿參數(shù)表
Table1Parametersofgrouting
參數(shù)名稱
全斷面深孔超前預(yù)注漿
備注
加固范圍
掌子面及開挖輪廓線外5m
鉆孔深度
15m~30m
漿液擴(kuò)散半徑
2m
凝膠時(shí)間
30s~2min30s
普通水泥—水玻璃雙液漿
注漿速度
10~100L/min
注漿分段
巖層完整且有水3~5m、
巖層破碎且有水1~2m
根據(jù)鉆孔情況確定
注漿終壓
6~9MPa
單段注漿量
1.1~3.32m3/m
單段注漿量按Q=π·R2·L·n·α·β計(jì)算
參數(shù)取值n=0.1~0.3α=0.8β=1.1
3.7注漿順序
注漿順序原則上先施作短孔,再施作長孔,最后施作檢查孔。注漿孔順序按由外到內(nèi),從下往上分三序孔施工。三序孔的設(shè)計(jì)原則是水平方向上采取跳孔原則(Ⅰ序孔采取跳孔,Ⅱ序孔采取間隔跳孔,Ⅲ序孔為余下孔位),垂直方向上采取隔行跳排原則。同時(shí)結(jié)合涌水水源點(diǎn)位置和水流方向,按由有水孔到無水孔的順序施工,檢查孔施工順序待注漿孔注漿結(jié)束后視現(xiàn)場情況而定。
3.8注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)
采用定量定壓相結(jié)合方式進(jìn)行注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)控制,當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí),而注漿壓力不上升則調(diào)整漿液配比,縮短凝膠時(shí)間,并采取間歇注漿措施,控制注漿量。或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓,且注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上,即可結(jié)束注漿。
3.9效果檢查與補(bǔ)孔注漿
太佳高速公路呂梁段,全長119.55km,共有隧道18座(其中:石質(zhì)隧道2座、土質(zhì)隧道16座),單洞長45133m,占總里程的19.24%,寶塔山、架梁山、臨縣3號(hào)隧道為特長隧道,難度最大,且為全線的控制性工程。由于本項(xiàng)目地處山區(qū),地形地貌地質(zhì)非常復(fù)雜,建設(shè)工期又短,因此,如何安全組織管理好全線隧道工程建設(shè)顯得尤為重要。
1加強(qiáng)培訓(xùn),落實(shí)責(zé)任
加強(qiáng)安全宣傳、教育和培訓(xùn),建設(shè)符合工程實(shí)際的安全生產(chǎn)文化;提高安全生產(chǎn)認(rèn)識(shí),認(rèn)真做好技術(shù)培訓(xùn)工作,包括光面爆破技術(shù)、濕噴混凝土施工技術(shù)、黃土隧道分部開挖法、隧道施工技術(shù)培訓(xùn)等。不斷提高管理人員、操作人員的技術(shù)水平和安全生產(chǎn)知識(shí)。建管處根據(jù)有關(guān)安全生產(chǎn)的法律法規(guī)和規(guī)章制度,多次通過會(huì)議、文件及現(xiàn)場督導(dǎo)等多種方式,促使各施工、監(jiān)理單位建立健全了安全管理組織機(jī)構(gòu)和安全生產(chǎn)保障體系,落實(shí)各項(xiàng)安全生產(chǎn)措施,做好了隧道塌方、涌水、瓦斯、交通事故等各類事故應(yīng)急救援預(yù)案,配備應(yīng)急救援人員、器材、設(shè)備,應(yīng)急救援預(yù)案按規(guī)定報(bào)監(jiān)理單位批準(zhǔn)并報(bào)建設(shè)單位核實(shí),并進(jìn)行了多次預(yù)演;各施工單位組織管理人員和作業(yè)人員進(jìn)行了隧道開挖、噴錨支護(hù)、二次襯砌施工的崗前技術(shù)、安全培訓(xùn),建管處組織進(jìn)行考試,考試合格后方可上崗;特種作業(yè)人員必須持證上崗。同時(shí)。將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、洞內(nèi)通風(fēng)、鉆爆設(shè)計(jì)和爆破器材的管理、圍巖變形監(jiān)控量測及初期支護(hù)、二次襯砌、防水堵漏、臨電管理等工作作為主要控制點(diǎn),通過巡檢、專檢、旁站、指令、專題會(huì)議等手段進(jìn)行監(jiān)控;對預(yù)防坍塌、漏水、突泥、瓦斯爆炸事故措施的落實(shí)以及應(yīng)急預(yù)案的審查和演練情況進(jìn)行監(jiān)控。
2強(qiáng)化組織,規(guī)范現(xiàn)場
嚴(yán)格施工現(xiàn)場安全管理,強(qiáng)化安全管理隧道施工組織設(shè)計(jì),把安全生產(chǎn)、危險(xiǎn)源識(shí)別、評(píng)價(jià)與控制、應(yīng)急救援預(yù)案等作為主要內(nèi)容。對穿越斷層破碎帶、軟巖變形、膨脹土、富水黃土等不良地質(zhì)地段編制專項(xiàng)施工方案。由項(xiàng)目經(jīng)理、技術(shù)負(fù)責(zé)人和安全負(fù)責(zé)人共同組織編制,經(jīng)監(jiān)理部審核、建管處審查以及專家評(píng)審論證后實(shí)施,并由施工員、專職安全員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督。嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)的相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)章制度和現(xiàn)行隧道施工技術(shù)規(guī)范,對隧道的開挖、錨桿施工、鋼筋網(wǎng)加工及安裝、鋼支撐的加工及安裝、噴射混凝土、仰拱全幅施工、二次襯砌、隧道防排水以及隧道輔助措施等各分項(xiàng)工程進(jìn)行了逐級(jí)交底工作。施工中,嚴(yán)格工序管理,規(guī)范作業(yè)流程,加強(qiáng)對進(jìn)入隧道人員的管理,建立出入隧道登記制度。嚴(yán)格按照相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)章制度對火工品進(jìn)行管理,火工品專庫存放專人管理,雷管、炸藥、導(dǎo)爆索分庫存放,嚴(yán)格執(zhí)行火工品的出入庫登記和使用登記制度。對納入合同的安全生產(chǎn)費(fèi)用,必須保證足額投入,絕不允許挪作他用。
3超前預(yù)報(bào),實(shí)時(shí)監(jiān)測
對隧道施工中可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象,結(jié)合隧道工程地質(zhì)條件和指導(dǎo)性施工組織設(shè)計(jì)編制超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案,明確隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法、預(yù)報(bào)的內(nèi)容、預(yù)報(bào)頻次、實(shí)施計(jì)劃,配備符合信息判斷、數(shù)據(jù)采集與處理、預(yù)報(bào)成果報(bào)告編制等技術(shù)要求的先進(jìn)儀器和能夠勝任超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的技術(shù)人員。同時(shí),將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入工序管理,嚴(yán)格按超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案實(shí)施。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示地質(zhì)條件異常時(shí),應(yīng)及時(shí)采取措施,防止事故發(fā)生。
在上述前提下,將監(jiān)控量測納入施工工序,制定詳細(xì)的監(jiān)控量測方案。配備監(jiān)控量測專業(yè)人員,并根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整;建立最大日變形量和累計(jì)變形量的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制;嚴(yán)格按照規(guī)范要求布點(diǎn)量測,確保監(jiān)控量測數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確、完整,及時(shí)對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整支護(hù)參數(shù)。并及時(shí)反饋量測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,設(shè)計(jì)驗(yàn)證后及時(shí)根據(jù)量測數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),隨時(shí)調(diào)整開挖輪廓、支護(hù)參數(shù),根據(jù)量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工生產(chǎn)。
4嚴(yán)細(xì)程序,穩(wěn)妥進(jìn)洞
隧道進(jìn)洞前,由建管處組織設(shè)計(jì)單位、技術(shù)專家組、監(jiān)理單位和施工單位的相關(guān)人員參加,詳細(xì)調(diào)查洞口地質(zhì)、地形特點(diǎn),對洞口段100m范圍內(nèi)每2m實(shí)測橫斷面,對洞頂沖溝發(fā)育情況進(jìn)行掌握,并查看地質(zhì)資料,做到心中有數(shù)。同時(shí),結(jié)合隧道洞口的實(shí)際情況。每一個(gè)隧道洞口均進(jìn)行了大管棚超前支護(hù),短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、預(yù)留核心土、三臺(tái)階開挖支護(hù)的進(jìn)洞方案。進(jìn)洞施工專人負(fù)責(zé)監(jiān)控量測,逐榀開挖,及時(shí)支護(hù),進(jìn)洞15m后仰拱封閉成環(huán),并且在進(jìn)洞前襯砌臺(tái)車進(jìn)場,對洞口段盡快施工襯砌,確保了安全進(jìn)洞。
5嚴(yán)格工序,均衡推進(jìn)
目前隧道襯砌滲漏水問題,尤其是施工縫處、隧道的接口處及管節(jié)之間的連接處等薄弱環(huán)節(jié)的滲、漏水更為嚴(yán)重。如何搞好隧道防排水設(shè)計(jì)及裂縫防水技術(shù),是保證行車安全和隧道能否長期使用的重要條件。
一、進(jìn)洞前防排水處理
首先,在隧道進(jìn)洞前應(yīng)對隧道軸線范圍內(nèi)的地表水進(jìn)行了解,分析地表水的補(bǔ)給方式、來源情況,做好地表防排水工作:用分層夯實(shí)的粘土回填勘探用的坑洼、探坑;對通過隧道洞頂且底部巖層裂縫較多的溝谷,建議用漿砌片石鋪砌溝底,必要時(shí)用水泥砂漿抹面;開溝疏導(dǎo)隧道附近封閉的積水洼地,不得積水;在地表有泉眼的地方,涌水處埋設(shè)導(dǎo)管進(jìn)行泉水引排;在隧道洞口上方按設(shè)計(jì)要求做好天溝,并用漿砌片石砌筑,將地表水排到隧道穿過的地表外側(cè),防止地表水的下滲和對洞口仰坡沖刷,并與路基邊溝順接成排水系統(tǒng);洞頂開挖的仰坡、邊坡坡面可用噴射混凝土將其封閉,并對洞口上方及兩側(cè)掛網(wǎng)噴漿;若在洞頂設(shè)置高壓水池時(shí),應(yīng)做好防滲防溢設(shè)施,且水池宜設(shè)在遠(yuǎn)離隧道軸線處等。
二、開挖過程中對涌水地段的防排水處理
(一)涌水地段的防排水處理原則。在隧道施工過程中,應(yīng)對開挖面出現(xiàn)的涌水進(jìn)行調(diào)查分析,找準(zhǔn)原因,采取“以排為主,防、排、截、堵相結(jié)合”的綜合治理原則,因地制宜地制定治理方案,達(dá)到排水通暢、防水可靠、經(jīng)濟(jì)合理和不留后患的目的。
(二)涌水地段的原因分析。造成隧道涌水現(xiàn)象一般是由于地下水發(fā)育,洞壁局部有水流涌出;碰到斷層地帶,巖石破碎,裂隙發(fā)育,出現(xiàn)涌水現(xiàn)象;洞頂覆蓋層較薄,巖石裂隙發(fā)育,開挖地表水下滲等原因。施工中應(yīng)對洞內(nèi)的出水部位、水量大小、涌水情況、變化規(guī)律、補(bǔ)給來源及水質(zhì)成分等做好觀測和記錄,并不斷改善防排水措施。
(三)涌水地段的處理方法。對于洞內(nèi)涌水或地下水位較高的地段,可采用超前鉆孔排水、輔助坑道排水、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿堵水、超前圍巖預(yù)注漿堵水、井點(diǎn)降水及深井降水等輔助施工方法。當(dāng)涌水較集中時(shí),噴錨前可用打孔或開縫的摩擦錨桿進(jìn)行排水;當(dāng)涌水面積較大時(shí),噴錨前可在圍巖表面設(shè)置樹枝狀軟式透水管,對涌水進(jìn)行引排,然后再噴射混凝土;當(dāng)涌水嚴(yán)重時(shí),可在圍巖表面設(shè)置匯水孔,邊排水邊噴射。
三、二次襯砌中防排水處理與控制
(一)防水層安裝與控制
1.防水層進(jìn)場時(shí)檢查。除按必要的工作程序進(jìn)行取樣檢查外,還應(yīng)檢查防水板表面是否存在變色、皺紋(厚薄不均)、斑點(diǎn)、撕裂、刀痕、小孔等缺陷,存在質(zhì)量缺陷時(shí),應(yīng)及時(shí)處理。
2.防水層鋪設(shè)前對初期支護(hù)的檢查和處理。防水層鋪掛前,應(yīng)先對初期支護(hù)噴射混凝土進(jìn)行量測,對欠挖部位加以鑿除,對噴射混凝土表面凹凸顯著部位應(yīng)分層噴射找平。外露的錨桿頭及鋼筋網(wǎng)應(yīng)頭齊根切除,并用水泥砂漿抹平,使混凝土表面平順。
3.防水層鋪設(shè)好后檢查和處理。防水層鋪掛結(jié)束,監(jiān)理工程師應(yīng)對其焊接質(zhì)量和防水層鋪設(shè)質(zhì)量進(jìn)行檢查。其檢查方法有:(1)用手托起防水板,看其是否能與噴射混凝土密貼。(2)看防水板表面是否有被劃破、扯破、扎破等破損現(xiàn)象。(3)看焊接或粘結(jié)寬度(焊接時(shí),搭接寬度為10cm,兩側(cè)焊縫寬度應(yīng)不小于2.5cm;粘結(jié)時(shí),搭接寬度為10cm,粘結(jié)寬度不小于5cm)是否符合要求,且有無漏焊、假焊、烤焦等現(xiàn)象。(4)拱部及拱墻壁露的錨固點(diǎn)(釘子)是否有塑料片覆蓋。(5)每鋪設(shè)20延長米~30延長米,剪開焊縫2處~3處,每處0.5m。看是否有假焊、漏焊現(xiàn)象。(6)進(jìn)行壓水(氣)試驗(yàn),看其有無漏水(氣)現(xiàn)象等,檢查防水板鋪掛質(zhì)量。如果發(fā)現(xiàn)存在問題,除應(yīng)詳細(xì)記錄外,并立即通知施工單位進(jìn)行修補(bǔ),不合格者應(yīng)堅(jiān)決要求返工。
(二)止水帶安裝與控制
防水混凝土施工縫是襯砌防水混凝土間隙灌注施工造成的,對于施工縫的防排水處理,在復(fù)合式襯砌中,一般采用塑料止水帶或橡膠止水帶。
1.二次襯砌端部的檢查與處理。在澆筑二次襯砌混凝土前,可用鋼絲刷將上層混凝土刷毛,或在襯砌混凝土澆筑完后4h-12h內(nèi),用高壓水將混凝土表面沖洗干凈,并檢查止水帶接頭是否完好,止水帶在混凝土澆筑過程中是否刺破,止水帶是否發(fā)生偏移,如發(fā)現(xiàn)有割傷、破裂、接頭松動(dòng)及偏移現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)和處理,以保證止水帶防水功能。
2.止水帶安裝質(zhì)量的檢查與處理。檢查是否有固定止水帶和防止偏移的輔助設(shè)施、止水帶接頭寬度是否符合要求、止水帶是否割傷破裂、止水帶是否有卡環(huán)固定并伸入兩端混凝土內(nèi)等項(xiàng)目,做好詳細(xì)檢查記錄,如存在問題時(shí),應(yīng)立即通知施工單位進(jìn)行修補(bǔ),不合格者應(yīng)堅(jiān)決要求返工。
(三)混凝土澆筑與控制
襯砌混凝土施工時(shí),應(yīng)督促施工單位加強(qiáng)商品砼的后倉管理,定期不定期的進(jìn)行檢查。混凝土振搗時(shí)必須專人負(fù)責(zé),避免出現(xiàn)欠振、漏振、過振等現(xiàn)象。加強(qiáng)施工縫、變形縫等薄弱環(huán)節(jié)的混凝土振搗,排除止水帶底部氣泡和空隙,使止水帶和混凝土緊密結(jié)合。
四、二次襯砌滲漏處理與控制
(一)引流堵漏。對于滴水及裂紋滲漏處,可采用鑿槽引流堵漏施工方法。如在滲漏部位順裂縫走向?qū)⒁r砌混凝土鑿出一定寬度和深度(如寬20mm,深30mm)的溝槽,埋設(shè)直徑略大于溝槽寬度或與溝槽寬度相當(dāng)?shù)陌雸A膠管將水引入邊墻排水溝內(nèi),再用無紡布覆蓋半圓膠管或防水堵漏劑封堵,然后用顏色相當(dāng)?shù)姆浪炷练舛禄蚰妗?/p>
(二)注漿堵漏。對于滲漏嚴(yán)重部位,可采用注漿堵漏施工方法。如在滲漏部位鑿出一定寬度和深度(如直徑80mm,深40mm)的凹坑,清理混凝土渣,并檢查表面混凝土密實(shí)性,從滲漏部位向襯砌鉆孔,其深度建議控制在襯砌厚度范圍內(nèi),埋管注漿,其注漿漿液通過設(shè)計(jì)確定。注漿結(jié)束后,其凹坑可按文中上述4.1方法做防水堵漏處理。
五、結(jié)語
每道工序的施工質(zhì)量都對隧道防排水效果產(chǎn)生很大的影響,施工中的每一點(diǎn)疏忽都可能造成滲漏水隱患。因此,應(yīng)加強(qiáng)對每道工序的施工質(zhì)量控制,嚴(yán)格按規(guī)范施工確保施工達(dá)到設(shè)計(jì)效果,使隧道防排水工程質(zhì)量有保證。
①微差爆破
微差爆破就是利用毫秒延時(shí)雷管達(dá)到延時(shí)爆破的爆破技術(shù)。它的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以降低爆破地震效益所導(dǎo)致的沖擊作用;實(shí)現(xiàn)巖石碎塊的均勻度,使得爆破巖石碎片集中化,便于清理;降低爆破次數(shù)、提高爆破效果。
②擠壓爆破
擠壓爆破技術(shù)就是在爆區(qū)自由面前方人為預(yù)留巖渣,以此提高炸藥能量的利用率和改變破碎質(zhì)量。它的主要優(yōu)點(diǎn)就是增加了工時(shí)的利用率,降低了爆破頻率;通過擠壓爆破可以使巖石在擠壓過程中發(fā)生二次沖擊,提高了巖石破碎率,降低了二次爆破的工作量。
③光面爆破
就是在開挖的巖石中保證其表面光滑而且不受明顯破壞的爆破技術(shù)。光面爆破技術(shù)可以有效的保護(hù)開挖巖體的穩(wěn)定性,降低施工成本。光面爆破的原理就是采取在開挖巖體表面布置密集的小直徑炮眼,在這些炮眼中不耦合裝藥或者部分孔不裝,同時(shí)起爆形成平整的光面。
④預(yù)裂爆破
就是人為開挖制造一條裂縫,這條裂縫是保留圍巖與爆區(qū)的分裂線,有效的保護(hù)圍巖,降低爆破地震危害的控制爆破技術(shù)。預(yù)裂爆破的炮孔直徑一般越小,孔痕率就會(huì)越高,對爆破的效果就會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
2隧道控制爆破技術(shù)
為了更加準(zhǔn)確地說明隧道控制爆破技術(shù),本文選用“高石河隧道施工”實(shí)例對隧道控制爆破技術(shù)進(jìn)行綜合分析:
2.1高石河隧道爆破施工方案
高石河隧道工程以娟云母千枚巖為主,千枚巖遇水后會(huì)迅速的軟化,而且其地形非常復(fù)雜,經(jīng)過多方論證,最后采取地表注漿加固形式對滑坡進(jìn)行處理后進(jìn)行進(jìn)洞施工。基于高石河隧道地形比較復(fù)雜,隧道開挖面積要達(dá)到110m2,因此根據(jù)施工現(xiàn)場的環(huán)境以及施工設(shè)備可以采取上、下臺(tái)階法開挖,選擇2#的巖石乳化炸藥,鉆孔的直徑為42mm,采取并聯(lián)分段毫秒導(dǎo)爆管。上斷面開挖44m2,下斷面開挖56m2,它們都采取水平炮孔開挖方式。
2.2爆破參數(shù)的確定
根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)以及爆破原理,本工程溝槽采取楔形溝槽法,炮孔則采取掏槽眼、輔助眼、周邊眼等多種布孔的方式,并且利用不同段別的毫秒雷管實(shí)現(xiàn)對光面控制爆破。
2.2.1炮孔的數(shù)量以及炮孔直徑
根據(jù)工程的實(shí)際環(huán)境以及巖石的堅(jiān)硬程度,并且結(jié)合爆破技術(shù)的原理,來確定在工程的掌子面確定炮孔的數(shù)量,一般我們在確定炮孔數(shù)量時(shí)選擇的公式是:N=3.3(f•s2)13根據(jù)公式我們可以準(zhǔn)確的計(jì)算出該工程的炮孔數(shù)量應(yīng)該為160個(gè),其中:N———炮孔的數(shù)量(個(gè));s———掘進(jìn)斷面積(m2);f———巖石堅(jiān)固性系數(shù)。
2.2.2裝藥量的計(jì)算及分配
裝藥量的多少對爆破效果會(huì)產(chǎn)生重要的影響,藥量不足與過多都會(huì)影響工程的質(zhì)量,因此要合理的確定具體的裝藥容量,合理的藥量要根據(jù)炸藥的性能和質(zhì)量等多方面進(jìn)行確定,但是由于施工環(huán)境具有很多的不可計(jì)算的因素,因此我們在確定炸藥容量時(shí)多根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算:Q=qV。在公式中:Q———爆破循環(huán)需要的炸藥量;q———爆破每立方米所需要的炸藥的消耗量(kg/m3);V———一個(gè)循環(huán)近尺所爆落巖石的總體積,即V=IS,m3。
2.2.3炮眼直徑對工程的影響
眾所周知,增加炮眼的直徑,加大裝藥量可以使爆破的威力更大,可以使爆破的效果發(fā)揮到最大程度,但是如果一味的增加炮眼的直徑就會(huì)造成鑿巖的下降速度,并且對巖石的碎片質(zhì)量以及圍巖的平整度產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響,比如增加炮眼的直徑可能就會(huì)增加爆破的瞬間威力,但是巖石的碎片破碎程度就會(huì)下降,碎片的均勻程度也會(huì)出現(xiàn)巨大的反差,因此在設(shè)定炮眼時(shí)必須要根據(jù)施工環(huán)境以及施工設(shè)備、炸藥的性能等綜合因素進(jìn)行分析,科學(xué)的確定炮眼的孔徑。根據(jù)我們的工作經(jīng)驗(yàn),再結(jié)合本工程的實(shí)際情況,我們將炮眼的直徑確定為32mm-50mm之間,藥卷與眼壁之間的間隙為炮眼直徑的10%左右,基于此要求,上下斷面的開挖爆破應(yīng)該選用鉆頭為38mm的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)。
2.3爆破施工設(shè)計(jì)
2.3.1上臺(tái)階施工設(shè)計(jì)
①炮眼布置
炮眼的布置要嚴(yán)格按照控制爆破震動(dòng)原理進(jìn)行布置,首先從距底板的50cm處開始,沿隧道的中心線兩側(cè)對稱布置4對垂直楔形掏槽孔,它們的排列順序是:頭排的輔助孔與掏槽孔的距離要保持40cm,中間輔助孔的距離也為40cm,最外排的輔助孔與邊墻的距離為85cm左右;在隧道的拱部布置4排崩落孔,他們之間的排距為60cm,最外層的崩落孔與隧道邊界要保持65-80cm的相距距離;周邊的炮孔要與開挖邊界保持20cm,并且炮孔鉆眼要向外傾斜5°左右,底板孔直接布置在底部邊界上,并且向下傾斜10°左右進(jìn)行鉆孔,并且要保持孔距之間達(dá)到85cm。
②裝藥結(jié)構(gòu)與單孔裝藥量的確定
在確定好炮眼的數(shù)量以及大小位置后,就需要根據(jù)具體的工程要求科學(xué)的對炸藥使用量進(jìn)行確定,一般根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),除了在周圍孔選擇軸向間隔裝藥外,其余的炮孔需要采取連續(xù)裝藥的結(jié)構(gòu),不同的位置選擇的炸藥是不相同的,在拱部周圍孔之間要采取直徑為25mm、長20cm、重100g的卷裝乳化炸藥;底板孔則使用直徑為32mm、長20cm、重200g的乳化炸藥;其余的則選用直徑為32mm、長20cm、重150g的卷狀2#巖石炸藥。
③起爆順序與方法
為了降低施工成本,實(shí)現(xiàn)爆破的預(yù)期效果,應(yīng)該將爆破所引起地表振動(dòng)的速度控制在2cm/s內(nèi),并且要盡量使各個(gè)炮孔同時(shí)起爆,具體的起爆順序是:掏槽孔、輔助孔、崩落孔、邊墻周邊孔、底板孔和拱部孔。起爆的方法是采取非電導(dǎo)爆管以此點(diǎn)火,孔內(nèi)毫秒延時(shí)起爆,采取并聯(lián)方式連接,主傳導(dǎo)爆管用電雷管引爆。
2.3.2下臺(tái)階施工設(shè)計(jì)
①炮孔布置
下斷面橫截面上應(yīng)該布置3排主爆孔,其中3個(gè)頭排爆孔的抵抗線為1.1m,隨后再布置2排主爆孔,其間距為0.8m左右,并且要保證每排要布置4個(gè)炮孔,孔距的間距為1.0m,同樣兩側(cè)的邊墻也要布置4個(gè)周邊孔,孔距為0.7m。
②裝藥結(jié)構(gòu)與單孔裝藥量
下端面的裝藥結(jié)構(gòu)與上斷面的裝藥結(jié)構(gòu)是相同的,除了底板孔使用單卷的重量為200g的乳化炸藥外,其余都是用單卷為150g的2的巖石炸藥。各炮孔的單孔裝藥量。半臺(tái)階炮孔示意圖
2高速公路瓦斯隧道施工技術(shù)措施
2.1選擇科學(xué)合理的施工方案
針對特定的隧道地質(zhì)及施工情況選擇科學(xué)合理的施工方法,是對施工單位的綜合能力的有效驗(yàn)證,也是隧道安全施工的強(qiáng)有力保障。實(shí)踐已經(jīng)證明,絕大多數(shù)的隧道塌方都與隧道施工方案制定的不合理有關(guān)。比如,當(dāng)隧道圍巖發(fā)生變化時(shí),為了不影響施工進(jìn)度或者節(jié)約施工成本,一些現(xiàn)場技術(shù)管理人員可能不會(huì)及時(shí)改變施工方案,而是抱著僥幸心理繼續(xù)工作,從而造成隧道塌方,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)o作業(yè)人員帶來人身危險(xiǎn)。其次,即使一些技術(shù)方案制定的很好,在實(shí)施過程中也有失敗的可能,這主要是因?yàn)楣こ虒κ┕すに嚨目刂撇粐?yán)。比如,在隧道施工中,超前支護(hù)不符合設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致掌子面的圍巖坍塌和一次襯砌的塌落。這些確實(shí)可以歸結(jié)為質(zhì)量問題,但細(xì)究其根源,還是由于施工時(shí)對工藝控制不嚴(yán)。因此,在施工中選擇科學(xué)合理的施工方案,同時(shí)注重工藝控制,才能保證施工的安全.
2.2實(shí)施地質(zhì)預(yù)報(bào),預(yù)防隧道塌方
隧道地質(zhì)勘探工作貫穿于隧道的整個(gè)施工過程之中,地質(zhì)狀況的好壞會(huì)對隧道施工產(chǎn)生很大的影響,對于不良的地質(zhì)狀況尤其需要關(guān)注。隧道塌方會(huì)影響施工進(jìn)度、耽誤施工進(jìn)程,甚至形成災(zāi)難性事故,導(dǎo)致人員傷亡、影響經(jīng)濟(jì)效益。因此應(yīng)將地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入隧道施工技術(shù)管理中來,為隧道施工安全提供有力的制度保證。由于隧道地質(zhì)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性,地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在預(yù)測的準(zhǔn)確性上尚待提高。但是,隨著地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展,對隧道的地質(zhì)狀況進(jìn)行探測的方法越來越多。綜合考慮工程設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料以及施工過程中對隧道圍巖的觀察分析,相關(guān)人員可以優(yōu)化組合預(yù)報(bào)手段,從而使對地質(zhì)狀況的預(yù)測與圍巖的實(shí)際狀況盡量符合。這對于制定合理的施工方案、有效預(yù)防及控制隧道塌方、保證隧道施工的安全有很大的作用。
二、公路隧道支護(hù)技術(shù)
公路隧道初期支護(hù)方式要根據(jù)施工要求采取不同的支護(hù)形式。主要選擇的有噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護(hù)形式。
(1)噴射混凝土:其方法大致分為素噴和網(wǎng)噴兩種,噴射混凝土的作用是對圍巖節(jié)理、裂隙起到充填作用,將不連續(xù)的巖層層面膠結(jié)起來,形成一個(gè)整體。同時(shí)產(chǎn)生楔效應(yīng)增加巖塊間的磨擦系數(shù),進(jìn)而有效防止巖塊沿軟弱面滑移脫落,使表面巖塊保持穩(wěn)定狀態(tài)。噴射混凝土由于具有一定粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度,能與巖層粘貼的同時(shí)和圍巖形成了統(tǒng)一的承載體系,極大改善了噴層的受力條件。噴射混凝土一定要及時(shí)并做到分層施噴,噴層雖薄但其具有較高的強(qiáng)度。這樣,噴層有效控制了圍巖變形。即使在圍巖仍有較大變形的情形下,仍不致于產(chǎn)生坍塌,這樣就有效提高了圍巖自承能力。同時(shí)噴射混凝土能使隧道周邊的圍巖盡早封閉,進(jìn)而有效防止了圍巖的進(jìn)一步風(fēng)化。在噴射混凝土作業(yè)施工中,首先要做好職工準(zhǔn)備,準(zhǔn)備充足的材料如水泥、砂、石、速凝劑、水等,嚴(yán)格檢驗(yàn)材料質(zhì)量,盡量用新鮮的相容性試驗(yàn)合格的水泥和速凝劑,砂、石含水率要達(dá)標(biāo)。檢修好噴射機(jī)、混凝土攪拌機(jī)等設(shè)備,并進(jìn)行就位前的試運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)管和水管管路及接頭要確保良好。檢查開挖斷面,將附著于巖面的泥圬沖冼干凈。對滲漏較大處做好引排水處理。在做好充足的準(zhǔn)備工作后進(jìn)行操作,操作中要注意:控制好風(fēng)壓、水壓和水灰比。要想保證噴射混凝土的質(zhì)量,降低回彈率,減少揮發(fā)粉塵,噴射作業(yè)時(shí)要求風(fēng)壓控制要穩(wěn)定,壓力大小應(yīng)調(diào)整適當(dāng)。水壓通常要比水壓50-100Kpa,要在噴頭水環(huán)位置形成水霧,充分濕潤干拌合料。干噴時(shí),如果噴射的混凝土易粘著,回彈小而且表面濕潤光澤,說明水量適中。如發(fā)現(xiàn)表面無光、回彈物多、灰塵大、混凝土不密實(shí)等現(xiàn)象,則說明水量小。如果表面出現(xiàn)流淌滑動(dòng)現(xiàn)象,則說明水量大。要掌握好噴射角度和噴射距離。噴嘴與巖面的角度一般要垂直于巖面。如果靠近邊墻,應(yīng)將噴嘴略向下俯約10°左右,使混凝土噴射在較厚的混凝土頂端。噴嘴與巖面的距離一般保持在0.8-1.2m。每一次噴射混凝土的厚度,應(yīng)掌握在拱部為5-6cm,邊墻為7-10cm。噴射的順序應(yīng)先墻后拱從下而上,先噴凹處找平,然后繼續(xù)向上噴射。噴射時(shí)料束要盡量呈旋轉(zhuǎn)軌跡運(yùn)動(dòng),大致要一圈壓半圈,縱向按蛇形進(jìn)行。為保持噴層表面平整,噴射完應(yīng)對表面再掃射一層。噴射順序應(yīng)自上向下,料束要呈橫掃方式運(yùn)動(dòng),不能旋轉(zhuǎn)或者停留。
1.2道路的不安全因素1)路面縱坡較大且坡長較長,路面摩擦力較小,路面突然出現(xiàn)障礙物或障礙物未及時(shí)清理。2)遇雨雪天氣或隧道漏水,引起隧道路面濕滑、洞口路面結(jié)冰,摩擦力下降。3)隧道空間狹長,撲救路線單一,加上發(fā)生事故后極易造成混亂和交通擁堵,消防和救護(hù)車輛難以迅速到達(dá)現(xiàn)場;部分隧道內(nèi)救護(hù)工具較少,或水消防失效、滅火器丟失,一旦發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)難時(shí),無法及時(shí)滅火救災(zāi)。
1.3不良環(huán)境的不安全因素1)隧道本身的特殊性改變了車輛正常行使的環(huán)境,給駕駛員造成心理壓力和緊張情緒,行車的危險(xiǎn)性增大。2)隧道空間狹小,通風(fēng)不暢,溫度上升快,隧道中經(jīng)常通過運(yùn)輸化學(xué)物品和多種易燃易爆物品的車輛,許多有害氣體若滯留在隧道內(nèi),包括煤炭粉末和運(yùn)輸?shù)拿娣邸⒖Х确酆湍谭鄣扔袡C(jī)物粉末與隧道中灰塵混合后,遇到高溫和明火,極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸。3)隧道照明太亮或太暗,與駕駛員安全行車的視覺需求不太吻合。4)某種原因引起的隧道內(nèi)車速異常降低或堵車,極易誘發(fā)后續(xù)車輛的追尾,引發(fā)交通事故。
2優(yōu)化隧道安全性設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理的建議
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[2],駕駛員是道路交通安全要素的主體,占交通事故總數(shù)的95.30%,車輛的因素占交通事故總數(shù)的4.57%,道路因素占交通事故總數(shù)的0.13%。因此,強(qiáng)調(diào)運(yùn)輸安全,首先要加強(qiáng)對駕駛員的管理教育和對車輛進(jìn)行檢查,確保上路行駛的車輛和駕駛員符合法律法規(guī)的要求,具備必需的駕駛和應(yīng)急知識(shí)[3,4]。道路運(yùn)輸企業(yè)要真正承擔(dān)起運(yùn)輸安全的主體責(zé)任,真正落實(shí)好道路危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸管理的規(guī)定,確保運(yùn)輸車輛及技術(shù)指標(biāo)符合要求,駕駛員、押運(yùn)員培訓(xùn)考核合格,具有應(yīng)有的職業(yè)道德。為進(jìn)一步提高公路隧道運(yùn)營的安全性,特提以下幾點(diǎn)建議。
2.1加強(qiáng)對駕駛員和車輛的管理1)隧道內(nèi)及進(jìn)口外1000m范圍內(nèi)最高車速限70km/h。2)隧道內(nèi)禁止隨意停車。如車輛發(fā)生機(jī)械故障不能移動(dòng)時(shí),應(yīng)立即開啟危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈,在來車方向距事故車150m外放置警告標(biāo)志牌,并報(bào)警請求交通安全管理部門處理。3)運(yùn)輸易燃易爆等危險(xiǎn)物品的車輛遇緊急情況需要在隧道內(nèi)停車時(shí),應(yīng)立即開啟危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈,并在來車方向距事故車200m,100m,50m放置3塊警告標(biāo)志牌,同時(shí)報(bào)警請求交通安全管理部門處理。4)運(yùn)輸易燃易爆等危險(xiǎn)物品的車輛應(yīng)安裝夜間紅色示警燈、霧天示警燈、反光標(biāo)識(shí),隨車配備所載危險(xiǎn)品的滅火器具等應(yīng)急處理器材。5)隧道內(nèi)應(yīng)保持車距,避免發(fā)生堵車現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)行車緩慢、排隊(duì)等候等交通擁堵現(xiàn)象,應(yīng)報(bào)警請求交通安全管理部門及時(shí)疏導(dǎo)處理。6)道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸企業(yè)要對駕駛員和押運(yùn)員等危險(xiǎn)品運(yùn)輸從業(yè)人員,每年進(jìn)行1次職業(yè)道德、業(yè)務(wù)知識(shí)和操作規(guī)程培訓(xùn)考核,開展應(yīng)急演練,熟悉所裝運(yùn)危險(xiǎn)貨物的性質(zhì)、危害特性和發(fā)生意外事故時(shí)的處置措施。7)運(yùn)輸易燃易爆等危險(xiǎn)物品的車輛經(jīng)過特長隧道時(shí),應(yīng)經(jīng)過公安機(jī)關(guān)批準(zhǔn),按指定的時(shí)間、路線、速度行駛,懸掛警示標(biāo)志并采取必要的安全措施。8)從事旅客運(yùn)輸?shù)鸟{駛員和隨車服務(wù)員,應(yīng)熟悉隧道緊急救援逃生知識(shí),在車輛通過隧道前向乘客講解、演示發(fā)生緊急情況時(shí)的逃生預(yù)案,并在事故發(fā)生后組織乘客有序逃生。9)對從事危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)進(jìn)行安全應(yīng)急信譽(yù)考核,并對信譽(yù)等級(jí)低的企業(yè)增加一倍許可事項(xiàng)的檢查頻度。10)禁止任何形式的掛靠車輛從事危險(xiǎn)品運(yùn)輸。11)從事危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)應(yīng)建立《職業(yè)健康安全管理體系》,并通過第三方審核認(rèn)證。
2.2優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)[5-8]1)隧道平面盡量采用直線或圓曲線線形,縱面盡量采用大于0.3%的小縱坡,中隧道縱坡不宜大于3%,長隧道縱坡不宜大于2.5%,特長隧道縱坡不宜大于2%或更小。2)隧道洞口內(nèi)外各100m以內(nèi)的平縱面線形應(yīng)一致,洞內(nèi)外線形應(yīng)順暢、連續(xù),不得設(shè)S形曲線,縱坡盡量設(shè)置成單向縱坡,且洞內(nèi)和洞口外100m范圍內(nèi)的平縱面線形指標(biāo)應(yīng)高于相鄰路段的線形指標(biāo),洞內(nèi)外環(huán)境差異盡量小,變化盡量平緩。3)隧道洞口處不得設(shè)置凹形豎曲線,避免積水、結(jié)冰等引起車輛側(cè)滑。4)隧道路面應(yīng)采用抗滑系數(shù)較高的抗滑阻燃瀝青混凝土路面。5)洞口兩端應(yīng)設(shè)亮度檢測器,根據(jù)檢測結(jié)果,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整隧道進(jìn)出口段照明亮度。6)應(yīng)加強(qiáng)洞口外接近洞口段50m范圍內(nèi)遮光措施的設(shè)計(jì),使駕駛員視覺逐漸適應(yīng)洞內(nèi)外亮度的變化。7)應(yīng)強(qiáng)化隧道的監(jiān)控、消防和救援設(shè)施設(shè)計(jì),增設(shè)一定數(shù)量的警示標(biāo)志,以吸引駕駛員集中注意力。
2.3加強(qiáng)隧道運(yùn)營管理1)隧道管理養(yǎng)護(hù)單位應(yīng)加強(qiáng)隧道路況巡查,發(fā)現(xiàn)安全隱患及時(shí)排除。如路面積水、結(jié)冰、出現(xiàn)障礙物,消防及各種監(jiān)控設(shè)施失效,洞內(nèi)危險(xiǎn)有害氣體超標(biāo)等。2)在特長隧道洞口附近建立消防救援應(yīng)急中隊(duì),配備必要的交通和消防救援工具,一旦發(fā)生事故,及早將其控制并消滅在初始階段。3)交通安全管理部門應(yīng)依法加強(qiáng)對違法違規(guī)上路行駛的車輛和駕駛員進(jìn)行巡檢,發(fā)現(xiàn)違章及時(shí)處理,發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)堵車或行駛緩慢應(yīng)及時(shí)疏導(dǎo),并采取相應(yīng)的交通管制措施。4)公安機(jī)關(guān)應(yīng)對運(yùn)輸易燃易爆等危險(xiǎn)物品的車輛經(jīng)過特長隧道時(shí)進(jìn)行審核批準(zhǔn),指定車輛按規(guī)定的時(shí)間、路線、速度等要素通過特長隧道,并要求采取必要的安全措施。同時(shí)交通安全管理部門應(yīng)配備引導(dǎo)車輛,前后護(hù)送危險(xiǎn)品車輛通過特長隧道。通過時(shí)間最好選擇在凌晨1點(diǎn)~2點(diǎn)間交通量較小的時(shí)段。5)交通主管部門應(yīng)加強(qiáng)對運(yùn)輸企業(yè)和隧道養(yǎng)管單位的安全檢查,一旦發(fā)現(xiàn)隱患,督促其及時(shí)整改。6)隧道出口外設(shè)置的各類車輛檢查站點(diǎn),宜距隧道出口4000m以外,最近不得小于1000m。
用盾構(gòu)法修建隧道已有150余年的歷史。最早進(jìn)行研究的是法國工程師M.I.布律內(nèi)爾,他由觀察船蛆在船的木頭中鉆洞,并從體內(nèi)排出一種粘液加固洞穴的現(xiàn)象得到啟發(fā),在1818年開始研究盾構(gòu)法施工,并于1825年在英國倫敦泰晤士河下,用一個(gè)矩形盾構(gòu)建造世界上第一條水底隧道(寬11.4米、高6.8米)。在修建過程中遇到很大的困難,兩次被河水淹沒,直至1835年,使用了改良后的盾構(gòu),才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底,用一個(gè)直徑2.2米的圓形盾構(gòu)建造隧道。1847年在英國倫敦地下鐵道城南線施工中,英國人J.H.格雷特黑德第一次在粘土層和含水砂層中采用氣壓盾構(gòu)法施工,并第一次在襯砌背后壓漿來填補(bǔ)盾尾和襯砌之間的空隙,創(chuàng)造了比較完整的氣壓盾構(gòu)法施工工藝,為現(xiàn)代化盾構(gòu)法施工奠定了基礎(chǔ),促進(jìn)了盾構(gòu)法施工的發(fā)展。20世紀(jì)30~40年代,僅美國紐約就采用氣壓盾構(gòu)法成功地建造了19條水底的道路隧道、地下鐵道隧道、煤氣管道和給水排水管道等。從1897~1980年,在世界范圍內(nèi)用盾構(gòu)法修建的水底道路隧道已有21條。德、日、法、蘇等國把盾構(gòu)法廣泛使用于地下鐵道和各種大型地下管道的施工。1969年起,在英、日和西歐各國開始發(fā)展一種微型盾構(gòu)施工法,盾構(gòu)直徑最小的只有1米左右,適用于城市給水排水管道、煤氣管道、電力和通信電纜等管道的施工。
中國于第一個(gè)五年計(jì)劃期間,首先在遼寧阜新煤礦,用直徑2.6米的手掘式盾構(gòu)進(jìn)行了疏水巷道的施工。中國自行設(shè)計(jì)、制造的盾構(gòu),直徑最大為11.26米,最小為3.0米。正在修建的第二條黃浦江水底道路隧道,水下段和部分岸邊深埋段也采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)的千斤頂總推力為108兆牛,采用水力機(jī)械開挖掘進(jìn)。在上海地區(qū)用盾構(gòu)法修建的隧道,除水底道路隧道外,還有地鐵區(qū)間隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。
盾構(gòu)法的優(yōu)越性
盾構(gòu)法施工得到廣泛使用,因其具有明顯的優(yōu)越性:
①在盾構(gòu)的掩護(hù)下進(jìn)行開挖和襯砌作業(yè),有足夠的施工安全性;
②地下施工不影響地面交通,在河底下施工不影響河道通航;
③施工操作不受氣候條件的影響;
④產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲等環(huán)境危害較小;
⑤對地面建筑物及地下管線的影響較小。
盾構(gòu)法施工準(zhǔn)備工作
采用盾構(gòu)法施工時(shí),首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井,用作盾構(gòu)及其設(shè)備的拼裝井(室)和拆卸井(室),特別長的隧道,還應(yīng)設(shè)置中間檢修工作井(室)。拼裝和拆卸用的工作井,其建筑尺寸應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上設(shè)有盾構(gòu)出洞口,井內(nèi)設(shè)有盾構(gòu)基座和盾構(gòu)推進(jìn)的后座。井的寬度一般應(yīng)比盾構(gòu)直徑大1.6~2.0米,以滿足鉚、焊等操作的要求。當(dāng)采用整體吊裝的小盾構(gòu)時(shí),則井寬可酌量減小。井的長度,除了滿足盾構(gòu)內(nèi)安裝設(shè)備的要求外,還要考慮盾構(gòu)推進(jìn)出洞時(shí),拆除洞門封板和在盾構(gòu)后面設(shè)置后座,以及垂直運(yùn)輸所需的空間。中、小型盾構(gòu)的拼裝井長度,還要照顧設(shè)備車架轉(zhuǎn)換的方便。盾構(gòu)在拼裝井內(nèi)拼裝就緒,經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試后,就可拆除出洞口封板,盾構(gòu)推出工作井后即開始隧道掘進(jìn)施工。盾構(gòu)拆卸井設(shè)有盾構(gòu)進(jìn)口,井的大小要便于盾構(gòu)的起吊和拆卸。
盾構(gòu)法施工工序
主要有土層開挖、盾構(gòu)推進(jìn)操縱與糾偏、襯砌拼裝、襯砌背后壓注等。這些工序均應(yīng)及時(shí)而迅速地進(jìn)行,決不能長時(shí)間停頓,以免增加地層的擾動(dòng)和對地面、地下構(gòu)筑物的影響。
土層開挖
在盾構(gòu)開挖土層的過程中,為了安全并減少對地層的擾動(dòng),一般先將盾構(gòu)前面的切口貫入土體,然后在切口內(nèi)進(jìn)行土層開挖,開挖方式有:
①敞開式開挖。適用于地質(zhì)條件較好、掘進(jìn)時(shí)能保持開挖面穩(wěn)定的地層。由頂部開始逐層向下開挖,可按每環(huán)襯砌的寬度分?jǐn)?shù)次完成。
②機(jī)械切削式開挖。用裝有全斷面切削大刀盤的機(jī)械化盾構(gòu)開挖土層。大刀盤可分為刀架間無封板的和有封板的兩種,分別在土質(zhì)較好的和較差的條件下使用。在含水不穩(wěn)定的地層中,可采用泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡式盾構(gòu)進(jìn)行開挖。
③擠壓式開挖。使用擠壓式盾構(gòu)的開挖方式,又有全擠壓和局部擠壓之分。前者由于掘進(jìn)時(shí)不出土或部分出土,對地層有較大的擾動(dòng),使地表隆起變形,因此隧道位置應(yīng)盡量避開地下管線和地面建筑物。此種盾構(gòu)不適用于城市道路和街坊下的施工,僅能用于江河、湖底或郊外空曠地區(qū)。用局部擠壓方式施工時(shí),要根據(jù)地表變形情況,嚴(yán)格控制出土量,務(wù)使地層的擾動(dòng)和地表的變形減少到最低限度。
④網(wǎng)格式開挖。使用網(wǎng)格式盾構(gòu)開挖時(shí),要掌握網(wǎng)格的開孔面積。格子過大會(huì)喪失支撐作用,過小會(huì)產(chǎn)生對地層的擠壓擾動(dòng)等不利影響。在飽和含水的軟塑土層中,這種掘進(jìn)方式具有出土效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。
推進(jìn)操縱與糾偏
推進(jìn)過程中,主要采取編組調(diào)整千斤頂?shù)耐屏Α⒄{(diào)整開挖面壓力以及控制盾構(gòu)推進(jìn)的縱坡等方法,來操縱盾構(gòu)位置和頂進(jìn)方向。一般按照測量結(jié)果提供的偏離設(shè)計(jì)軸線的高程和平面位置值,確定下一次推進(jìn)時(shí)須有若干千斤頂開動(dòng)及推力的大小,用以糾正方向。此外,調(diào)整的方法也隨盾構(gòu)開挖方式有所不同:如敞開式盾構(gòu),可用超挖或欠挖來調(diào)整;機(jī)械切削開挖,可用超挖刀進(jìn)行局部超挖來糾正;擠壓式開挖,可用改變進(jìn)土孔位置和開孔率來調(diào)整。
襯砌拼裝
常用液壓傳動(dòng)的拼裝機(jī)進(jìn)行襯砌(管片或砌塊)拼裝。拼裝方法根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求,可分為通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝。通縫拼裝是使管片的縱縫環(huán)環(huán)對齊,拼裝較為方便,容易定位,襯砌圓環(huán)的施工應(yīng)力較小,但其缺點(diǎn)是環(huán)面不平整的誤差容易積累。錯(cuò)縫拼裝是使相鄰襯砌圓環(huán)的縱縫錯(cuò)開管片長度的1/2~1/3.錯(cuò)縫拼裝的襯砌整體性好,但當(dāng)環(huán)面不平整時(shí),容易引起較大的施工應(yīng)力。襯砌拼裝方法按拼裝順序,又可分為先環(huán)后縱和先縱后環(huán)兩種。先環(huán)后縱法是先將管片(或砌塊)拼成圓環(huán),然后用盾構(gòu)千斤頂將襯砌圓環(huán)縱向頂緊。先縱后環(huán)法是將管片逐塊先與上一環(huán)管片拼接好,最后封頂成環(huán)。這種拼裝順序,可輪流縮回和伸出千斤頂活塞桿以防止盾構(gòu)后退,減少開挖面土體的走動(dòng)。而先環(huán)后縱的拼裝順序,在拼裝時(shí)須使千斤頂活塞桿全部縮回,極易產(chǎn)生盾構(gòu)后退,故不宜采用。