黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土,基本色调是黄色,垂直节理发育,直立性强,表层多具湿陷性,易产生潜蚀,形成陷穴。主要分布在我国陕甘黄土高原,最厚达100~200m。黄土这种特性在黄土隧道施工中容易产生塌方、冒顶等事故,给施工带来极大的风险。
目前黄土地区隧道的支护结构形式多采用复合式衬砌。它是由初期支护、防水层、二次衬砌组合而成,初期支护采用喷锚支护,由喷射混凝土+锚杆+钢筋网+型钢拱架或钢格栅拱架等支护部件进行组合的支护形式。系统锚杆的作用主要是加固岩土体,控制变形,防止坍塌,在硬岩和软岩支护中,有良好的适用性,形成了悬吊效应、组合梁效应、成拱效应,支护效果明显。但在黄土隧道中,系统锚杆的效果如何?目前备受争议。为了检验系统锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置了有系统锚杆和无系统锚杆两个长各为30米的试验段。对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力和纵向连接筋应力进行监测。
一、工程概况
隧道左线全长103m,右线全长187m,为双洞四车道隧道。隧址区地貌形态属黄土梁卯状斜梁,洞身段为Ⅴ级围岩,采用环形开挖留核心土法开挖,土层为老黄土。隧道采用复合式衬砌,初期支护采用C25喷射砼+H-15X15格栅拱架+6mm钢筋网+22mm钢筋药卷锚杆,初期支护与二次衬砌之间铺设防水板加土工布,二次衬砌模筑凝土,厚45cm,仰拱采用现浇C25混凝土,厚45cm 。。
根据该隧道的地质条件和工程条件,选择两个试验段进行围岩稳定和支护检测。
第一段,有系统锚杆,里程为YK50+090.4-YK50+120.4,埋深44m,监测断面里程为YK50+104.2和YK50+110.5
第二段,无系统锚杆,里程为YK50+120.4-YK50+150.4,埋深36m,监测断面里程为YK50+134和YK50+142
监测项目有净空收敛、拱部下沉、围岩压力、喷射混凝土应力、格栅拱架应力、纵向连接筋应力。
二、监测结果
1、净空收敛
有系统锚杆段,最大收敛值12.23-21.95,最终速率0.14/(mm.d)。
无系统锚杆段,最大收敛值14.93-18.28,最终速率0.21/(mm.d)。
2、拱部下沉
有系统锚杆段,拱顶最大下沉值11、32,最终速率0.05和0.11/(mm.d)。
无系统锚杆段,拱顶最大下沉值11、14,最终速率0.10和0.13/(mm.d)。
3、围岩压力
断面YK50+104.2围岩压力较大外,其他三个断面大小相近,分布均匀。
4、喷射混凝土应力
四个断面应力数值2.5-3.2,大小相近,分布均匀
4、格栅拱架应力
各断面应力多为压应力,应力值大小相近,分布均匀
5、纵向连接筋应力
各断面应力多为压应力,数值不大,最大应力值仅为钢材屈服极限的22.1%。
三、总结
1、通过对两个试验的测试数据对比分析可知,无论从变形还是应力上讲同类数据均处于同一量级,并且通过多个隧道锚杆施工情况了解,可认为系统锚杆对黄土隧道的结构稳定性作用不大,钢拱架(钢格珊)+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构。
2、通过对Ⅴ围岩隧道施工各工序所需时间的统计,即使四台电钻同时施工的工况下,每循环系统锚杆安装作业时间,至少需要2个小时,完成初期支护,每循环所需总时间为16小时,增加围岩掉块风险,所以取消系统锚杆不但可以及时喷锚支护,围岩稳定,而且还可以大大缩短工期。
3、采用环形开挖留核心土法施工,施工空间狭小,拱部锚杆施工往往无法进行操作,拱部锚杆接近水平状态(下图),达不到设计要求。
4、按照3.5m长锚杆30.9元/m单价计算,Ⅴ级围岩拱部和边墙系统锚杆21根,单循环系统锚杆造价为2271.15元,取消系统锚杆改用其他支护方式可显著降低工程造价。
三、Ⅴ级围岩黄土隧道施工建议
1、严格控制拱部、边墙、拱脚超挖,围岩较差段落加大人工开挖量。
2、黄土隧道拱腰以下掉块严重,拱部超前小导管下移至拱腰以下或者拱腰至边墙增加超前小导管。
3、增加锁脚锚杆数量或改为锁脚锚管(直径50X4无缝钢管),保证与钢架焊接牢固。
4、边墙拱脚增加整体槽钢,控制沉降。
河北 秦皇岛 | 建筑施工
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