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综述处治隧道坍塌措施及防治对策

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  摘要:结合陕西地区某高速公路隧道工程实例,对隧道上方存在施工便道的特殊情况下隧道坍塌的处治措施进行了分析。通过综合的考虑隧道施工、隧道结构以及施工便道的安全,对隧道坍塌采取了洞内与洞外同时治理的方案,成功的控制了隧道围岩与施工便道的变形,顺利的通过了坍塌区域。

  关键词:隧道坍塌 施工便道 处治措施

  1 前言

  近年来,受益于国家对于基础建设项目的投资,高速公路的发展迅猛。而对于陕西、重庆[1]等山岭地区,高速公路修建的重大问题之一便是隧道工程。山岭隧道工程中,由于围岩地质条件的复杂性[2][3],再加上施工质量、监控量测及地质预报等控制环节不到位,施工过程中难免出现或大或小的坍塌事故。

  目前国内隧道内坍塌处治技术已比较成熟与完善,其总的思路是对已松散的围岩进行加固,在确保围岩稳定后再次进行开挖并根据具体情况适当的提高衬砌支护参数。对于加固措施,小型坍塌可采用小导管或自进式锚杆,对于大型坍塌则可采用洞内管棚[4]。某些浅埋隧道,在条件允许的情况下甚至可调整为明挖隧道进行修建。但是,对于特殊情况下的坍塌事故还是需要特殊考虑。本文结合的工程实例中,隧道坍塌区域正上方为隧道施工便道,该便道在施工期间长期承受重车的反复动荷载作用。因此,坍塌处治应综合考虑隧道施工、隧道结构与施工便道的安全。

  2 工程概况

  陕西地区某高速公路隧道采用分离式双向四车道建设标准,净空断面为10.25m×5.0m。隧道出口段为Ⅴ级围岩围岩,且从地貌上来看,出口左线右侧有一洪沟与隧道小角度相交于洞口位置,该洪沟对左线右侧的围岩稳定性影响较大。

  由于隧道施工的需要,现场设计的施工便道需从本隧道出口上方穿过。左线隧道结构与施工便道位置关系如图1所示。

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  图1 隧道结构与施工便道位置关系图

  其中隧道左线成洞面桩号为ZK35+300,对应的施工便道外侧桩号约为ZK35+275,内侧桩号约为ZK35+268。施工便道路面距离隧道拱顶垂直距离近20m,根据经验,该埋深距离基本可保证隧道结构的安全。施工便道路基为填挖方路基,路面宽约6m。施工便道与隧道结构间土层依次为第①、②、③层,其中第①层为地表覆盖粘土层,厚度约3m左右;第②层为碎石土层,厚度约10m左右,工程地质性质差;第③层为强风化砂质板岩,为软岩,岩体极破碎且岩性分布很不均匀,工程地质性质较差,该层最厚为7m。

  施工便道正下方隧道采用预留核心土开挖法,上台阶开挖高度约6.3m,开挖宽度约12.6m。

  3 隧道塌方情况

  隧道施工开挖至ZK35+268时,在出渣后凿顶过程中,拱部自右侧向左塌方,超前导管被破坏后塌方体很快堆积至拱顶。约12小时后,塌方趋于稳定,估算塌落体约150立方米。

  隧道塌方位置基本位于施工便道边坡坡脚正下方位置。塌方空腔偏右侧,纵向深度约2m左右,宽度约10m,推算空腔平均高度为7.5m。考虑到空腔高度的不均匀性,预计空腔最高可达12m左右。

  4 塌方原因分析

  塌方发生后,隧道内初支结构未发现显著裂缝,塌方处的初支结构也未发现显著变形。由此可见,此段围岩开挖后作用在初支上的应力是小于初支承载力,衬砌支护参数的设计是较合理的。塌方主要位于拱部偏右侧,该处由于靠近洪沟,围岩较左侧更加破碎且不均匀。在爆破震动影响下,围岩更加松散,右侧围岩难以产生有效的拱效应来承载上部荷载从而产生坍塌。在断面爆破开挖、坍塌的卸荷作用下,围岩仍不断滑塌直至拱效应暂时能承载住上部荷载时才趋于稳定。

  隧道塌方后,施工便道未发现裂缝,施工便道边坡也未发现裂缝或滑塌现象。由此可见,隧道塌方并非由于施工便道或边坡不稳定所引起,而洞内塌方也暂时未对施工便道及边坡产生显著影响。

  5 塌方处治措施

  本隧道塌方方量虽较小,但若不及时对洞内进行治理,塌方范围进一步扩大将会引起隧道结构较大的变形。此外,根据估算塌腔高度最高可达12m左右,而施工便道与隧道结构距离仅20m,剩余8m左右的覆土均为粘土与碎石土,在重车动荷载作用易引发进一步的塌方甚至造成施工便道塌陷。塌腔的进一步扩大以及施工便道的不稳定又将造成施工便道边坡坡脚不稳,易引起滑坡,使隧道施工风险不断放大。

  因此从风险控制的角度,对该塌方处治应因地制宜的综合考虑从洞内和洞外同时进行治理。洞内处治措施主要从围岩加固、衬砌参数调整、塌方空腔处理三个方面来考虑,洞外处治措施则主要为施工便道的防护与处理。

  5.1 围岩加固

  首先,应立即封闭掌子面,回填粘土进行反压并施做喷射混凝土及短锚杆从而形成稳定的核心土。

  其次,对邻近掌子面4m范围内已施做初期支护段施做径向小导管注浆加固周围松散围岩,防止该段初支衬砌产生过大的变形。

  最后,对掌子面围岩进行预加固。在钻孔成孔可行的条件下,可采用双排小导管注浆加固,使之在塌腔体上方形成一个承压拱。一排小导管长度为6m,与衬砌中线平行以10~15°仰角打入拱部围岩,另一排长度为8m,与衬砌中线平行以45°仰角打入拱部围岩。在确保小导管尽量嵌入未坍塌岩体的情况下,可适当调整导管长度。当注浆小导管成孔困难时,可考虑间隔采用自进式锚杆注浆代替小导管预先加固围岩,再采用小导管进行注浆加固。

  5.2 衬砌参数调整

  衬砌支护参数的调整宜根据桩号与坍塌处及施工便道的位置关系分段进行调整。

  ZK35+268~272段位于施工便道正下方,二衬原设计为模筑混凝土。该段受塌方影响围岩松动,施工便道重车荷载在各标段施工期内均将反复作用在隧道上方,此外隧道通车后施工便道将作为乡村道路保留下来,车辆荷载将长期作用在隧道上方。综合考虑以上因素,该段二衬宜调整为钢筋混凝土衬砌。

  ZK35+260~268段原设计为工字钢为I18@80cm,系统锚杆为3.5m长φ22药卷锚杆,二衬为模筑混凝土,超前锚杆为4.0m长φ42×3.5注浆小导管。考虑到该段为塌方直接影响区域,且右侧围岩自稳能力极差,工字钢调整为I20a@50cm,系统锚杆调整为3.5m长φ42×3.5注浆小导管,二衬调整为钢筋混凝土,超前支护可根据实际情况适当加长。

  ZK35+252~260段与ZK35+260~268段原设计相同。考虑到该段离坍塌处已有一定距离,在ZK35+260~268段调整参数基础上加大工字钢与系统锚杆的间距为80cm,超前支护间距为240cm,其它参数不变。

  5.3 塌方空腔处理

  在初期支护穿越塌腔体时,在塌穴处打孔预埋两根钢管,对塌腔进行泵送混凝土分层回填。考虑到混凝土较重,初次回填厚度可控制在1~2m左右以形成较稳定的壳体,并在坍塌段开挖支护完后,继续回填至管顶。残余空腔可通过地表打孔后泵送混凝土回填。

  5.4 施工便道的防护与处理

  施工便道的防护与处理主要有以下5个方面:

  1) 对施工便道进行交通管制,限制车载及车速,减小车载作用,并设置警示牌。

  2) 在施工便道内侧、外侧及便道边坡顶设置沉降观测点,加强监测。如有异常,必须及时撤离施工人员及设备。

  3) 对施工便道进行硬化处理,增大路面刚度,减小重车荷载对围岩及隧道结构的影响,其中隧道正上方路面设为钢筋混凝土路面,其它位置设为混凝土路面。

  4) 为防止雨水下渗,在施工便道内侧修建混凝土排水沟,排水沟纵坡不得小于2%。

  5) 在施工便道边坡坡脚设置浆砌片石矮挡墙进行防护,必要时对坡面也进行挂网喷浆防护。

  6 效果及评价

  从施工结果来看,洞内与洞外处治措施同时施做保证了洞内结构与施工便道的安全,同时投入的费用与时间也较少,最后顺利通过了坍塌段,施工便道未发生显著沉降,便道边坡有一定表层滑塌,未影响边坡整体稳定。从处治措施来看,洞内处治属于常规措施,洞外施工便道及边坡的防护则是本工程风险控制的关键。在本文所述工程中,施工便道及边坡在处置措施下都较稳定,但在类似工程仍要引起重视,必要时应加强防护措施。

  参考文献:

  [1] 胡居义,张永兴,欧敏等. 重庆金山隧道左洞进口端塌方及处理措施研究[J]. 中国地质灾害与防治学报,2005,16(3):134-137.

  [2] 梅金华,曹卫文, 曾艳剑. 复杂地质条件隧道坍塌原因分析及处治技术[J]. 公路工程, 2011, 36(1): 97-101.

  [3] 祝云华. 复杂地质条件下隧道塌方处治分析[J]. 水利与建筑工程学报,2012,10(1):138-141.

  [4] 周顺华. 软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(14):2565-2570.

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