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                隧洞收斂變形處理

                招投標中心  崔曉云

                 

                1工程概述

                山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市,北依呂梁山與臨汾市接壤,東峙中條山與晉城市毗鄰,西、南與陜西省渭南市、河南省三門峽市隔黃河相望。引水干線起始于垣曲縣境內板澗河河口右岸的小浪底水庫庫區,終止于聞喜縣境內的呂莊水庫,線路總的走向為東南~西北向,總長度59.6km。

                工程的主要任務是解決運城市的鹽湖區、聞喜縣、絳縣、夏縣、垣曲縣五縣區農業灌溉、工業及城鎮生活、生態用水問題。年引水量2.47億m3,其中農業灌溉1.16億m3,工業和城鎮生活供水1.16億m3,生態用水0.15億m3,設計流量20m3/s,灌溉面積63.58萬畝。

                施工Ⅴ標主要工程內容:2#隧洞20+250~34+090,主洞長13.84km;設計有6#、7#、8#、9#施工支洞4條,共長約3km。

                7#支洞控制主洞范圍23+295~26+860,長3565m,其中上游約長1585m,下游約長1980m。7#施工支洞地處毛家灣鎮的劉家溝,位于主洞樁號24+880處,與主洞交角46°50′55″,支洞進口底高程617.3m,與主洞相交處洞底高程489m,支洞0+000~0+500段縱坡為14.5%,0+500~0+810.76段縱坡為16.26%,0+810.76~0+825.58段為平洞段,支洞總長834.92m。

                主洞斷面為城門洞形,Ⅴ類圍巖設計開挖斷面尺寸4.84m×5.81m(寬×高),設計縱坡1/3000,跨度小于10m,高跨比為1.2。樁號24+932~25+015洞段圍巖為元古界震旦系下統許山組(Z1x)凝灰質粘土巖夾紫紅色泥巖,為沉積火山巖建造,為軟質巖,具膨脹性、收斂塑性變形,濕水塑性變形嚴重。通過收斂變形觀測,分析變形數據,選擇科學合理的變形處理方案,保證隧洞施工安全,快速通過變形洞段。

                2014年5月15日施工至樁號24+948時,樁號24+932~24+938洞段隧洞徑向變形BC累計變形值最大499mm遠超變形允許值80mm;5月20日對變形段24+912~24+947擴挖換側拱、加底梁全斷面鋼支護措施,目前該洞段處于相對穩定狀態。

                2施工中問題

                原設計開挖、鋼拱架支護洞段樁號24+980~25+015從9月~11月收斂變形尤為嚴

                重(圖1斷面觀測點位置設計):

                 

                          圖1斷面觀測點位置

                樁號24+980~25+015洞段布置5個觀測斷面,開挖支護1天內每4小時測1次;3天內每8小時測1次;7天內每天測2次;15天內每天測1次;超過15天每周測1次、雨季根據實際情況加大觀測次數。本次收斂變形采用鋼尺式收斂計,各量測點均設在距開挖掌子面0.8m處,在工作面開挖后12h內和下次開挖前測取初讀數。

                樁號24+980~25+015變形未處理洞段布置5個觀測斷面,開挖支護1天內每4小時測1次;3天內每8小時測1次;7天內每天測2次;15天內每天測1次;超過15天每周測1次、雨季根據實際情況加大觀測次數。本次收斂變形采用鋼尺式收斂計,各量測點均設在距開挖掌子面0.8m處,在工作面開挖后12h內和下次開挖前測取初讀數。

                根據《錨桿噴射混凝土支護技術規范(GB50086-2001)》、《水利水電工程噴錨技術規范(SL377-2007)》和隧洞收斂變形監測有關技術要求: 24+980~25+015洞段圍巖類別為Ⅴ類,埋深150~300m,為軟質巖,其最大允許變形值U0=0.016×5=80mm,沉降觀測點A變形速率允許值不大于0.1mm/d、收斂變形速率允許值不大于0.2mm/d。

                11月,斷面25+001沉降觀測點A沉降累計值67mm,下沉速率0.14~42mm/d;徑向變形BC累計變形值499mm,變形速率1.56~37.1mm/d,沉降觀測點A、徑向變形BC遠大于規范允許值。

                3收斂變形原因淺析

                洞室開挖形成的臨空面在山巖壓力作用下,軟性巖塑性變形嚴重,徑向變形尤為嚴重;本洞段為元古界震旦系下統許山組(Z1x)凝灰質粘土巖夾紫紅色泥巖,為沉積火山巖建造,軟質巖,凝灰質含有輝石質物質,具有綠泥石化和高嶺石化現象,形成粘土礦物質,微具膨脹性,受斷層和超覆沉積角度不整合構造控制,凝灰質粘土巖呈碎裂結構,完整性、穩定性差,洞室易變形;凝灰質粘土巖受地下水作用,呈軟塑狀,濕水崩解迅速呈糊狀,圍巖膨脹增大,抗壓強度低,穩定性極差,加速變形。

                4排險處理方案

                前期擴挖換拱處理洞段已穩定,換拱加強一次支護方案對于收斂變形洞段是行之有效的,樁號24+980~25+015洞段變形情況(隧洞左、右側距混凝土底板面高1m~2m處出現縱向貫通裂縫,縫寬5mm~10mm;頂部砼開裂掉塊,裂縫長約10m;左、右側拱腿焊縫斷裂;部分監測斷面底梁凸起約26cm),該洞段前期鋼拱架加底拱支護體系已失效,針對目前實際情況,為保證施工期安全,擬對該洞段采用換拱處理方案(先換變形破壞嚴重洞段)如下:

                ①隧洞頂部鋼拱架出現扭曲變形、混凝土掉塊嚴重、側拱及仰拱也嚴重變形,首先在本洞段鋼拱架之間增加9榀鋼拱架做臨時加固支撐,鋼拱架之間用Φ20鋼筋縱向連接,間距1m,保證換拱施工期間安全。待其它部位更換加固完后,在該洞段每兩榀間增加一榀鋼拱架換拱加固。

                ②對樁號24+980~25+015變形嚴重洞段側拱及仰拱進行更換(首先對原洞室支護及底板進行拆除,再進行擴挖換拱作業,換拱后不得侵占原設計二襯斷面)。安裝鋼拱架側拱時頂部與原頂拱連接,鋼拱架之間用I16或I20a工字鋼進行縱向連接,側拱和仰拱采用I20a制作,起拱5~8cm,安裝時將起拱朝向巖面。

                ③側拱換拱后及時進行混凝土噴錨支護,與鋼拱架外側噴平。

                ④換拱、噴護每完成4m,立即進行C20混凝土底板澆筑(底板混凝土厚40cm,布置Φ20鋼筋@200mm×200mm,混凝土保護層厚度5cm)。

                根據施工情況,若圍巖較松散,側拱則安裝雙拱,加強支護;若圍巖較硬,開挖困難變形較小,則安裝單拱;仰拱部位全部安裝單拱。

                5結語

                塑性圍巖洞段收斂變形呈周期性變化,對施工有較大安全隱患,通過收斂變形觀測,分析變形數據,選擇科學合理的處理方案,是保證隧洞施工安全的必要條件。

                隧洞開挖后產生的收斂變形主要來自于開挖(空間效應)和巖體流變(時間效應),目前樁號24+980~25+015洞段收斂變形已經穩定,2016年2月換拱后位移速度趨近于零,支護結構的外力和內力的變化速度也趨近于零。“換拱施工”是針對軟巖收斂變形隧洞開挖行之有效的方法,換拱施工期間為保證施工安全,必須對原拱架進行必要的臨時支撐加固,并派專人進行安全監護。安裝一榀固定一榀噴護一榀,并加強變形觀測,確保施工安全。

                 

                作者簡介:崔曉云,女,1973年出生,2011年畢業于中南大學土木工程專業,工程師。

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