浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202305038开放科学(资源服务)标识码(OSID)浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究杨永斌,王 庆,王 星,黄 帅(中交第二公路工程局有限公司,西安710065)摘要:针对浅埋软弱围岩隧道开挖施工的沉降变形问题,以翁多隧道为依托,结合现场监测数据研究了“三台阶+微桩锁脚”施工技术下隧道初期支护结构的受力及变形特征。结果表明:两种支护结构下随着施工开挖的不断推进,围岩和钢拱架应力变化规律相近,先急剧增加并达到峰值,然后呈缓慢下降趋势,并逐步趋于平缓;累计沉降量则呈缓慢增大趋势。隧道拱顶位置处应力最大,风险最高,常规锁脚锚杆支护拱
2、顶处围岩压力、钢拱架应力分别为 0.55、74.10 MPa,累计沉降量最大值为 6.70 cm,微锁桩支护时围岩、钢拱架峰值应力分别增加 0.55、23.50 MPa,累计沉降量减小了 3.96 cm。可见,微型桩技术方案可有效改良浅埋软弱围岩隧道结构的变形与沉降值,控制隧道变形,避免隧道因大变形导致侵限换拱,降低了施工安全风险,具有一定的应用前景。关键词:隧道工程;软弱围岩;微桩锁脚;三台阶;沉降监测;力学特性中图分类号:U45文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)04 0137 06 0 引言浅埋软弱破碎围岩条件严重影响隧道工程的施工质量与进度,软弱围岩隧道施工技术优化已
3、成为国内外学者争相研究的热点课题1 2。文献 3 采用数值模拟方法研究了在软弱地基隧道条件下,锁脚钢管的承载特性,结果表明:锁脚钢管的接触压力主要分布在外端局部区域,且随着竖向集中荷载增大,钢管呈拔出破坏。文献 4 依托厦门翔安海底隧道工程,考虑锁脚锚杆打入角度、注浆、垫块设置等因素下软弱破碎围岩地段拱顶的沉降规律,进一步探究了锁脚锚杆加固机制。文献 5 7 通过理论分析、模型试验与数值模拟结合的方法,对锁脚锚杆的作用机理、预衬砌锁脚微型桩的比选及承载能力进行研究分析。文献 8 9 采用数值模拟方法研究了软弱围岩的稳定性及塌方的合理处置措施。文献 10 11 通过三维有限元分析对锁脚锚管的合理
4、长度和角度进行定量分析,提出了承载能力发挥系数和位移限制系数用以评价支护结构的加固效果。文献 12 利用结构力学、弹性力学等理论建立了锁脚锚管-钢拱架的力学解析模型,分析了钢拱架沉降量与打入角度之间的数学关系。文献 13 以古顶隧道为依托,结合现场试验与理论分析,研究了锁脚微型桩相比锁脚锚杆改善软弱围岩支护结构变形的优势。文献 14 研究发现锁脚微型桩加固墙脚可以显著提高预衬砌结构强度,并基于刚度分配法,分析桩的最优间距、打设角度和受力。文献 15 结合现场试验及沉降指标,得出在大跨小净距隧道中微桩锁脚法可基本达到 CD 法施工效果的结论。为了更好地应对软弱围岩隧道施工病害,本文提出了一种“三
5、台阶开挖+微桩锁脚”施工技术方案,拟采用现场实测方法对其进行验证,希冀为相关工程施工提供借鉴与参考。1 工程实际问题贵黄高速翁多隧道位于贵州省黔南州德新镇,设计为分离式三车道隧道,为低瓦斯隧道,进口处地形平缓,围岩以炭质泥岩为主,右洞洞内围岩主要为黄黏土、含水量大。该隧道覆盖层及强风化层厚度较大,节理裂隙发育,岩体破碎,自稳定性 收稿日期:2023 05 19基金项目:中交第二公路工程局有限公司科技研发项目(GHTJ-07-QT-046)作者简介:杨永斌(1974),男,四川通江人。高级工程师,主要从事桥隧工程方面研究工作。E-mail:。杨永斌,等:浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究 13
6、7 差。进口端 236.000 m 为小径距,洞距 16.75021.510 m,左幅长1 205.000 m,最大埋深115.782 m;右幅长 1 185.000 m,最大埋深 124.181 m,净宽14.750 m。设计级支护占比 51%,级支护占比 49%。施工过程中时常出现坍塌、初支沉降过大等现象,施工难度大,施工进度缓慢。2 微桩锁脚技术 2.1 工法特点微桩锁脚在初支拱架安装完成后施作,可以及时锁定拱架,防止其沉降、收敛,能有效控制围岩变形持续发展的不稳定现象。微桩锁脚支护结构,见图 1。(a)结构示意(b)注浆示意焊接固定卡环固定卡环混凝土浆液钢拱架钢拱架微桩锁脚图1微桩锁脚
7、支护结构 微桩锁脚支护主要特点是:工艺复杂,对人员、技术、设备要求高。但是,微桩锁脚可有效解决支护的沉降、收敛问题,对浅埋隧道变形大且持久难以稳定的特点起到有效地抑制作用,能有效解决浅埋隧道的围岩收敛和沉降问题,并对加快施工及保证施工安全和质量起到积极作用。该工法与传统的施工方法相比较,在总体工期方面能缩短时间,质量安全方面更加可靠,可保证后期的运营安全。造价相对传统施工方法有所增加,但在技术经济效能方面综合考虑其有着控制浅埋大变形隧道安全稳定的技术先进性。2.2 工艺原理翁多隧道围岩地质情况较差,承载能力较低,施工开挖过程中围岩压力传递到钢拱架,致使拱脚处产生较大的沉降变形,易出现坍塌、大变
8、形等问题。微桩锁脚是在传统初支衬砌的基础上,调整锁脚锚杆为 896 mm 锁脚微型桩,通过微桩锁脚对初支拱架的锁定来控制隧道围岩的变形,再利用 50 mm 小导管进行径向注浆加固周边围岩。微桩锁脚施工实景,见图 2。通过加固后的围岩自稳能力和微桩锁脚的锁定作用,提高了支护衬砌的承载能力,有效解决了浅埋隧道初支沉降、变形问题。(a)微桩锁脚(b)实景图2微桩锁脚施工实景 2.3 三台阶开挖+微桩锁脚施工方案该隧道工程沿线围岩自稳性较差,现场拟采用三台阶开挖+微桩锁脚法。开挖上台阶,预留沉降量 30 cm,采用洋镐配合挖掘机进行开挖。循环进尺:级围岩1.0 m。开挖后立即初喷 35 cm混凝土,并
9、及时进行喷、锚、网系统支护。工字钢架底部 30 cm 由人工开挖,并支垫牢固,896 mm锁脚微型桩打设角度自上而下依次为 65、55,两排排距 1 m。采用 YT-28 风枪顶入 505 mm径向注浆小导管,使用注浆机由下而上对小导管和微型桩进行注浆。复喷 C25 混凝土,喷完后及时扫平混凝土面。三台阶开挖施工流程+微桩锁脚路基工程 138 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)示意,见图 3。(a)三台阶开挖施工流程(b)锁脚微型桩支护示意测量放样管棚超前支护上部导坑开挖、出渣、清理开挖面施作初期支护上部导坑开挖、出渣、清理开挖面施作初期支护上部
10、导坑开挖、出渣、清理开挖面施作初期支护防水层施工衬砌钢筋施工,浇筑二衬混凝土图3三台阶开挖施工流程+微桩锁脚示意 2.4 支护加固方案现场施工时拱部 120范围内采用超前管棚形式进行预注浆加固,管棚采用 896 mm 热轧无缝钢管,长 9 m,环向间距 40 cm,每环 49 根,搭接不小于 3 m。初期支护采用 505 mm 小导管径向注浆,厚度 28 cm 的 C25 喷射混凝土,钢拱架采用 I22b 型工字钢,环向间距 1 m,22mm 纵向连接钢筋,环向间距 1.0 m,8 mm 双层钢筋网,间距 20 cm20 cm。896 mm 锁脚微型桩长度6 m,上导拱架每处墙脚 4 根,中导
11、拱架每处墙脚4 根,每榀拱架共计设置 16 根。二次衬砌采用厚度 60 cm 的 C35 喷射混凝土,环向主筋 2220双层布置,纵向连接筋 1230,箍筋 84060,呈梅花形布置。详细支护设计情况,见图 4。2%R2295R860R180R180R920R950R565R2265R830R150R150O1O2O3径向注浆管衬砌中线行车道中线仰拱地基加固图4软弱围岩隧道复合式衬砌(单位:cm)3 受力及变形特性分析不同支护方案下三台阶施工围岩压力时态分布,见图 5。0围岩压力/MPa围岩压力/MPa048121620242832时间/d下台阶中台阶上台阶开挖(a)三台阶开挖+微桩锁脚0.2
12、0.40.60.81.01.21.400.20.40.60.81.01.21.4下台阶中台阶上台阶开挖(b)三台阶开挖+锁脚锚杆048121620242832时间/dAB-1C-1D-1B-2C-2D-2AB-1C-1D-1B-2C-2D-2AB-1D-1C-1 图5各支护结构下围岩压力时态分布 由图 5 可知:两种支护方案下各测点周边围岩压力均呈现相同的变化规律,拱顶(测点 A)和拱杨永斌,等:浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究 139 肩(测点 B)随着开挖时间的推进,先急剧增加并达到峰值,然后呈缓慢下降趋势,并逐步趋于平缓,拱腰(测点 C)和拱脚(测点 D)变化幅度较小,随着中台阶、下
13、台阶的开挖,围岩压力缓慢增大。当采用微桩锁脚进行支护时,拱顶、拱肩、拱腰及拱脚围岩压力最大值分别为 1.10、0.72、0.10、0.01 MPa,常规锁脚锚杆加固下,各测点围岩压力稳定值为 0.55、0.31、0.04、0.01 MPa。可见,微桩锁脚锚杆进一步加强了周边围岩的稳定性,减小了软弱围岩的松弛变形,针对软弱围岩具有更好的支护效果。不同支护方案下三台阶施工钢拱架应力时程分布,见图 6。钢拱架应力/MPa钢拱架应力/MPa上台阶开挖中台阶下台阶(a)三台阶开挖+微桩锁脚0204060801001200102030405060708090100中台阶上台阶开挖下台阶(b)三台阶开挖+锁
14、脚锚杆48121620242832时间/d48121620242832时间/dAB-1C-1D-1B-2C-2D-2AB-1C-1D-1B-2C-2D-2AB-1D-1C-1 图6各支护结构钢拱架应力时程分布 由图 6 可知:随着三台阶开挖施工的持续推进,两种支护措施下钢拱架应力均呈先增加后逐渐平缓的趋势,且由于上台阶开挖应力释放较快,拱顶和拱肩应力的增加速率相对较大。钢拱架应力自拱顶至拱脚均呈不断降低趋势,微桩锁脚支护时,拱顶、拱肩、拱腰及拱脚的钢拱架应力分别稳定在 97.6、75.9、28.4、16.2 MPa,常规锁脚锚杆加固下,各测点围岩压力稳定值为 74.1、46.8、23.1、17
15、.8 MPa。可见,相比常规锁脚锚杆支护,微桩锁脚注浆支护下钢拱架压力明显较大,提高支护结构与周围岩体的整体性,及时承担围岩压力,减小隧道的沉降变形。不同支护方案下监测 30 天时围岩压力、钢拱架应力分布,见图 7。由图 7 可知:两种支护措施下围岩应力、钢拱架应力均呈自拱顶至拱脚不断减小的的趋势,且微桩锁脚支护结构所受应力普遍大于常规锚杆支护形式。随着上、中、下台阶不断开挖,锚杆支护围岩应力、钢拱架应力分别稳定在0.43、71.80 MPa,微桩锁脚支护时,围岩应力、钢拱架应力则分别稳定在 0.68、96.10MPa,较常规锚杆加固提升了 58%、33%。可见,微桩锁脚支护下混凝土浆液不断渗
16、透、挤密与周边岩体相胶结,提升了微型桩的自身刚度和摩擦力,有效控制了施工开挖引起的沉降变形。(b)钢拱架应力(a)围压压力15.3 MPa22.0 MPa47.1 MPa71.8 MPa0.016 MPa0.018 MPa0.260 MPa0.430 MPa96.1 MPa0.005 MPa0.083 MPa0.320 MPa0.680 MPa75.9 MPa27.9 MPa12.9 MPa锚杆支护锚杆支护微桩锁脚支护微桩锁脚支护图7各支护结构围岩压力、钢拱架应力分布 不同支护方案下三台阶施工拱顶沉降变形,见图 8。由图 8 可知:随着隧道开挖施工的不断推进,各测点累计沉降量均不断增大,且自拱
17、顶至两侧最大累计沉降量呈减小趋势。微桩锁脚支护时,拱顶(测点 M)、左侧 1 m 位置(测点 M-1)及路基工程 140 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)右侧 1 m 位置(测点 M-2)最大累计沉降量分别为为 2.0、1.7、1.5 cm,常规锁锚杆支护时,拱顶及两侧累计沉降量最大值为 6.7、6.1、5.5 cm,最大沉降量有效降低了 70%。可见,微锁桩支护结构完全施作后,极大提高了初支结构的承载能力,减弱了软弱围岩变形程度。04812162024累计沉降量/mm累计沉降量/mm(a)三台阶开挖+微桩锁脚01020304050607080
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