不同围岩（共7篇）
不同围岩 篇1
新奥法施工的隧道设计的基本思想是隧道开挖后,围岩松驰,围岩应力减小,围岩应力部分传递给隧道支护结构;随着围岩进一步松驰,隧道支护结构受到围岩压力增加,直到围岩和支护结构的变形相等,两者一起达到变形稳定[1,2]。只要知道支护结构安装距隧道开挖面的距离(如图1中A点),就可以从隧道拱顶沉降(LDP)曲线上B点得到支护结构安装时初始位移u0,由此可以得到支护特性曲线在图1中的初始位置(C点),以及支护特性曲线与围岩位移曲线的交点D的具体位置,由D点可以算出支护结构承担的围岩压力和产生的变形和支护结构的安全性状。支护结构的刚度和围岩收敛(GRC)曲线共同决定了D点的位置。为了充分发挥围岩的自稳能力,通常允许围岩产生部分塑性变形,所以,从支护结构经济角度讲,D点在GRC曲线上的位置应在弹塑性变形分界点E的右侧。可见隧道围岩拱顶沉降和塑性压力对隧道围岩稳定性和支护结构经济合理性都是至关重要的。本文采用FLAC3D计算围岩拱顶沉降和塑性压力随埋深和围岩等级的变化特性,指导不同埋深、不同类型围岩的隧道设计和施工。
1 计算模型
FLAC3D计算过程中首先将求解域划分成若干网格,然后用差分方程近似表示网格节点上的微分方程。FLAC3D每计算一步结束后,都进行一次坐标更新,将位移增量累计到坐标系中,因此,网格和其所代表的材料都发生移动和变形。围岩应变的增量形式表示为:
采用FLAC3D有限差分软件对隧道开挖支护进行模拟计算。模拟范围取3~5倍洞径,隧道直径为7 m,隧道埋深分别为30 m、100 m、200 m、300 m、400 m和500 m。模型上下边界分别离隧道边缘30 m和35 m,左右边界离隧道边缘40 m,模拟隧道开挖长度为60 m。考虑到精度要求和计算时间的限制,单元划分按照从模型外边界到隧道逐渐加密的原则,数值模型全断面形状如图2所示。
模型计算单元采用6面体,共划分为39 000个单元和41 236个节点。模型顶部为应力边界条件,根据埋深等因素确定边界应力,施加不同的均布荷载,其余边界为单向约束位移边界条件。围岩的初始应力场分为竖向应力场和水平应力场,竖向应力等于上覆岩体的自重应力,水平应力等于竖向应力与初始侧压力系数的乘积。初始侧压系数的计算公式为[3]:
式中:H为隧道埋深;K为初始侧压力系数。
隧道开挖之前,由程序根据岩体参数计算初始地应力,初始地应力对应的位移必须清零。针对II~V级围岩进行分析,围岩参数列于表1中[4]。
2 计算结果
2.1 隧道拱顶纵向沉降
图3为II~V级围岩在300 m埋深情况下开挖后的总位移情况,可以看出,V级围岩已经发生严重的坍塌现象。
图4是不同埋深隧道开挖引起围岩拱顶沉降。从图4可以看出,伴随撑子面的推进,围岩变形都要经历从急剧发展到趋于缓和,最终达到稳定状态。图4中的曲线又称为围岩纵向沉降曲线(LDP),为预报围岩破坏提供动态信息,是确定初始支护结构实施时间和优化施工流程的理论依据。
图5表示了II~IV级围岩拱顶沉降随埋深的变化规律。对于岩性较好的II级围岩,无论是开挖面处收敛值还是最终收敛值随埋深基本呈线性增加,表明围岩变形以弹性变形为主,拱顶位移较小,围岩自稳能力很好;III级围岩开挖面处拱顶沉降与隧道埋深保持线性关系,最终拱顶沉降与隧道埋深出现明显非线性增加关系,表明围岩变形开始向塑性方向发展,拱顶收敛值较II级时有较大增长;IV级围岩最终拱顶沉降与隧道埋深的关系均出现突出的非线性增加关系,曲线呈下凸形状,类似于指数函数关系。V级围岩隧道拱顶沉降随埋深呈非线性快速增加,埋深200 m的隧道围岩拱顶沉降达到2 000 mm以上,埋深300 m以上的隧道在无支护的情况下,拱顶沉降不收敛,隧道不稳定。埋深越大,收敛值发展速度越快,围岩拱顶收敛值很大,塑性变形比较厉害。
图6绘制了各级围岩隧道开挖面拱顶沉降收敛比随埋深的变化规律,开挖面收敛比定义为开挖面的拱顶沉降与拱顶最大沉降之比。不同级别围岩,开挖面收敛比随埋深变化规律差别很大。II级围岩500 m埋深范围内收敛比控制在25%~28%,收敛比随埋深增加基本呈线性下降趋势,拱顶最大位移不超过11 mm,围岩自稳能力较好;III级围岩开挖面处收敛比发展趋势与II级围岩类似,但是收敛比例明显低于对应的II级围岩,埋深超过200 m后,开挖面收敛比例便不足25%,500 m埋深时,拱顶最大位移超过45 mm,开挖后拱顶部位变形比较厉害;IV级围岩在埋深100~200 m部分,开挖面收敛比急剧下降,埋深超过200 m后,收敛比已不足20%,500 m埋深时收敛比接近15%,说明围岩开挖变形程度很大,洞周围岩自稳能力急剧减小,塑性区迅速向深部发展,可能形成大范围的松动破坏区域。V级围岩埋深超过30 m时,开挖后围岩变形急速发展,后续变形相当严重,基本没有自稳能力。
2.2 围岩塑性压力
采用考虑应变软化的弹塑性本构,以MohrCoulomb破坏准则为破坏依据。在围岩进入塑性状态后,岩体强度(c和φ)减小,围岩塑性区范围扩大。假设围岩为理想弹塑性材料,当支护抗力等于围岩初始地应力时,围岩收敛值为零。随着支护抗力减小,围岩收敛值逐步变大,开始阶段,围岩处于弹性状态,支护抗力与围岩收敛值成线性关系;进入塑性状态后,随着塑性区扩大,收敛值发展速度加快。根据上述围岩变形特点,从初始应力开始,采用荷载间距逐步减小的形式设置支护力,利用FLAC3D计算不同支护抗力下的围岩拱顶收敛值,围岩达到塑性屈服的支护压力即为塑性压力。支护压力与拱顶沉降的关系称为围岩收敛曲线(GRC),图7绘制了不同埋深II~V级围岩收敛曲线,从图7可以看出,围岩收敛曲线随围岩级别不同和埋深不同呈现出很大差异。围岩级别越高、埋深越浅,岩体塑性变形量越小。II级围岩在埋深500 m之内塑性变形量很小,围岩基本能够自稳,可根据实际情况采取一些措施保障安全度即可。III级、IV级围岩在埋深超过300 m时,塑性变形明显,收敛值明显增大,尤其IV级围岩,围岩最大收敛值达200 mm,必须及时施作支护防止围岩松动,以保证围岩的稳定。V级围岩有明显的松动破坏特征,在埋深较浅的情况下,围岩已经开始出现很大的松动区,开挖前必须使用超前支护加强前方岩体强度和刚度。
图8绘制了II~V级围岩塑性压力随埋深变化情况。图中可看出,各级围岩塑性变形压力基本都随埋深增加而增大,两者基本成线性关系;同一埋深下,从II级到V级围岩,围岩塑性变形压力逐渐变大,说明岩体越弱,对应的塑性变形压力越大。支护结构支护力的大小与塑性变形压力密切相关,要根据塑性变形压力的大小,确定合理的支护抗力。
圆形隧道围岩处于弹性状态所需的最小支护抗力的理论表达式为:
式中:pi为所求的最小支护抗力,p0为围岩初始应力,φ为围岩内摩擦角。
由式(2)计算得到的塑性压力与数值计算结果比较如图9所示,圆形断面隧道围岩的塑性压力理论计算结果与数值计算结果基本一致,但浅埋围岩塑性压力理论计算结果略小于数值模拟结果,深埋围岩塑性压力理论计算结果大于数值模拟结果。曲墙式断面隧道围岩的塑性压力理论计算结果与数值计算结果有差异,原因是理论公式是基于圆形断面提出的,与曲墙式隧道数值计算条件有差距。
2.3 围岩应力分析
图10是II~V级围岩应力集中系数(最大主应力与围岩初始应力比)σ1/σ0随埋深的变化情况,应力集中系数σ1/σ0随着深度增加而增加,表明围岩应力集中速度没有应力随深度增加速度快。从图10中可以看出,随着围岩埋深增加,σ1/σ0值呈递减趋势;相同埋深条件下,围岩级别越高即岩性越好,σ1/σ0值越大。II级围岩在500 m埋深的σ1/σ0值都在2.2之上;200~500 m埋深的III级围岩的σ1/σ0值在2.0左右,相比同等条件下的II级围岩有一定幅度减小;IV级围岩埋深超过100 m后,σ1/σ0值小于2.0。围岩岩性越好,围岩抗压强度越大,围岩应力集中系数越高,岩爆的可能性越大。
根据《工程岩体分级标准》[5],岩爆判据可以采用σc/σ1表示,σc为岩石单轴抗压强度,σ1为围岩最大主应力。岩石单轴抗压强度可以由粘聚力和内摩擦角计算得到,即
图11表示了最大主应力与岩石抗压强度(σc/σ1)的比值随埋深的变化情况。随着隧道埋深增加,σc/σ1减小,表明隧道埋深越大,围岩发生岩爆的可能性越大。随着围岩等级降低,即围岩强度减小,σc/σ1减小。
图12分别绘制了不同埋深情况下围岩应力集中系数σ1/σ0值随泊松比μ、弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c的变化情况。应力集中系数σ1/σ0随泊松比μ增加而减小,随弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c增加而增加,表明强围岩(弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c大、泊松比μ小)中应力集中程度高。不同埋深下,围岩参数对σ1/σ0值的影响效果不同。隧道浅埋时,泊松比μ、弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c变化对σ1/σ0值的影响明显;随着埋深增加,影响效果逐渐减弱[6]。图12中在400 m和与500 m埋深时,σ1/σ0随4个参数的变化曲线基本重合,表明埋深超过一定深度后,σ1/σ0值基本稳定,这种现象并不意味着埋深大的围岩中应力集中现象步明显,由于围岩初始应力很大,使得对应力集中系数σ1/σ0影响不明显。事实上,埋深很大的围岩中的应力集中程度根大。
3 结论
采用FLAC3D程序对II~V级围岩在6种不同埋深的位移和应力进行了数值分析,得出了以下结论:
(1)隧道围岩拱顶沉降曲线(LDP)为确定初始支护时间提供依据,对保证围岩稳定具有重要意义。隧道围岩拱顶沉降随埋深增加而增加、随围岩等级降低而增加;V级围岩的埋深超过200 m,拱顶沉降不收敛,隧道围岩处于不稳定状态。隧道围岩拱顶沉降的数值模拟结果表明,深埋弱围岩隧道开挖的初期要早施作支护,避免隧道失稳破坏。
(2)各级围岩在不同埋深下的塑性压力埋深增加而增加、随围岩等级降低而增加,表明埋深越大、围岩等级越低,隧道支护结构所承受的围岩压力越大。岩体塑性压力的数值模拟结果与圆形随道的弹塑性理论公式得计算结果基本吻合。
(3)围岩应力集中系数随埋深增加而增加、随围岩等级降低而减小,表明埋深越大,围岩应力集中程度快、围岩等级越高,应力集中程度越高。围岩应力集中系数随泊松比增加而减小,随弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c增加而增加。不同埋深的围岩参数对σ1/σ0值的影响效果不同。浅埋时围岩参数对应力集中系数影响明显;深埋时围岩应力集中系数趋于定值。
(4)围岩的最大主应力与岩石抗压强度的比值随埋深增加而减小,随着围岩等级降低而减小,表明隧道埋深越大,围岩发生岩爆的可能性越大。
参考文献
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[3]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.
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[5]GB50218—94工程岩体分级标准[S].
[6]罗春雨,肖志明,祁海军.柏杨湾软弱围岩连拱隧道支护结构变形与受力分析[J].公路交通技术,2008(3):97-100.
不同围岩 篇2
关键词：隧道病害,衬砌背后空洞,数值模拟,位移,内力
1 引言
1.1 隧道病害
随着我国国民经济实力增强, 公路隧道得到飞速发展, 从隧道的数量、规模和建设速度来看, 我国已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家[1]。然而由于地质条件、地形条件、气候条件和设计施工、运营过程中各种因素的影响, 隧道建成后在使用过程中会出现各种各样不同程度的病害, 部分隧道甚至在使用的前期就出现比较严重的隧道病害, 如衬砌裂损、隧道渗漏水等。衬砌背后存在空洞是比较常见的隧道病害, 隧道病害严重影响着隧道的运营安全, 缩短了隧道的使用寿命, 同时也造成人力、物力和经济的损失。
1.2 空洞成因
造成衬砌背后存在空洞的原因主要为在新奥法隧道施工时, 由于隧道爆破效果不够理想, 超欠挖现象普遍, 部分施工单位为了追求经济快速, 通过钢筋网在作为初期支护的喷射混凝土层背后设置石块、泡沫、稻草等取代混凝土进行充填, 造成了围岩与初期支护之间接触不良, 有些甚至形成了较大型的空洞;在对隧道二次衬砌进行施工中, 泵送混凝土的压力不足, 混凝土流动性差, 以及抽拔泵送管太早太快等原因, 造成模筑混凝土厚度不足而形成了空洞, 主要以拱顶部位为主[2]。
1.3 空洞危害
衬砌背后存在空洞时, 衬砌结构的受力以及围岩的应力状态会发生改变。衬砌上边缘容易发生开裂, 围岩会失去应有的支护而松弛、变形, 导致失稳、脱落, 严重时会发生崩塌, 严重影响隧道使用和行车安全[3]。
2 有限元模型
3 计算结果分析
3.1 位移特征
位移作为判定隧道围岩结构稳定的主要参数, 本文选取三种等级围岩空洞下方拱顶部位开挖过程中竖直方向的位移量进行对照分析, 各等级围岩开挖过程中拱顶下沉量 (见图3) 。
可以看出采用台阶法开挖时, 拱顶沉降主要集中发生在上台阶开挖的过程中。存在空洞情况下, 空洞处衬砌外侧受拉内侧受压, 产生应力集中。Ⅲ级围岩开挖至空洞处拱顶沉降量有明显减小的趋势;Ⅳ级围岩随着开挖至空洞处拱顶沉降值由负值逐渐变为正值1mm, 说明空洞处衬砌有向上拱起的趋势, 等开挖结束后, 随着围岩自稳, 沉降值又恢复到负值;对于Ⅴ级围岩, 空洞处衬砌向上拱起的趋势更为明显, 突起位移量达到7mm, 且最终沉降值为正值4mm, 说明衬砌变形较大, 甚至可能破坏。
3.2 内力特征
为了分析隧道衬砌背后空洞对不同等级围岩隧道结构的作用, 选取各等级围岩开挖后隧道衬砌各方向的弯矩图进行分析。空洞处对应衬砌由于空洞的作用外侧产生最大负弯矩值, 在其周围两侧衬砌则产生最大正弯矩值;X方向弯矩最大正弯矩产生在空洞横向两侧, Y方向弯矩最大正弯矩产生在空洞纵向两侧;随着围岩等级的变差, 这种弯矩效应也逐步增强;衬砌Z方向弯矩的最大正弯矩及最大负弯矩也都出现在空洞处;这种弯矩集中且反差较大的现象对衬砌的安全性产生很不利的影响。
4 小结
通过对不同等级围岩衬砌背后存在空洞情况下数值模拟, 分析其位移及内力特征, 可以得到下面的认识: (1) 采用台阶法开挖时, 拱顶沉降主要集中发生在上台阶开挖的过程中。空洞使初期支护在失去外侧围岩抗力的情况下外侧受拉, 内侧受压。空洞处竖直方向位移明显有向上发展的趋势, Ⅲ级围岩由于其自稳性比较好空洞处拱顶沉降值均为负值, Ⅳ级及Ⅴ级围岩空洞处衬砌向上拱起的趋势比较明显, Ⅴ级围岩更是达到7mm, 对衬砌结构的稳定性产生极大影响。 (2) 空洞出衬砌内力产生集中, 各方向最大正弯矩及最大负弯矩都集中在空洞对应的衬砌附近, 对衬砌的安全性不利。随着围岩等级变差, 衬砌最大正负弯矩值近似成倍的增大, 容易导致衬砌结构出现裂缝或破损甚至更严重的病害, 对衬砌结构的稳定性影响很大。 (3) 衬砌背后空洞是隧道比较容易出现的病害之一, 使衬砌的受力状态发生改变, 还将衍生出衬砌裂损、渗漏水等其他病害。出现衬砌后空洞病害时, 常用的维修加固措施有回填压注、内表面补强、锚杆补强以及内衬拱架补强等。本文仅对三种等级围岩隧道衬砌背后空洞进行分析, 然而影响隧道稳定的因素还有很多, 很多病害都是同时出现综合作用, 因此还需要进行更深入的研究和分析。
参考文献
[1]郭陕云.论我国隧道和地下工程技术的研究和发展[J].现代隧道技术2004 (增刊) :1-6.
[2]何健, 佘川.高速公路隧道维修与加固[M].北京:人民交通出版社, 2006
[3]司徒丽新, 邹友泉.衬砌背后空洞对于公路隧道的危害性研究[J].山西建筑, 2007, 33 (31) :301-302.
不同围岩 篇3
某合同段隧道不控制工期, 单头掘进最长1 570 m, 采用新奥法施工, 隧道弃渣场位于隧道口, 部分弃渣用于加工碎石。根据本标段隧道的特点, 隧道进出口明洞均采用分层小切口明挖, 开挖时注意洞口处边、仰坡稳定性, 并根据设计进行锚喷混凝土的加固;当开挖到明暗交接进洞时, 必须先施做C25混凝土套拱及大管棚。明洞采用就地模筑全断面整体式钢筋混凝土衬砌, 明洞回填时, 拱脚下采用M7.5浆砌片石回填, 其上对称回填土石并分层夯实, 明洞回填至原地面进行绿化。
隧道洞口段施工前应对侧壁边坡适度刷坡、由上自下边开挖边防护, 然后施作基础。待基础稳固后, 修筑钢筋混凝土耳墙和半护拱, 耳墙和半护拱必须整体浇筑, 随后进行架设长管棚, 半护拱上反压回填片石混凝土, 最后半明半暗进洞。隧道进洞施作应在明洞施作后进行。隧道暗洞加强段及Ⅴ级围岩段利用超前小导管进行超前支护, 洞口段、Ⅴ级及Ⅴ级加强段采用CD法施工, Ⅵ级段采用台阶法施工, Ⅱ、Ⅲ级段采用全断面法施工;最终全断面模筑二次混凝土衬砌。主洞爆破采用风动凿岩机钻孔, 非电毫秒雷管微差爆破, 周边进行光面爆破, 导爆索起爆, 临时支护及时跟进施工。
2洞口开挖技术
2.1 洞口大管棚施工
大管棚施工采用土星系列液压双动力头多功能钻机。大管棚施工的准备工作, 主要包括钻机保养和试运转、测量放样布孔位和孔位插钎标记, 以及铺设钻机行走轨等。施作大管棚注浆增加顶拱土体稳定性, 大管棚采用ϕ108热轧无缝钢管制成, 花管部分间隔15 cm钻ϕ6～8 mm的孔眼, 交叉布置, 外插角1°～3°。
2.2 注浆材料
管棚注浆材料采用单液浆, 注浆材料使用P.O 42.5的普通硅酸盐水泥浆液, 水灰比1∶1。先将所需的水倒入搅拌桶, 再将水泥按照配比倒入搅拌桶, 进行机械搅拌, 搅拌均匀后, 备用, 水泥浆液随拌随用。
2.3 注浆参数
采取管棚注浆时, 要注浆终压控制在0.5～0.8 MPa;浆注扩散半径 (R) 为0.5 m;注浆速度定为每分钟不大于100 L。经过对注浆量进行估算, 每个管棚注浆量为60～300 L;如顶拱遇粉砂层注浆量为300～600 L。注浆结束标准采取注浆量与注浆压力双控注浆, 每根管棚注入规定浆液, 压力达到0.8 MPa, 即可结束注浆。如压力长时间不上升, 流量不减少, 可能为跑浆现象, 采用间歇注浆。
2.4 注浆
对本工程的管棚注浆采用由下向上隔孔注浆液, 采用FBY-50/70注浆机进行注浆, 试运行机器正常后即开始注浆。当注浆量达到设计要求时停止注浆。
2.5 注浆技术要求
管棚下管结束后, 用吹管吹出, 以免堵塞。配制好的浆液, 经过过滤后方可进入泵体, 以防杂物堵塞管路或泵体。注浆结束后, 对注浆泵管路进行清洗, 以保证下次注浆的顺利进行。
2.6 注浆施工安全注意事项
注浆过程中, 如发现注浆压力持续上升, 超过0.8 MPa时, 应停机检查原因。严禁压力未下降至0时拆卸空气室、压力表、输浆管道、卸浆阀等。闲杂人员不得进入作业面, 以免高压浆喷出或小导管冲出伤人。注浆过程中, 不得无故停电, 如需停电, 必须事先通知注浆班。
3洞身开挖技术
洞口加强段和浅埋偏压V级围岩采用CD法开挖;IV级围岩段采用上下台阶法施工, II、III级围岩段采用全断面法施工, 开挖施工过程中按要求设置救生管, 以备发生塌方事故时救生之用。
3.1 V级围岩偏压段的开挖
隧道V级围岩洞身岩体风化、破碎, 设计采用中壁法开挖。具体施工步骤见图1所示。
为了减少施工对围岩的扰动, 1、5部开挖根据围岩情况采用人工风镐, 3、7部采用小型单臂挖掘机开挖, 周边人工风镐配合, 个别地段或部位岩质较硬部分采用微振光面爆破。上部碴土翻至下部, 再用小型挖机装碴15 t自卸汽车运输至洞口外弃碴场。每循环进尺控制在0.5 m左右。开挖时, 沿一侧自上而下分为两部进行, 每开挖一步均及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁, 底部设临时仰拱, 中隔壁依次分步联结而成, 之后再开挖中隔壁的另一侧, 其分步次数及支护形式与先开挖的一侧相同;各部开挖时, 周边轮廓尽量圆顺, 减少应力集中;中隔壁在灌注二次衬砌时, 逐段拆除。
注:1、开挖侧壁导坑左上半断面。 2、初期支护;3、开挖侧壁导坑左下半部分。4、左侧壁导坑下半断面初期支护。5、开挖右侧导洞上半断面。6、右侧导洞上半断面初期支护。7、开挖剩余部分。8、剩余部分初期支护。9、拆除侧壁临时支护。10、灌注仰拱混凝土。11、铺设环向盲管及防水板, 整体灌注二衬砼。
3.2 Ⅳ级围岩开挖
Ⅳ级围岩半断面正台阶法开挖, 台阶长度控制在5 m。对该围岩级别的开挖施工顺序如下:①上半台阶毛洞开挖;②上半台阶初期支护;③下半台阶毛洞开挖;④下半台阶初期支护;⑤整体灌注二衬砼。
3.3 施工关键控制点
合理组织上、下台阶和边墙及仰拱 (部分) 二次衬砌在时间、空间上的关系, 快速封闭成环;开挖前施作超前支护和临时支护措施;下台阶开挖后, 及时进行仰拱封闭。
3.4 Ⅱ、Ⅲ级围岩开挖方法
本标段Ⅱ、Ⅲ级围岩段采用全断面法开挖, 爆破设计按“直眼掏槽”设计, 周边按“光面爆破”设计, 爆破后不得有欠挖, 平均线性超挖小于15 cm。
3.5 光面爆破设计及说明
全断面法爆破掘进时, 采用凿岩台车配VT28型风钻进行全断面钻眼;炸药选用二号岩石硝铵炸药或乳化油炸药, 非电导爆管微差引爆网络。
钻眼前, 用红铅油准确绘出开挖面的中线和轮廓线, 标出炮眼位置。定位开眼:周边眼钻眼按2%～5%或2～5 cm/m的斜率外插。严格按画出的炮孔位置施钻, 周边孔让老施钻工操作。清孔处理:装药前, 必须用由钢筋弯制的炮钩和小于炮眼直径的高压风管输入高压风将炮眼石屑刮出和吹净。装药:装药需分片分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行, 雷管要“对号入座”。所有装药的炮眼均堵塞炮泥, 周边眼的堵塞长度不小于20 cm, 确保连线无漏连现象。光面爆破孔采用ϕ25的药卷连续装药, 或用ϕ32的药卷间隔装药, 力争达到周边眼炮痕保留率达到90%以上。联结起爆网路及方式:起爆网路为复式网路。全断面周边眼采用光面爆破, 以控制超欠挖;对于软弱围岩则周边炮眼采用预裂爆破的方式, 以减少爆破对围岩的扰动。
4隧道开挖关键技术
在本隧道工程开挖施工过程中严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”18字方针, 分层分步开挖, 各层台阶长度3～5 m。预支护、预加固一段, 开挖一段;开挖一段, 支护一段;支护一段, 封闭成环一段, 严格控制各工序循环时间。
开挖严格控制超挖、减少超挖, 保持土体的原状结构, 减少对周边土体的扰动。开挖过程中, 加强观察附近已有建筑或构筑物、道路、管线, 及监控量测工作, 注意观察有无下沉和变形, 以便发现施工安全隐患, 并通过监测反馈及时调整开挖程序, 及时采取防护措施。施工中经常检查初支情况, 如发现初支有松动、开裂等情况, 应及时加固。测量组应定期对平面控制桩、水准点、隧道中线、水平标高等复测检查。在洞身开挖过程中, 为保证洞内工作人员施工安全, 承包人应按图纸要求或工程师的指示设置逃生管, 逃生管管壁厚不小于10 mm, 管径大于600 mm, 管长150～200 m。
5结语
我国是一个多山的国家, 在山区修建高速公路必然产生大量的隧道工程。目前, 仍然没有十分完善的地下结构理论来指导隧道工程的设计和施工, 有时候仍然避免不了工程事故的发生。因此, 应该根据不同的地质条件, 采用相应的施工技术, 确保隧道的施工安全和使用安全。
参考文献
[1]陈亮.隧道洞身开挖施工方法比选[J].商品与质量, 2009 (S1) :31-33.
不同围岩 篇4
硗碛水电站是四川华能宝兴河流域流动开发的龙头水库电站, 地处四川省宝兴县境内东河上游河段, 电站坝址位于宝兴县硗碛藏族乡咎落村, 距宝兴县城57公里。电站装机容量24万千瓦, 年发电量9.11亿千瓦/时, 水库正常畜水位2140米, 死水位2060米, 水库面积4.01平方公里, 总库容2.12亿立方米, 调节库容1.87亿立方米。
硗碛水电站由拦河大坝、泄洪洞、放空洞、引水隧洞、调压井、压力管道和地下厂房等建筑物组成。
引水隧洞沿东河右岸布置, 全长约18.676km, 引水流量56.2m3/s。进水口底高程为2050m, 调压井中心线处底高程为1995m。
二、工程地质
引水隧洞沿线山体雄厚, 地形陡峻, 山顶海拔高度一般3000~3500m。东河自硗碛镇向南流出后, 蜿蜒深切, 平面上略呈“S”形展布, 冲沟发育, 有幺堂子沟、挡巴沟、得胜沟三条大沟深切, 它们对引水线路的布置和选择起着明显的控制作用。
引水洞线跨越金汤弧形构造带和龙门山断裂带 (东翼) 两大构造的交接部位。在长期地质历史时期经多次构造运动作用, 岩层挤压紧密, 褶皱、断裂发育。洞线穿越的主要断裂有幺堂子、青草塘、夹拉沟、挡巴沟、金棚山和赶羊沟 (黄店子) 等断裂, 这些断裂多以高倾角与洞线呈大角度相交, 具强烈挤压兼右旋错动特征, 其新活动性不明显。
水电工程中的长引水隧洞一般为10000m长度以上 (开挖断面约30m2以内) , 硗碛电站引水隧洞全长约18.676km属于长的引水隧洞, 穿越的地质条件复杂多变, 施工技术和难度都比较大。因此严格按照地下工程"新奥法"施工技术原理及相关的施工技术规范规程要求进行施工, 以确保隧洞开挖施工质量和安全, 进而实现整个工程的工期和投资控制目标。
三、硗碛不同围岩的支护形式的具体分析
硗碛隧洞沿线地层繁多, 岩性复杂, 根据岩体强度、完整性、岩体结构类型、结构面发育程度与洞轴线的空间关系, 对围岩进行了划分, 对不同围岩类别处理技术及注意要点分下面几点说明:
1对于Ⅱ、Ⅲ类围岩隧洞段的开挖采用全断面钻爆掘进光面爆破技术。严格控制钻爆施工各环节:测量放线尤其是洞轴线测量定位和断面周边炮孔孔位控制、爆破设计、掏槽方式、炮眼布置及起爆方式和顺序、钻孔装药的规范和准确度尤其是断面周边孔的钻孔精度控制, 使爆破后的“半孔率”达到90%以上, 确保隧洞断面成型质量, 大大降低对围岩的扰动和破坏, 能最大限度的控制超、欠挖并有效防止出现洞顶掉块伤人以及局部垮塌事件的发生。正确地采用光面爆破施工技术开挖可使隧洞断面形状尽可能圆顺平滑, 从而避免尖拐角处的应力集中。并且随围岩变化情况, 适时调整控制钻爆参数以提高隧洞断面钻爆开挖成型质量。开挖后根据围岩具体情况局部进行喷混凝土厚5~8cm作为安全支护, 根据需要进行锚杆支护。
在这类围岩中几个要点要引起重视
(1) 对于高地应力区域围岩较完整的硬岩洞段, 防止岩爆发生导致安全事故。 (要求做到控制好开挖质量, 减少对围岩的扰动和破坏, 改善围岩周边应力集中状况, 开挖掌子面一带喷雾洒水, 并适时进行挂网喷混凝土支护。)
(2) 对于围岩较好的地段一定要注意裂隙、结构面不利组合的影响, 存在大失稳体、掉块等地质问题, 对失稳体能清撬就及时清撬, 不能清撬的用锚杆锁住, 有必要的地方可以立工字钢拱架进行支护。
硗碛电站6号洞段 (K12+740~K16+830) 、7号洞段 (K16+830~K18+500) 岩体主要以大理石、大理化灰岩为主, 以互层状~厚层状结构为主, 岩石强度中硬~坚硬, 围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主。在开挖的时候我们就采用全断面钻爆掘进光面爆破技术, “半孔率”比较高, 隧洞成型质量好。因此在后期的永久支护时就减少了喷混凝土的回填量, 对围岩的自稳也比较有利。节省了我们对工程的投资。对于6号洞在主洞与支洞的交汇段围岩埋深较大, 地应力较高并且岩石硬度高, 有岩爆现象。岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近, 个别的也有距新开挖工作面较远, 常见的以拱部和拱腰部位为多, 在开挖后陆续出现, 多在爆破后2~3小时, 24小时内最为明显, 也有1~2个月, 有的延长1年以上, 事前一般无明显预兆。我们在岩爆段施工时首先洞挖爆破时, 采用“短进尺、多循环”, 采用光面爆破技术, 减少对围岩的扰动, 改善围岩的应力状态。对工作面附近的岩壁喷水或钻孔注水促进围岩软化, 从而消除或减缓岩爆程度, 在爆破后立即向拱部及侧壁喷混凝土或钢纤维混凝土, 再加设锚杆, 比较严重的地方采用挂网喷锚。这样处理后就保证了施工期的安全。
2对于Ⅳ类围岩隧洞段的开挖施工遵循“短进尺、弱爆破、早封闭”的原则, 根据围岩具体情况采用全断面钻爆掘进光面爆破, 做好钻爆施工控制, 力求保证开挖断面成型质量。围岩开挖后及时进行一次支护施工封闭, 采用喷混凝土、打锚杆、挂钢筋网再喷护的联合支护方式。根据“新奥法”施工技术原理, 一次支护即安全支护施工非常重要, 必须严格按照施工技术要求及时施作并确保质量。采用喷锚挂网联合支护方式的一次支护属于柔性支护结构, 其力学原理是与围岩共同受力, 发挥围岩自身的承载能力。柔性支护结构既能适应围岩的变形, 又能主动加固围岩, 限制围岩变形。一次支护施工控制要点为支护体施作的及时性、密贴性以及喷混凝土、打锚杆、挂钢筋网都要符合相关的施工技术规范规程要求。
硗碛电站4号洞施工段 (K7+840~K10+170) 岩体主要以片岩、炭质千枚岩、大理化灰岩为主, 局部石英脉较发育。该洞段Ⅴ类围岩约占2%, Ⅳ类围岩约占89%, Ⅲ类围岩约占9%。岩体以薄层状结构软质岩为主, 岩石强度中硬~较软弱。并且该洞段有一定的地下水活动, 普遍洞段呈渗滴水, 局部裂隙发育洞段出现线状流水~股状涌水现象。因此在开挖时按照“短进尺、弱爆破、早封闭”的原则, 根据“新奥法”施工技术原理, 一次支护即安全支护施工非常重要, 必须严格按照施工技术要求及时施作并确保质量。采用喷锚挂网联合支护方式的一次支护属于柔性支护结构, 对于局部洞段围岩节理裂隙发育, 岩石较破碎稳定性差又有地下水的情况, 采用超前导洞或分台阶分部开挖方式, 局部使用超前锚杆或超前注浆小管棚进行超前支护, 打排水孔对地下水进行引、排处理。使用挂网喷砼与钢支撑 (型钢拱架或钢格栅) 联合加强支护。安设钢支撑要求做到:
(1) 不得侵占设计衬砌断面
(2) 拱座基础要牢固扎实
(3) 钢支撑与围岩顶拱、边墙之间不得有空隙空腔, 以达到良好的支护效果。并且采用钢架锁脚、固定锚杆 (Φ25 L=3.5m) 两侧各设5根, 间距0.8~1.0m。保证了施工期的安全。
3对于Ⅴ类围岩风化严重, 节理裂隙极发育, 稳定性极差的断层破碎带, 呈散体结构的石质或土质围岩隧洞段, 除要采用一次支护施工方法进行一般支护以外, 要使用超前大管棚进行超前支护, 并利用大管棚和外加小导管预灌浆形成固结层, 预防并尽量避免发生塌方。采用“短进尺、弱爆破 (或人工直接开挖) 、早封闭、强支护”的开挖支护方式, 紧跟开挖掌子面及时安设钢支撑 (型钢拱架或钢格栅) 加强支护。钢支撑安装要用锁固锚杆锚固扎实, 钢支撑之间用钢筋焊接连接。采用模喷混凝土或回填混凝土的方式将钢支撑与围岩顶拱、边墙之间的空腔填充密实, 使钢支撑能够有效地受力支撑。
硗碛1号洞段 (K0+000~K2+282) 主要以Ⅳ类、Ⅴ类围岩为主, 风化弱卸荷, 千枚状, 构造发育, 岩层强烈挤压, 岩层走向与洞轴线小角度相交, 对洞室的稳定性不利, 成洞条件差。在0+840段临时支护后出现了大型塌方, 严重阻碍了施工进度, 并且危险性较大。根据现场实际情况分析, 认为发生大型塌方是围岩质于灰质千枚岩, 岩性软弱、岩体疏松破碎、遇水成泥, 自稳性极差, 前期支护的钢拱架受力趋于临界状态, 整体失稳, 发生塌方。以前采用了钢拱架、锚杆、模喷砼联合支护, 发生了比较大的变形, 侵占设计断面多达40公分以上, 部分出现严重掉块现象, 失去应有作用, 随时都有可能再次发生塌方。为了满足永久支护不侵占设计断面, 在处理中必须拆除以前的钢拱架。为确保洞室稳定和施工安全, 采取加强支护措施, 对塌方段派有经验的人员随时进行观测及时对松动岩石进行排除, 避免造成安全事故。具体处理如下:
(1) 依据锁口钢拱架、沿开挖轮廓线向塌方区布设Φ48注浆小管棚作为超前支护, 管棚长6m、间距30cm。循环搭接长度为3m, 管棚施工以3m为一循环。
(2) 为了固结松散体, 提高承载能力, 并回填部分孔隙, 在管棚施工完成后进行固结灌浆, 采用水灰比0.3:1, 灌浆压力应小于0.3Mpa, 灌浆结束标准应在规定压力下, 进浆量不大于0.4升/分钟, 并继续灌注15分钟, 灌浆同时加强收敛观测, 如变形较大, 需及时停灌。
(3) 第一组管棚结束后, 进行前期的临时支护拆除, 和下步施工步骤如下:
(1) 确保围岩稳定情况下测量放样, 进行欠挖处理保证不侵占设计断面情况下, 工字钢间距较大的部位进行工字钢加密, 满足间距不大于50cm施作随机砂浆锚杆 (Φ=25、L=3.5m、外露20cm、间距50 cm) , 前后两排交错布置, 加密工字钢与原工字钢之间钢筋 (Φ=25) 连接、排距20cm, 原工字钢之间钢筋 (Φ=25) 加强连接, 排距50cm;锚杆与工字钢焊接成整体;再进行喷砼 (C20) 至设计开挖面。
(2) 在出现严重掉块、洞身收敛处采用风镐、钢钎对洞身收敛处不稳定岩块进行人工撬挖, 禁止采用爆破, 避免扰动周围围岩防止塌方, 根据现场情况施作随机锚杆和局部素喷 (C20砼) 安全处理后。保证设计断面, 进行挂网 (?8钢筋、15cm×15cm) 、安装I18工字钢钢拱架, 排距 (30cm-50cm) 、施作锁脚砂浆锚杆 (Φ=25、L=3.5m、外露20cm、间距50 cm、两排错开布置) 、锚杆与工字钢焊接成整体;每榀钢拱架之间采用钢筋 (Φ=25) 连接牢固, 排距 (30cm-50cm) ;空腔部位进行C20模喷回填, 其他部位进行喷砼 (C20) 至设计开挖面。
(3) 在工字钢脱落、变形处施作砂浆锚杆 (Φ=25、L=4m、外露20cm、) 、挂网 (8钢筋、15cm×15cm) 、从新安装钢拱架。
(4) 利用喷砼 (C20) 将全部钢支撑、钢筋喷平, 形成一个整体受力体系。采取这些措施后, 快速、安全、有效的完成塌方段的处理。
结语
不良地质条件下, 影响长引水隧洞的开挖支护施工质量安全的因素是多方面的, 在开挖支护施工工作中要严格按照“新奥法”原则施工, 重视调查研究, 优化施工组织。重视隧洞施工现场管理, 抓住重点, 加强质量安全监控, 确保合理的开挖支护施工方案, 有效地实施而且保证施工质量。设计单位、施工单位、监理单位要密切配合, 因为影响隧洞施工的地质因素极大, 开挖揭露出的地质情况可能千变万化, 在设计阶段不可能全部预知, 在施工中有一个再认识的过程。隧洞施工一旦进入正常生产, 各工序衔接紧凑, 要求各个环节紧密配合, 出现问题及时处理。“新奥法”施工原则调“信息化设计”程序, 设计部门按反馈的信息修正设计、调整支护参数。监理部门积极配合, 做到设计、施工、监理一体化。并坚持安全第一, 预防为主的方针, 全力防止安全事故的发生。
参考文献
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[2]中华人民共和国国家标准.水工隧洞设计规范 (SL279-2002) [P].中国电力出版社, 2002.
[3]中华人民共和国电力行业标准.水电水利工程锚喷支护施工规范 (DL-T5181-2003) .中国电力出版社, 2003.
不同围岩 篇5
根据周边环境复杂情况对金榜山隧道在不同围岩级别中开挖施工方法有不同的要求, 结合现场的施工条件, 对隧道开挖施工方法进行了综合对比, 最终选定费用低、工序少、工期短的开挖方法。
1 工程概况
金榜山隧道是火车站南广场及其片区市政配套工程站平一路的一个重要组成部分, 采用连拱隧道方案穿越金榜山。其中明洞长度为37m;连拱隧道暗洞长度为191m。隧道净宽9.5m, 净高5.0m。隧道洞门采取端墙式洞门。
2 工程地质条件
本工程位于海岸丘陵地带, 隧道区主要穿越剥蚀残丘地貌区, 隧道穿越金榜山。金榜山山体由燕山花岗岩构成, 山体呈圆状, 山脊走向整体呈东南至西北向。山体植被茂盛, 部分地段基岩直接裸露。局部地段为废弃采石场, 隧道进口位于金榜山东北侧, 现为居住区;隧道出口位于金榜山西南侧, 植被发育, 坡角6~8°。隧道轴线呈垂直向穿越金榜山东南侧坡麓地带, 地形等高线与隧道轴线垂直相交。地质情况多为杂填土、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、砂砾状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中 (弱) 风化花岗岩等。水质情况为隧道区地表水不发育, 无大的溪流、冲沟发育, 山顶上有绿化涌水蓄水池分布, 隧道区场区汇水主要依靠大气降水补给, 场区地下水主要为赋存与运移于第四系坡残积层空隙内的潜水, 以及下部基岩风化带裂隙水, 属潜水~弱承压水。
3 不同围岩级别的衬砌设计支护参数
3.1 不同围岩级别辅助施工措施
(1) 隧道进、出洞口地段采用超前长管棚预注浆加固, 隧道初期支护采用Ⅰ20a工字钢架加强, 纵向间距为0.5m, 施工采用“三导坑”法。
(2) 隧道洞身Ⅴ级围岩段采用Φ42超前小导管预注浆加固, 隧道初期支护采用Ⅰ20a工字钢架加强, 纵向间距为0.5m, 施工采用“三导坑”法。
(3) 隧道洞身Ⅳ级围岩段采用Φ42超前小导管预注浆加固, 隧道初期支护采用Ⅰ18工字钢架加强, 纵向间距为0.75m, 施工采用“三导坑”法。
(4) 隧道洞身Ⅲ级围岩段施工采用“中导坑”法。
3.2 连拱隧道衬砌支护参数
隧道支护结构按新奥法原理设计, 采用复合式支护。初期支护由喷混凝土、锚杆及钢筋网组成, 并辅以钢架、管棚等支护措施, 充分调动和发挥围岩的自承能力, 在监控量测信息的指导下施作二次衬砌。复合式支护的各项支护参数根据隧道的地质条件, 采用工程类比和理论分析相结合的方式确定隧道衬砌类型详见表1。
4 不同围岩级别的施工方法
根据金榜山隧道工程的水文地质条件、围岩级别、断面设计及隧道分布, 严格按照浅埋暗挖法的施工原则“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”组织施工, 隧道掘进采用钻爆法, 软弱围岩段采用镐铲作辅助开挖, 隧道出渣采用无轨运输方式, 搅拌站集中生产混凝土, 搅拌车运输, 钢模板台车配合混凝土泵灌注二次衬砌。
4.1 施工准备
开工之后首先修筑临时施工便道, 架设施工供电线路、修筑供水设施和铺设供水管道, 砌筑洞顶截水沟, 开挖洞口段土石方。洞口场地开挖完成后, 安装和修建隧道供水、发电、混凝土生产、钢结构加工等设备与设施。洞口开挖尽量避免大开挖, 最大限度地保证山体自然坡的稳定。
4.2 施工测量
组织测量人员对交接的导线网点和水准基点进行反复复核测量, 复核导线点的坐标和水准基点高程的准确性, 测量结果经过平差后与所交的控制点结果进行对比, 经复测完全无误后作为施工用控制点, 方可进行洞口边仰坡开挖线及洞内控制测量。
4.3 隧道开挖施工方法
4.3.1 洞身开挖
隧道掘进采用钻爆法, 采用钻孔台车钻孔, 光面爆破, 隧道出碴采用无轨运输方式。明洞施工采用明挖法;连拱隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用“三导坑法”开挖, 中导洞超前开挖, 两侧壁导洞跟进, 中导洞及侧壁导洞采用短台阶法施工, 中导洞贯通后浇筑中墙混凝土, 拱部采用预留核心土环型开挖法, 然后采用台阶法开挖左、右主洞, 最后全断面施作二次衬砌。连拱隧道Ⅲ级围岩段采用“中导坑法”开挖, 先贯通中导洞并浇筑中墙混凝土, 然后采用台阶法开挖左、右主洞, 最后全断面施作二次衬砌。金榜山隧道在不同围岩级别的施工工序详见图1、图2。
三导坑法的具体步序:1中导洞开挖, 2中导洞施作初期支护, 3中隔墙施作, 4中导洞右侧空间回填, 5左侧导洞短台阶法开挖, 6左侧导洞施作初期支护, 7右侧导洞短台阶法开挖, 8右侧导洞施作初期支护, 9左侧中部岩体施作超前预支护, 10左侧中部岩体上台阶预留核心土环型开挖, 11左侧中部拱顶初期支护, 12左侧中部岩体下台阶开挖, 13左侧中部仰拱初期支护, 14左洞仰拱二次衬砌及仰拱填充, 15~20右侧重复左侧9~14的步骤, 21~22左右洞拱墙二次衬砌。
中导坑法的具体步序:1中导洞开挖, 2中导洞施作初期支护, 3中隔墙施作, 4左洞上台阶开挖, 5左洞上台阶施作初期支护, 6左洞施下台阶开挖, 7左洞下台阶施作初期支护, 8~11右洞重复左洞4~7的步骤, 12~13左右洞施作二次衬砌。
4.3.2 初期支护
砂浆锚杆采用φ22螺纹钢筋现场制做, 采用钻孔台车或手持凿岩机沿开挖轮廓线钻孔, 钻孔前先标定孔位, 钻孔直径大于锚杆直径15mm, 孔深误差不大于5cm。钻孔完毕用高压风将孔内杂物吹净。
中空锚杆钻孔直径φ25mm, Ⅳ级围岩地段长度3.5m, 环向间距1m, 纵向间距0.75m;Ⅴ级围岩地段长度4.0m, 环向间距0.8m, 纵向间距0.5m。呈梅花形布置, 钻孔深度大于锚杆设计长度10cm。
采用锚杆专用注浆泵往中空锚杆内压注水泥浆, 水泥浆的水灰比:1∶1, 掺加0.5%~1%的早强减水剂, 5%的膨胀剂, 水泥浆随拌随用。
4.3.3 钢架支护
工字钢钢架应用于Ⅴ、Ⅳ级围岩地段。为了施工方便, 钢架单元可在钢筋加工棚中制作, 再运到现场安装, 钢架支撑安装前应先初喷4cm混凝土。
格栅钢架应用于Ⅲ级围岩地段。格栅钢架是用钢筋焊制而成, 俗称“花拱架”。与型钢钢架相比, 具有重量小、安装方便、加工容易、能与砼形成钢筋砼结构体系等优点。
4.3.4 钻爆作业
钻爆作业的光面爆破施工工艺流程为放样布眼→定位开眼→钻孔→清孔→联络起爆网络→起爆→洒水降尘→通风→瞎炮处理→爆破效果检查。
5 监控量测
5.1 现场监控量测目的
现场监控量测是隧道施工过程中, 对围岩支护系统的稳定状态进行监测, 为初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据, 确保施工安全、指导施工程序、便利施工管理的重要手段。
5.2 现场施工监测
(1) 周边水平位移量测。采用收敛计监测。即用一根在弹簧作用下被拉紧的带状钢尺作为传递位移的媒介, 通过百分表测读隧道周边两点相对位置的变化, 从而计算出该两点基线方向上的相对位移。
(2) 拱顶下沉量测。采用精密水平仪、水准尺、挂钩式钢尺配合测量拱顶下沉, 精度可达0.01mm。量测时用一把2~4m长的挂钩式钢尺挂上即可。
(3) 地表下沉量测。采用精密水平仪、水准仪配合测量地表沉降, 精度可达0.01mm。用全站仪将所有测点布设于同一直线上。测点钢筋安设就位后, 表面磨平, 并用钢钉等锐器在其表面冲眼标记。
(4) 量测数据分析和信息反馈。将量测数据进行处理和分析, 绘制时间--位移曲线。
6 隧道特殊地段施工技术措施
隧道洞口开挖施工易发生坍塌事故, 为确保隧道施工安全、顺利进洞, 隧道洞口段采用如下措施:洞口采用超前长管棚预注浆加固松散土体;隧道洞口段采用三导坑法施工, 采用人工配合小型机械开挖, 初期支护采用I20a工字钢架加强, 纵向间距0.5m;隧道洞口边仰坡采用喷锚支护, 坡顶外5m设截水沟防止洞顶汇水冲刷洞口边仰坡;洞口段需爆破时须采取减振爆破措施, 减小爆破振动对围岩的影响;出口段要求先施工左洞, 左线明洞段宜在右洞进洞前完成施工并回填, 降低右线暗洞偏压的施工风险;隧道洞口边仰坡采用锚喷支护, 施工完成后采用三维网植草美化洞口景观。
7 安全文明施工
7.1 安全保证措施
(1) 安全目标。坚持“安全第一, 预防为主”的方针, 建立健全安全管理组织机构, 完善安全生产保证体系, 杜绝安全特别重大、重大、大事故, 杜绝死亡事故, 创建安全生产标准工地。
(2) 安全保证体系。建立健全安全组织机构和安全保证体系, 完善各项安全管理制度, 坚持项目部负责人为安全生产第一责任人, 项目安全质量部为安全保证职能部门, 设专职安全工程师, 成立项目部安全领导小组, 形成自上而下的安全保证体系。
7.2 施工现场的安全技术管理措施
施工现场的布置符合防火、防爆、防洪、防雷电等安全规定及文明施工的要求。施工现场的生产、生活、办公用房, 仓库, 材料堆放场, 停车场, 修理场按批准的总平面布置图进行布置。
7.3 防火与防水安全保证措施
施工现场和生活区做好防火工作, 按规定配备灭火器、消防砂箱、水池等完好有效消防设施和器材, 安全标牌齐全且符合规定, 材料库、电气设备、机械设备作为防火重点, 实行定人定责, 定期检查, 严防火灾发生。
8 结束语
金榜山连拱隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用“三导坑法”开挖, Ⅲ级围岩段采用“中导坑法”开挖, 既经济, 又减少了工序和缩短了工期, 为其他类似工程施工提供有益的参考和借鉴。在施工过程中, 根据不同围岩级别的自稳性, 在安全稳定的前提下, 各种开挖方法可交替转换, 不能固守某种开挖方法, 在监控量测有效指导下, 提供周边收敛数据及信息指导施工, 当开挖施工过程中, 出现围岩变形和下沉时, 进行有效加固。根据不同围岩条件和变形动态监控量测等, 使三导坑法、中导坑法进行有效地互相转换。
参考文献
[1]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社, 2000:84-85
[2]易丽萍.现代隧道设计与施工[M].北京:中国铁道出版社, 1997:131-132
不同围岩 篇6
1数值模拟软件介绍
FLAC是由美国明尼苏达ITASCA咨询集团公司的Cundall博士于1992年开发的通用程序, 随后即成为国际岩土力学界的主导计算软件。FLAC的最大特点是计算分析岩土工程中的物理不稳定问题, 因而特别适用于岩土工程中几何和物理高度非线性问题的分析。
2模型建立
通过合理设定边界条件以及参数, 建立巷道与围岩的应力模型。
(1) 围岩力学参数。
材料本构模型:岩层、煤层均采用摩尔—库仑模型, 数值模拟中各岩层的力学参数见表1。
(2) 模型的选择。
模型计算采用摩尔—库仑 (Mohr-Coulomb) 屈服准则:
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式中, σ1, σ3分别是最大和最小主应力, c和φ分别是材料的黏结力和摩擦角。
(3) 计算方案。
通过合理简化模型, 并考虑煤柱宽度变化的影响, 设计了5个计算方案, 分别为留设5, 8, 10, 25, 35 m的煤柱。建立的数值模拟模型如图1所示。
3应力分布模拟
在直接顶2 m处设置观测线, 记录分析观测线上的应力分布和演化规律如图2所示。
在不同的留巷煤柱宽度下, 受工作面采动影响后某矿瓦排巷的变形矢量如图3所示。
由图2、图3可知, 工作面回采期间, 煤柱宽度的变化对瓦排巷两侧垂直应力影响很大。煤柱宽度为35 m时, 工作面回采后瓦排巷两侧垂直应力对称分布, 两侧垂直应力的峰值大小相近, 位置远离瓦排巷。随着煤柱宽度的减小, 大煤柱内垂直应力开始增大, 小煤柱内垂直应力开始减小, 煤柱宽度小于10 m后, 大煤柱内垂直应力呈驼峰状分布, 小煤柱内垂直应力进一步减小。
随着煤柱宽度进一步减小, 大煤柱内2个驼峰的距离越来越近, 小煤柱上方的垂直应力继续减小, 煤柱宽度为5 m时, 小煤柱内垂直应力与巷道上方垂直应力相当, 表明小煤柱出现破碎, 承载能力下降。从节约资源提高煤炭采出率的角度出发, 兼顾巷道维护难易程度认为, 在以上煤柱宽度条件下, 留设煤柱宽度为8 m 时较为合理。
4结论
(1) 考虑工作面安全回采以及煤炭资源采出率, 确定合理煤柱宽度为8 m。
(2) 在“两进两回”巷道布置方式的采煤系统中, 采用小煤柱留巷在技术上是可行的, 提高了煤炭采出率, 经济效益显著。
参考文献
不同围岩 篇7
关键词：层状软岩,小净距隧道,稳定性分析,应力场
软弱围岩是指具有强度低、风化严重、节理破碎、岩石流变作用明显等特征的岩层的统称。相关学者在软岩小净距隧道方面已做了不少探索和研究, 相关的理论已很丰富。目前针对软岩小净距隧道的研究, 有的是针对小净距隧道的力学特性, 有的是针对软岩隧道的支护手段, 有的是关注开挖工法的模拟, 把软岩和小净距结合并考虑上覆岩层因素对隧道围岩及复合衬砌力学效应的影响的研究较少, 尤其是不同开挖方式对隧道围岩的变形、应力状态、锚杆轴力及复合衬砌力学效应影响的研究更少。
本文以湖北某高速公路修建的层状软岩小净距隧道某一隧段为研究对象, 针对Ⅳ级围岩条件下, 中岩墙厚度一定时, 对比CD法、CRD法、上下台阶法三种开挖方法, 利用有限差分软件FLAC3D对层状软岩小净距隧道进行开挖模拟, 并对结果进行处理。
1) 通过数值模拟, 得到三种开挖方法下, 中岩墙厚度一定时, 围岩的最大主应力、最小主应力、拱顶最大位移、洞周位移及塑性区分布, 比较三种开挖结果, 寻找最优化的开挖方法。2) 根据数值模拟结果, 探讨层状软岩小净距隧道开挖稳定机制, 并分析倾斜状层状软岩小净距隧道开挖后的应力场分布特征。
1 工程背景及概况
1.1 工程背景
该隧道为上、下行分离的四车道高速公路互通匝道小净距隧道, 隧道洞轴线走向方位角289°。隧道左洞起讫里程桩号为BZK0+687~BZK1+165, 长478 m, 最大埋深48 m;;隧隧道道右右洞洞起起讫讫里程桩号为BYK0+680~BYK1+150, 长470 m, 最大埋深51 m, 隧道净空10.5 m×5.0 m。
1.2 工程地质概况
隧道BZK0+710~BZK0+760段为研究对象, 隧道表面为粉质粘土, 以泥质灰岩、页岩为主, 局部为泥岩, 多为软岩或极软岩, 岩性为泥质灰岩、页岩互层, 灰岩夹页岩、页岩夹灰岩, 局部泥岩、泥灰岩、泥岩夹页岩等组合形式交替出现, 厚度一般为2 m~5 m, 局部厚十几米, 其间的薄层泥灰岩或页岩, 施工揭露显示大部分已泥化。岩体结构破碎, 结构面发育。
2 建立模型
2.1 模型简化
取建模时为计算方便, 将岩层适当简化合并为若干层。考虑隧道开挖半径对围岩的影响, 在宽度方向左右各取3倍洞径以上, 即分别在两洞边缘向外延伸50 m, 约束横向位移, 加上隧道本身跨度及中岩墙厚度, 则宽度方向计算范围取为150 m, 底部边界取隧道高度的3倍, 以40 m计, 约束竖向位移, 上部边界取至地表, 上部边界为自由边界。模型尺寸约为150 m×30 m×90 m。
计算模型取隧道轴线方向为Y轴, 水平面内垂直隧道轴线方向为X轴, 竖直方向为Z轴。
2.2 边界条件
模型所在区域地应力仅以岩层自重考虑, 计算模型的位移边界和应力边界为:左右边界 (X=-75, X=75) 及底部边界 (Z=-90) 位移为零, 速度为零, 顶部边界 (Z=0) 为自由边界, 前后边界 (Y=0, Y=30) 约束水平位移和速度。
2.3 岩体力学参数
隧道所处围岩主要为页岩和泥质灰岩, 数值计算中围岩物理力学性质指标由工程地质勘察报告提供, 并对照公路隧道设计规范提供的各级围岩物理力学指标标准值取值。
2.4 支护材料参数的确定
根据隧道施工设计图纸, 隧道采用复合式衬砌, 围岩力学模型采用FLAC3D中非线性Mohr-Coulomb弹塑性模型, 初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟。隧道开挖后根据施工实际情况, 立即进行喷锚支护, 数值计算中考虑锚杆与喷射混凝土的力学作用, 没有考虑二次衬砌的支护作用。围岩采用实体单元模拟 (四边形节点网格) 。
3 结果分析
模拟隧道开挖时, 分别模拟CD法、CRD法、三台阶法开挖方法施工, 开挖顺序与实际工法相同, 具体根据实际情况先开挖右洞, 待围岩基本稳定后再开挖左洞。每次掘进3 m。计算采用摩尔—库仑 (Mohr-Coulomb) 弹塑性材料模型。根据不同围岩对应的不同开挖方式, 以及对应的支护参数不同进行数值模拟。
3.1 左右洞室位移分析
三台阶法开挖拱顶竖向位移较CD和CRD法小约20%, 但是拱底隆起相较于其他两种方法明显较大, 且拱腰和拱脚处的位移也较大, 比较可知, 采用三台阶法进行开挖时, 应加强拱腰、拱脚和拱底处的支护, 而采用CD和CRD法开挖时, 着重注意的位置是拱顶处。
3.2 围岩塑性区分析
因软弱围岩岩体较为破碎, 强度低, 三种工法均有较大剪切塑性区, 且塑性区基本已贯通中岩墙区域, 其余塑性区主要集中在拱腰和拱脚位置处。CD法和CRD法塑性区分布近似一致, 三台阶法塑性区区域相对较大。这说明CD法和CRD法的支护效果要优于三台阶法。针对软岩隧道, 施工过程中若采用此工法施工应当加强支护, 尤其对中岩墙的支护, 以提高隧道围岩的稳定性, 提高隧道结构的安全性。
3.3 围岩应力分析
由结果可知:同种工法左右洞相比较, 拱顶最大压应力、拱腰最大压应力均比较接近, 其中CRD法和CD法中, 左右洞拱腰最大压应力均是拱顶最大压应力的2倍左右, 三台阶法中, 左右洞拱腰最大压应力均是拱顶最大压应力的30倍左右, 这说明三种工法下, 拱腰部位均是受挤压力最严重的部位, 在施工过程中要切实加强拱腰部位的支护, 必要时加强支护。
4 结语
通过对三种工法下塑性区、围岩变形及围岩应力等方面的分析可知, 在塑性区区域分布方面, CD法和CRD法比较相似, 三台阶法开挖围岩塑性区范围最大;在围岩变形方面, CD法略优于CRD法, 三台阶法最差;在应力分析方面, CRD法和CD法拱顶最大压应力、拱腰最大压应力均比较接近, 中岩墙最大压应力CD法略小, 最大主应力值CD法效果最好。
鉴于本文选取研究隧段围岩埋深并不大, 上覆层状软岩倾斜角度均较小, 且上覆岩层层状较多, 岩体破碎, 建模分析中适当做了简化处理, 导致数值分析结果未能充分体现倾斜层状软岩对围岩稳定性的影响, 但数值分析结果仍然可对相似类型隧道提供借鉴。因此, 针对本文中所研究层状软岩小净距隧道建议采用CD法或CRD法进行开挖。
参考文献
[1]JTG D70—2004, 公路隧道设计规范[S].
[2]JTJ 042—2004, 公路隧道施工规范[S].
[3]孙书伟, 林杭, 任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2011.