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摘要:隧道工程是公路工程结构施工的重要组成部分之一。由于其具有隐蔽性大、作业空间有限、地质条件复杂、干扰因素多等特点,使得隧道工程的施工十分关键。本文通过广东省连州至怀集公路项目第九合同段茅田界隧道的施工实例,研究分析公路隧道施工主要技术措施,可为同类公路隧道制定合理的施工方案与技术控制措施,保证隧道施工质量及顺利开展提供参考、借鉴。
关键词:隧道;施工;技术控制
一、工程概况
茅田界隧道位于广东省连州至怀集公路项目第九合同段,为双向四车道高速公路隧道,施工工艺复杂,控制整个工程工期。左线隧道长4337m,右线隧道长4348m。隧道净宽2×11.40m,净高:7.24m。左线隧道Ⅱ级围岩占7.2%,Ⅲ级围岩占76.7%,Ⅳ级围岩占13.7%,Ⅴ级围岩占2.4%;右线隧道Ⅱ级围岩占8.8%,Ⅲ级围岩占75.3%,Ⅳ级围岩占13.2%,Ⅴ级围岩占2.7%。
隧道整体采用新奥法施工,原则是严格遵循 “光面爆破、喷锚紧跟、监控量测及时反馈和修正”以及“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”。
二、施工方案
茅田界隧道施工采用三臂凿岩台车钻孔,人工钻孔辅助,预裂爆破结合光面爆破,装载机装渣,自卸汽车出渣,模板台车泵送砼浇筑衬砌的施工方法。
由于地质条件较差,对于V级围岩段,采用上下台阶留核心土开挖法(如图1)。由于隧道两端洞口段为小净距,因此,洞口段尽量人工开挖,爆破时严格采用微震爆破,爆破震动速度不超过10cm/s。施工顺序方案是:上弧导坑开挖及初支→核心土开挖及初支→下台阶中部拉槽及初支→下拱衬砌→全断面模筑二次衬砌。
图1茅田界隧道V级围岩段开挖步骤示意图
采用上、下台阶法施工Ⅳ级围岩段,(如图2)。施工顺序为:上台阶开挖及初支→下台阶开挖及初支→下拱衬砌→全断面模筑二次衬砌。
图2 茅田界隧道Ⅳ级围岩段开挖步骤示意图
对于II、III级围岩段,采用全断面法开挖法(如图3)。施工顺序为:全断面开挖→全断面模筑二次衬砌。
洞身开挖采用新奥法原理组织施工,采用凿岩台车钻孔,人工钻孔辅助。采用预裂爆破结合光面爆破技术,控制好爆破用药量,保证开挖面圆顺,减少超挖,不允许欠挖。围岩较差地段的施工遵循“弱爆破、短开挖、强支护、早闭合、勤测量、二衬紧跟”原则,结合监控量测及时调整设计参数,防止岩体坍塌。茅田界隧道采用湿喷工艺,初期支护采用C20喷砼。防水工程是控制工程质量的关键,茅田界隧道采用以“防、排”为主,“防、排、堵、截”相结合的综合治理措施,以保证隧道防水工程质量。
图3 Ⅱ、Ⅲ级围岩开挖示意图
三、钻爆设计与爆破作业
茅田界左右隧道均采用双向掘进,Ⅴ级围岩地段开挖主要采取机械配合人工开挖,必要时加以松动小爆破;Ⅳ级围岩洞身段采取台阶法爆破开挖;Ⅱ、III级围岩段采取全断面一次开挖法。
为减少对围岩的扰动及降低振动强度,爆破采用光面爆破技术,掏槽及底板眼按抛掷爆破设计,其它炮眼采用浅孔微振动控制爆破,乳化炸药,毫秒延期电雷管和导爆管雷管。乳化炸药具体参数见表1。
在进行钻爆参数设计前,先以工程模拟法初步选择爆破参数,再在洞外边坡上做三眼爆破成缝试验及单段爆破漏斗试验,通过现场的试验确定有关爆破参数,Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ级围岩设计参数如表2。
光面爆破采周边眼用不耦合装药,软岩不耦合系数为2.0~2.5,掏槽眼、辅助眼、底眼采用耦合连续反向装药结构。光面爆破起爆顺序为:掏槽眼—辅助眼—底板眼—周边眼。
对于ⅴ级围岩地段,本工程采取上下台阶留核心土法施工,由于围岩稳定性差,爆破易导致坍塌事故,故在施工中对炮眼深度进行了严格控制,并根据实际情况调整药量,尽量减少药量。
四、施工通风设计
隧道施工通风方式有自然通风、压入式通风、吸出式通风、混合式通风及利用平行导坑做巷道通风。混合式通风集压入式和吸出式通风优点于一身,但经济性不如压入式,茅田界隧道选取压入式通风方式进行隧道施工通风。其特点是有效射程大,冲淡和排除炮烟的作用较强;对设备污染小;工作面回风不通过风机、风管,在有瓦斯涌出的工作面比较安全。
风量计算:
①按洞内最多工作人员数所需的新鲜空气,计算:
Q1=3?k?m=3×1.2×40=144(m3/min)
式中:3—技术规范规定每人每分钟需供应新鲜空气标准为3m3/min
k—风量备用系数,一般取1.1~1.2,按1.2取值
m—同一时间洞内工作最多人数,按40人计
②按全断面开挖,30分钟内稀释一次性爆破使用最多炸药量,产生有害气体至允许浓度计算:
Q2=V1-(K?V1?t+1/ V2)1/t=V1 [1-(k×V1/ V2)1/t] =581.5 m3/min
式中 V1-一次爆破产生的炮烟体积V1=S×Ls =86.9×57=4953.3 m3
S-一次开挖的断面面积,按86.9m2
Ls-按经验公式Ls=15+G/5=15+210/5=57m得出炮烟抛掷长度
G-同时爆破的炸药消耗量,G=210kg
V2-一次爆破产生的有害气体体积V2=a?G=40×10-3×210=84 m3
a— 单位重炸药爆破产生的有害气体换算成CO的体积,40L/kg
K— CO允许浓度,取100ppm,换算为1×10-4 m3
t— 通风时间,取30min
③按洞内允许最低风速,计算:
Q3=60?V?S=60×0.15×86.9=782.1 m3/min
式中:V— 洞内允许最小风速,取值0.15m/s
S— 开挖断面积,86.9m2
④ 计算风量(按稀释内燃机废气):
考虑在洞内同时有2台功率158kw的装载机和3辆功率210kw的自卸车作业,总功率946kw。按隧规1kw需供风量不小于3m3/min,取机械设备的平均利用率为70%:
Q4=946×0.70×3=1986.6 m3/min
设备供风能力取Qmax=Max(Q1,Q2,Q3,Q4)=1987m3/min。
对于长大隧道,管道的漏风现象造成入口处与出口处的风量差别很大,按百米漏风率(取β=1.5%)计算洞口风机风量:
Q机= Qmax/(1-β)L/100=1987/(1-1.5%)2150/100=2750 m3/min。
五、隧道变形、坍塌以及岩爆处治
隧道变形主要体现在初期支护的型钢拱架和喷射混凝土面上。由于不同隧道受其地质地形的复杂、多样性影响,如超浅埋、严重偏压、地下水活动频繁、围岩状况差、地质构造复杂等,在洞身开挖施工中,某一段落出现地层应力释放或集中,使型钢(格栅)拱架出现压屈下沉状态,并伴有扭曲、压弯、甚至剪断,初支混凝土面出现破裂、掉块、剥落等不良现象,主体受力结构(初期支护)受到严重损毁,无法达到设计要求,给洞身施工安全和质量带来极大的隐患。针对隧道初期支护这一情况,为保证施工安全应停止掌子面掘进,并采取临时加固、永久加固措施,以确保结构整体稳定,使隧道内应力分布达到新的平衡状态,并满足设计要求。临时加固措施主要目的是支撑变形断面,抑制已变形断面继续变形。主要方法有:A 架设钢护拱,形成双层拱架受力;B 在架设钢护拱的前提下增加门式拱架,增加受力点减轻已经损坏的初期支护受力;C 增加临时仰拱,尽早形成封闭环受力。永久加固措施主要是选取合理恰当的支护参数满足隧道受力要求,永久性加固洞室。
隧道坍塌处治包括成型段临时支护和塌方段结构支护。临时支护用I22b工字钢支撑,拱架间φ25钢筋纵向连接,环向间距0.5m布置。结构支护为:先对塌方体施作梅花形布置的Φ50小导管,双液注浆,导管间距2m,每根6m;在塌方体坡面挂Φ8钢筋网,网格20cm×20cm,喷射C25砼15cm。在塌方段初期支护拱顶预埋φ125钢管,纵向间距3m/个,再泵送C20砼填实塌腔。
岩爆多发生在埋藏很深、质地坚硬的岩层中,多在新开挖工作面及其附近,在溶孔较多的岩层里不易发生岩爆。防治岩爆的施工方法有:①爆破后通风排烟,高压水立即喷洒工作面及附近洞壁岩体,以降低岩体强度,增强塑性,减弱岩体的脆性,降低岩爆剧烈程度,为取得更佳效果也可以利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水。②喷钢纤维混凝土(处理轻微岩爆),③及时施作锚杆(加固和治理中等岩爆)加固岩体以此改变岩爆的触发条件及洞壁岩体的应力状态,④在中等和强烈岩爆区,采用安装系统锚杆加锚网喷砼联合支护,⑤超前应力解除。
六 围岩监控量测
为更好的指导隧道工程施工,必须加强对周边围岩及初期支护的监控量测,对反馈信息加以分析,使设计施工更合理、安全和经济。具体内容包括:(1)隧道围岩变形量测,(2)应力-应变量测,(3)围岩稳定性和支护效果分析,(4)隧道净空收敛量测,(5)拱顶下沉量测,(6)地表下沉量测。
七 结语
隧道工程的施工是一个复杂的系统工程,由于具有作业空间有限、隐蔽性大、地质复杂、干扰因素多等特点,施工涵盖围岩支护、爆破、隧道通风以及不良地质灾害的预测及防治措施等多个方面,往往是公路工程的重点控制部分。茅田界隧道的施工实例,将会为后续隧道工程的施工提供重要的参考和决策依据,对提高隧道工程的施工质量有很好的参考意义。
参考文献:
[1] 王岚.高等级公路隧道施工及监控技术研究[D].湖南大学 2003
[2] 丁维扬,江晨.高速公路隧道施工技术及控制要点分析[J].交通科技2015.268(1)117-118.
[3] 李伟平.公路隧道设计与施工的现状及问题探讨[J].公路 2011.8(8)293-297.
[4] 陆成武.公路隧道施工技术研究[J].黑龙江交通科技2014.239(1)75-77.
[5] 周文辉.现代公路隧道施工及其支护分析[D].长沙理工大学2013
作者简介:
黄沅,男,工程师,研究方向:公路工程施工
论文作者:黄沅
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/6
标签:围岩论文; 隧道论文; 断面论文; 公路论文; 光面论文; 量测论文; 风量论文; 《基层建设》2016年6期论文;