在隧洞工程施工时根据围岩类别、设计断面的大小等因素确定施工方案。对于断面小、围岩较好的隧洞,通常选用全断面开挖;对于中小断面、围岩差的隧洞采用短台阶法开挖;对于断面大、围岩较好的隧洞可进行长台阶、分层开挖。在隧洞支护时,根据围岩类别的不同采用素喷混凝土、挂网锚喷、超前锚固、管棚、钢支撑等措施进行安全支护。
1地质围岩结构、自稳能力与塌方部位之间的关系
围岩岩性走向、倾向、倾角为组成岩石产状的“三要素”。主要是洞轴线与岩层走向的关系,决定了隧洞塌方的部位。围岩类别不同,自稳能力也不同,超过岩体荷载自稳能力时就出现塌方,所以选择合适有效的施工方案是确保工程安全和经济效益的关键。
(1)当岩层为水平、岩石Ⅲ类时,水平岩层的自稳能力在七天至一个月之间,安全弱点在两拱肩,容易引起塌方。在自稳期限内对安全弱点进行锚护支护。若忽视了对薄弱环节锚护处理,一旦超过围岩自稳期限,两拱肩就开始塌方,弧拱变成平面,进一步引发洞顶的大面积塌方和冒顶。特别是洞径较大的隧洞,处理难度大,对工程费用工期都不利。
(2)当岩层为直立、岩石Ⅲ类时,围岩夹制作用最小,而自稳能力最强,有利于洞挖爆破及安全作业。当岩层走向与洞轴线一致时,岩体自稳能力变弱,对洞挖爆破及安全作业不利。这类围岩的塌方规律是,先从洞腰两边沿洞中线方向剥落,进而洞顶部分跨度变大,随着洞顶的压力增大,加速自稳能力的减小,就会出现塌方和冒顶。根据这一特性,在有效时间对塌方部位进行锚固处理,从而有效预防了洞顶的塌方和冒顶。
(3)当Ⅲ类岩层向右倾倒60°~80°左右时,洞腰左侧向洞中线方向挤出,岩层折断,使右拱肩顺岩层滑塌。这类岩层走向的隧洞锚护重点是洞腰左侧和右拱肩。相反,向左倾倒60°~80°左右时,锚护重点是洞腰右侧和左拱肩。
2、各类围岩自稳期限与安全支护
隧洞开挖后,暴露的岩体类别决定自稳能力的强弱和稳定时间。水利工程上围岩类别分五类,即: (1)在Ⅰ类围岩完整、坚硬,经过光爆洞挖施工后,岩体自稳在一年以上。一般情况下,不需要安全支护。
(2)Ⅱ类围岩稍差,自稳时间在半年左右,在进行支护时一般选用锚杆加固,支护参数常为:φ22~φ25钢筋,长度3.0 m左右,孔距1.0 m~1.5 m左右,排距2.0 m之间,梅花型布置。
(3)Ⅲ类围岩自稳时间在七天至一个月内。支护时除按Ⅱ类围岩锚杆加固外,在岩石比较完整的部位素喷混凝土,一般在拱顶部分;对岩石破碎或渗水洞段要锚喷挂网处理,支护参数常为:φ8网格15 cm×15 cm,与锚杆外露部分焊接,再喷混凝土。
(4)Ⅳ类围岩比较软弱,岩体自稳时间在几个小时至一天以内。支护时除按Ⅲ类围岩锚喷挂网外,对岩石破碎或渗水洞段进行钢支撑支护。支护参数常为:φ8钢筋网10cm×10cm;钢支撑(16mm~20mm工字钢)间距0.8 m~1.0 m;钢支撑之间联接筋(φ22~φ25)间距1.0 m;喷混凝土厚度20 cm。 (5)Ⅴ类围岩是最软弱,易风化的岩体,自稳时间最短,自稳时间在1小时以内。若存在倾倒、破碎、有地下水的外界因素,自稳极差。以“短进尺、强封闭”的原则施工,在开挖前先进行超前锚杆锚固处理,采取小炮松动开挖技术,拱肩以上部位多用人工处理,循环进尺80 cm~100 cm。支护时除按Ⅳ类围岩外,要加强支护参数,调整钢支撑间距0.6 m~0.8 m,超前锚杆选用φ22~φ25钢筋,长度3.0m左右,孔距0.4 m,环距2.0 m。在倾倒、破碎、有地下水等外界因素的Ⅴ类岩体段支护时,要注意排水泄压处理,与岩面之间要回填密实。
3 隧洞塌方处理措施
(1)塌方高度超过1.0 m,为减轻拱架压力,在拱架上加钢支撑,拱架与钢支撑之间、钢支撑与钢支撑之间、钢支撑与前一榀拱架之间、拱架与拱架之间焊接成相互受力的整体,需紧贴岩石面挂网,喷混凝土封闭。
(2)塌方高度超过2.0 m,要先制止次生的塌方发生,特别注意引发冒顶。根据塌方断面形状,采用不同形式支护,利用梯加钢支撑的方法紧顶到岩石面,焊接成整体,挂网喷护封闭,这种双层钢支撑的要点,是要从第二层拱架上把压力引伸到洞壁上去,压力向外伸展,减小拱架压力。另一种支撑方式,是在钢拱架上制作摆方木的平台,方木呈“井”或“田”字形,各端头点顶紧周边岩石,扒钉连接成整体,再喷射混凝土封闭回填。 4各类围岩洞挖施工方法
隧洞开挖根据岩石的类别、自稳能力和塌方部位确定施工方法。
(1)洞径在7m左右,自稳时间在半年以内的Ⅰ、Ⅱ类围岩,选择全断面一次开挖掘进较为经济合理。
(2)Ⅲ类围岩开挖时,为减小爆破对围岩的破坏,采用先中间、后周边的全断面掘进法,以光爆位置作为保护层,中间光爆能把最小抵抗线引向内圈,然后中间与周边光爆同时进行,光爆半孔完好率可达到80%以上。
(3) Ⅳ类围岩开挖时,采用台阶式的分层开挖法。分层就降低了掌子面的高度,减小了面积,也就相应地降低了塌方的几率,先进行上半部分开挖与安全支护,确保洞顶安全后再进行下半部分开挖和安全支护。
(4)Ⅴ类围岩开挖要以“短进尺、弱爆破、强支护”的原则:在开挖前先进行超前锚杆锚固处理,采取小炮松动开挖技术,拱肩以上部位多用人工开挖,循环进尺80cm~100cm。根据Ⅴ类围岩的自稳时效对安全支护的要求,全断面掘进成功几率较低。因掌子面高、面积大,很难控制塌方引发的冒顶。分层开挖,每次掘进的深度只有0.8m~1.0m,不利于钢支撑的施工。错台2m~3m,上下同时掘进,是安全可靠、方便支撑、减少工序的开挖方式,是Ⅴ类岩石上首选的洞挖方式。
5、 结束语
各类围岩的施工方法、支护方案及塌方的预防与处理措施,要在省内多数隧洞工程上进行施工实例的论证,认真总结隧洞围岩的特征和施工经验,对隧洞工程的施工安全管理提供合理有效的实践依据,使工程做到保安全、促效益。
林海英