公路隧道破碎围岩塌方段处理及对拉锚杆的应用.doc

某公路隧道破碎围岩塌方段处理及对拉锚杆的应用第3卷第5期2007年1o月地下空间与工程chinesejournalofundergroundspaceandengineeringvol_30ct.2oo7某公路隧道破碎围岩塌方段处理及对拉锚杆的应用黄成造,严宗雪,张晓荣(1.广州珠江黄埔大桥建设有限公司,广州510735;2.中交第一公路勘测设计研究院,西安710075)摘要:针对特大断面隧道采用双侧壁导坑法施工时预留核心土的稳定性问题,提出一种新的隧道施工工艺对拉锚杆.通过在实践中检验,认为该工艺在双侧壁导坑法施工中是可行的.该工艺的应用,可以有效控制核心土的变形,减少砂浆锚杆及临时仰拱钢拱架的使用量,提高材料的利用率,在类似工程中具有较大的推广应用价值.关键词:四车道;公路隧道;对拉锚杆;施工工艺中图分类号:u458.3文献标识码:a文章编号:1673-0836(2007)05-0923-05crossanchoranditsapplicationinthefracturezoneinhighwaytunnelhuangchengzao-yanzongxue,zhangxiaorong(1.huangpu肌咖ofpearlriverconstructionltd.inguangzhou.guangzhou510735.p.rchina;2.thefirsthighwaysurvey&designinstitute.xiart710075.p.r.china)abstract:thispaperputsforwardakindofnewconstructiontechnologycrossanchor.thistechnologyisfittedforthedoubleside-wallheadingconstructingmethodinpractice.usingthistechnology.wecancontrolthedeformationofthecorerockeffectively.reducetheconsumptionofmortaranchor.steelintemporaryinvertedarchandimprovetheutilizationratioofmaterials.thistechnologyisworthpopularizingandapplyinginsimilarityprojects.keywords:fourlane;roadtunnel;crossanchor;constructiontechnology1引言2隧道工程概况在公路隧道施工中,塌方是最为常见的事故.塌方产生的原因复杂,既有地质及施工水平的原因,也有人为因素;塌方危害巨大,在一定程度上是隧道乃至整个地下工程施工中对现场施工人员人身安全威胁最大,最易产生伤亡的工程事故之一;塌方治理不易,若不根据具体情况对症下药,很难将其根治,经常出现边治边塌的情况;塌方治理不彻底,也将会为隧道运行期造成安全隐患j.因而在施工过程中,相关各方应该对隧道塌方有充分的认识,做好准备,以备不测.在施工过程中重视信息化施工,重视监测信息的应用,及时采取措施,防止塌方发生.图1所示的隧道是广州龙头山分离式双向八车道高速公路隧道,隧道平面布置根据路线总体走向并按上,下行分离式隧道设计,单洞总长2016m,最大开挖面积241in,开挖宽度21.60in,开挖高度13.58in,断面高跨比0.63,隧道最大埋深98m,左右线进口最小净距23.0in,洞身最大净距51m,出口最小净距2o.8in,是典型的小间距特大断面扁平隧道.2.1隧址区工程地质条件根据工程地质调绘及钻探揭示,隧道区地层较为简单,局部地段基岩出露地表,隧道区主要分布+收稿日期:2007-01-08(修改稿)作者简介:黄成造(1968.),男,高级工程师,西安公路学院硕士,主要从事岩土及地下工程等方面的研究及管理.924地下空间与工程第3卷图1隧道出口fig.1tunnelexit第四系残坡积物(q),基岩为燕山晚期的花岗岩侵人体(2(3),岩性为二长花岗岩.2.2隧址区水文地质条件地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水.松散岩类孔隙潜水主要赋存于隧道的第四系残坡积层中及全风化花岗岩中,松散岩类孔隙潜水含水层埋藏浅,水量小,富水性弱,动态变化大,受大气降水直接补给,下渗入基岩裂隙中或沟谷斜坡地带与基岩接触处,成渗流或湿地形式排泄出露.调查发现,在沟谷中发现多处细流,流量为0.34l/s.另外在基岩裂隙较发育地带,杂草丛生,与地下水有直接关系,地下水呈片状渗出,据简易流量测定,地下水流量为1.50l/s.基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙中,赋水性不均匀,局部透水性较好,主要受大气降水及第四系松散岩类孔隙潜水的渗入补给.根据水质分析成果,地表水及地下水类型为hco3一c1一ca?mg型,ph值分别为6.68及6.25,呈弱酸性.地下水及地表水对混凝土无腐蚀性.开挖后的地质条件显示,隧道围岩透水性弱,长期降雨造成围岩含水量大,开挖后孑l隙水不易排出.3塌方描述及处理措施分析综合分析现场水文地质条件,在施工初期,相关建设各方已充分认识到施工的困难,并制定了相应的应急处理措施,加强监控量测,及时信息反馈.但是由于国内外大断面公路隧道的工程实例目前还不多,在分析方法,设计理论及施工等方面积累的经验还十分不足,在本隧道的施工过程中仍然出现了局部塌方.这里详细介绍了四车道隧道塌方事故的发生,发展以及处理措施和效果评价,希望能为隧道建设经验的积累添砖加瓦.设计隧道洞口类围岩段采用双侧壁导坑法施工,开挖遵循弱爆破,短进尺,强支护,早闭合,b二if?洞周收敛,拱顶下沉c图3ii,类围岩一般性施工监测断面布置图fig.3thedisposalofthegeneralmonitoringsectionofthegradeii&rock勤量测,衬砌紧跟的原则,结合反馈信息及时优化调整设计参数,防止岩体坍塌.类围岩段开挖顺序如图2,共分七步进行.一般性施工监测断面测线布设示意图见图3.3.1塌方描述2005年9月3013下午14时35分左右,隧道断面里程zk6+732.5zk6+719.75侧壁第3o36榀钢架被挤出失稳,3746榀钢架初期支护出现裂缝,造成核心土坍塌,坍塌长度为8m,高度约57m,核心土钢架变形17榀,前后影响范围12m.:,108mm,壁厚6mm有孔钢花管,间距40otl图4l临时支护被挤出fig.4deformationoftemporarybrace3.2事故成因分析(1)塌方段隧道围岩为全风化花岗岩,自稳性很差且内含大块孤石,遇水软化,隧道施工用水和2007年第5期黄成造,等:某公路隧道围岩塌方段处理及对拉锚杆的应用925围岩渗水未及时排出洞外;(2)全风化花岗岩注浆效果差,浆液不易扩散,核心土砂浆锚杆未起到应有的加固围岩作用;(3)监测资料显示,塌方前几天该里程范围衬砌拱顶下沉和收敛变形均较大,现场未能及时处理;j21j5j19a目2a目18a习30sep13sop27octttr/date图5断面zk6+720,zk6+730拱顶下沉位移曲线fig.5thevaultdisplaccmcntatsectionzk6+720&zk6+730图6断面zk6+720,zk6+730收敛测线st变化曲线fig.6theconvergentdeformationofstatsectionzk6+720&zk6+730(4)上下台阶工序转换过程中出现拱架临空,衬砌对核心土的约束不足,临时支护被挤出,见图4,支护悬空见图7;图7支护悬空fig.7supportshanging(5)在开挖zk6+730附近下台阶时,已出现右导洞侧壁永久支护明显变形(参见图5,6),在导洞初期支护没有封闭的情况下,采用开挖后的洞渣反压,后施工上台阶时没有对该处进行彻底处理.3.3塌方处理措施事故发生后,施工方采取了如下措施:(1)为防止坍塌继续扩大,立即回填片石,防止核心土钢架继续偏移;(2)在坍塌处架设临时横支撑45排,并对左线左导洞对应部位架设临时支撑,以防核心土失稳引发左导洞围岩和支护结构的失稳;(3)从塌方处往洞外10m增加注浆小导管,加强核心土的抗剪强度和稳定性;(4)在坍塌侧壁和主洞之间回填块石土约lm高后,在其上堆码沙袋lm高,并在沙袋上浇筑c25混凝土60cm作为刚性支撑,抑制钢架继续变形,防止坍塌扩大;(5)混凝土浇筑完成后,在坍塌段架设临时横撑,并架设斜撑如图8所示,稳定永久支护衬砌的稳定性;(6)在泵送混凝土的同时使用沙袋堆码封闭塌方口,并在塌方体内尽量堆码编织袋,预埋两排注浆小导管;(7)在泵送混凝土达到一定强度后,对塌方体内空间采用小导管注浆,以保证拱顶密实;(8)塌方段处理完成后,喷射混凝土不少于l0cm厚对掌子面进行封闭.通过以上措施的处理,稳定了塌方段,避免了塌方的进一步扩大.图8处理结果fig.8theresultofhandling3.4处理措施评价从处理效果看,施工方采取的措施是及时的,正确的.施工单位采取措施后,塌方段基本稳定,永久支护未继续变形;降低了核心土塌方对左导洞稳定性的影响,左导洞收敛测线拱顶测点的测值均较小.926地下空间与工程第3卷4对拉锚杆的应用长期以来,破碎围岩段的施工一直是隧道施工中的难点.隧道建设者在长期的工程实践中通过不断的学习,提出了许多施工方案,确保了隧道在破碎围岩段施工的安全性,较为典型的开挖方式有双侧壁导坑法(眼镜法)和crd法.在隧道的设计中,考虑到四车道公路隧道断面扁平的特性,设计开挖方式为眼镜法,并注明临时支撑的施作时机是必要时.由于客观条件的多变性以及给定的前提较为模糊,加上施工过程中,临时支撑对施工干扰较大,因而施工单位一般不愿施工临时仰拱,这也可能是造成塌方的主观因素.在这一过程中,施工单位考虑最多的就是临时横撑对施工的干扰,并极力要将干扰降至最低.从这一点出发,相关各方经过深人分析现场的情况,提出核心土对拉锚杆这一新的施工工艺,用于确保施工过程中核心土的安全.4.1核心土对拉锚杆的设计对拉锚杆的施工技术要点:(1)根据核心土宽度,取适当长度的25钢筋,将钢筋两端车丝,并预制相应孔径的螺帽;(2)根据需要,在核心土约0.5m和1.0m高的地方,在两榀钢拱架之间相应位置,打出两排相应孔径的锚孔,锚孔打穿核心土;(3)预制厚度为14rain的带孔钢垫板,必要时加强垫板层数;(4)插人锚杆,两端分别用螺帽固结,必要时施加预应力;(5)由于对拉锚杆的目的明确,并考虑其临时性,不需如砂浆锚杆一样注浆.4.2对拉锚杆效用分析采用同济曙光地下有限元数值分析软件3对对拉锚杆进行了简单计算,计算分析效果图如图9所示,锚杆应力计的布设见图lo.长期以来,锚杆的研究一直是岩土地下工程的图9锚杆轴力图fig.9stressdiagtamofanchor锚杆应力计图l0断面yk6+730锚杆应力计布设示意图fig.10arrangementofanchoratsectionyk6+730锚杆还是核心土对拉锚杆,其受力效果均较明显.由于在有限元分析中,前提是假定锚杆施作后,并不能脱离围岩位移,它与围岩是变形协调的.而在实际工程中,人们常常发现锚杆脱离围岩的情况,特别是土质富水,注浆困难,施工工艺难以控制的情况下,这种情况更易于发生.使用数值有限元软件对锚杆进行分析,得出的结果常常与实际测量的结果有较大的出人.在该隧道的施工过程中,由于围岩孔隙水发育,自身渗透性较差,注浆达不到预期效果,开挖核心土后显示的锚杆附近围岩多未受到砂浆的影响.因而在考虑锚杆的实际受力时,工程界目前采用的假定胶结式锚杆与水泥浆体的粘结面剪应力为均匀分布在本隧道中是不适用的,表1为实测典型断面的锚杆轴力统计,从中可以看出,在隧道的破碎围岩段,锚杆轴力并没有相应增大,锚杆没有发挥预期的作用,在限制衬砌和难点之一.从数值分析的效果图来看,无论是砂浆围岩变形方面发挥的作用甚微.表1断面yk6+730锚杆受力统计tableliestressofanchoratsectionyk6+730有别于一般砂浆锚杆和系统锚杆,对拉锚杆施工工艺简单,锚杆两端均出露并在两端加固,必要时可以通过千斤顶施加预应力,并在出现较大围岩变形的情况下及时施作,不影响施工的正常进行.2007年第5期黄成造,等:某公路隧道围岩塌方段处理及对拉锚杆的应用927从以上分析中可以看出,对拉锚杆的特点主要体现在以下几个方面:(1)工艺简单,易于为施工人员掌握;(2)施工质量易于控制,能较好地确保施工安全;(3)在必要时可以通过施加预应力阻止核心土的加速变形,能较好的起到约束作用;(4)概念明确,受力机理易于理解,更能体现锚杆作为杆单元的抗拉作用的发挥;(5)节省不必要的核心土砂浆锚杆的使用,在一定程度上节约了资金.(6)施工干扰小,不同于临时仰拱不会阻碍车辆进出.在破碎围岩段采用双侧壁导坑法施工时,对拉锚杆在一定程度上可以取代临时支撑,从而减小施工方法对施工进度的影响.5结论与建议在设计计算理论,类似的大断面隧道工程参考实例均十分不足的情况下,龙头山隧道项目组克服了各种困难,经过精心的组织和施工,并不断在建设过程中结合现场实际针对性地应用一些有效的措施及施工工艺,目前已实现该大断面隧道的全部顺利贯通,土质地段衬砌也已全部浇注.本文较为详细地分析了在该隧道破碎围岩段施工过程中,采用双侧壁导坑法施工时发生的施工塌方事故.分析了核心土原有支护模式的不足,提出采用一种新的核心土加固模式对拉锚杆加固核心土,并对对拉锚杆进行了简要分析,针对双侧壁导坑法施工,主要体会有以下几点:(1)在施工过程中,特别是对富水和破碎围岩段,施工单位应充分重视监控量测所提供的报告,做到能及时对出现的异常情况做出反应;(2)树立安全第一的理念,要在保证安全的前提下追求进度,任何一种施工方式都有其有缺点,不能完全解决现阶段施工中出现的问题,需要多种施工方式配合使用;(3)对拉锚杆作为一种在双侧壁导坑法施工中的新型工艺,其施工简单,明确,干扰小,易于为广大施工人员接受,值得推广使用;(4)一般可施做12排对拉锚杆,长度38m,取代砂浆锚杆后,能节约较大成本,经济性好;(5)建议洞口ii,iii类围岩段收敛量测应采用无尺量测,分别测出永久支护和侧壁临时支护的绝对位移,据此细化采用支护的方式.参考文献:1李志厚.公路隧道特大塌方病害处治方法研究d.西安:长安大学申请硕士学位论文,2004.1.(lizhi-hou.studyonthemethodofdisposalthelandslideofhighwayd.xian,adissertationsubmittedtochanganuniversityforthedegreeofmasterofphilosophy,2004.1.(inchinese)2公路隧道施工技术规范s.jtg04294.北京:人民交通出版社,1995.(technicalspecificationsforcon-stmctionofhighwaytunnels.jtg042-94.beijing:chinacommunicationspress.(inchinese)3马科尼.双侧壁导坑法隧道工法技术探讨j.重庆建筑,2006(4):5053.(makeni.discussiononthetwosidewallpilottunnelmethodj.chongqingarchitecture,2006(4):5053.(inchinese)4丁建隆.浅埋大跨度隧道的合理施工工法j.中国铁道科学,2005(7):7781.(dingjianlong.reasonablemethodfortheconstructionofshallowdepthandwidespantunnelj.chinarailwayscience,2005(7):7781.(inchinese)5王应富,蒋树屏,张永兴.四车道隧道动态施工力学研究j.公路交通科技,2005(6):134137.(wangyingfu,jangshuping,zhangyongxing.studyonthemechanicalpropertiesoffourlanestmmelduringtheconstructionj.journalofhighwayandtransportationresearchanddevelopment,2005(6):134137.(inchinese)6杨龙才,周顺华,姚燕明.变跨度隧道施工