压浆钢管式管棚法在隧道塌方处理中的相对适应性研究.docx
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1、压浆钢管式管棚法在隧道塌方处理中的相对适应性研究摘 要:目前管棚工法在我国隧道施工中已被广泛采用,尤其在隧道塌方处理中更是起到举足轻重的作用,并且随着我国经济的快速发展,高速铁路、地铁、城市地下空间等都有了很大的发展,管棚法将面临越来越多的工程应用。但由于各方对该工法定义不同、未系统阐明其适应性等原因,施工单位对管棚法仍局限于教条,凭经验办事,无法使其发挥应有的作用。本文以压浆钢管式管棚法为例,简单从其加固机理及作用效用分析其原理,并运用大量工程实例论证,从而大致确定其在隧道塌方处理中的相对适应性。为有志于系统研究管棚法相对适应性者搭梯铺路。关键词:隧道;塌方;压浆钢管式管棚法;适应性1.引言
2、塌方是在不良地质地段施工隧道时最常见的一种灾害性事故,当预防措施不理想,不可避免的发生后,使用合理的处理措施不但能降低延误工期、节省资金还可以防止塌方继续发展,减少工程质量隐患。近年来随着我国经济的飞速发展,管棚法施工已被广泛采用,使其预支护技术日趋成熟。但将其用于隧道塌方后的处理中仍局限于教条,无法从加固机理及作用效用上对其深刻认识,故有必要对管棚工法进一步研究,归纳其相对适应性原理,以便更好的指导现场,服务于施工。2.管棚工法的应用及发展2.1概念界定管棚工法是一种在隧道开挖之前沿隧道开挖断面外轮廓,以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管,再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆,来增加钢管外围岩
3、的抗剪切强度,并使钢管与围岩一体化,由管棚和围岩构成棚架体系的新的超前支护辅助施工技术1。在铁路隧道工程施工技术指南(TZ204-2008)中要求管棚长度一般1040m,钢管直径一般70180mm,中心间距宜为管径23倍,管棚外插角一般03,如图1。图1 隧道管棚超前支护示意图目前工程中管棚法大致可分为四种方式:1、充填钢管式,2、压浆钢管式,3、喷射式,4、喷射钢管式。其中压浆钢管式管棚法在我们施工中较为常用。2.2工程应用管棚法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。自其诞生初便得到了大量的工程应用。不论是现在还是将来都将在地下施工中扮演越来越重要的角色。2.2.1管棚法的历
4、史发展管棚法最早是作为隧道施工的一种辅助工法使用在不良地质地段。该技术首先诞生于20世纪70年代的比利时,当时在修建安特卫普(Antwerp)地铁站时受既有铁路车站影响,首次采用了管棚工法。随后在日本、美国和西欧等国被广泛采用。日本在八户市一段长180m的公路隧道中使用直径406.4mm,t=9.5m的长大口径管棚获得成功,我国铁道部第十六工程局在北京地铁西单车站施工中使用管棚法同样取得很好的效果,见图2。图2 西单车站施工示意图2.2.2管棚法的现状分析目前管棚工法因其安全可靠,针对性强,已被广泛应用于各种地下工程。包括在建筑物密集,交通繁忙的城市中心处进行地铁的暗挖施工,其预支护技术日趋成
5、熟,尤其随着近年来国内外专家学者对其进行了大量研究,均大大推进了管棚法各方面的迅速发展。目前在日本,管棚法已被公认为隧道施工中解决塌方冒顶的最合理、最有效的方法。2.2.3管棚法的未来发展随着我国高速铁路、城市地铁的快速发展,越江隧道、跨海隧道的修建以城市地下空间综合利用的飞速发展,管棚工法将会得到越来越广泛的工程应用3.本研究的价值及内容在我国管棚法飞速发展的现在,为更好的指导现场施工,本文对四大超前管棚施工法之一的压浆钢管式管棚法从其加固机理、作用效用两方面进行简单分析并使用大量工程实例论证,从而大致确定其在隧道塌方处理中的相对适应性。为有志于系统研究管棚法相对适应性者搭梯铺路。4.管棚法
6、的施工方法根据成孔时钻杆是否跟进,管棚法可分为2种:管棚引孔顶入法和管棚跟管钻进法2。其具体施工工艺流程图如下图3 管棚引孔顶入法图4 管棚跟管钻进法5.加固机理发生塌方事故后的隧道岩体非常的破碎其力学性能与无粘结力的松散地层相似,此时的围岩压力主要表现为松动压力。其代表性理论主要有1.岩土自重理论;2.岩柱理论;3.普氏理论。岩土自重理论适用于隧道埋深极浅,认为隧道洞顶土压力即为上部岩土自重。此时可以不考虑土壤内的抗剪摩擦作用,故计算出的压力较为保守,偏于安全。Q=式中Q-洞顶荷载(kn/m2); -洞顶岩土比重(kn/m3);H-隧道埋深(m);q-地面荷载(kn/m2)岩柱理论适用于浅埋
7、隧道,当顶部土体松动下沉时,由于土体内的摩擦将带动两侧三棱体,由于埋深较浅无法形成自然平衡拱,塌陷将扩展至地表,形成冒顶。Q=普氏理论适用于埋深较深,能形成自然平衡拱的隧道,此时作用在洞顶的围岩压力仅为平衡拱内的岩体自重。式中Q-洞顶荷载(kn/m2); -洞顶岩土比重(kn/m3);b1-自然平衡拱高度(m);a1-自然平衡拱的跨度(m);f-坚固系数(普氏认为f=0.1Rc,其中Rc为单轴抗压强度(Mpa)6.作用效用目前我们对管棚预支护的作用效用还不是很清楚,通常的认识是将其工作效用归纳为钢管本身、浆液本身和二者共同作用下的棚架原理6.1钢管的作用因钢管式先行设置的,在掘进时,钢管在格栅
8、与掌子面后方的支撑支持下,形成梁式结构,起到防止围岩的松弛、崩塌的重要作用,有效的提高了掌子面和拱顶的稳定性。采用锚固体理论,钢管的打入从连接原理、组合原理和整体加固原理三方面加强了岩体的结构力学参数,起到了提高围岩整体受力性能的改良作用6.2浆液的作用根据填充注浆理论、渗透性注浆理论、劈裂注浆理论和挤密注浆理论,在化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用下,浆液可以改良岩土的现有的性质或从根本上改变岩土的物理化学性质,从而在被注范围内产生一种新的物质,形成刚度较大的加固圈。 6.3棚架的作用管棚格栅和注浆加固后的围岩构成一个棚架支护体系,它起到了三方面作用:1、控制围岩变形;2、扩散围岩压力
9、;3、适当减少围岩开挖释放应力总之,钢管与注浆的共同作用在围岩中构成环绕洞顶的厚筒状加固圈,形成强大的预支护加固体系,从而通过提高岩体自身特性增强其稳定性,有效的抑制了围岩的松动垮塌。7.工程实例7.1海南省环岛高速公路青岭隧道7.1.1工程概况该高速公路设计为双线双车道,其中青岭隧道右洞长1140m,开挖高度9.8m,开挖宽度13m。7.1.2塌方情况里程YK304+038065处爆破时发生塌方,塌方长度27m,隧道拱顶以上塌方高度大约40m,塌方量约15000m3。塌方地段埋深75m,岩石为弱风化的英安岩和少量的砂岩和泥岩,洞内地下水不发育,存在几条断层破碎带。7.1.3塌方处理措施塌方后
10、,经研究采用超前小导管注浆加固拱部,然后逐步清渣,并采用喷锚网的支护手段。结果费时1个月,开挖掘进3m,出渣3500m3时,再次发生塌方,新的塌方渣体又掩埋作业地段,施工完全无法进行。根据地震CT层析成像法测出的断层破碎带构造情况分析和计算,决定采用长30m,127mm的管棚,一次跨过27m长的塌体。1) 打设管棚前,在拱顶范围内共布置11个注浆孔,注单液水泥浆1199m3,最大注浆压力为5.0Mpa。2) 注浆完成后第八天开始施工管棚。管棚布设在拱顶148圆心角范围的外轮廓线以上35cm处,管棚中心间距为35cm,管内设钢筋笼并灌注M30水泥砂浆,共布设45根,总长1350m。3) 由于塌体
11、成细颗粒的土状,故管棚完成后采用半断面开挖自上而下进行,下半断面采用大型机械作业,安全快速。4) 上部开挖后随即进行喷锚支护,使用格栅钢架,间距1.0m,并配以钢筋网。5) 二次衬砌采用简易衬砌台车进行,每一循环长度4.06.0m7.1.4塌方处理效果由于采用跟管钻进技术安装的长大管棚,具有钢管顺直、管径大,可承受巨大的塌体压力,使整个处理过程在安全可靠的条件下有序进行,从开挖到支护及二次衬砌都没发生任何意外的安全质量事故。整个塌方处理耗时4个月(其中注浆20d,管棚施工38d,开挖、支护、衬砌63d)7.2红岩隧道7.2.1工程概况红岩隧道为云寿公路改建工程泰顺至景宁间的双车道隧道,是该段改
12、建公路的控制工程。7.2.2塌方情况当隧道开挖至K11+645遇到长达87m的大断层时,原施工单位采取下侧壁导坑掘进,导坑断面约5m*4m,采用加强喷砼和抬棚架强行通过的临时支护体系。但在随后的扩大断面施工中,施工至K11+6666时,原来由抬棚支撑的岩体发生大坍方。后采取不连续的清碴办法,但每次清碴至工作面后,又发生塌方,恢复原状,并且岩碴由原先的粉末状变为间杂1m3m的巨大岩石,坍空区已延至断层外基岩影响带,预计坍方高度在50m左右,长共计18m。断层带岩性由灰色砂砾岩、断层泥及断层角砾岩组成,岩石呈角砾状松散结构,岩体整体性差,局部有渗水,易失稳,开挖后坍方频发。7.2.3塌方处理措施根
13、据坍方体的工程地质特点,确定了在拱部施作仰角13,89mm(厚5mm)长26m的管棚,管棚间距30cm,共计52根。管棚结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约4m厚的加固圈,并在开挖时以小导管补强注浆加固。开挖采用上下台阶法,上台阶高度约4m,采取预留核心土环形开法,上下台阶间距长度5m,以人工开挖为主,对局部未坍方部位可采用松动爆破。在开挖后立即施作格栅拱架及锚网喷支护体系。注浆分三序孔注入,注入顺序依次为C-S浆、水泥浆、水泥砂浆。注浆应在钻孔下管完成后立即进行,以便在钻相邻孔时可做为当前注浆孔的检查孔。所有管棚钢管均以3O号水泥砂浆充填,以加强钢管的刚度。注浆参数如下:双液浆:水泥浆W
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