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湿陷性黄土地区超小净距隧道超前支护分析

发表时间:2021-09-25 15:40

引言


为了降低隧道洞口处的施工风险,可以采用超前小导管、导管预注浆和大管棚、水平旋喷桩等超前加固措施。对于湿陷性黄土隧道,应采用三维模型优化加固参数,综合超长管棚施工工艺、钻机应用、泥浆配制等技术确定施工技术,提高加固之后的岩土体弹性模量可以减少地层位移,从而控制地层沉降,优化施工参数与加固方案。


2 工程概况与超前支护方案编制


某隧道属于分离式长隧道,周围紧邻黄河特大桥,为了解决隧道与大桥间的布线问题,本次隧道施工计划根据项目地质环境实施“分离式-小净距”施工方案。隧道的出口段处于红冲黄土,土壤呈黄褐色,比较湿润,土质不够均匀,土壤中含有细砂薄层。在湿陷性黄土地区进行隧道工程施工,施工难度较大,有必要做好超前支护施工。按照隧道位置关系和隧道的围岩性质,结合地质条件与以往的施工经验,依靠计算机技术使用GTS-NX有限元分析软件,对30m纵向管棚支护与水平旋喷支护管棚、水平旋喷桩支护方式展开数据分析,为接下来超前支护方案的编制提供参考依据。完成超前支護后,应用弧形导坑的方法在超小净距隧道的左右洞预留并开挖台阶,每开挖1m左右就要做好衬砌结构的时候,以双层初步支护与模筑衬砌结构相结合,参考地质勘察实验报告和岩土规范,了解各项参数,遵循刚度等效原则加固湿陷性黄土土体[1]。


黄土弹性模量为200×10³kN·m-2,材料容量为16kN·m-3,黏聚力为20kN·m-2,内摩擦角为25°。在土体加固中,管棚加固土规格为0.2m,弹性模量为7.6×105kN·m-2,材料容量为20kN·m-3,黏聚力为300kN·m-2,内摩擦角为30°;水平旋喷桩弹性模量为2×106kN·m-2,材料容量为21.5kN·m-3,黏聚力为9×10²kN·m-2,内摩擦角为38°。地层宽度和隧道埋深分别为60m和54m,隧道纵向长度有30m,超前支护长度有20m。模拟隧道上台阶开挖到15m的位置,最大竖向沉降主要体现在距离掌子面的1m,管棚施工方案的数值比较大,可达到7.66cm;管棚与水平旋喷桩施工方案的竖向沉降值比较小,只有4.97cm。经分析,本文针对湿陷性黄土地区的隧道施工决定采用大管棚配合水平旋喷桩的施工方案,利用超前支护方法提高隧道结构的支护效果。


3 湿陷性黄土地区超小净距隧道超前支护技术分析


3.1 测量放线与钻孔作业


施工前应做好相应准备工作,对钻孔位置精准放线,做好相应标记,保证后期钻孔施工与复核作业顺利进行。测量放线作业的关键在于确定超前小导管的中心与距离,保证数据准确。钻孔施工作业前,应定为钻机,保证定位准确,核实钻孔,确定钻头的位置,采用挂线和全站仪相结合的方法施工,使用直径大小合适的钻头,保证超前小导管顺利安装。对于湿陷性黄土地区或围岩不稳定地段,钻进时可能会出现卡钻或者塌孔等现象。因此,施工人员需要先注浆,对围岩临时加固,随后再继续钻孔。以低钻低速风压进行钻机开钻,确定钻孔位置后结合黄土地区地质情况,调整钻进速度与风压,使用测斜仪测量钻孔方向,准确判断成孔质量,钻孔完成后及时进行清孔工作。


3.2 超前小导管施工


小导管施工前应清理好表面的杂物,使用钻机加工注浆孔,要求注浆孔的间距保持在0.3m左右,且注浆孔呈梅花形状。注浆后及时清除铁屑和杂质,磨平注浆孔。搬运导管时应轻拿轻放,且保护好小导管,出现变形问题时应重新加工小导管,直到其再次垂直。安装前应查看钻孔质量,经过压水试验后在展开注浆作业。提前用拌和桶配置水泥浆。每次注浆可以同时使用5根导管,按照从下到上的顺序注浆,注浆前安装止浆环,保证止浆环密封性。在超前小导管处设置排气孔,注浆时如果出现串浆现象,应及时拿出封堵的杂物;如果注浆压力突然增加,这与导管堵塞有关,建议停止注浆作业,并做好检查工作;如果注浆时堵管,可以敲击或者滚动钢管,保证浆液在管中顺畅流动,必要时可进行补管操作。注浆时如果孔中的浆液量过大,或者压力无法升高,建议按照浆液的浓度与配合比情况做出适当调整,缩短胶凝时间,采用小蹦量,以低压方式注浆,为凝胶奠定基础。注浆时压力会不断增加,导致泵压也不断加大,要求施工人员观察压力变化情况,当实际压力值与设计压力值相互符合时,在终压的20分钟后停止注浆操作,这时应及时卸载注浆系统与注浆混合器,清理装置。对浆液固结与渗透情况做好开挖检查,详细分析压力浆量曲线,以便及时进行补浆作业。


3.3 管棚配合水平旋喷桩支护


在隧道的拱顶位置120°范围内插入30m长的管棚,以大管棚作为旋喷桩临时支护设施。在隧道起拱线以上的位置设置水平旋喷桩,可设置两层,旋喷桩长度20m,直径为60cm即可,要求旋喷桩的中心间距控制在50cm左右,呈咬合布置。使用摇臂钻机,钻杆每节长度在3m左右,旋喷钻头的外径是8cm,顶部有两个喷射头,开孔孔径是2mm。使用水泥浆液完成注浆,将水灰比控制在0.8即可,注浆压力保持在45MPa,按照每分钟10r的速度控制钻杆转速,后退速度是每8秒5cm,水泥浆液的流量是每分钟250L。施工时应按照先从周边再从中间、先从下部再从拱部的位置顺序成桩,钻进时应观察摇臂钻机的实际应用情况,尽可能的将钻孔外插角的偏差保持在1%以下[2]。


3.4 施工现场应用效果分析


大管棚与水平旋喷桩应用下的隧道超前支护方案可以防止施工时出现管棚支护抗弯刚度低的问题。和传统的水平旋喷支护方案相比,在旋喷桩中增加管棚可以让超前支护强度有所提升,且水平旋喷桩可以固化超小净距湿陷性黄土隧道内的夹土柱,优化相应力学指标,防止后续施工对隧道的衬砌结构产生不良影响。现场施工中,隧道明暗交界位置的衬砌外缘净距最小只有0.64m,采用以上施工方法后没有发生支护变形或者开裂的现象,且地表构筑物和天然气管道没有开裂或泄露。对湿陷性黄土地区进行隧道超前支护施工后,初步支护没有明显的变形和开裂现象,且衬砌结构整体稳定性较高,可以承载来自上方土体与隧道内的交通荷载,施工效果良好,已经达到预期设想。


4 总结


总而言之,针对湿陷性黄土地区地质条件的隧道进行施工,了解超小净距施工段的围岩实际情况,做好沉降控制,采用大管棚与水平旋喷桩超前支护施工方案,提高施工效果。该施工方案可以控制因隧道开挖而产生的地表沉降,保障构筑物安全可靠,施工后隧道洞口超小净距段只有0.64m,超前支护效果良好,可用于其他工程施工。


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