摘要 隧道工程施工時需注意控制圍巖變形,為降低圍巖變形,文章以某地區(qū)隧道工程為例,研究超前支護施工技術的應用性效果,結合該工程的施工難度和施工時發(fā)生的問題,制定該隧道的水平旋噴超前加固方案并確定施工流程,選擇合理的施工設備、嚴格控制施工參數以及施工工藝,完成隧道工程施工。對隧道的施工效果進行分析后得出:超前施工技術的施工質量較好,可控制隧道圍巖變形程度,降低隧道拱頂沉降,保證隧道施工工程安全。
關鍵詞 隧道工程;超前支護;施工技術;水平旋噴
中圖分類號 U441文獻標識碼 A文章編號 2096-8949(2023)23-0056-04
0 引言
隧道工程是現(xiàn)代交通工程的重要組成部分,廣泛應用于公路、鐵路、水工等領域。在隧道施工過程中,超前支護施工技術作為一種重要的施工方法,能夠有效地提高隧道施工的安全性和穩(wěn)定性,受到廣泛地關注和應用。依據隧道工程的施工位置可分為山嶺隧道、水下隧道以及城市隧道3種工程類型,其中山嶺隧道工程是修建數量最多的工程[1],該類隧道工程在施工過程中,隧道穿越軟弱、破碎圍巖時,在進行工作面開始時,該類圍巖在開挖擾動下[2],會發(fā)生較大變形,該變形可能會超過允許范圍[3],會導致隧道周圍形成圍巖壓力,即偏壓,該壓力具有不對稱性特點,特別是在軟弱圍巖的地質情況下[4],如果不能有效處理偏壓情況,會導致隧道施工風險增加,對于施工人員造成較大安全風險[5],極易引發(fā)掌子面穩(wěn)定性降低,引發(fā)隧道塌方。
超前支護施工技術是指在隧道開挖之前,采取一定的措施對前方圍巖進行加固和穩(wěn)定[6],以防止隧道開挖過程中圍巖變形、坍塌等現(xiàn)象發(fā)生,確保施工安全和穩(wěn)定。超前支護施工技術的具體形式包括超前錨桿、超前小導管、水平旋噴樁等,其作用主要是對前方圍巖進行加固和穩(wěn)定,提高圍巖的自承載能力,減少開挖過程中變形和坍塌風險[7]。通過應用該技術能夠成功控制圍巖變形,有效地預防突水、突泥等事故發(fā)生,提高施工的穩(wěn)定性和安全性,確保施工安全。
為研究超前支護施工技術在隧道工程中的應用效果,文中以某地區(qū)的山嶺隧道工程為例,研究超前支護施工技術的應用效果,為類似工程提供有效參考。
1 超前支護施工技術
1.1 工程概況
文中以某地區(qū)的山嶺隧道工程為例,研究超前支護施工技術的應用效果,該隧道工程全長3 200 m,屬于單洞雙線隧道,開挖面積接近142 m2,該隧道穿行在山體下部并且地勢起伏明顯,相對高差接近200 m,最小埋深為6.2 m,地表存在明顯的溝谷發(fā)育,水資源豐富。
該隧道工程在施工過程中,掌子面屬于細粉砂層,自穩(wěn)定性極差,初期支護變形顯著,發(fā)生多次坍塌,嚴重影響工程進度。因此,針對該隧道工程的施工難度,需選擇合理、科學的施工技術進行輔助施工,保證隧道工程安全施工。
1.2 超前支護施工方案設計
1.2.1 水平旋噴超前支護方案
結合該隧道工程的施工設計方案和施工難度,文中選擇高壓水平旋噴樁支護超前支護施工技術作為該工程的輔助施工方案,因為高壓水平旋噴樁支護超前支護施工技術具有高強度、高均勻性、高可控性等優(yōu)勢,能夠將土體和水泥漿有效混合并進行高壓旋噴,形成高強度的固結體;同時能夠在成樁過程中,破碎大塊土體,控制漿液注入范圍并調節(jié)注入參數,全面提升土體的防滲、抗滑等能力。
文中設計水平旋噴超前加固方案,用于實現(xiàn)該隧道工程輔助支護,該方案主要是:在隧道周圍設計水平旋噴樁,在40 cm間距下設置拱強單排咬合;掌子面采用玻璃纖維錨桿旋噴樁,并采用梅花形設計;采用直徑為60 cm鎖腳旋噴樁替代鎖腳錨桿。水平旋噴超前加固方案斷面示意圖如圖1和圖2所示。
該方案施工時,水平旋噴樁縱向長度設計結果和開挖長度之間,需預留3 m作為循環(huán)搭接;保證樁體之間緊密咬合,以此形成完整的帷幕體系,有效降低開挖過程中對圍巖土體的擾動;掌子面采用梅花分布的旋噴樁保證掌子面正前方土體的穩(wěn)定性,避免發(fā)生土體流塌;鎖腳旋噴樁的主要作用是形成臨時封閉,保證隧道落底工序的安全,該樁體的打設方式是沿隧道兩側下方,角度為30°~45°,在每榀拱架之間的兩側拱腳處各安裝一根樁體。
1.2.2 超前支護總體流程
確定施工方案后則制定總體施工流程,高壓水平旋噴樁支護超前支護施工技術主要包含多個施工步驟組成,整體施工流程如圖3所示。
高壓水平旋噴樁支護超前支護施工技術進行隧道工程輔助施工時,需嚴格保證支護體系的施工質量,嚴格按照施工標準、工程實際情況等完成施工,以此保證施工質量。
1.3 關鍵施工步驟
1.3.1 施工設備選擇
確定施工流程后,則進行關鍵步驟施工,在施工前,需選擇施工設備,詳情如表1所示。
1.3.2 施工參數設計
完成施工設備選擇后,為保證施工效果,需進行施工參數選擇,包含樁體孔距、狀體外插角、樁體長度等,同時確定樁體位置,依據上述參數設計滿足該隧道工程的水平旋噴施工技術。
水平旋噴樁樁體孔距計算:水平旋噴樁樁體孔距的計算需依據樁體布孔孔距和旋噴樁固結體的交聯(lián)關系確定,該關系示意圖如圖4所示。
(a)依據圖4計算樁體布孔孔距k,其計算公式為:
式中,R——旋噴樁交圈半徑;L——旋噴樁長度。
(b)旋噴樁外插角計算:旋噴施工時,需保證旋噴樁下輪廓線和前期支護外邊緣線連接,在此前提下,旋噴樁外插角計算公式為:
式中,a——樁體中心點距離前期支護內邊緣線之間的距離;b——鉆壁機長度;h——旋噴樁最大工作高度。
(c)旋噴樁長度計算:依據外插角計算旋噴樁長度l,其計算公式為:
依據該公式確定l結果。
1.3.3 樁位設計
依據上述公式計算旋噴樁的施工技術參數后,設計旋噴樁施工位置,如圖5所示。
旋噴樁的孔位間距和交圈半徑大小可結合實際工程施工情況確定,從而更好地提升旋噴樁的施工效果。
1.3.4 輸漿管道設置以及止?jié){墻施工
在進行旋噴樁施工時,為降低材料損耗、提升施工效率,將高壓泵站以及制漿站組建在工作面上方,并且通過地表穿孔將其和隧道掌子面連接,該穿孔采用井鉆完成,將鋼管沿著鉆孔安裝,孔壁和鋼管之間的縫隙采用隨時填筑以及注漿的方式進行加固;加固完成后,通過高壓輸漿管進行漿液輸送。
止?jié){墻的主要作用是降低掌子面冒漿量,其主要是通過噴射混凝土進行施工,混凝土等級為C20,噴射厚度不可超過50 cm,并且在止?jié){墻上安裝鋼筋網片,間隔距離為15 cm,并且采用雙層安裝方式,此時采用鎖腳旋噴樁進行鋼筋網片的加固處理。
1.3.5 鉆孔施工
將選擇的施工設備運送至施工現(xiàn)場進行鉆孔施工,該施工主要采用高壓水平旋噴機完成,先進行其頂端的1號孔位施工,再采取間隔孔位的施工方式以此完成其他孔位的交替施工。
在該施工過程中,依據土層情況確定鉆孔的速度和頂推力,文中研究工程的土層以粉砂土為主,因此,文中確定的鉆孔速度在2 m/min以上,頂推力在5 kN以上。鉆孔時,需同時配合清水,并在低流量的情況下配合鉆孔,以此避免雜物進行噴嘴中,堵塞旋噴機。
1.3.6 旋噴施工
鉆孔完成后則進行旋噴施工,在施工前對高壓水平旋噴機、高壓注漿泵的讀數情況進行檢查,判斷其是否位于45~50 MPa之間,保證其滿足施工標準;同時確保管內不存在漏氣情況。旋噴操作時,為保證施工質量,先進行0.5 min的旋噴,并且控制旋噴范圍不可過大;旋噴速度范圍為15~20 cm/min。完成0.5 min旋噴后展開旋噴后退操作,此時調整旋噴速度,使其上升到35 r/min,并擴大旋噴面積,使其達到20 m2,此時停止繼續(xù)后退,校正選旋噴頭的回抽速度。
在旋噴施工過程中,需密切關注高壓注漿泵的變化情況,如果壓力逐漸下降并趨于穩(wěn)定,則停止旋噴施工,對輸送管道進行隔離處理、拔出鉆桿,進行封孔處理。
在通過上述步驟進行超前支護施工時,需嚴格控制施工質量,旋噴樁施工位置施工誤差不可超過3 m,角度誤差不可超過2%。
1.4 施工穩(wěn)定性分析
為分析超前支護施工質量,獲取該隧道工程采用超前支護和不采用超前支護施工后,在不同的開挖長度下,隧道的拱頂沉降結果,如圖6所示。
圖6 隧道的拱頂沉降結果
對圖6測試結果進行分析后得出:該工程施工時,不采用超前支護施工技術進行施工時,隨著開挖長度的逐漸增加,隧道拱頂沉降結果也逐漸增加,最大沉降結果達到9 mm左右;采用該文研究超前支護施工技術進行施工后,隨著開挖長度的逐漸增加,隧道拱頂沉降結果明顯降低,最大沉降結果僅為3.6 mm左右。因此,超前支護施工技術在隧道工程中具有較好的應用效果,能夠保證隧道施工的穩(wěn)定性,避免隧道發(fā)生變形甚至坍塌。
2 結論
隧道工程施工時,軟土圍巖地質的穩(wěn)定性較差,容易在施工過程中發(fā)生隧道坍塌,影響施工人員的人身安全。
因此,為保證隧道施工質量,文中以實際隧道工程為例,研究超前支護施工技術在隧道工程中的應用效果。通過制定施工方案、控制施工參數、關鍵步驟施工流程控制等,保證超前支護施工。并對施工效果進行分析,分析結果表明:超前支護施工技術具有較好的施工質量,能夠保證隧道工程的施工質量,保證隧道圍巖的穩(wěn)定性,有效避免隧道拱頂變形,即降低圍巖變形。
然而,超前支護施工技術在應用過程中也存在一定的局限性和不足之處,比如對于地質條件的適應性有待進一步提高。未來,隨著科技的不斷進步和工程實踐的不斷積累,超前支護施工技術將會不斷完善和優(yōu)化,應進一步加強對超前支護施工技術的研究和應用,不斷完善技術手段和施工流程,以適應更復雜的地質條件和更高的工程技術要求,提升隧道工程的施工質量和安全性。同時,希望相關人員能夠關注隧道工程中超前支護施工技術的進一步研究和實踐,為提升隧道工程建設水平作出更大貢獻。
參考文獻
[1]楊赟. 在軟弱圍巖隧道工程中超前小導管支護快速進洞技術應用[J]. 運輸經理世界, 2021(35): 101-103.
[2]吳旦, 皮圣, 荊永波, 等. 超前小導管支護快速進洞技術在軟弱圍巖隧道工程中的應用[J]. 中外公路, 2021(1): 186-189.
[3]劉熙媛, 張沖, 曹富興, 等. 公路隧道散體圍巖中錨桿支護優(yōu)化布置研究[J]. 公路工程, 2022(4): 53-60.
[4]應華峰, 王連勇, 葉暉, 等. 軟巖隧道超前預加固布置優(yōu)化與地層力學響應[J]. 公路, 2022(6): 378-385.
[5]郝婷, 張智健, 李嬌, 等. 富水軟弱圍巖偏壓隧道超前支護施工技術研究[J]. 信陽師范學院學報(自然科學版), 2021(2): 324-330.
[6]張頂立, 方黃城, 陳立平, 等. 隧道支護結構體系的剛度設計理論[J]. 巖石力學與工程學報, 2021(4): 649-662.
[7]吳明先, 劉瑞輝, 王萬平, 等. 地下水對深埋軟弱圍巖隧道初期支護結構破壞及其控制措施研究[J]. 公路, 2022(5): 237-243.
收稿日期:2023-09-07
作者簡介:高亞清(1988—),男,本科,工程師,研究方向:公路工程。