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摘要:随着我国高速铁路建设的迅速发展,浅埋大断面隧道工程也日益增加。浅埋大断面开挖时,爆破振动对周边临近建筑物以及隧道周边围岩稳定性的影响成为关注热点。浅埋大断面隧道下穿既有构筑物施工需根据现场条件,拟定合理的超前支护措施、爆破方案、沉降观测及监控量测手段,以确保施工的安全质量。本文以湖北汉十高速铁路四方山隧道下穿丹土一级公路为背景,对浅埋大断面隧道下穿既有公路的爆破控制方法、措施进行的研究,并明确施工控制的要点。
关键词:浅埋大断面隧道;下穿;超前支护;沉降观测;监控量测
在世界发达国家铁路、公路隧道建设已基本完成的时代,我国铁路隧道建设方兴未艾,尤其是国家对高速铁路的近期规划,高速铁路隧道施工越来越多,隧道断面也越来越大。普通铁路隧道在施工过程中虽积累了许多资料,也取得了许多科研成果和经验,有效指导了工程建设。但在修建浅埋大断面高速隧道方面的经验还是不足,尤其是在复杂地质条件下修筑浅埋大断面隧道难度更大。建设过程中可能会出现地表开裂、沉降变形、边坡滑塌、塌方等现象,造成施工进度缓慢,经济损失严重等问题,其许多技术难题有待解决。
1工程概况及地质情况
湖北汉十高速铁路四方山隧道位于湖北省十堰市,隧道长6130m,隧道开挖断面达150m2,该铁路设计运营时速为350Km/小时。四方山隧道属低山区地貌,总体地势为中间高两端低,中部地势陡峭,两侧较为缓和,区内最高峰为四方山。
四方山隧道在DK381+812~DK381+920段下穿丹土一级公路,交角约90°,公路宽度约40m,为深挖路堑,路堑深度约20m。,隧道与公路中心相交里程为DK381+860,丹土一级公路路面标高303.5m,隧道开挖拱顶高程为277.245,隧道开挖顶面到路面的距离为26.255m。
2高速铁路大断面隧道浅埋爆破控制措施
2.1开挖施工方案
隧道下穿丹土一级公路开挖超前支护措施为Φ89mm的超前大管棚,大管棚在施工过程中控制成孔速度及注浆压力,同时地面实时进行地表观测,尽量减少对地表的扰动。采用三台阶法进行开挖,开挖进尺控制在每循环0.5~1.0m。爆破开挖采用φ32岩石乳化炸药不耦合、水袋间隔装药结构,掏槽眼、辅助眼及周边眼各段爆破时差选取50ms。
2.2.1洞身管棚超前支护
四方山隧道下穿丹土一级路DK381+812~DK381+920段,管棚施做共108m,分15环施做,每环施工长度10m,两环搭接长度不小于3m,管棚外插角控制在10°,管棚成孔、清孔完成后灌注M10水泥砂浆。
2.2.2洞身开挖方法
四方山隧道下穿丹土一级路DK381+812~DK381+920段采用三台阶开挖法施工。开挖过程采用弱爆破或松动爆破时,严格按照爆破设计进行,并不断进行优化。特别注意断面交界处的超欠挖和成形控制是重点,量测必须及时紧跟,及时分析反馈,以真实的量测数据指导安全施工。
三台阶开挖法施工工序图见下附图1。
施工步骤是:1、上台阶开挖→2、上台阶初期支护→3、中台阶开挖→4、中台阶初期支护→5、下台阶开挖→6、下台阶初期支护7、全断面二次衬砌。
2.2.3爆破施工
爆破开挖拱部采用光面爆破,边墙采用预裂爆破,核心采用控制爆破,掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术,以尽可能减轻对围岩的扰动,维护围岩自身的稳定性,达到良好的轮廓成型。
上台阶开挖每循环进尺严格控制在一榀钢拱架(0.5米),中下台阶可根据实际情况调整,但不得超过每2榀钢拱架(1米),每次严格控制装药量,以尽可能减轻对围岩的扰动,确保围岩自身的稳定性,减轻对既有公路地面振动影响。
2.2.4洞身初期支护措施
隧道下穿丹土一级公路段初期支护拱部120°内系统锚标采用中空注浆锚杆,边墙采用普通砂浆锚杆,锚杆长4.5m,锚杆间距1.5×1.5m。拱架采用Ⅰ22a钢架支护,全环封闭,每榀间距0.5m。钢筋网片的参数为φ6@150x150mm,喷混凝土厚度28cm。
2.3监测技术
爆破地震动有时称为爆破地面运动,是由爆源释放出来的地震波引起的地表附近介质质点的震动,用以表示质点震动的参量有位移、速度、加速度和频率。本工程爆破开挖监测内容主要包括既有公路地表的沉降监控及隧道洞内监控量测。
2.3.1测站基点布设
在沉降影响范围外的稳定区域,在山岭隧道高程控制网的基础上,建立不少于3个点的局部高程控制网,局部高程控制网采用Ⅰ等水准测量方法施测。监测过程中,每月复测一次。当监测过程中发现异常情况,要对基准点进行联测,确定基准点没有问题后,对各个测点进行复测。基准点的埋设应穿过表面坚硬层或路面结构层,基准点上要设置保护装置。
2.3.2既有公路地表沉降监控
2.3.2.1监测目的
监测和掌握隧道开挖过程中地面点的垂直位移变化情况,所以对本合同段进行监测,并根据监测成果及时反馈信息指导施工。
2.3.2.2监测仪器
监测仪器:徕卡DNA03电子水准仪,变形观测专用铟钢尺。
水准仪精度:±0.3mm/km。
拓普康自动安平水准仪,精度:±0.4mm/km。
2.3.2.3测量实施
(1)测点埋设
在四方山隧道上方,沿两侧边坡、路肩以及中央分隔带共6个断面布设监测点,每个断面从隧道中心沿横向方向每5米布设一个测点,测点范围为60m。特殊情况测点可适当加密,由于现场条件较为复杂,地表测点埋设时应依据设计,根据现场实际情况进行布设。
地表沉降共设观测点72个,具体布设见地表沉降测点布设平面图,即图2。
地面沉降观测点应穿越表面坚硬土层和道路结构层,设置在天然土体上。测点的形式见图3。
(2)监测方法
利用水准仪观测测点高程的方法,掌握地表垂直位移变化情况。量测各测点与基准点之间的相对高程差,本次所测高差与上次所测高差相比较,差值即为本次沉降值,本次所测高差与初始高差相较,差值即为累计沉降值。
(3)数据分析与处理
绘制时间-位移曲线,并根据断面数据绘制距离—位移曲线。结合开挖进度进行相关的分析,形成阶段性报告。
2.3.3隧道洞内的监控量测
隧道洞内的监测,重点开展拱顶下沉监测及水平收敛
2.3.3.1拱顶下沉监测
(1)监测目的
量测数据是确认围岩的稳定性,判断支护效果,指导施工工序,预防拱顶崩塌,保证施工质量和安全的最基本资料,所以对本合同段进行监测,并根据监测成果及时反馈信息指导施工。
(2)测量仪器
徕卡DNA03电子水准仪,变形观测专用铟钢尺,精度:±0.3mm/km。
拓普康自动安平水准仪,精度:±0.4mm/km。
测试精度、测试要求按国家规范《工程测量规范》(GB50026—2007)执行。
(3)测量方法
观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近水准点联测取得初始高程。观测时各项限差宜严格控制,每测点读数高差不宜超过0.3mm,读数时应先读后视点读数,算出仪器高,再照准拱顶垂挂下的钢尺,读出钢尺读数,两次读数相加就是拱顶相对于基点的高程。测量数次后,取平均值作为初始值。施工前,由基点通过水准测量测出沉降测点的初始高程H0,在施工过程中测出的高程为。则高差=-即为沉降值。
2.3.3.2净空变化监测
(1)监测目的
收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映,通过周边位移量测可以达到以下目的。
①判断隧道空间的稳定性;
②根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机;
③指导现场的施工。
(2)监测仪器
SWJ-IV收敛计。精度:0.01mm。
(3)监测实施
①测点埋设
区间隧道中测点用冲击钻钻孔,孔深应根据要求而定(以保证埋设测钩能够深入稳固正确测出数据)。测钩用直径6-8mm的钢筋,经过弯曲成钩状后埋设进钻孔,周围用湿毛巾处理干净,之后在四周用大量锚固剂或强力胶固定牢靠。
②量测及计算
将收敛计钢尺挂钩分别挂在两个测点上,然后收紧钢尺,将销钉插入钢尺卜适当的小孔内,并用卡钩将钢尺固定。转动调节螺母,使钢尺收紧到观测窗巾的读数线与面板上刻度线成一直线为止。读取钢尺及百分表中的数值,两者本加即可得到测点距离。每次测量完毕后,先松开调节螺母,然后退出卜钩将钢尺取,擦净收好,并定期涂上防锈油脂。
③数据分析与处理
确定初值时应同时记下当时的测值,以后每次进行收敛观测也应参考测量环境温度,通过温度修正后的数据再与初始值进行收敛变化的比较。修正温度的参考计算公式为:
△Lc=K×△T×L
式中:△Lc-温度修正值(mm)、K-修正系数(选取12×10-6mm/℃)、△T-温度变化量(℃)、L-测点距离(mm)
修正计算举例:
设测点距离为10.5米,首次测量时温度为20℃,测值为10500.36mm,本次测量时的温度为18℃,测值为10500.86mm,则温度修正值为:△Lc=K×△T×L=12×lO-6mm℃×(20-18)℃×10.5m=0.252mm
本次实测值为:10500.86-0.252=10500.608
收敛变化量为:10500.608—10500.36≈0.25mm
3结论与体会
通过对四方山隧道浅埋下穿丹土一级公路爆破开挖一系列控制措施的实施,确定了速铁路隧道超浅埋段爆破施工的控制要领如下:
(1)开挖施工前严格按要求施做超前管棚并进行注浆,确保围岩的整体性,超前支护施做的质量直接关系到后续开挖围岩的稳定及地表沉降的控制。
(2)爆破开挖采用短进尺、弱爆破的施工方法,减少对围岩的扰动。
(3)施工过程中加强对既有道路的沉降观测,及时进行数据分析,并将分析结论作为爆破参数调整的重要支撑手段。
(4)重视洞内初期支护段的拱顶沉降观测及周边收敛监测,拱顶沉降及周边收敛能直接反应隧道开挖后围岩的变形情况,为是否需加强支护措施提供技术保障。
综上所诉:大断面超浅埋高速铁路隧道下穿既有公路施工,要保证安全质量,必须以隧道开挖的超前预支护、弱爆破短进尺开挖、地表沉降观测及隧道洞内监控量测为控制重点。
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