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1.溶洞概况
桐油山隧道K2+195~+365为浅埋段,拱顶覆盖层厚度约为10~20m。
覆盖层大部分为人工杂填土,拱顶岩层厚度约为0~1.5m,
并已强风化成碎块状或砂屑。
该段为桐油山隧道施工的关键难点部位,采用三导洞法分部扩挖施工,为了构筑中隔墙,首先开挖施工中导洞。
中导洞宽为6m,高为5.15m(比正洞拱顶低3m),采用直边墙、圆弧拱断面,断面矢跨比为1/4(为了控制中隔墙顶部的超挖回填量,故采用较扁平的断面)。
中导洞开挖至K2+312,整个断面岩性由白云质灰岩突变为粘土,沿岩土分界面有小股状渗水(水量逐渐变小并消失),导致顶板坍塌,坍腔高约2m。
为了确保施工安全,随后调整了中导洞临时支护措施,拱部采用©
42钢管超前支护
(长3m,纵向间隔2m布置一环,环向间距30cm),拱墙采用118工字钢支撑(纵向间距50cm)、钢筋网(©
6、20cmx20cm、双层)、C20喷砼(厚20cm),断面矢跨比调整为1/3,继续开挖至K2+332,中导洞全断面岩性由粘土突变为白云质灰岩,安全顺利的渡过了粘土段。
右导洞开挖在K2+315~+330遇粘土地层,右导洞宽4.5m,高5.9m,采用直边墙半圆拱断面,临时支护采用①22四肢格栅钢支撑
(间距50cm)、钢筋网(©
6、20cmx20cm、双层)、C20喷砼(厚20cm),拱部采用©
42钢管超前支护(长3m,纵向间隔2m布置一环,环向间距30cm)。
中导洞和右导洞开挖后,重新补作了地质钻探和调查,判定K2+312~+332段为原地勘报告未反映的一个大溶洞;
该溶洞纵向宽达20m,横向贯通了整个隧道断面(横向长度在35m以上),向上延伸至地表与人工杂填土地层连通,向下发育深度在15m以上;
溶洞内全部充填含水饱和的软塑状砂粘土,地下水为地表雨水补给,水量较小。
该溶洞规模大,隧道洞周充填物软弱,覆盖层薄(厚度约为20m),地层压力大,成洞困难。
左洞开挖揭示,溶洞左侧(岩土分界面)基本沿左洞边墙开挖线发育,左边墙基底处溶洞纵向里程为K2+322~+336,溶洞在拱
顶的出露里程为K2+327~+341.5。
溶洞分布情况详见附图一
2.原设计施工方案
原地勘报告指明,K2+312~+332段隧道全断面处于白云质灰岩地层内,为III类围岩浅埋段,按新奥法原理设计施工,采用复合式衬砌结构。
2.1.初期支护
锚杆:
①22全长粘结型砂浆锚杆,长为300cm,纵、环向间距为100cmX120cm,拱墙全断面布置;
钢筋网:
©
6,网格间距25cmx25cm,单层,拱部布置;
C20喷砼:
厚20cm;
格栅钢支撑:
①22四肢钢支撑,钢支撑横截面为20cmx12cm,
纵向间距100cm;
2.2.二次衬砌
C25钢筋砼衬砌,厚45cm,主筋配置为①18@250,未设仰拱;
2.3.存在问题
K2+312~+332段隧道全断面位于软塑状粘土充填的溶洞内,地层软弱,围岩压力大(竖向、侧向),隧道底部松软,地基承载力低,成洞困难,按照原设计施工,不能确保施工及结构安全。
钢筋格栅钢支撑刚度小,相对型钢钢支撑为柔性结构,必须与喷砼结合后方能承载,不能对围岩即时提供支护。
粘土充填物含水饱和,地层软弱,在地表渗水的作用下,极易坍塌,开挖很难成型,施工安全无保证。
隧底软弱,承载力低;
岩土分界面发育不规则,与隧道轴线呈现斜交,分界面处地基软硬差异分明;
围岩竖向、侧向压力大,衬砌结构未形成封闭环,衬砌内轮廓扁平且为直边墙结构,极易导致大沉陷开裂;
特别是中隔墙,该部位同时承受左右隧拱圈荷载,压力大,施工过程中存在重复加载和偏压现象,受力状态复杂多变,更易出现沉陷导致二次衬砌结构开裂。
由于该段地质情况发生重大变异,原设计支护结构和施工方
案已不能保证施工安全和结构安全,必须进行变更设计。
3.变更设计方案根据实际地质条件,结合工期要求,在确保施工和结构安全的前提下,业主、设计、监理、施工单位经多次研究比选,最终决定采用“小导管超前支护、型钢钢架支撑、二衬封闭成环、钢筋砼梁跨越”的处理方案。
详见附图四。
3.1.小导管超前支护为了防止掌子面坍塌、掉块,正洞拱部布置单层小导管超前支护;
采用©
42X5无缝钢管,长4.5m;
纵向间距2m布设一环(前后两环纵向搭接长度为2.5m),环向间距35cm;
小导管仰角为5°
~10°
。
3.2.型钢钢支撑型钢钢支撑刚度很大,安设后,只要与围岩之间形成点状接
触,便可立即发挥支护作用,特别适用于自稳时间短的软弱地层。
型钢钢支撑采用118工字钢,纵向间距@50cm布置一榀,沿环向@100cm布置一根©
22纵向拉结筋,纵向拉筋与工字钢支撑焊接,保证钢支撑整体受力均匀,防止出现纵向倾覆;
工字钢支撑采用分节加工预制,现场拼装;
节与节之间通过10mm厚钢板和©
20螺栓连接。
3.3.钢筋网、喷砼
采用©
6钢筋,拱墙全断面双层布置,网格间距25cmX25cm,钢筋网与工字钢支撑点焊固定;
C20喷砼厚度采用25cm,保证喷砼可全部覆盖钢支撑并保持3~4cm的保护层厚度。
3.4.隧底处理
该溶洞为软塑状粘土充填,隧底充填物深度在15m以上(补充钻探孔深15m,仍未钻至基岩),基底软弱承载力低。
由于深度大、中(侧)导洞空间狭窄、工期紧,结合施工现场机具条件,按照技术可行、经济合理的原则,经多方案比选,采用浅层换填和钢筋砼跨越的措施,进行隧底处理。
3.4.1.隧底换填
如附图四所示,隧底采用C25泵送片石砼换填,换填深度为2m。
泵送砼换填施工速度快,可及时圭寸闭隧底基坑,避免长时间暴露而导致基底泥泞恶化。
通过隧底换填,既可增强隧底对钢筋砼梁的抗力作用,改善钢筋砼梁的受力状态,又可硬化圭闭隧底,创造良好的施工场地条件。
3.4.2.钢筋砼梁跨越
左右边墙及中隔墙基底沿隧道纵向各设置1根钢筋砼梁(简称边梁、中梁),整体跨越溶洞,避免因隧底承载力不足而导致结构破坏失稳。
⑴断面尺寸
梁高均为100cm;
边梁宽为130cm,中梁宽为290cm(与中墙基础同宽);
钢筋砼梁的长度按照梁两端各与岩基搭接5m的原则确定,根据溶洞实际分布里程,确定左边梁的长度为24m
(K2+317~+341),中梁及右边梁的长度为30m(K2+307~+337)。
⑵材料及配筋
砼采用C25等级;
钢筋采用I、II级。
钢筋砼梁按照承受均布荷载的弹性地基梁进行计算,验算截面强度,确定配筋。
如附图二所示,钢筋砼梁岩基段承受负弯矩,粘土段为正弯矩,岩土分界处正负弯矩均为最大值,中部弯矩值较小,剪力分布呈现出同样的形态。
为了提高结构安全度,取最大弯矩和剪力值进行配筋计算,
并采用对称、均布配筋。
中梁配筋为:
纵向主筋为32①28(受拉、受
压区对称配置,并沿纵向贯通,中间不弯起、不切断,共64根①28);
腹筋采用6肢①18@240(腹筋沿纵向均布);
纵向主筋较密,会影响砼的密实性和握裹性,设置横向架立钢筋,将纵向主筋分成2层布置。
边梁配筋如附图所示,纵向主筋为27①28(共54根),分为3层布置;
腹筋采用4肢①20@200。
详见附图
(二)。
⑶梁端岩基处理梁端岩基承受很大的竖向压力。
该处岩石受溶蚀影响,较为破碎。
如附图一所示,为提高梁端岩基的稳固性,采用水平状①22锚杆和竖向①42钢管注浆加固,以防岩基受压后沿竖向节理面、溶蚀面等软弱结构面产生劈裂。
3.5.二次衬砌按照实测埋深和实际地质条件,重新验算确定二衬结构参数,如附图四所示:
3.5.1.二次衬砌采用65cmC25钢筋砼,拱墙主筋采用①22@200,并在边(中)墙基础配置纵向受力钢筋①28(边墙4根,中墙13根)。
3.5.2.增设C25钢筋砼仰拱,仰拱厚45cm,环向主筋为①22@200,纵向仍然配置受力钢筋①16@300,增强仰拱纵向承载能力。
4、施工方案该段为浅埋软弱不良地质段,施工按照“管超前、短进尺、支护紧跟、快封闭、勤量测”的原则,步步为营,稳打稳扎,确保了施工安全和结构安全。
4.1.施工工序
如附图三所示,该段采用三导洞分部扩挖施工,施工工序流程
如下:
42隧道开挖(导洞及正洞拱部)
隧道开挖必须在超前支护的保护下方可进行,开挖后立即初喷封闭,防止拱部掉块。
每循环开挖进尺为1m。
粘土段采用人工修边、挖掘机挖核心的方式开挖。
先沿开挖轮廓线开挖弧形导坑,保留核心土,以保证掌子面的稳定,待初期支护封闭后方可开挖核心土。
超前支护小钢管采用YT-28凿岩机直接顶推,打入粘土地层,形成超前支护。
因超前支护以下的土体会自动坍落造成超挖,故应严格控制超前支护仰角,尽可能按水平方向施作;
施工采用在工字钢支撑腹板按环向间距预先钻设©
50圆孔,钢支撑安装后,通过圆孔顶推超前小钢管,既控制了仰角,又保证了钢管位置的准确,同时,超前钢管搭在钢支撑上,形成可靠的支点,有利于充分发挥超前钢管的超前支护作用。
开挖左正洞拱部时,采用I18工字钢水平横撑支顶在中隔墙右侧,以免中墙在左洞拱部支护结构偏心荷载作用下,发生侧移或倾斜,从而导致已施作的支护结构开裂。
工字钢横撑在中墙顶的高度布置1排,纵向间距为100cm。
4.3.边(中)墙隧底换填中(侧)导洞通过溶洞段后,进行边(中)墙隧底换填。
隧底换填开挖极易导致导洞临时支护下沉失稳,事前采用©
42小导管注浆,对临时支护基脚进行锁固。
采用分段开挖施工,分段长度为3m,深度一次性挖到设计高程。
并立即采用锚、网、喷将临时支护基脚往下顺接,避免基脚悬空失稳。
随后进行下一段开挖,循环往复直至整段粘土隧底开挖完毕。
整段粘土隧底开挖完毕后,一次性浇筑该段C25泵送砼,浇筑过程中,采用人工抛填片石,片石掺量为30%(体积比)。
4.4.钢筋砼梁及中隔墙施工钢筋砼梁必须通长整体一次性浇筑。
纵向主筋采用双面搭接电弧焊,并保证焊接质量。
纵向钢筋通过水平横向架立钢筋进行准确定位,保证上下两层钢筋间距。
采用插入式捣固棒进行振捣。
中隔墙根据施工能力分段施作,随后进行中墙顶部超挖回填(中墙顶与中导洞临时支护之间的空间),以便发挥中墙的竖向柱撑作用,减少左(右)正洞拱部开挖跨度。
墙顶超挖采用喷射砼回填。
4.5.拱墙二次衬砌拱墙二次衬砌采用衬砌台车、泵送砼整体浇筑,以保证二次衬砌的整体性。
每环浇筑长度为9m。
拱墙二次衬砌在钢筋砼梁、钢筋砼仰拱施工后进行,充分发挥钢筋砼仰拱的作用。
拱墙二次衬砌(含仰拱)在K2+307、+337设置沉降缝。
4.6.施工监控量测施工过程中,进行了拱顶下沉、水平收敛和地表沉降观测三个监控量测项目。
通过监控量测,全过程监控支护结构的变形,由此判断洞室的稳定状态,及时调整施工措施和支护参数,确保施工及结构安全。
目前左洞施工已渡过溶洞段,初期支护、二次衬砌均未出现开裂。
实测拱顶下沉最大值为36mm,水平收敛最大值为27mm,地表沉降最大值为21mm。
变形位移值均属正常范围,且位移时态曲线均已收敛、趋于稳定,说明采用的处理方案、施工措施合理可靠。
5.结束语
桐油山隧道K2+312~+332溶洞处理方案和施工措施的成功,为全断面双连拱隧道全粘土充填溶洞处理提供了借鉴、参考。
⑴小钢管超前支护(L=3~4.5m)可用于无显著地下水活动的粘土地层施工(即使粘土含水量大,呈软塑状),相对于大管棚超前支护,降低了施工难度和工程造价,有利于加快施工进度。
⑵软弱地层,隧道支护结构必须形成封闭环。
⑶隧底粘土充填溶洞处理,关键是要解决基底软弱、沉降大而不均的问题。
采用梁、板、桥等结构,整体跨越溶洞,是最彻底、最可靠的解决方案。
改良固结隧底地层,只能作为跨越方案的一个辅助措施,粘土地层不管如何改良、固结,其性能总是无法与岩石地基相比。
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