膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究.pdf

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膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究1 膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究2 膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究3 膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究4 膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究5
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·隧道/地下工程·收稿日期:20160318膨胀性围岩隧道仰拱桩板结构施工技术研究郭凤英(中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400700)摘 要 通过对大西客专乔家山隧道典型土样进行扫描电镜观测和仰拱内力监测,分析出现仰拱填充混凝土开裂的主要原因,阐述了树根桩及钢筋混凝土底板在仰拱填充裂缝处理过程中的施工技术参数和主要质量控制要点,以期可以指导其它类似工程施工。关键词 桩板结构 膨胀性围岩 隧道仰拱 施工技术中图分类号   U455.3文献标识码   A文章编号 10094539 (2016)06003204       · ’ⅣⅤ×°Ⅳ∶ →①°② ± ③④ ①ⅤⅣ①Ⅴ°②∶±①±ⅣⅤ×°Ⅳ×Ⅴ①    ①±±∶③×ⅤⅤ ×∶③ °→×①±  GuoFengying(  ChinaRailway18th  BureauGroupTunnel EngineeringCo.Ltd., Chongqing400700,China)Abstract                Basedonthescanningelectronmicroscopeobservationandinvertedarchinternalforcemonitoringofthetypicalsoil   samplesofQiaojiashanTunnel,DatongXi’  anHighspeedRailway,       thispaperanalyzedthemainreasonforconcrete    crackingfilledbyinvertedarch,        elaboratedtheconstructiontechnologyparametersandmainqualitycontrol  pointsofroot             pileandreinforcedconcretefloorduringtheprocessoftheinvertedarchfilledcrack,     hopingtoguidetheconstructionof  othersimilarprojects. Keywords  pileplankstructure;  swellingsurroundingrock;tunnel invertedarch; constructiontechnology  1工程概况乔家山隧道地处山西省灵石县及霍州市交界,位于临汾盆地北缘,北起仁义乡西许村,向南经灵石庄、泊树洼、申家庄,止于霍州冯村。隧道位于低山丘陵区,沟塞纵横,地势起伏较大,总体呈东高西低趋势,北高南低,为剥蚀堆积区;海拔高度   1007~  1327.4m,隧道最大埋深  327.6m,最小埋深  7.0m,隧道全长   6510m。乔家山隧道经过区内的特殊岩土主要为黄土和膨胀性岩土[1]。新黄土以粉粒为主,土体垂直节理发育,有大孔隙,湿陷性。老黄土以粉质黏土为主,硬塑 ~软塑,大孔隙不发育,局部具弱膨胀性。 第三系()粉质黏土[2],硬塑 ~坚硬,富含钙质结晶,土体干燥时呈坚硬状,强度较高,但浸水后易软化、泥化、膨胀崩解。特殊岩土所具膨胀性,导致围岩持续变形,容易引起洞室变形,衬砌开裂。 2支护结构设计隧道设计洞身衬砌结构按新奥法原理[3],采用以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合式衬砌形式,在初期支护和二次衬砌之间设置防水隔离层。隧道    DIK436+640~DIK437+100 段衬砌类型采用Ⅳ级围岩Ⅳb 型复合式衬砌断面;隧道 DIK437  +100~DIK437+585 段采用Ⅴ级围岩Ⅴb 型复合衬砌断面;   DIK437+585~DIK438+375 段采用Ⅳ级围岩Ⅳa 型复合式衬砌断面。乔家山隧道衬砌参数见表 1。23铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (06)·隧道/地下工程·表   1乔家山隧道围岩分级相对应的设计衬砌参数衬砌类型喷砼厚度/cm锚杆环 ×纵/m钢筋网尺寸钢架/cm预留变形量/cm 砼拱墙厚度/cm砼仰拱厚度/cmⅣa拱墙 25 仰拱 10 1.2×1.2  20cm× 20cm构618 型钢间距  1.0m 8~10 45/配筋 55/配筋Ⅳb拱墙 25 仰拱 25 1.2×1.2  20cm× 20cm构618 型钢间距  1.0m 8~10 45/配筋 55/配筋Ⅴa拱墙 28 仰拱 28 1.2×1.0  20cm× 20cm构820a 型钢间距  0.8m 10~15 50/配筋 60/配筋Ⅴb拱墙 28 仰拱 28 1.2×1.0  20cm× 20cm构820a 型钢间距  0.6m 10~15 50/配筋 60/配筋 3超前支护不良地质隧道应该根据设计或者经批准的方案,进行超前支护,以提高围岩的强度、自稳和止水能力。超前支护包括预注浆、超前小导管、超前锚杆和超前管棚等方式。根据乔家山隧道的实际工程情况,结合现有施工条件,超前支护方案选择如下:隧道    DIK436+640~DIK437+100 段和 DIK437  +585~DIK438+375 段的围岩级别为Ⅳ级,超前支护方案为拱部 120°范围内设置燥 42mm 超前小导管,小导管长  3.5m,钢管壁厚 t  =3.5mm,环向间距 40mm;超前导管配合钢架使用,每  2m(2 榀)施作一环,其纵向搭接长度不小于  1.0m。隧道    DIK437+100~DIK437+585 段围岩级别为Ⅴ级,其超前支护的设计方案为拱部 140°范围内设置燥 42mm超前小导管,小导管长  3.5m,钢管壁厚 t= 3.5mm,环向间距  30mm;超前导管配合钢架使用,每 1.8m(3 榀)施作一环,其纵向搭接长度不小于  1.0m。 4乔家山隧道施工异常情况分析及监测在施工期间,   DIK437+055~DIK437+121 段仰拱填充面中间出现纵向贯通裂缝,裂缝宽度  3~20mm。  4.1隧道现场粉质黏土成分化验   4.1.1土样结构的扫描电镜观测取乔家山隧道  DIK437+050 附近典型土样进行扫描电镜观测。经扫描电镜得到土样不同放大倍率时的微观结构如图 1 所示。从图中可以看出,土样中各种矿物主要呈片状,部分晶粒间为细粒级黏土填充(图  1b~图 1c),聚集体呈花朵状,排列杂乱,定向性差(图  1a~图 1d),局部呈裂隙结构,方向性破坏不明显,具扩展特征(图 1c)。  4.1.2土样物相鉴定与物相定量分析土样物相鉴定与物相定量分析采用 X 射线衍射试验方法,乔家山隧道粉质黏土物中主要矿物包括:Illite      (伊利石)、绿脱石、石英、Kaolinite  (高岭石)。绿脱石所占重量比例约为 38.1%,伊利石约为 37.4%,石英约为 18.7%,高岭石约为 5.8%。其中:绿脱石按其成分特征是一种含铁的蒙脱石,具有遇水膨胀性;伊利石有遇水膨胀、失水收缩性,是一种特殊膨胀结构的黏质土。图   1粉质黏土扫描电镜结果 围岩呈现出流变特性,表现为后期较长时间支护结构内力仍缓慢增长,尤其是仰拱施作滞后上台阶掌子面一段时间,然而其施作后很快参与受力且与围岩接触压力增长较快。 4.2隧道支护结构内力现场监测  4.2.1现场监测点布置在乔家山隧道选取  DIK436+861、 DIK436+881及  DIK437+140 三个断面,进行了钢拱架内力等选测项目的监测。钢拱架内力量测采用 JMZX212 型智能弦式应变计在断面每个观测截面的拱架上下翼缘对称布置 2 个应变计,分别焊接在工字钢上下翼缘内侧。 4.2.2现场监测结论 DIK437+140 断面钢拱架的应力值随时间变化曲线如图 2 所示。可以看出,各测点基本呈受压状态,布置初期应力值增长较快,后期增长平缓。所有测点中,D 点应力值最大,达到  290MPa;E 点应力值也很大,达到  260MPa。A、B、C 测点应力值也较大,接近或超过  250MPa。初支仰拱钢拱架 I 点33铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (06)·隧道/地下工程·受力也较大,其最大压应力值约为  105MPa。从乔家山隧道初期支护钢拱架内力监测数据可知,钢拱架受力规律如下:(1)从总体上讲,钢拱架受力普遍较大,特别是拱顶和拱腰位置。(2)钢拱架测点应力以压应力为主,但个别测点出现拉应力,对结构稳定不利。(3)边墙、仰拱处钢拱架的应力值相对拱部较小,但其仍处于缓慢增长趋势。(4)监测数据显示,钢拱架的应力缓慢增长,基本达到稳定状态。图   2DIK437+140 断面钢拱架的外侧应力 -时间曲线图 结合隧道典型断面周边收敛和拱顶下沉监测数据,可知乔家山隧道穿越第三系黏土段的主要特点为:隧道开挖后围岩变形很大,引起初期支护承受较大的形变压力。 5仰拱填充开裂处理  5.1仰拱填充开裂处理设计参数构 56×3 锁脚钢管,两排梅花形布置,间距 60cm/排,纵向间距 60cm/根,钢管长 900cm,注浆水泥浆 ∶10.8。树根桩设计横向间距  1.2m,纵向间距  1.2m,梅花形布置,桩长  8m;钻孔孔径:构200;采用 C25 细骨料钢筋混凝土;水泥浆:∶10.8。混凝土底板厚  30cm,宽度至两侧电缆槽边沿,钢筋保护层厚  5cm,采用 C40 钢筋混凝土。 5.2施工顺序施作锁脚锚管、注浆→凿除开裂段仰拱填充→清碴→测量桩位放样→重新施作仰拱填充(预留混凝土板高、预留钻孔 PVC 管)→施作树根桩→施作混凝土板。 5.3锁脚锚管施工采用风动凿岩机成孔,成孔后人工安装锁脚锚管,锁脚锚管向下斜插角 30°,采用 HBZ60 注浆机进行注浆作业。施工工艺:制作钢花管,锁脚锚管前端做成尖锥形,尾部焊接燥 8mm 钢筋加劲箍,管壁上每隔  15cm交错钻眼,眼孔直径为   6~8mm。锁脚锚管安装:成孔后,将锁脚锚管按设计要求插入孔中,利用燥22 钢筋与钢管焊接组成整体锚固体系。 5.4仰拱填充开裂段凿除施工  5.4.1凿除开裂的仰拱填充混凝土采取破碎锤配合人工的方式凿除开裂的填充混凝土至仰拱顶面,人工配合挖掘机清理凿除的填充混凝土。 5.4.2测量放样施工前进行测量计算,确定每根树根桩中心点的平面坐标和顶标高。现场测量放出每根树根桩的中心点,用 PVC 管预留树根桩钻孔,报监理复核后正式施工。 5.5混凝土施工(1)浇筑混凝土前,对支架、模板、钢筋和预埋件进行检查,做好记录,符合要求后方可浇筑。模板如有缝隙,应填塞严密,模板内面应涂刷水溶性脱模剂。(2)自高处向模板内倾卸混凝土时,应通过串筒、溜槽。混凝土堆积高度不得超过  1m。(3)混凝土按一定厚度、顺序和方向分层浇筑,在下层混凝土初凝前浇筑完成上层混凝土,使用插入式振动器,混凝土分层浇筑厚度不大于  30cm。 5.6树根桩施工树根桩施工[4]见图 3。图  3树根桩施工 (1)钻机底座应平衡、坚固、滑轮与钻盘中心孔43铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (06)·隧道/地下工程·应在同一铅垂线上。(2)钻具下放前应做好检查工作,钻进过程中应注意第一、二根钻杆的进尺,保证钻具与孔的中心垂直,同时需要吊紧钻具,均匀钻进,须指定专人操作。(3)钻进中需要根据地层的变化而改变钻进参数,同时根据钻机负荷、地层的变化、钻孔的深度、含砂量的大小等具体情况,及时调整钻进速度。(4)成孔检验在钻孔完成后,由监理工程师对孔深、孔径、孔位、孔型和斜度等进行检查。(5)清孔①成孔检验完成后,应立即进行清孔。②钻孔至设计深度后,停止进尺,稍提钻具离孔底   10~20cm,保持岩浆正常循环,定时空钻钻盘,把孔底残余泥块磨成泥浆排出,清孔时间约 30min。(6)钢筋笼制作及安装钢筋笼制作标准见表 2。表  2钢筋笼制作标准项目    主筋间距箍筋间距钢筋笼直径钢筋笼长度保护层允许偏差/mm±10±20±10±100±20  钢筋笼安装①钢筋笼安放时必须保证桩顶的设计标高,允许误差为 ± 100mm。②钢筋笼下放时,应对准孔位中心,应轻吊慢放逐步下沉防止碰撞,放至设计标高后应立即固定,防止钢筋笼变形。③钢筋笼安装入孔时和上下节笼进行对接施焊时,应使钢筋笼保持垂直状态,对接钢筋笼时两边对称施焊。④孔口对接钢筋笼完毕,验收合格后方可继续进行下一节钢筋笼安装。(7)压浆和填灌碎石①碎石骨料粒径为   10~25mm,应经过冲洗和筛分后才能使用。②填灌碎石时应逐铲灌入,碎石填入量不小于 0.8~0.9 倍成孔体积。③压浆管直径采用燥 42mm 的无缝钢管。选用水泥浆作为压浆材料,水泥为 42.5 普通硅酸盐水泥,水∶水泥 ∶=0.41重量比。压浆时应控制压力,防止基底底鼓,破坏结构。应使浆液均匀上冒,直至浆液泛出孔口为止。注浆的最大工作压力  0.5~ 0.8MPa。第一次注浆完成后半小时,进行第二次注浆,保证树根桩的密实度。 5.7混凝土板施工  5.7.1混凝土板施工(见图 4)图  4钢筋混凝土板施工  5.7.2钢筋混凝土板施工方法(1)施工前凿毛填充面,测量标高,凿除树根桩桩头浮浆,确保桩头深入板   15~20cm。(2)按照设计要求绑扎混凝土板钢筋,横向钢筋采用燥22 钢筋,间距  20cm,纵向钢筋采用燥14 钢筋,间距  20cm。(3)钢筋绑扎完成并检查合格后,浇筑 C40 混凝土。 6仰拱填充开裂处理效果采用树根桩结合钢筋混凝土板对乔家山隧道仰拱填充裂缝处理后,仰拱及填充混凝土处于稳定状态,处理效果良好,于 2013 年 9 月 18 日施工了双块式无砟道床。大西铁路客运专线于 2014 年 7 月 1 日正式开通至今,乔家山隧道处于稳定状态,二衬、仰拱及填充混凝土均无开裂情况出现。参考文献[1] 程向民,陈书文,吕振.晋西北上第三系红黏土工程地质特性与隧洞施工措施[J].资源环境与工程,2013,27(4): 390-393.[2] 张永双,曲永新.鲁西南地区上第三系硬黏土的工程特性及其工程换将效应研究[J].岩土工程学报,2000,22(4): 445-449.[3] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建大同至西安铁路工程原平至运城段乔家山隧道施工图设计[Z].天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司,2010.[4] 白东辉,孙宏方.重载铁路隧道基地病害微型桩加固技术研究[J].铁道建筑技术,2014(11): 34-38.(下转第 55 页)53铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (06)·隧道/地下工程·图  7巴基斯坦  NeelumJhelumTBM预报成像图 引汉济渭岭北 →施工段,2015 年 12 月 5 日进行地质超前预报的地质成像图,此时 TBM掘进机开挖里程桩号  K54+322.98,根据前期设计部门提供的地勘资料,显示    K54+240~K54+320 为 f10 断层影响带,此段落受构造作用影响严重,岩体破碎,节理裂隙发育,洞室位于地下水位以下,岩性为碳质千枚岩、变砂岩,岩体弱风化。通过 ISP 超前地质预报探测,显示前方  90m为强反射静态区域,即此区域为异常地质区域。通过实际开挖验证,2015 年 12 月 5 日到 2015 年12 月 9 日,TBM开挖里程为    K54+322.98~K54+223.71 共掘进  99.27m,该里程岩层破碎,共立拱架 48 榀,且     K54+289~K54+245 近  44m 洞壁出水较严重。 8结论通过 ISP 超前地质预报系统在国内外工程的使用,尤其在引汉济渭岭北 TBM施工中的应用,可以看出此系统具有不影响正常掘进施工,能及时探测掌子面前方的异常地质情况,且具有较高的准确性。其作为一种先进的地震波超前地质预报系统足以成为常规地质预报[12]、超前地质勘探、TSP 系统、HSP 系统和 BEAM系统的有益补充,值得类似工程项目借鉴。参考文献[1] 荆志东.特长隧道地质超前预报方法研究[J].铁道勘察,2005(3): 46-48.[2] 李星.隧道超前地质预报物探方法应用效果分析[J].铁道建筑技术,2015(10): 23-26.[3] 范承余,程飞,陈松.TSP 在隧道超前预报中的应用效果分析[J].工程地球物理学报,2013,10(4): 455-459.[4] 李政,苏有才,卢松.综合法超前地质预报在特长隧道中的应用[J].工程地球物理学报,2011,8(1): 78-81.[5] 樊建国,周琪,丰小强.隧道超前地质预报中人工地震反射法的应用[J].铁道建筑技术,2010(9): 95-101.[6] 李兆龙.隧道工程中 TSP 探测精度影响因素探讨[J].铁道建筑技术,2015(10): 52-54.[7] 叶智彰.HSP 声波反射法地质超前预报在西秦岭特长隧道 TBM 施工中的应用[J].铁道建筑技术,2011(7): 94-98.[8] 胡庸.HSP 超前地质预报技术在隧道工程中的应用[J].现代隧道技术,2013(3): 136-141.[9] 罗亨文,李苍松.HSP 法地质预报技术在坝陵河大桥西锚洞施工中的应用[J].路基工程,2011(2): 150-153.[10]高振宅.BEAM地质超前预报系统在锦屏引水隧洞 TBM施工中的应用[J].铁道建筑技术,2009(11): 65-67.[11]秦素娟.BEAM系统在盾构施工中的应用[J].铁道建筑技术,2014(S1): 134-135.[12]王利伟,徐永明.综合超前地质预报在隧道施工中的应用探讨[J].铁道标准设计,2014(S1):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 164-167.  (上接第 35 页)[5]    Q/CR9604-2015高速铁路隧道工程施工技术规程[S].[6]    TB10753-2010高速铁路隧道工程质量验收标准[S].[7]    TB10424-2010铁路工程混凝土质量验收标准[S].[8] 李先健.高速铁路隧道衬砌裂缝病害与整治技术探析[J].科技创业家,2013(20):17.[9] 李治国,张玉军.衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术[J].现代隧道技术,2004,41(1): 26-31.[10 ]   WittmannFH.Shrinkage   ofhighstrengthconcreteas    comparedtoshrinkageofnormal strengthconcrete [C].高强与高性能混凝土及其应用(第五届学术讨论会文集).北京:中国建材工业出版社,2004: 195-204.[11]李明华.大跨度无配筋隧道裂纹原因分析与处治方案研究[J].混凝土,2012(11): 127-128,136.[12]肖厚云,张鹏,刘清名.高速铁路隧道混凝土缺陷处理技术[J].四川水力发电,2012(6): 71-72.[13]朱亮明.膨胀性围岩隧道施工技术[J].铁道建筑技术,2010( 11): 81-83,104.[14]郝趁义.泥质膨胀性围岩隧道施工技术[J].铁道建筑技术,2003(2): 17-20.55铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (06)
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