小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則與施工措施研究
【摘要】小凈距隧道是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種結(jié)構(gòu)型式，由于不受地形條什以及總體線路線型的限制，其較連拱隧道有施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)較低的特點(diǎn)，愈來(lái)愈受到工程界的育睞。但山于小凈距隧中間巖柱體厚度遠(yuǎn)小于普通分離式隧道，具圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜。本文結(jié)合小凈距隧道圍巖的受力、變形特點(diǎn)，對(duì)小凈距隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則與施工步驟進(jìn)行了研究。
【關(guān)鍵詞】隧道 小凈距 設(shè)計(jì)原則 施工步驟
1前言
在地下鐵道、鐵路隧道、公路隧道中，由于受到地形條件以及總體線路線型的限制，往往不得不在間距不充分的條件下修建2孔或多孔隧道。在該種情況下，目前主要采用連拱隧道及小凈距隧道等特殊結(jié)構(gòu)型式，而工程實(shí)踐表明，連拱隧道存在大量缺點(diǎn)：諸如1)由于開挖總斷面較大、扁平率較低、施工較復(fù)雜，施工中極易產(chǎn)生塌方，施工期間的安全性不易保證；2)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，中墻頂部連接處的防水問(wèn)題很3囡解決，建成后容易滲漏水，嚴(yán)重影響公路隧道的適用性和耐久性；3)連拱結(jié)構(gòu)對(duì)變形敏感，襯砌易出現(xiàn)裂縫，破壞結(jié)構(gòu)整體，安全性較差；4)進(jìn)出口淺埋段及低類別圍巖段工程造價(jià)過(guò)高等。而小凈距隧道施工工藝同普通分離式隧道相比差別較小，較之連拱隧道施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，施工安全性和長(zhǎng)期可靠性容易得到保證。但由于小凈距隧道中夾巖柱體的厚度較小，其圍巖穩(wěn)定性和變形特點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制具有自身的特征，因而支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和施工方法將與其他結(jié)構(gòu)型式隧道不同。
2 小凈距隧道圍巖的受力、變形特點(diǎn)
小凈距隧道圍巖的受力、變形特征與隧道斷面型式、斷面尺寸、圍巖類別、隧道埋深、中夾巖柱體厚度、開挖方式、支護(hù)型式和參數(shù)選取等眾多因素有關(guān)。其中，小凈距隧道與普通分離式隧道的主要區(qū)別是，前者中夾巖柱體的厚度較薄，因施工過(guò)程中的多次擾動(dòng)而成為受力薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)圍巖類別較低，巖柱較薄時(shí)，其中夾巖柱體將形成貫通的塑性區(qū)，嚴(yán)重影響圍巖的穩(wěn)定性。
圖1為開挖單洞和雙洞后，拱頂位移與隧道凈距、圍巖類別的關(guān)系曲線圖。可知拱頂位移隨隧道凈距減小、圍巖類別降低而急劇增加。
圖2為雙洞開挖后等效應(yīng)力隨隧道凈距的變化情況圖。從中可以看出小凈距隧道隨著中夾巖柱體厚度的減小，其圍巖的受力變得愈來(lái)愈不利，尤其是中夾巖柱體的受力。
因此，對(duì)于小凈距隧道宜限據(jù)圍巖條件、巖柱厚度等因素選取合理的斷面型式、開挖方式和支護(hù)參數(shù)等。
3 小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
小凈距隧道與普通分離式隧道相比，中夾巖柱體厚度較薄，受力不利，加之地質(zhì)條件變化較大，參數(shù)準(zhǔn)確選取相當(dāng)困難，因此，對(duì)于小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，宜在監(jiān)控量測(cè)的基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則。需注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
(1)初次支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，有利于及早進(jìn)行支護(hù)，保護(hù)圍巖、穩(wěn)定圍巖的變形，同時(shí)，有利于根據(jù)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)情況進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng)。
(2)初期支護(hù)宜作為主要受力結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土，只承受少量荷載，主要作為安全儲(chǔ)備，有利于在圍巖條件惡化后，保證隧道的長(zhǎng)期安全性。
(3)中央巖柱體的穩(wěn)定性是小凈距隧道是否成功的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)情況對(duì)中夾巖柱體采用大噸位預(yù)應(yīng)力錨索、對(duì)拉錨桿、無(wú)阽結(jié)鋼絞線、小導(dǎo)管預(yù)注漿、水平貫通式錨桿等技術(shù)進(jìn)行加固。
(4)仰拱對(duì)減小、抑制圍巖的變形，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力有重要作用，因此，對(duì)于小凈距隧道宜考慮設(shè)置仰拱并使其盡早閉合。
(5)由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)、中夾巖柱、圍巖的受力和變形狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)具有重要意義。
(6)雖然數(shù)值計(jì)算在參數(shù)選取、模型建立上與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有較大的出入，當(dāng)在隧道設(shè)計(jì)中用以作為輔助手段，研究圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力不利部位和薄弱環(huán)節(jié)，作為定性分析，仍是很有必要的。
(7)巖柱厚度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖的受力和變形，特別是巖柱體的穩(wěn)定有重要的影響，因此，無(wú)論何種圍巖，巖柱體均不宜過(guò)小。
4 小凈距隧道的施工
小凈距隧道的施工方法與普通分離式隧道相比差別不大，但由于中夾巖柱體厚度較小，在施工過(guò)程中，其是受力薄弱部位，穩(wěn)定性較差，因此，在施工中對(duì)中夾巖柱體的保護(hù)將至關(guān)重要。小凈距隧道施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)是合理選取開挖順序、控制爆破作業(yè)，確保隧道開挖過(guò)程圍巖的穩(wěn)定，減小兩隧道之間由于凈距較小引起的圍巖變形、爆破震動(dòng)等不利因素。對(duì)于低類別圍巖、軟弱、破碎圍巖來(lái)說(shuō)，重在確定合理的開挖順序，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；對(duì)于高類別圍巖、堅(jiān)硬、完整圍巖，重在控制爆破振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。
4．1 采用合理的開挖順序
為確保開挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，減小因隧道間距小引起的圍巖變形、爆破震動(dòng)等不利因素，滿足小凈距隧道中央巖特有的加固要求，一般情況下，I、II類圍巖采用正向單側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖方法，Ⅲ類圍巖采用反向單側(cè)壁導(dǎo)坑的開挖方法,IV、V、VI類圍巖采用超前導(dǎo)坑預(yù)留光面層的開挖方法。
表1 雙車道小凈距隧道推薦采用施工方法
(1)對(duì)于I、II類圍巖，宜采用正向單側(cè)壁導(dǎo)坑法，該法有利于及早對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固，及早對(duì)中夾巖柱進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，為開挖后存在的風(fēng)險(xiǎn)提供超前預(yù)報(bào)，以便及時(shí)處理。
當(dāng)遇隧道斷面較大、圍巖條件較差、隧道淺埋、地下水豐富時(shí)，圍巖難以自穩(wěn)，應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固、地表加固或?qū)蝹?cè)側(cè)壁的上、下臺(tái)階進(jìn)—步采用分步開挖。
當(dāng)圍巖狀況較好，掌子面穩(wěn)定性好，為發(fā)揮大型設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，加快施工進(jìn)度，也可以將單側(cè)側(cè)壁的上、下臺(tái)階合為一步開挖或采用上下臺(tái)階與正向單側(cè)壁導(dǎo)坑組合法，但應(yīng)控制開挖進(jìn)尺。
(2)對(duì)于Ⅲ類圍巖，宜采用反向單側(cè)壁導(dǎo)坑，有利于減小爆破振動(dòng)對(duì)中夾巖柱的影響，當(dāng)圍巖條件較好、掌子面易穩(wěn)時(shí)，對(duì)于土質(zhì)、軟質(zhì)巖石條件，可采用上下臺(tái)階與正向單側(cè)壁導(dǎo)坑組合法；對(duì)于硬質(zhì)巖石條件，可采用上下臺(tái)階與反向單側(cè)壁導(dǎo)坑組合法或上下臺(tái)階法。
(3)對(duì)于Ⅳ、V、Ⅵ類圍巖，宜采用超前導(dǎo)坑預(yù)留光面層的開挖方法，增加開挖臨空面，降低爆
破對(duì)巖柱的影響。Ⅳ、V、Ⅵ類圍巖自穩(wěn)定性好，開挖的關(guān)鍵在于減小爆破振動(dòng)對(duì)巖柱的影響，由于超前導(dǎo)坑的存在，二次擴(kuò)挖(預(yù)留光爆層)的爆破裝藥量可以大大減小，從而降低爆破對(duì)巖柱的影響。對(duì)于巖柱較厚時(shí)，可采用上下臺(tái)階和全斷面開挖法。
(4)由數(shù)值計(jì)算町知，小凈距隧道后開挖隧道對(duì)先前施工隧道的影響較先施工隧道對(duì)后施工隧道的影響大，因此，在兩孔隧道地質(zhì)條件不同的情況下，先開挖地質(zhì)條件較差的[C較有利。
4．2 控制爆破施工中的振動(dòng)效應(yīng)
(1)采用低威力、低曝速炸藥或采用小直徑不偶合裝藥
某隧道工程中，在二號(hào)巖石硝銨炸藥中混入13％的添加劑，制成低爆速炸藥，使二號(hào)巖石硝銨炸藥的爆速?gòu)? 200m／s降至1 800m／s，振動(dòng)觀察表明，降震效果可達(dá)40％-60％。
(2)采用微差爆破
試驗(yàn)表明，采用微差爆破后，與齊發(fā)爆破相比可降震約50％。微差段數(shù)越多，降震效果越好(如圖3所示)。當(dāng)每段起爆時(shí)間間隔大于100ms時(shí)，各段爆破產(chǎn)生的地震波無(wú)明顯疊加，降震效果比較明顯。
(3)采用預(yù)裂爆破或預(yù)鉆防震孔
在爆破體與保護(hù)體之間鉆鑿不裝藥的單排、雙排防震孔(如圖4所示)或采用預(yù)裂爆破，降震率
可達(dá)30～50％。
同時(shí)，也可以在預(yù)裂炮孔內(nèi)側(cè)打一排孔，酌情少量裝藥，與預(yù)裂孔同時(shí)起爆，從而形成破碎區(qū)，這就可為內(nèi)部的大規(guī)模開挖建立隔震屏障，如圖5所示。
(4)限制一次起爆的肽裝藥量
當(dāng)保護(hù)體的容許臨界振動(dòng)速度確定后，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出一次爆破的最大裝藥量計(jì)裝藥量大于該值又無(wú)其他可靠降震措施時(shí)，則必須分次爆破，控制一次爆破的炸藥量。
(5)采用分步開挖，增加臨空面。
爆破體每增加一個(gè)臨空面，其振動(dòng)效應(yīng)可相應(yīng)降低10％～15％。
5 結(jié) 論
小凈距隧道由于中夾巖柱體厚度較薄，使得圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不合力，給施工帶來(lái)困難。但是，只要在設(shè)計(jì)、施工中堅(jiān)持“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、精心施工、及時(shí)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則，合理選取斷面形式、支護(hù)參數(shù)、開挖方式和施刀j匝序，就能充分發(fā)揮小間距隧道的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的目的。
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