隧洞工程不良地质洞段角钢插入法施工
导读：
摘 要：介绍某隧洞工程不良地质洞段施工中的开挖，临时支护，砼衬砌等各项作业。重点介绍临时支护中的角钢插入法。
关键词：不良地质；临时支护；衬砌；山岩压力
中图分类号：TV672.1 文献标识码：B
1 工程概述
纳雍排涝隧洞工程主洞全长4331 m，施工中设四个支洞，将4331 m的洞线划分为五段：进口～支洞1长655 m，支洞1～支洞2长549.6 m，支洞2～支洞3长657.2 m，支洞3～支洞4长873.0 m，支洞4～出口长1596.2 m。支洞4～出口为项目流线图中的关键线路。该工程完工后，将减少受涝面积107公顷，改善灌溉面积20公顷，投资抵偿年限为8年，工程效益十分显著。
2 地质情况
工程关键线路上的出口4+181～4+311 m段地层为二叠系龙潭组顶部，岩性多为褐黄、深灰、灰黑色泥岩，沙质泥岩、砂岩，钙质砂岩和煤线互层。开挖后，共有5层煤层，厚0.5 m至1.5 m不等。岩层倾向上游，与坡向相反，倾角为20°～30°。由于岩层多为软弱岩层，且煤线夹层又多，加之受褶皱、F1断层、地下水的影响，岩层极为破碎，节理、裂隙发育，风化较深。故在应力重分布及水分重分布的作用下，常发生塑性挤出、膨胀内鼓和重力坍塌等现象，围岩完整性、自稳性较差，成洞条件不好，洞顶常形成大面积的自然塌方。
3 施工程序
该隧洞为一排涝隧洞，设计最大过水流量为8.7 m3/s，坡降为1/300，开挖断面尺寸为3.0×3.4 m，拱弧半径为1.5 m的城门拱形，由于出口不良地质洞段围岩成洞条件极差，加之机械化施工条件无法具备，因此选择合理的施工工序以保质保量地完成施工任务就显得尤为重要。一般来说，洞室的施工工序应在保证安全和质量的前提下，根据围岩类别、断面尺寸、支护方式、工期要求、施工机械化程度和施工技术水平等因素选择。本段为Ⅳ类围岩，稳定性差，根据实际情况，我们采用边挖、边支护、边衬砌的施工方式。由于洞段顶部为松散体，且夹有1吨多重的孤石，故在开挖前必须进行洞顶支护。方法是，先沿浇筑好的钢筋砼拱顶内弧边缘以向外30°左右的角度把加工好的尖头角钢沿洞轴方向打入塌方体中，然后渐次除去拱弧内塌方体，再将槽钢垂直打入底板，并与顶拱打入的角钢焊接，形成防护刚性支架。待确认顶部围岩不会塌方后，再进行边墙开挖，同时进行边墙支护及浇筑，最后才是拱顶布筋浇筑。
4 临时支护
对于不稳定的岩体，采用正确的施工方法是保护围岩稳定的重要措施；如施工方法不合理，将不仅影响进度，而且使围岩稳定程度大大降低。一般说来，保护围岩稳定性的途径一是保护围岩原有的稳定性，使之不至于降低；二是赋予岩体一定的强度，使其稳定性有所提高。鉴于此，在不良地质洞室施工中就必须做到尽可能缩小开挖的断面，以便使围岩受影响的范围限制到最小，再就是开挖后及时支衬，以阻止围岩松动带的扩展。基于以上原则，我们采用角钢插入法作刚性临时支护。
4.1 预估山岩压力
洞室围岩由于应力重分布而形成塑性变形区并产生变形破坏，由此引起施加于支衬的压力，即为山岩压力。它不仅与围岩的地质因素和洞室断面形状有关，而且也与地应力状态，支护或衬砌的性能、时间以及施工方法和速度有关。其大小是设计临时支护的基本依据。水电施工单位根据多年的成果，以平衡拱理论为基础，经分析整理后于1965年提出了预估山岩压力系数法：
铅直山岩压力：Q=SZBr；水平山岩压力；Q=SXHr? [page]
式中：r-岩体容重N/m3;
B-洞室开挖跨度m；H-洞室开挖高度m?
SZ-铅直山岩压力系数（0.3～1.0或更大）?
SX-水平山岩压力系数（0.05～0.5或更大）?
将r=17000 N/m3，
B=3.4 m（扩大断面支护），
H=3.8 m（扩大断面支护），同时考虑到B、H都较小，并根据实际地质情况，SX、SZ取较小值，即SZ=0.35，SX=0.08, 一并代入得：铅直山岩压力Q=20.2 kN/m2；水平山岩压力：
Q=5.2 kN/m2。?
4．2 支护步骤
根据预估山岩压力，参阅有关规范且根据施工实际情况，我们采取如下支护步骤：?
（1）材料加工：为了操作方便，并减小角钢承受的弯矩，把752×8的6 m长等边角钢加工成1.5 m至2 m长不等的长度。把锯好的部分角钢的一端加工成尖头。
（2）进行短距离支护：沿浇筑好的钢筋砼内弧边缘以向外30°左右的角度用千斤顶或锤把加工好的尖头角钢打入塌方体中，打入的角钢长度控制在1.5 m左右，在清除小部分塌方体的前提下，及时用千斤顶把靠近钢筋砼拱圈的角钢尾端顶至衬砌断面外，再用20～30 cm长的槽钢沿拱弧把角钢尾端用电焊焊接起来，形成第一道刚性拱圈、拱架。
（3）进行长距离步步推进支护：当短距离支护安全后，便形成超设计断面范围内的操作空间，用加工好的尖头角钢以10°左右角度向外侧从第二拱架上打入塌方体中，形成超衬砌断面的工作空间，然后逐步向掌子面方向清除塌方体，每清除0.6 m就增加一跨刚性拱架，步步推进，直至支护到未开挖的掌子面。
（4）防护加固：当塌方洞内的塌方体清除后，势必会形成很大的临空面，刚支护好的角钢和拱架随着时间的延长，在受到上部塌方体极大压力和各部位受力不均条件下，易产生变形和破坏。故必须在第一次防护的基础上，加密纵向连系梁，使各排拱架形成一个整体，直至无任何安全隐患为止。另外，由于水平山岩压力很大，故必须在边墙处加设角钢支护，以防止边墙向内挤压。
（5）洞段中钢支架立柱处理：待在安全可靠的刚性临时支护下浇筑完毕钢筋砼三天后，即可拆模。将浇筑在钢筋砼中的钢支架立柱周围凿掉部分砼，再用电焊机靠根部将其割断，最后用高标号砂浆粉糊覆盖即可。清理后便可进行下段主洞掘进。
在浇砼之前，必须预埋排水孔，以减轻外水压力，同时防止地下水由高应力区向由于开挖造成的围岩表部减压区转移，导致处理困难。
4.3 支护的架立原则及注意事项
（1）架立原则：
a.支撑应有足够的整体性，接头要牢固可靠。
b.每排支撑应保持在同一平面上，在平洞中应与洞轴线垂直。
c.支撑和围岩之间应用板、楔等背材塞紧。
d.支撑材料应有计划地进行准备，必须防止停工待料，以免因地层压力增大，造成处理困难。?
e.顶拱应采用前探梁超前支护，严禁空顶作业。
（2）注意事项：
a.支撑结构，材料尺寸，中线水平等事项，是否合乎要求。
b.支撑是否牢固，节点是否松动。 [page]
c. 支撑位置是否有倾斜或移动现象。
d. 支撑有无扭曲变形或发生折裂。
e. 填塞的木板（背柴）和木楔是否密实。
f. 有否其它不安全情况。
4.4 临时支护造价分析
根据该段刚性临时支护的纵、横断面图，考虑到工程实施中拼接、焊连及断面扩大支护，并经实际统计，塌方段平均每米耗用钢材854.7 kg，折合人民币854.7 (kg/m)×6 .54 (元/kg)=5512.82 元/m。
单价分析见下表：
出口洞内塌方段刚性支护单价分析表
定额编号：贵州省93-(37+38)单位：t
序号项目或名称单位定额单价金额(元)备注
一直接费元 5495.06
(一)基本直接费元5387.32
1人工费元400.00
综合工日工日508400.00
2材料费元4327.90
角、槽钢t1.0638004028.00
电焊条kg55.765278.80
8#铁丝kg0.2251.10
其他材料费元20.00
3机械使用费元659.42
(二)其他直接费元(一)×2%107.75
二间接费元一×8?5%467.08
三计划利润元(一+二)×5%298.10
四税金元(一+二+三)×3.03%189.69
合计元6449.95
单价元／kg6.45
5 结 语
在塌方、堆积体、断层破碎带等地段的小断面洞室施工中，采取角钢插入法进行临时支护，可以较少的机械设备投入达到安全、保质、快速、高效等施工目的。特别是在设备进出场极不方便的山区，该法尤其具有实用性。
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