隧道穿越溶洞堆积物的设计与施工

隧道穿越溶洞堆积物的设计与施工1工程概况与溶洞规模xx隧道是xx至xx高等级公路上最长的xx隧道，系双管四车道工程，右线隧道长1125m；左线隧道长1093m，左右隧道相距50m，开挖断面积约为110m2。隧道洞身穿越灰岩、泥炭岩、页岩、砂质泥岩及泥质砂岩。灰岩地段岩溶发育，分布20余个中小型溶洞，右线隧道开挖至44K959处遇到大型溶洞、断层、地层交接复合带，发生顶部坍方，沿线路方向宽15m，影响长度约30m。溶洞内充满堆积物，塌落高度40m以上，堆积物多为大粒径孤石，淤泥填充，最大粒径达4m，一般为0.5～2m，相互交错，挤压，大量堆积物从拱部塌落下来堆满掌子面，按常规方法三次清理千余方，仍是随清随坍，形成大型坍体，三块巨石卡在掌子面顶部难以处理而被迫停工。为探明溶洞规模，在掌子面左侧开挖一个4m2的导坑，除灰岩堆积物外，夹有泥岩、砂岩剥落体，隧道底面以下溶洞被填平。根据超前导坑揭示及洞内洞外的调查，此溶洞位于石炭系灰岩与泥盆系泥岩夹薄层砂岩的接触带，垂直于隧道轴线向上延伸，上与地表“漏斗”相通，下与力寺力库关联，加之F5断层影响，地下水受泥岩隔水层的阻拦，接触带岩溶更易发育，在地下水的作用下，泥岩剥落，灰岩溶蚀切割，下至高程54.62m仍有岩溶发育，岩溶构成如图1，溶洞堆积物与隧道关系如图2。设计思路想与穿越堆积物的TRANBBS技术对策溶洞堆积物宜固不宜清，先支后挖，强支护，开挖断面要变大为小，步步为营。因此必须加固周围的岩堆，构成整体结构受力。施工前必须做好稳固掌子面的工程措施，防止顶部巨石下坍危险。固结块石坍体，确保溶洞堆积物的稳定。穿越溶洞堆积物应考虑地表“漏斗”水下来后，可能造成的隧道突发性外荷力。加固隧底堆积物，确保底部深处水流通路，把穿越部分作为特别段进行支护与衬砌设计。采用封闭式钢筋混凝土整体衬砌。隧道拱圈，矮边墙及底板整体按“地基梁”设计，使穿越结构形成一个受力整体——“管梁”，“管梁”置于加固后的堆积物上，两端属于坚固的基岩上或处理过的基础上，解决纵向承荷，如图3。结构完工后，在拱顶部位压入“坑道填充剂”，减缓溶洞堆积物上部落石对“管梁”结构的冲击，并封填平整地表“漏斗”，减少地表水下渗。3开挖方法选择根据揭露出的溶洞推物的地质情况，控制围岩的变形，防止结构下沉是成败的关键，为此根据经验选择了安全性、可靠性、稳定性好，能够严格控制围岩变形的“眼镜工法”，作为通过溶洞堆积物的施工方案。“眼镜工法”以新奥法的施作为依据，采用分部开挖，划大断面为小断面，步步封闭成环，以缩小开挖跨度，减少扰动围岩。及时施作喷锚等初期支护，使断面及早闭合形成封闭结构，围岩变形提高围岩自身的抗荷能力。开挖断面划分见图4。图3钢筋混凝土“管梁”结构示意图①侧导坑上半部开挖②侧导坑下半部开挖③中央上部环形开挖④中央中部开挖⑤中央下部开挖⑥喷混凝土⑦隧道周边钢支撑⑧超前小导管⑨注浆式锚杆?10?围岩加固圈?11?钢筋混凝土“管梁”衬砌?12?边墙梁?13?底板梁?14?中央横向钢支撑?15?中央隔墙钢支撑?16?侧导坑上半部仰拱钢支撑?17?设计开挖轮廊线图4“眼镜工法”开挖断面划分图4结构设计穿越溶洞堆积物“管梁”结构断面采用复合式衬砌特殊设计。初期支护采用钢支撑，钢筋网，纵向小导管注浆，环向高压注浆锚杆，喷混凝土组成联合支护体系。二次衬砌采用模筑防水钢筋混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间铺设防水层，其支护结构设计参数见表1。喷射混凝土分三次喷至设计厚度，初喷及网喷采用ZP型早强喷混凝土，各喷5～7cm厚，最后采用普通喷混凝土喷至设计厚度。要求喷混凝土必须填实钢支撑与岩壁的间隙并将钢筋网和钢支撑覆盖至少2cm以上，确保共同受力，喷射混凝土强度等级不低于C20。表1支护结构设计参数脱初期支护捕二次衬砌栏辅助施工

帽措施检喷混凝土厚优(秃cm)很锚杆括钢筋网币钢支撑飞拱墙厚

露(活cm)刃底板厚

康(年cm)怒拱墙底板吴30眉环向注浆式锚揉杆，外径投?玉φ贵42赢，财δ淡=3.5m奇m念，长特3.5m恒，环向间距胸1.0m恐注水泥浆话(遍掺膨胀剂计)安，膛?对φ佩22藏砂浆锚杆长清1.5m爽固定钢支撑用缺?血φ牺6A朱s寇10×10止cm由拱墙满铺及临疼时支护荡H虎175佣间距证0.75m值纵向联结钢筋崇环向间距湖0.5m愧60岔70懂拱部思120°秒范围设置超前越小导管，外径巨?骂φ泪42陪，笋δ舞=3.5m叙m答，长膜2.5m冻，环向间距拔0.3m妇，注水泥浆溶洞堆积物岩石整体性差，采用高压注浆锚杆加固隧道周边3～5m围岩，形成“注浆锚固加强带”，可以分担荷载。高压注浆锚杆解决了传统锚杆难以注浆的难题。通过调节注浆压力和改变浆液配比来控制浆液的扩散范围，确保锚杆锚固的质量及对周边围岩的加固效果。“眼镜工法”控制围岩变形的关键是步步为营，环环封闭，约束变形必须采用较强的支护结构，钢支撑设计充分考虑了开挖断面划分及施工顺序的衔接，隧道周边钢支撑采用H175型钢栓接，两侧导坑上半部仰拱、中央隔墙与横向钢支撑等构件亦采用H175型钢栓接，详见图5。为防止拱部崩坍和稳定开挖工作面，在隧道拱部120。范围内，设置了超前小导管注浆超前支护。二次衬砌设计考虑了突发性外荷力，由断面计算决定采用拱墙衬砌厚度60cm，底板厚70cm，在溶洞全长范围内，隧道拱圈、矮边墙及底板梁均采用?φ22钢筋，按“地基梁”设计。详见图6。根据选定的支护参数及施工方法，采用SAPS4有限元分析程序进行了模拟计算，详见结构受力分析专题报告。验证结果表明，结构是安全的。图5钢支撑总装图图6钢筋混凝土“管梁”配筋图5穿越溶洞堆积物施工5.1施工前的工程措施强行通过溶洞堆积物之前，靠近掌子面15m范围内，已作好初期支护，先进行一次补强，并进行部分二次衬砌，确保施工有一个稳固的“后方”。在掌子面后面适当位置砌筑挡碴墙，用洞内弃碴回填掌子面虚碴坡脚，并抬高平台稳住虚碴，台面横架钢梁，梁端固定在两侧灰岩上，平台面浇筑40cm混凝土，用浆砌片石封闭掌子面，并预埋压浆管，长、中、短管搭配并作好标识。如图7。压注砂浆或混凝土填充大孤石缝隙，用较低的压力反复注浆，先长后短，注长管时掺加膨胀剂，以有效的控制注浆范围，安全且节省。晌图勾7驾稳定掌子面区的工程措施板5.2诉施工方法绕砍(雕1)拆侧壁导坑开挖丰及初期支护，婶开挖前先打设晚超前小导管，欣注砂浆。每个宗导坑分上、下雀两层人工开挖址，上、下层及舒两侧导坑前后糕错开，一次循远环进尺在反0.75m没以内，及时初披喷早强喷混凝垃土淡(鼓厚度张5透～脂7cm)兄。架设导坑钢脏支撑，设锁脚哑锚杆，设环向掘高压注浆锚杆框，及时挂网，灭分两层喷混凝达土，使导坑及柳时封闭。势葬(泊2)涉中央上部环形堪开挖。先打拱含部超前小导管烛，注砂浆。从绑拱部中间向两缴边扩挖，挖一断段喷一段，初耍喷猛5医～透7cm丈，每次进尺睁0.75m增以内，设拱部狭钢支撑，设环痰向高压注浆锚母杆，及时挂网叠，再喷一层混痕凝土至设计厚加度。眼技(芳3)呀中央中、下部薪开挖。由于隧莲道断面开挖跨清度较大，增设拼两道横向钢支谢撑，将中央中吓、下部分两次演开挖。中部开善挖后，设横向馋钢支撑。下部授开挖完毕后，传及时初喷，架姨设隧道底部钢产支撑。底部周指边设环向高压杜注浆锚杆，再思喷射两次混凝毅土至设计厚度小。至此，整个馋断面初期支护蒜形成。若录(司4)鸡初期支护质量祥检验及隧底堆沾积物稳定确认心，喷射混凝土哈厚度采用预埋录钢筋头，设置朗量测标志进行陕检查，并实行狭验收制度，不继合格时立即补重喷：钢支撑除唉了严格按设计狮下料，组焊和赞安设外，喷混固凝土必须完全滨将钢支撑喷满委喷实，现场采休用观察和捶击允法进行检查，拴发现有空鼓或届不实之处，凿扑开空洞重新补葛喷；初期支护范完成后，采用凤高密度综合物吉探方法检查隧作道周边环加固菠层及层外围岩尾情况，重点查舍明顶板及侧边雹墙矛5m渠以内是否存在嚼有害空洞，隧三道底部压浆是厨否密实，特别施是隧道底部高街压注浆锚杆加抄大，施工中要尿编制实施性施瓜工组织设计。掏要专人负责，拼统一指挥，严惕把质量关。蕉矛(削5)妻钢筋混凝土跳“析管梁亮”与施工。初期支忆护质量检验及向隧底堆积物稳让定确认后，可驱进行荣“膊管梁跪”副施工，先施工得隧道边墙梁及弹底板梁，在永“踏管梁姐”括全长范围内，停边墙梁及底板燃梁应一次施工顶完毕。待达到杨强度后，进行辰拱墙部分钢筋像绑扎，连续模仿筑防水钢筋混圣凝土拱墙。直铅至烂“侨管梁克”伯施作完毕。貌5.3傍工艺流程激(革见图泳8)灰图达8漏工艺流程图轰5.4椅控制围岩变谜形防止坍塌安矩全技术措施贸k腰无(碰1)丘采用超前小导漫管注浆来加固牺工作前方围岩傲，坚持先护顶提后开挖的原则垂组织施工。凉剥(伴2)秀采用短进尺弱跌爆破开挖，施续工中尽量减少取对围岩的扰动永。位慈(究3)缓开挖成形成后广及时进行喷混流凝土等初期支闻护或者边开挖膛边支护，步步啊为营。算隐(鸽4)上严格控制每循泼环进尺和台阶容长度，在不造肠成两部施工产乖生干扰的前提旺下，应尽早使蹄初期支护封闭么成环。蔽暴(发5)潮开挖后各分部罗在完成规定的撕进尺后，必须裕立即喷射铸5某～勒7cm爽厚的早强混凝误土，并架设钢装支撑，认真做肾好钢支撑拱脚访处理，以减少房围岩的松驰变续形。锣助(耀6)置采用高压注浆士锚杆加固洞周触3悉～椒5m臣范围内围岩，纸以改善支护结哈构的受力条件冒，限制其过大铜变形。趣便(劲7)迁下部开挖必须厘在邻近作业面柄的初期支护具奉有一定强度后文实施。猪秃(浙8)郑施工过程中对毅围岩及支护结竿构进行变位及递应力量测，根宣据量测数据结携合观察报告正拢确分析围岩和新支护的稳定性夸，并采用正确壁的对策，当初奉期技护变形过骗大时及时喷射这早强混凝土封会闭掌子面，及货时进行临时仰泥拱封底。姐5.5乡监控量测仪监控量测好是新奥法设计适施工的核心，约由于本段开挖学断面分部较多并，我们主要进转行了拱顶下沉四量测，钢支撑堵及喷混凝土应谊力量测，量测叹结果如下：险添(寻1)他拱顶下沉量测冻分别进行今了两侧导坑及欣中央拱顶下沉改量测，在中央则上部环形开挖赌时拱顶下沉量坊最大值发生在狱超前开挖的两器侧导坑中，最球大值约为耳15mm机；两侧导坑开谣挖时侧导坑拱京顶下沉量仅为游几个厌mm窃，彼此没有太碍大的影响。由量此可以认为蝇“斩眼镜工法鼻”按分别开挖对控奔制围岩变形是喊有效的，两侧喘导坑因自成封矿闭结构支护是轧强有力的，两羡侧导坑完全可雷以同时掘进。答中央上部训环形开挖时拱挡顶下沉量比两萍侧导坑的拱顶娘下沉量大，约工为胜13mm霉，比两侧导坑灾开挖时约增加筋5mm门。分析认为与垦中央下部初期话支护没有形成涉封闭有关。婚糕(吗2)艰钢支撑及喷混逮凝土应力量测保钢支撑和暴喷混凝土是初制期支护主要的瑞受力结构，量准测结果如下：棕两侧导坑橡沿隧道周边的月钢支撑在导坑毁开挖时轴力约告为指10tf倚，而在中央开更挖时迅速增大队到约饱30tf苦；中央隔墙的筹钢支撑，在中讯央开挖时，轴蹦力增大不多，鲁轴力的大小跟夏两侧导坑开挖胶时相近约顺10tf杜；中央拱顶的瓶钢垒支撑轴力与隧在道周边钢支撑蜂轴力的增加程段度一致约为芦20tf匀。由此结果分呀析认为，最大黎位移以中央开纵挖时发生的荷躲载为主，由隧作道周边的钢支当撑承担。临时蹦支撑割除时，眉轴力分布规律教没有发生变化促，周边的钢支逐撑整体上增加成了约巷15tf美的轴力。栏喷射混凝捏土应力，在两掩侧导坑开挖时诉为同5繁～巨8kgf/享cm2昏，中央开挖时打与钢支撑应力肢变化规律一样址，两侧导坑沿狮隧道周边的应裤力急剧增大，池约为点20kgf革/cm2凉，分布形状大无致呈均匀性。眼从以上监额控量测结果可卡以得出如下结锅论：粒“黄眼镜工法贵”睡最大荷载在中迈央开挖时发生肿，这与两侧导批坑自身是封闭浸结构，而中央己开挖时整个断圈面还未形成大兽的封闭结构有钞关，说明了尽渔早形成封闭结蚊构是控制围岩招变形的关键技夺术措施，同时别“逮眼镜工法走”贝开挖断面划分矛时，尽可能把脆形成封闭结构横的两侧导坑宽倍度加大，以缩楼小中央上部跨菜度，再者中央节分部不宜多，圈以二部开挖较吵为有利，因开朱挖高度所限多伤于两部时，应彻增加横向支撑趟，使每部开挖表后均能形成封冶结构。总之，徒能尽早形成封闲闭结构对控制歼整个断面变形逼是有利的。缺孤“问眼镜工法门”伪在中央开挖时臣发生的最大荷悬载、几乎全部蜂由隧道周边支恼护结构均匀地件分担，说明中遥央隔墙支护结壮构可以减弱，碑但在整个断面杨形成封闭结构井之前并非可有老可无，一旦整开个断面封闭成驴环，即使拆去颈隔墙支护结构司，可以确认支箩护结构决不会瓣出现大的变化疲由上述结慨论还可以产生友联想，随着控跨制围岩变形或睡地表下沉技术军要求的不同，躬采用迈“钟眼镜工法艺”姓对开挖断面的倍分部亦可不同某。因此，根据心不同的技术要来求采用递“低眼镜工法彼”嘴时对开挖断面值分部大小的研未究是必要的。非与此同时，对