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1交叉段設計方案
隧道的右洞中心線和左洞中心線交叉,交叉角度80.81°,考慮15m的保護范圍,長約100m。2豎向布置本工程2號隧洞從忻保高速公路官地坪2號隧道下部穿越。官地坪2號隧道右洞路面(洞底)高程為1030.15m,最低開挖高程1027.87m,與之交叉的總干2號隧洞洞頂開挖高程1023.5m,間距4.37m;官地坪2號隧道左洞路面(洞底)高程為1029.98m,最低開挖高程1027.70m,與之交叉的引黃總干2號隧洞洞頂開挖高程為1023.48m,間距4.22m。斷面設計2號隧洞穿越段全長91.11m,為巖石洞段,Ⅴ類圍巖,采用城門洞形斷面。洞凈寬4.2m,凈高5.1m,直墻段高3.0m,設計水深3.52m,頂拱中心角180°,半徑2.1m,襯砌厚度0.4m。內掛直徑8mm,間距150mm×150mm的鋼筋網,噴C20混凝土12cm厚;頂拱范圍內設直徑25mm的系統錨桿,長2.0m,間排距1.0m,呈梅花型布置;全斷面C25鋼筋混凝土襯砌,頂拱100°范圍內回填灌漿,灌漿壓力0.2MPa。局部地段根據圍巖破碎程度,采用20a工字鋼加直徑25mm超前錨桿或20a工字鋼加直徑42mm超前小導管超前支護。
2地質資料本工程
2號輸水隧洞在該段隧洞圍巖為放炮系中統峰峰組泥灰巖。洞頂距離官地坪2號隧洞左右洞面開挖底高程分別為4.22m,4.37m,根據水利水電工程地質勘察規范,該段隧洞圍巖極不穩定,不能自穩,變形破壞嚴重,建議噴混凝土、系統錨桿加鋼筋網,剛性支護,并澆筑混凝土襯砌。建議圍巖單位彈性抗力系數K0=50~100MPa/m,堅固系數fk=0.5~1.5,泊松比μ=0.35~0.45,變形模量0.05~0.5GPa。
3施工方案
2號隧洞穿越忻保高速公路官地坪2號隧道,上下最小中距為4.22m,如不科學控制裝藥量,輸水隧洞穿越段放炮作業將對公路官地坪2號技術與應用34隧道結構形成危害。為保證車輛的行駛安全和隧道的運行安全,輸水隧洞穿越段石方洞挖設計為控制放炮的施工方法,采用短開挖、打淺孔、裝少藥、弱放炮、強支護的控制放炮施工工藝。總干2號輸水隧洞斷面面積約20m2,為減少放炮總裝藥量并達到控制放炮的目的,采用下導洞分部開挖法,即先在斷面底部中心開挖超前導洞,然后一次性擴挖剩余斷面,隧洞周邊采用光面放炮。放炮安全距離確定放炮振動安全允許距離按下式計算:R=(VK)1/αQ1/3.式中:R放炮振動安全允許距離,m;Q炸藥量,齊發放炮為總藥量,延時放炮為最大單段藥量,kg;V保護對象所在地安全允許質點振速,cm/s;K,α與放炮點到保護對象之間的地形、地質條件相關的系數和衰減指數,通過現場試驗確定。一次放炮最大單響量的確定根據輸水隧洞的布置方案,公路隧道與輸水隧洞相對高差4.22m,據此可算出一次放炮最大允許單響藥量。根據建筑物情況及規范要求,安全允許質點振動速度15~20cm/s,依據地質資料,輸水隧洞圍巖類別為Ⅴ類,屬軟巖,K值為250~350、α值為1.8~2.0,據此計算的一次放炮最大允許裝藥量為0.7~1.15kg。存在問題根據放炮設計,如開挖進尺為1m,掏槽孔、輔助孔及周邊孔單孔裝藥量在0.4~0.6kg之間,根據以上計算結果,最大單響藥量僅1~2孔,無法滿足放炮設計要求。經灌漿加固處理后,輸水隧洞圍巖類別為中硬巖,K值為150~250、α值為1.5~1.8,據此計算的一次放炮最大允許單響藥量1.5~3.0kg,可基本滿足放炮設計要求。
3.1靜態放炮方案
采用直徑40mm鉆頭鉆孔,鉆孔方向一般為垂直鉆孔,布孔方式按梅花型布置,進尺按1m考慮,孔距25cm左右,孔深5~10cm。鉆孔直徑與破碎結果有直接關系,鉆孔過小,不利于藥劑發揮效力;鉆孔過大,易沖孔。根據水灰比,量取一定量配制好的溶液,用拌和鏟充分拌和均勻,成為無團塊、易流動的漿液。拌和時間不少于2min,人工一次拌和量不超過5kg。把拌和好的藥從桶中直接灌注到已鉆好的炮孔中至灌滿為止,用略小于鉆桿的捅桿捅實捅緊。灌注前應檢查孔中有無積水,如有積水排干后才能灌藥,流動性差的藥液不能再摻水使用。在工程靜態破碎法的使用中,硬巖開裂時間為12h左右,低溫情況下開裂時間會適當延長,軟巖開裂時間為4~6h左右。本工程屬軟質巖石,用藥量一般為8~10kg/m3。方案優點:破碎劑不屬于危險物品,因此在購買、運輸、保管和使用中不受任何限制;施工過程安全,不存在炸藥放炮時產生的震動、空氣沖擊波、飛石、噪音、有毒氣體、粉塵、放炮振動等危害;施工簡單,破碎劑用水拌合后,裝入炮孔即可,無需堵塞。方案缺點:施工周期長、造價高。由于靜態破碎劑能量不如炸藥威力大,鉆孔多且多為水平及傾斜孔,裝藥比較困難。破碎效果受氣溫及施工人員的經驗影響大,同時由于該段隧洞圍巖工程地質為Ⅴ類,圍巖極不穩定,變形破壞嚴重,一旦采取措施不當,開挖時圍巖可能產生變形,施工存在安全隱患。靜態放炮開挖結合超前小導管套套支護方案靜態放炮方法同前。超前小導管套套支護方案如下:超前小導管注漿:超前小導管的鋼管(開孔管)采用直徑42mm熱軋鋼管,壁厚3.0mm,鉆孔深4.5m。管棚布置在頂拱部位,單根鋼管長5.0m,鋼管間距0.4m。鉆孔方向與洞軸線呈3°交角,偏向洞外。循環搭接長度1.5m,掌子面外露0.5m,超前小導管與下部橫向架設的型鋼拱架(或鋼格柵)焊接。灌漿材料采用水泥漿(有堵水要求時采用化學材料),灌漿壓力不高于0.2MPa。超前小導管注漿的有效長度為3m。鋼支撐:鋼支撐型號為工字鋼20,1m一榀。該方案綜合了靜態放炮和超前套套的優點,但施工周期長、造價高。
3.2常規放炮
開挖結合公路隧道內套套方案首先在公路隧道內自上而下對輸水隧洞進行套套,然后進行放炮開挖。根據實際情況,孔位采用梅花型錯孔布置,沿公路隧洞方向灌漿,灌漿寬度12m(輸水隧洞外各延4m),垂直公路隧道方向寬度為隧洞凈寬,間排距均為2m。壓式分段灌漿法自下而上灌注,一次鉆孔到底,然后自下而上分段灌注,在凝固前進行上層灌注,使全孔得以復灌,從而保證灌漿量,提高灌漿質量。方案優點:在公路隧道內采用自上而下的套套方法,可沿公路隧道方向將套套的范圍擴大,確保灌漿質量,同時對圍巖進行套套,有效解決了圍巖開挖的變形問題,可提高套套及輸水隧洞開挖的速度。方案缺點:在公路隧道內進行套套,可能影響該段高速公路正常交通,同時放炮可能產生一定的震動。但采用小藥量控制放炮,可以減輕或消除對公路隧道產生的影響。
4建議
通過以上方案比較,從施工可靠性和安全性來講,采用常規放炮開挖結合公路隧道內套套方案或靜態放炮開挖結合超前小導管套套支護方案均是可行的。但從工程進度考慮,建議采用常規放炮開挖結合公路隧道內套套方案。
作者:于韜單位:山西省水利廳