1.概述
在膨胀性地层中开挖隧道、巷道或地下洞室,常常可以见到围岩因开掘而产生变形,或者因浸水而膨胀,或因风化而开裂等现象,使设置在膨胀性围岩中的隧道或地下洞室的洞壁发生位移,导致围岩失稳,衬砌破坏。膨胀性围岩的基本特征,归纳起来表现在以下三个方面。
1.1围岩的应力比高。即P0/Ra,P0—地应力,Ra—围岩的抗压强度。由于膨胀性围岩是有原始地层的超固结特性,使围岩中储存有较高的初始应力,当隧道或地下洞室开掘后,引起围岩应力释放,强度降低,产生卸载膨胀,因此围岩常常具有明显的塑性流变特征,开掘后将产生较大的塑性变形。
1.3胀缩效应的力学特性。膨胀围岩因吸水而膨胀,失水而收缩,岩体干湿循环产生胀缩效应。一是使围岩体结构破坏,由块间联结变为裂隙结合,甚至成为散结构,强度完全丧失,导致围岩压力增大;二是造成围岩应力变化,无论膨胀压力或收缩应力,都将破坏围岩的稳定性,特别是膨胀产生的膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。
2.施工方法
膨胀性围岩隧道施工,首先查明膨胀产生的原因,测定围岩贮存的应力大来确定相应的施工方法及支护参数。
膨胀性围岩的施工原则为“加固围岩,改善洞形,先柔后刚,先放后抗,变形留够,底部加强”24字方针。
2.1加固围岩。加固围岩最有效的措施是支护的锚杆,锚杆长度应大于塑性半径。锚杆长度越长,支护效果愈好,但锚杆太长时,工程造价加大,施工难度高,且局部锚杆强度难以充分发挥;而锚杆太短则加固围岩效果不好。当锚杆长度大于塑性区厚度时,可抑制塑性区围岩的承载力,并把塑性区围岩同弹性区稳定围岩连接起来。此时锚杆两端相对位移较大,使锚杆充分受拉,从而提高锚杆对围岩径向支护的作用;反之当锚杆长度小于塑性区时,即全位于塑性区内,锚杆将随着围岩整体移动,围岩仍有剪切滑移破坏的可能,锚杆两端相对位移较小,削减锚杆对围岩的支护作用。锚杆长度应大于塑性区厚度。(L1/L2=K=2/3,L1—围岩塑性区厚度,L2—锚杆长度),围岩塑性区通过岩石力学的卡斯特纳公式,即多点位移计和声波测式法对围岩松动范围来确定塑性区。
2.1.1选用自进式锚杆对膨胀性围岩施工较为理想。常用进口迈式锚杆和国产GMC锚杆,其规格型号见下表。
R- k$ `/ O- `- u; X3 h$ k, a: d 0 W; [% M: e- Z; U& R9 z+ f* J3 e& Y
品 种
. Y: S6 N2 m+ [, N4 t/ o4 M2 R' }. ~ r |
, e! Y/ o0 H; Y3 f) W
1 I% k# Y; r y迈 式 5 T0 m9 n2 A$ f/ I4 x
8 B9 p$ _# x3 R& N) b8 {- Y" M" U( d
| GMC |
型号 | R25N | R32N | R32S | R38N |
) M& I6 q R2 ]. R- q, B6 W
# h R$ {$ T4 Y. Z' C0 X! U K ER25
$ T7 |* U; h$ J: o% k
! {5 e* W2 U; }+ Y | R27 |
# j% }) A# U9 c' w4 u# ]4 A8 x6 D- o+ H
R32 . n& H d/ x, Y. b
& R. X5 h) I, l/ L3 z
|
内/外径(mm) | 4 Z2 ^4 r! p9 {) W/ J, J4 ~' V/ z
14/25
5 K, ?6 s3 T7 t) @2 V7 ~0 q | . G% o6 N1 t( j% ]; x0 A7 b7 s
20/32 @5 H' B+ W9 ~, U
| ' ]' O" F5 G& Z
15/32
: ^# k" u% j3 }8 B& x& k8 X9 x |
5 m/ p" e: p; _; ^4 r4 Q14/38 , `1 ]& J; I. O7 T2 D ?
| ; T! q( K; f8 n
13/25
& F% j5 z, q+ A4 }: Y+ G | * o \$ c k( O/ P- N
15/27
( e7 X. n O: ~+ l( O/ W: g0 v |
: y7 }0 Z+ N; W8 e, @" `18/32 5 E- j2 U, Q. e: c; B6 R
|
重量(kg/m) |
# a# w4 s3 f* C7 \* _) o- P, j
. Z; z7 e- f# W: g2.5 % t" E2 C% F/ p6 p5 p
' H; H$ h! o! H! F( J3 k | $ j/ _# ~1 @/ \6 J
H0 d5 A. ?3 o3.6
9 y. C8 G& i1 A1 @4 }- {& ?) c" A$ i
| b# g1 T+ O1 h$ u* t- K& E4 A
+ z# @9 T3 k! l8 p+ u3.9
7 q- E& [! t+ ] x0 u
3 w! \; e( E3 Y+ q |
6 \1 |2 X: g0 p" C+ {, L$ E( v3 b Q4 u7 T, L
6.4 " O6 i/ Q& E @( H2 _ l( L
6 l" b2 v! ?% Y) l) R" g+ Z* e5 z |
1 R* Q8 ~' @: Z1 H( U+ O& g( `% v, C- Q# j9 c: r
2.8 : {/ {) S4 w# i# h6 _6 @
0 W4 d+ {" d( v8 _. I4 l9 o |
: [! a5 @# q% [, e: b; J1 Q7 r
. k7 N: L B( R9 `, C& F- X3.1
9 b( ^& p0 u% D O9 R1 M
2 p' o! A; W n8 V8 @ |
" `; H0 q$ P9 B
/ g4 p! L1 i* g+ M. e1 L, t! a4.3 " P1 t8 `) C. a
8 x# P3 u7 `& ]- G' p3 [
|
规格(m) |
0 H, o2 o9 m& [7 M0 |9 d. g 2 、 3 、 4 、 6 * ~( Q. I* w, H+ P$ e" S" M
| ) C, X$ _( ~5 P5 C
X/ P1 Q8 j! K& X G0 ^根据工程要求
9 L8 v6 ]% \: k( {* }; n7 |1 I, {& M5 ~1 e; c' {1 i8 H
|
4 |8 Q9 Z' B3 u8 T6 u9 J2.1.2采用预应力锚杆,为了使长锚杆施工后没有足够的时间让围岩变形收敛,施作外衬,充分发挥长锚杆的作用,让其充分受力。用一块18×18cm,厚8mm的钢板代替拱形垫板,在锚杆末端预留1m长的自由端,由自由端施加预应力张拉。
2.2改善洞形。通过增大边墙和仰拱曲率,使开挖断面轮廓形状接近成园形,并表面圆顺,开挖后支护形成环状封闭结构。
2.3先柔后刚。先放后抗,变形留足。采用长锚杆为主,辅以留纵缝的喷砼以及可缩式钢架的柔性初期支护,并预留25~45cm的预留变形量,待围岩收敛到一定值后,施作厚度50cm以上的钢纤维砼外衬,对围岩进行刚性支护。
2.4底部加强。底部仰拱加大曲率,并施作足够强度,参数与拱墙一致,与拱墙衬砌的时差要短,要在一个月内施作。
3.施工工艺
3.1长锚杆施工工艺
拱墙部分选用T×U—75A型水平钻机,边墙下部和底部选用YG40型凿岩机。采用自进式锚杆。其工艺流程见下页:
3.2膨胀性围岩施工流程图见下页:
4.劳动力组织及进度指挥
膨胀性围岩隧道施工,与一般隧道作业比较,支护量增加,每个工班增加长锚杆作业人员约20人,其余与常规隧道一样。
& u: n7 I/ V7 ]# {& [1 |质量要点
6.1在钻杆的尾部接上水泵的送水管,利用钻杆的中空部分将水送到钻杆前面,从钻头的喷水孔喷出,将钻孔中的碴子冲出,从钻杆与孔壁之间返回孔口,排出。在钻孔过程中,钻孔的速率跟排碴有着很密切的联系,如钻仰角孔时,钻孔的碴子能顺利排出,钻孔的速率就高,钻俯角孔时,碴子排出困难,钻孔速率低。
6.2由于膨胀围岩软弱、破碎,钻孔与送锚杆的间隔时间不宜太长,防止坍孔。宜钻杆退出后,立即插入锚杆。若遇坍孔,锚杆采用钻机送入,锚杆前面安装钻头,重新钻开坍孔部分,不再取出钻头。
6.3锚杆注浆,待锚杆与输出管连接好后先往注浆孔送水冲孔,待水由里向外返回孔口后即开始注浆,浆液由锚杆中心进入孔底,从孔底返回孔口,待浆液流出后,封堵孔口,待注浆泵的压力达到2MPa后,注浆才结束。
6.4开挖后,应在较短的时间内,加固围岩。配备较多的钻机和劳动力,在较短的时间做完长锚杆。
6.5分部开挖,在上半断面开挖后,为使上半断面初期支护形成封闭结构。加设φ108钢管横撑以取代临时仰拱,以克服下断面开挖后临时仰拱失去底部围岩的支撑,受力状态恶化,对拱脚形成有效支撑。
6.6二次衬砌与开挖面距离尽量缩短,衬砌应尽快形成环形封闭结构。
7.安全措施
7.1在膨胀性岩层中施工,要特别注意排水工作,避免水漫流;拱脚及墙脚应采取措施,不使积水,凡水流通过的土、石暴露地段应设置管道、木槽或浆砌片石水沟。
7.2砼全部灌抵岩壁,对拱顶部位应特别注意捣固密实。
7.3不要向开挖面洒水,以保持围岩干燥。
7.4要加强通风,以降低洞内湿度和温度。
7.5在长锚杆施工中,每台钻机必须间隔一定的距离,防止施工向岩体内大量注水,引起边墙及拱脚塌方。
7.6钻机的司钻人员必须经过培训,能熟练地处理顶钻、卡钻、顶水、喷孔等现象。
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