寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术摘要:天恒山隧道作为国内第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道,从施工工艺到施工组织,国内没有同类工程经验可供借鉴,规范性的标准和要求几近空白,国外可供借鉴的类似工程也不多见。
项目针对该隧道特点,在深入调研和借鉴国内外先进经验基础上,优化并创新寒区浅埋土质隧道的施工工艺、支护参数,实现严寒地区浅埋大跨度土质公路隧道的快速施工。
关键词:土质隧道设计施工技术随着我国公路建设事业的飞速发展,隧道工程在高速公路建设中所占的比例越来越大,尤其是在浅埋、富水、软弱地段土质隧道。
这种土质隧道的施工方法又很不成熟,已成为隧道建设中设计、施工的技术难题[1～2]。
特别是严寒地区大断面浅埋土质隧道,因土质隧道可供借鉴的资料、经验有限,往往在隧道设计和施工时土质隧道被当作软弱围岩处理,这严重忽视了土质隧道的特性[3～5]。
从而进一步加剧了二次支护结构的受力条件,易导致衬砌的开裂。
在建天恒山隧道作为国内第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道,从施工工艺到施工组织,国内没有同类工程经验可供借鉴,规范性的标准和要求几近空白,国外可供借鉴的类似工程也不多见。
项目针对该隧道特点,在深入调研和借鉴国内外先进经验基础上,针对严寒地区大断面浅埋土质隧道的特点,优化并创新寒区浅埋土质隧道的CRD施工工艺、支护参数,实现严寒地区浅埋大跨度土质公路隧道的快速施工。
天恒山土质隧道的施工实践为同类隧道的施工提供了可供参考的技术资料,丰富了土质隧道的施工方法。
1 天恒山隧道工程概况1.1 工程概况天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界,是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。
哈尔滨绕城公路东北段的建设,使环路贯通,“一环五射”发挥整体功能。
对省会哈尔滨及其周边地区的社会、经济发展创造了良好的交通运输环境。
隧道为双洞分离式设计,单向双车道,单洞上行线长1660m,下行线长1690m。
建筑限界为净宽11.5m,净高5m,考虑本地区的特点,隧道净空断面为三心圆曲墙断面(隧道净面积A=76.782m2)。
隧道设计人行横通道4处,车行横通道1处,上行线和下行线各设置一处紧急停车带。
隧道设计行车速度80km/h,路面采用单面横坡,坡度2%,上行线和下行线纵坡为双向人字坡,坡度均为1.775%和-0.900%。
1.2 地形地貌隧道所处地貌单元为岗阜状平原区,地面侵蚀较强,起伏较大,呈坡缓、顶平漫岗式,局部“V”型冲沟发育,切割深度10m～25m。
前缘与松花江高漫滩后缘以陡坎相接,高差近40m。
隧道处植被主要为人工林及耕地。
隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内,地层分区为松嫩平原分区,地层分布主要有白垩系(K)及第四系(Q),本区缺失第三系地层。
根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果,隧道处岩土主要为亚粘性土,局部见砂层,地基承载力综合评价表显示,5-1、5-2、7-1和8-2地层为软可塑状态的软弱夹层,对隧道施工极为不利。
1.3 气候、水文地质特性隧区位于北寒带气候区,冬季长达五个月之久,春秋季节较短,年平均气温为5.7℃,极端最高气温39.1℃,极端最低气温－41.4℃;年平均降雨量为523.3mm,降雨期集中在6～8月份;年平均蒸发量1507.7mm;最大冻深2.05m,地面稳定冻结日期为11月下旬,稳定解冻日期为翌年4月中旬。
隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水,赋存于软可塑及软塑压粘土层中,钻孔后出现渗水现象,经测量计算24h渗水量为12.2L/m2,受大气降水补给,受季节影响,水量变化大。
2 隧道主体设计与施工2.1 隧道主体设计方案2.1.1 围岩分类隧道围岩比较单一,主要为粘性土,局部见砂层。
隧道处构造不发育,隧道围岩受地质构造影响程度为轻微影响。
根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中规定,天恒山隧道围岩分级以Ⅴ、Ⅵ级为主,其中Ⅴ级围岩占57％,Ⅵ级围岩占43％。
2.1.2 衬砌支护参数暗洞衬砌结构按新奥法原理设计,采用复合式支护结构形式。
初期支护以型钢拱架、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系,二次衬砌采用模筑混凝土结构,初期支护与二次衬砌结构之间设防排水层,二次衬砌表面设保温防火层。
(1)初期支护。
初期支护参数的选取主要依据工程类比确定,各种围岩及断面条件下的支护参数见表1。
(2)二次衬砌。
二次衬砌采用C30泵送自防水混凝土结构,抗渗标号为S10。
2.2 隧道CRD施工方案2.2.1 CRD施工方案天恒山隧道存5-1、5-2、7-1和8-2软可塑状态的软弱夹层,地基承载力极低,5-2地层仅110Kpa。
试验表明:软塑夹层对隧道开挖的变形和稳定性影响较大,其所处的位置不同对隧道的变形影响也不同;拱顶有软塑夹层时,土体无成拱能力;拱腰处有软塑夹层时,上覆土的成拱高度受到影响;在标准断面存在软弱夹层地段,采用台阶法施工,尽管初支拱脚采取了加固措施,但仍发生了下沉,核心土发生整体破坏,没有自稳能力,对稳定掌子面不起作用,洞顶最大沉降18cm,水平最大位移3.6cm;在跨度16.83m,高12.06m的紧急停车带加宽段和车行横通道口扩大断面段,采用台阶法施工,有支护情况下,拱顶最大沉降约为30cm,在支护全断面封闭后,隧顶的最大沉降仍然超过15cm;当采用CD法施工有软塑夹层、大跨度段时拱脚的切入变形较大,掌子面的稳定性较台阶法施工好,隧道施工过程中竖向变形较小,但拱肩处变形仍然较大。
因此,为了保证施工安全,对标准断面有软弱夹层段和隧道加宽段采用CRD法施工。
CRD法是将大断面隧道分部分块开挖,分部封闭成环,先开挖隧道一侧的上部并施作封闭的初期支护和临时支撑,再开挖隧道另一侧的上部且施作封闭的初期支护和临时支撑,最后进行隧道下部的开挖支护,最终形成隧道初期支护和临时支撑网状封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法。
施工注意事项:(1)在①分部开挖支护5m～7m后进行②分部的开挖支护,①分部与③分部的距离控制在1倍洞径之内,掌子面与仰拱及回填的距离控制在2倍洞径以内,在开挖时保持各分部开挖断面和各部的纵向间距,开挖轮廓线要圆顺,以减少出现应力集中现象;(2)在施工过程中及时设置临时仰拱封闭、步步成环,尽量缩短成环时间,必要时进行掌子面喷射混凝土临时支护;(3)中隔壁设置为弧形临时支护,隧道左右开挖小断面底部临时仰拱保持在同一断面上,各节点的连接一定要对齐p根据设计,超前锚杆、锁脚锚杆、系统锚杆均采用Φ25自进式中空注浆锚杆,但在隧道施工过程中,由于粘土层锚杆施工成孔困难,加之注浆效果差,严重影响了工程进度。
为此,通过现场试验、专家论证、参考黄土隧道设计与施工相关研究成果取消了系统锚杆,增加Φ42锁脚锚管,整个初期支护结构由型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚管组成。
(2)Φ25自进式中空注浆锚杆现场试验。
2007年11月26日,对系统锚杆钻进、注浆、拉拔等进行试验。
试验地点为天恒山隧道出口,试验项目为Ф25自进式中空注浆锚杆钻进及注浆、煤电钻(岩石电钻)成孔试验。
Ф25自进式中空注浆锚杆试验工艺如下。
①钻进:采用天水风动机械有限公司生产的YT28型气腿式凿岩机将安装好钻头(自进式锚杆专用钻头,外径38mm)的锚杆(直径/壁厚为D25/5mm,中空全螺纹杆体,单位重 2.5kg/m,螺纹方向为左旋)钻进至设计深度(本试验选用3.5m长杆体,考虑注浆及拉拔试验,锚杆孔深3.0m,外露约50cm)。
②卸下钻机,安装止浆塞,将其安装在锚孔内离孔口25cm处。
③通过快速注浆头将锚杆尾端与注浆泵(根据设计要求,选用GZJB液压双液注浆泵)相连。
④机器注浆,待注浆饱满且压力达到设计值时停机。
⑤安装垫板和螺母。
由于土质隧道具有遇水软化围岩的问题,同时常规的冲击钻不易排碴、成孔困难,因此借鉴黄土隧道煤电钻锚杆施工的经验,在天恒山隧道进行煤电钻成孔试验。
(1)钻机就位。
由于煤电钻较重,施工操作不便利,加工作业平台,使煤电钻在平台上滑动,便于控制钻进速度、方向和排出钻孔土体。
(2)钻孔。
钻孔开始时控制慢速,便于对应孔位和孔口成孔,当开口完成后匀速钻进,使孔内土体沿螺旋钻杆排出,当发现钻进阻力变大时,向外旋退钻杆,带出孔内土体。
(3)清孔。
当钻进深度满足设计要求时,钻杆退出,排除孔内土体。
2.2.3 初期支护监测根据天恒山隧道的地质条件和工程条件,选择在S0围岩进行稳定性和支护效果监测。
通过对粘土质隧道钢架条件下的受力特征、应力-时间、位移-时间变化关系分析,掌握围岩和支护结构的工作状态,从而研究取消初期支护系统锚杆的可行性,为是否取消系统锚杆提供决策依据。
并对工程施工安全和结构可靠性进行评价。
该试验段里程为XK89+570～XK89+610,埋深约25m,监测断面里程为XK89+588和XK89+605。
该区段围岩主要是低液限的粘土及亚粘土,无渗水现象,含水量平均值为26.9%,天然密度平均值为27kN/m3,内粘聚力平均值为14.2kPa,内摩擦角平均值为27.6°。
该区段初期支护采用φ42(L=5m)锁脚锚管、I20a工字型钢、φ8,20×20cm双层钢筋网、φ22纵向连接筋、28cm厚喷射混凝土;二次衬砌采用55cm厚模筑钢筋混凝土。
初期支护阶段监测项目主要包括:净空收敛、拱顶下沉、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力,其元件布置见图3所示。
经过对S0围岩试验段支护结构3个多月变形与受力监测结果分析,各项测试数据现已基本稳定。
通过对监测数据的分析,初期支护各项数据在测试元件埋设后的15d～20d左右趋于稳定,说明隧道围岩在初期支护施作后的20d左右就可以进入稳定状态,此时即可进行二衬的施作。
就围岩压力而言,从整体上来看,断面的围岩压力最大值出现在左右两侧墙角处或仰拱处,这与墙角处承受较大的形变压力有关。
其它部位的围岩压力大多数在0.1MPa以下。
大多数部位的围岩压力在变化过程中增长缓慢,现已基本稳定。
分析喷射混凝土应力,两个断面的喷射混凝土应力主要以压应力为主,仅有墙角处出现了拉应力,但所受拉应力都不大,均未超过喷射混凝土的设计抗拉强度。
隧道拱部喷射混凝土应力相对较大,边墙处较小。
喷射混凝土应力发展具有一定的规律性,从时态曲线上看,混凝土应力在初期应力增长较快,15d左右受力基本稳定。
分析型钢拱架应力,两个断面型钢拱架应力以受压为主,且受力很大。
应力的增长有很强的规律性。
从时态曲线上看,钢架应力在初期增长急剧增长,随后钢架应力很快稳定,说明钢架受力及时,支护作用很明显。
分析纵向连接筋应力,纵向连接筋受力均为压应力。
从时态曲线上可以看出,连接筋受力初期增长较快,约10天左右趋于稳定。
纵向连接筋的受力可以说明隧道纵向也有一定的受力和变形,纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。
