・隧道/地下工程・
小净距隧道岩柱的
力学性能及加固处理
杨转运 龚雄文 刘 会 朱丽芳
31南京航空航天大学振动工程研究所 南京 210016)
1
2
3
2
(11重庆交通学院桥梁与结构工程系 重庆 400074;21中铁十二局集团第四工程有限公司 山西介休 032000;
摘 要 根据小净距隧道在不同围岩类型下岩柱的力学性能分析结果,给出了岩柱加固处理的设计要点,并结合工程实例介绍了岩柱在施工中加固处理过程。
关键词 公路隧道 双线隧道 小净距隧道 岩柱加固
随着人们对现代高速公路的安全舒适性要求不
断提高,穿越山岭的隧道在公路中的重要性日益凸
[1]
现出来,在山区显得尤为突出。规范规定:高速公路、一级公路一般应为上、下行分离的两座隧道,那么,两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响和施工影响范围之外,即要求上、下行隧道间岩柱应具有足够的强度、稳定性,不至于在上、下行两隧道施工中相互影响而出现事故。但在公路选线时,上、下行隧道往往受地形等条件的,使得两相邻隧道净距突破文献[1]中规定的最小净距要求(见表1)的小净距隧道越来越多,净间距一般小于115倍单孔隧道开挖洞跨,给隧道工程设计、施工提出了新的要求。这种小净距隧道在结构形式上介于分离式隧道和连拱隧道之间。
表1 两相邻隧道最小净距
围岩类别净距
Ⅵ
Ⅴ～Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ>510B
(115～210)B(210～215)B(215～310)B(310～510)B
产生的扰动必然会影响隧道围岩的力学性能,所以
小净距隧道一般采用一先一后的施工方法,先行隧道施工时,与一般单洞施工无异,后行隧道开挖施工
[2]
时,围岩将产生复杂的应力重分布。受力特征表现为,先行洞隧道周围围岩松弛或松弛范围扩大,使其支护结构的荷载增大;变形特征表现为,后行洞隧道开挖时,先行洞隧道支护结构及周围围岩向临空面拉伸,如图1所示。岩柱的稳定可靠是确保隧道结构稳定的前提条件,而要使岩柱稳定可靠就必须保证不出现塑性区或出现塑性区但不能贯通。通过对不同围岩类型的岩柱力学分析,得到岩柱的力学状态。
注:B为隧道开挖断面的宽度
小净距隧道设计、施工成功与否的关键是对岩柱的加固处理,加固处理的好坏事关整个隧道工程的成败。本文就小净距隧道岩柱的力学性能、设计施工要点做初步说明。
图1 后行隧道开挖对先行隧道围岩的影响
1 岩柱的力学性能
小净距隧道因洞间净距小于115倍洞跨,施工
收稿日期:20041231;修回日期:20050215
111 Ⅱ类围岩段岩柱力学性能
11111 不加支护
[3]
对于普通Ⅱ类围岩段,如果不加支护,在双洞隧道上台阶开挖时,由于围岩松动圈的相互影响,在岩柱出现一个蝴蝶形塑性区(见图2),安全系数在018～110之间。这时,会使岩柱的围岩处于极不
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稳定的状态,这一力学特点与普通隧道有很大不同。
(2)通过支护手段提高岩体的抗拉强度是保护
岩体自承能力的关键,尤其是加强隧道拱顶上方岩
体的抗拉强度,避免拱顶拉裂区的出现和发展而致使岩柱区出现拉裂现象;
(3)对岩柱预加固以增加对其水平方向的侧向约束,增大围岩的抗拉强度,是增大两隧道岩柱支撑能力、防止在竖向荷载作用下破坏的有效方法;
(4)如果岩柱净厚度大于4m,可以增加岩柱的可靠度,也方便采取有效的预加固措施。112 Ⅲ类围岩段岩柱力学性能11211 不加支护
图2 Ⅱ类围岩上半断面开挖后岩柱塑性区分布
当围岩岩体抗拉强度偏低时,两隧道拱顶拉裂
区大,岩柱的塑性区亦大。
通过分析可知,若岩柱的厚度在2～3m时,塑性区贯通,若厚度大于4m时,则塑性区范围明显减小;开挖时若先开挖岩体较差的一侧隧道,岩柱的力学形态比先开挖岩体较好侧隧道要好。
以上分析说明,Ⅱ类围岩开挖中如采用上、下台阶的开挖方法,围岩不进行预加固,在隧道开挖过程中围岩就会失稳。11112 加固处理后
在围岩进行预加固的前提下,采用一定的支护和开挖方法,经分析后得到:
(1)看出Ⅱ类围岩段岩柱虽然还出现塑性区,但塑性区的范围大为减小(见图3),安全系数在018～110之间;
(2)由于围岩已经过加固,支护结构未出现破
对于普通Ⅲ类围岩段,结构分析的结果同Ⅱ类围岩段有相似之处,只不过岩柱的塑性区比Ⅱ类围岩段的有所减小,不会像Ⅱ类围岩段那样出现贯通的蝶形塑性区。不过,Ⅲ类围岩段岩柱的预加固和采用合理的施工方法也是必须的。11212 加固处理后在围岩进行预加固的前提下,采用一定的支护和开挖方法,经分析后得到:
(1)Ⅲ类围岩段岩柱虽然还出现塑性区,但塑性区的范围几乎没有了(图4中黑色位置);
(2)围岩经过加固,支护结构未出现破坏,说明对于Ⅲ类围岩经过合理的加固和采用一定的施工方案是完全可以保证围岩稳定和初期支护安全的;
(3)结构分析中也对Ⅲ类围岩深埋段进行结构分析,结果表明深埋段岩柱受力的影响不像Ⅱ类围岩深埋段岩柱受到的影响那么大。
坏,说明对于Ⅱ类围岩经过合理的加固和采用一定的施工方案是可以保证围岩稳定和初期支护安全的;
(3)结构分析中还可以得到Ⅱ类围岩深埋段岩柱的受力要比Ⅱ类围岩浅埋段的受力更为严峻,这可能与原始地应力大小有关。
图4 Ⅲ类围岩经预加固处理后岩柱塑性区分布
图3 Ⅱ类围岩经预加固处理后岩柱塑性区分布
113 Ⅳ类围岩段岩柱力学性能
总结以上的分析,对Ⅱ类围岩段岩柱的力
学性能可以明确如下几点:
(1)采用锚喷支护构筑方法,实现初期支护为主要受力结构;58
对于Ⅳ类围岩段,结构分析表明在净距不小于4m的情况下,采用全断面施工方法一般不出现塑性区,但岩柱的安全系数一般只有115～210,只相当其它部位的1/2～1/3(见图5)。说明Ⅳ类围岩岩柱的安全系数只比临界安全系数略高,
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如果施工中不注意对岩柱的保护,同样可能出
现围岩失稳现象。
从拱腰到拱脚位置;
(3)岩柱同洞周软弱围岩一样也应采取初期支护,如挂网、喷混凝土、架设钢支撑等措施,保证施工初期岩柱的稳定。212 Ⅳ、Ⅴ类围岩段岩柱加固设计力学分析可知,Ⅳ、Ⅴ类围岩段岩柱不会出现塑性区,最不利位置的安全系数只有115～210,相当于其它部位的1/3～1/2,在这种情况下,设计时只需要考虑采用加长锚杆,一般加长110m左右,但岩柱的初期支护同Ⅱ、Ⅲ类围岩情况相同,只
图5 Ⅳ类围岩岩柱应力分布区域
是设计参数略有加强。另外对工程性质较好的Ⅴ类围岩,只需要在软弱部位增设系统锚杆。
114 Ⅴ类围岩段岩柱力学性能
对于Ⅴ类围岩段,分析表明只要保证岩柱有足够的厚度(>4m),采用双洞全断面施工方法,岩柱的安全系数均在310以上,所以在Ⅴ类围岩段内双洞全断面施工时也不需要对岩柱采取特殊的加固措施,但必须保证尽可能地减少对岩柱的扰动,特别是应该严格控制爆破对其产生的冲击和振动。
3 岩柱施工要点
311 工程概况
位于泰(和)井(冈山)高速公路江西井冈山市境内的石狮隧道,其双洞中轴线间距为20130m,隧道净宽为12112m,中间岩柱净宽为812m,属于典型的双线双洞小净距隧道。地质勘察资料表明该隧道的岩质较差,以风化砂岩、石英砂岩为主,构造裂隙、风化裂隙中间泥较多,还存在软弱间层,此隧道以Ⅲ～Ⅳ类围岩为主。该隧道长690m,左右双线共长1380m,Ⅱ类围岩156m,Ⅲ类围岩1000m,Ⅳ类及以上的围岩224m。4个明洞洞门结构各10m共40m。
[4]
312 Ⅱ类围岩浅埋段开挖顺序开挖隧道浅埋段时,施工对围岩的扰动越大,围岩松动变形后作用于支护上的压力也越大。为避免因围岩变形过大而引起山体下滑,致使初期支护及衬砌开裂的事故发生,施工应选侧壁导洞法。根据现场施工条件和施工组织,石狮隧道从出口端单向掘进施工,按掘进方向左洞先于右洞施工。洞口段属Ⅱ类围岩浅埋段,左洞开挖断面超前右洞开挖断面应控制在35～45m。左洞开挖采取三台阶七步流水法施工,每循环进尺为018m,与工字钢钢拱架间距相同,开挖后及时施作初期支护。三台阶开挖间距保持在5m左右,开挖后及时施作初期支护。同时对中间岩柱施作<50小导管加固。
为了减小大断面爆破对岩柱的振动,在右洞上台阶开挖之前先开挖侧导洞,超前加固中间岩柱。右洞的侧导洞必须在左洞开挖前进大于40m并注浆固结后才能进行,侧导洞开挖采取短进尺、全
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2 岩柱加固设计要点岩柱的加固是小净距隧道设计中的关键步
骤和设计理念的精髓。岩柱在小净距隧道双拱结构中部,起着极其重要的支撑作用,在结构计算中,它是压应力相对集中的区域,这充分表明它的稳定直接关系到小净距隧道设计的成败。一方面在洞口浅埋段以及岩体破碎、节理裂隙发育的情况下,岩柱的承压能力能否达到设计要求;另一方面小净距隧道施工过程中二次应力场在岩柱叠加,极有可能出现应力集中现象,因而设计时应着重考虑对岩柱进行加固。
211 Ⅱ、Ⅲ类围岩段岩柱加固设计
对于Ⅱ、Ⅲ类较软弱围岩,一般按先加固后开挖的施工顺序,具体的加固设计有:
(1)预注浆法。注浆区域为除了仰拱之外全部洞周围岩,注浆顺序是从先行洞(左洞)左侧拱脚到右侧墙脚,对于后行洞(右洞)是从右侧拱脚到左侧墙脚;
(2)在落后先行洞(左洞)开挖面约40m之后,开挖后行洞(右洞)侧导洞后,即可对双洞岩柱施作贯穿两洞的水平预应力对拉锚杆,施作部位是
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断面一次开挖到位,随即架设钢支撑,施作锚杆、钢筋网、喷混凝土等初期支护,进行中间岩柱对拉锚杆连接、施加预应力加固。再进行右洞上、中、下台阶
开挖和支护,其余工序与左洞相同。Ⅱ类围岩浅埋
段施工顺序如图6所示。
(1)左洞上台阶开挖(环形开挖留核心土法);(2)左洞拱部支护(锚喷、U形钢拱架、超前支护);(3)左洞中、下台阶开挖(落后上一台阶3
～5m);(4)左洞边墙及仰拱初期支护(锚喷、U形拱架);(5)中间岩柱不加固;(6)右洞侧壁导洞开挖(落后左洞开挖面40m);(7)右洞侧壁导洞支护(锚喷、U形拱架);(8)中间岩柱锚杆施加预应力;(9)右洞上台阶开挖(落后侧壁导坑开挖面5m);(10)右洞拱部支护(锚喷、U形钢架、超前);(11)右洞下台阶开挖(落后上台阶8～10m);(12)左洞边墙及仰拱初期支护(锚喷、U形拱架);(13)左洞全断面衬砌(落后左洞开挖面15～20m);(14)右洞全断面衬砌
图6 Ⅱ类围岩浅埋段施工工序
313 爆破作业控制
小净距隧道由于中间岩柱的宽度较小,后开挖隧道的爆破振动对前开挖隧道产生较大影响,应将前开挖隧道衬砌处的振动速度控制在15cm/s以内,并以此作为后开挖隧道各段爆破药量的计算依据。为避免震动波的叠加,必须采用微差控制爆破,各段起爆时间应根据振动测试试验确定,或按经验值大于200ms为宜。
Ⅲ类以下围岩地段施工采用预裂爆破作业,Ⅳ类以上围岩地段施工采用光面爆破作业。钻爆作业应监测围岩爆破扰动深度、爆破震动对周边及中间岩柱的破坏程度,对爆破震动加以控制,以利于中间岩柱的稳定。314 岩柱加固
挖,向前掘进3m后对中间岩柱改为水平斜向前方45°小导管注浆,小导管长1118m或1212m,排距115m或2m(前为Ⅱ类,后为Ⅲ、Ⅳ类)。注浆初始压力为015MPa,终止压力为115MPa,浆液配合比(体积比)为水泥∶水玻璃=1∶015。
注浆前浆液在拌和机内进行搅拌,注浆结束至开挖的时间间隔,采用水泥—水玻璃浆液时为4h左右,以保证注浆材料有充分的胶凝时间,与地层充分胶结硬化,达到加固、堵水的目的。安装注浆管时,在注浆管孔口处用胶泥与麻丝缠绕,使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧,实现注浆管的止浆和固定。胶泥凝固到有足够强度后方可注浆。注浆结束后及时对注浆效果进行检查,如未达到设计要求时,必须补充孔后再注浆。
(2)中间岩柱预应力对拉锚杆
中间岩柱对拉锚杆采用<25螺纹钢筋,张拉设备采用穿心式单作用千斤顶。锚杆预张拉力为50kN,一端固定一端张拉。锚杆固定端和张拉端沿纵
设计对Ⅱ类围岩浅埋段必须加固中间岩柱,Ⅲ类围岩和Ⅳ类围岩地段仅在岩石破碎带部位加固中间岩柱。隧道施工步骤是先开挖左洞,同时在左洞中间岩柱施作<50小导管加固中间岩柱,在开挖支护后再进行右洞小导洞开挖,小导洞施作初期支护后安装中间岩柱的预应力锚杆。(1)中间岩柱注浆
洞口刷坡时,两隧道中间岩柱坡口处原地面土体应暂时保留,以支挡坡面。洞口临时防护完成后,挖除中间岩柱坡口土体,立即沿隧道轴向对中间岩柱正面打入长5m、厚5mm、<50小导管,注浆加固中间岩柱坡面。当注浆达到设计强度后进行左洞开60
向间隔一排布置,在同一截面上间隔进行张拉,以避
免产生局部压应力集中现象。螺纹钢筋的锚固需在油泵开动、压力表指针稳定时进行。
千斤顶施加预拉力时采取边张拉、边拧紧锚具的方法,施加初始预应力的相应油压值一般为设计油压的10%,以此作为丈量钢筋伸长量的起算点。预应力锚杆的张拉一律采用双控法,油压值的误差不得超过±2%,伸长量的误差不得超过±5%(量
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・岩土工程・
高速公路软基段的稳定性分析及其处理
木明强
(中铁十九局集团第二工程有限公司 辽宁辽阳 111000)
摘 要 介绍了适合高速公路软基加筋稳定性的计算方法,对达渝高速公路某软土地基段稳定性进行了计算和分析,并对危险地段进行断面监测。根据监测结果及现场实际,提出了可行的填土方案,保证了路堤地基在填筑过程中的稳定性。
关键词 高速公路 软基处理 稳定性分析
1 引言
在深厚层低液限黏土地基上填筑高路堤的高等
收稿日期:20041220;修回日期:20050211级公路需要解决两大问题:稳定问题和变形问题,它
直接影响着施工组织、进度安排和工程质量等。四川达(达川)-渝(重庆)高速公路K95+768K96+925段,软基处理采用堆载预压方法,该段地质条
件复杂,淤泥层分布不均匀,一般厚4～6m,最厚处
测伸长率时注意岩体压缩,参照点不得采用垫板)。
4 结论
通过对小净距隧道岩柱力学性能分析可知:
(1)在软弱的Ⅱ、Ⅲ类围岩段内进行施工时,中
固措施,以确保中间岩柱的稳定。
(3)小净距隧道工程的难点是爆破作业。必须采用预裂爆破或光面爆破技术,减小爆破振动对隧道结构的影响。
(4)小净距隧道施工的重点是工序控制,通过正确安排双洞的开挖、支护的间隔和顺序,有效控制两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形,保证隧道结构安全。
(5)小净距隧道的支护参数略强于传统分离式双洞隧道的设计参数,但施工工艺相对连拱隧道要简单得多,投资也大大节约,具有很好的推广前景。石狮小净距隧道在设计、施工全过程确保了施工安全及隧道的结构安全,单位工程质量获优良等级,说明在设计、施工中采取的方法是可行的、有效的。
参考文献
1 JTJ026
90 公路隧道设计技术规范
央岩柱会出现蝶形塑性区,通常在Ⅱ类围岩段内蝶
形塑性区贯通且安全系数低于110,而在Ⅲ类围岩段内蝶形塑性区比Ⅱ类围岩段内的小且安全系数在110～115,加固处理后,岩柱的塑性区大大减小,满足安全稳定等设计要求。
(2)在Ⅳ、Ⅴ类围岩地段,岩柱不会出现塑性区,但Ⅳ类围岩段内会出现岩柱局部的安全系数在115～310,Ⅴ类围岩段内岩柱局部的安全系数在310以上。
基于上述不同围岩情况下岩柱力学性能分析结果并结合石狮小净距隧道工程施工实例,可以得出以下结论:
(1)必须在Ⅱ、Ⅲ类软弱围岩段做好超前支护,以提高软弱围岩的整体受力性能。
(2)小净距隧道工程的关键是加固中间岩柱。软弱围岩必须通过注浆及设置预应力对拉锚杆等加
2 张兴来,钟云健.小净距并行隧道围岩稳定的分析方法及
应用.重庆交通学院学报,2003(1)
3 黄拔洲,陈少华,秦 峰.小净距隧道在京福高速公路上
的实践.重庆大学学报,2003(10)
4 JTJ042
94 公路隧道施工技术规范
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