公路隧道支护技术的探讨

公路隧道支护技术的探讨

防止坍塌风险的保证安全是隧道施工中的一项重要任务。塌方轻则造成经济损失,重则导致人员伤亡,并对后期运营管理和结构稳定构成潜在威胁。我国有数座公路隧道施工中的塌方发展到地表,处治期长达一年之久;一些隧道建成后,在施工出现塌方的区段发生严重渗漏;有的隧道施工塌方区段衬砌严重开裂,以致运营不足10年被迫套拱加固。这样的工例不胜枚举。造成隧道塌方的原因是多方面的,但施工支护不当是重要原因之一。隧道的支护形式主要有锚杆支护,喷射混凝土支护和钢架支护,或者几种基本形式的不同组合。本文针对目前我国公路隧道支护中各单项技术存在的问题,探讨各种支护方式的改进途径。1锚杆改进1.1旋转轴合理安装的锚杆锚杆图2众所周知,锚杆不仅具有多种支护作用,而且具有及时、灵活等工程特性。目前我国在隧道支护中广泛应用砂浆锚杆。这种锚杆长期支护效果好,价格便宜。但笔者认为这种锚杆存在2点不足:一是不能及时承载,根据我国《公路隧道施工技术规范》(JTJ042-94)第7.2.6.4款,普通砂浆“锚杆安装后不得随意敲击,其端部3d内不得悬挂重物”,可见这种锚杆支护的及时性无从谈起,即使采用早强水泥砂浆锚杆,其支护作用也只能在1d之后才能发挥,如此长的等待时间在很多情况下是无法接受的;二是垂直向上锚孔不易灌注。隧道拱顶是支护的关键部位,在拱顶围岩内容易出现拉应力,岩体在重力作用下容易出现掉块与离层,而砂浆锚杆在拱顶部位最难保证质量,因砂浆不易垂直向上灌注。近几年一些隧道开始应用中空注浆锚杆,这种锚杆容易解决浆液垂直向上灌注的问题,但是砂浆锚杆不能及时承载的问题仍然存在。此外,由于中空注浆锚杆表面波状螺纹的螺距过大,即使这种锚杆在里端用树脂锚固,也不能用扭力扳手对其施加预应力。快硬水泥药包锚杆是一种能及时承载、安装方便且价格便宜的锚杆,它的端锚式已广泛应用于我国的各类矿山井巷、水工隧洞和部分铁路隧道。在公路隧道中,因为存在非锚固段的杆体锈蚀问题,快硬水泥药包锚杆应用较少。1.2砂浆锚杆抗压强度的缺陷复合锚固锚杆是指用不同的材料或方法,分部位、分时段锚固的锚杆。砂浆锚杆和快硬水泥药包锚杆均采用单一的锚固方式,因而都存在一定的问题。如果对锚杆杆体稍加改造,并将不同的锚固方式相结合,则可构成性能优越,兼顾及时承载和长期强度,且安装简便的复合锚固锚杆。1.2.1锚杆的安装工艺在中空锚杆的前端对焊一节长约400mm的螺纹钢,并在接近对焊处的中空杆体上钻出浆孔,然后在中空杆体的后端对焊一节长300mm左右的外带螺纹的中空螺杆,要求其螺距较小,见图1所示。安装时先向锚孔里端送快硬水泥药包,并捣实,药包数量由初锚段长度、钻孔直径及该段杆体直径和药包规格确定。然后将锚杆杆体插入锚孔,施加一定的压力,保证锚杆里端到底并使初锚段周围密实。此后,根据快硬水泥的性能,在初锚20~30min后,在锚杆的后端装垫板,加预应力。由于锚杆后端对焊有小螺距中空螺杆,所以可以很方便地用扭力扳手施加预应力。最后,在适宜的时段向中空段注浆,充填钻孔与杆体的间隙,并向孔周围岩体内压浆,完成锚杆安装。由于这种锚杆的成本仍然较高,所以宜用在隧道拱顶的锚固。1.2.2锚固的安装工程上常用的砂浆锚杆杆体多为螺纹钢。笔者认为这种锚杆宜用于隧道两侧围岩的锚固,即倾角较小的锚孔的锚固。为了使工程上近水平锚孔的锚固效果更好,应在普通螺纹钢杆体的后端对焊一段螺栓,见图2所示。安装时先向钻孔里端送快硬水泥药包并捣实,药包数量确定方法同上。然后,向锚孔内注浆,方法与一般的注浆方法相同,直到锚孔内注满砂浆。接着将锚杆杆体插入锚孔,同样需要施加一定的压力,以保证锚杆里端到底和初锚段周围密实。此后,等待20~30min,在锚杆的后端装垫板,上螺母,加预应力。2应用前景和前景湿喷技术是喷射混凝土技术的发展方向,近年来钢纤维喷射混凝土也日益受到重视,这两方面国内已经取得了可喜成果,目前正在使技术逐步完善并进一步扩大应用范围。除此之外,笔者认为根据工程具体条件,采用快硬喷射混凝土和抗渗喷射混凝土也简单易行。2.1不良地质段,快硬混凝土喷射混凝土在涌水较大区段,普通喷射混凝土凝结速度慢,容易被水冲掉;在不良地质区段,普通喷射混凝土强度上升较慢,不能满足施工要求。在这2种情况下,可用快硬水泥替代普通水泥拌和喷射料,从而形成快硬喷射混凝土。快硬喷射混凝土抗水性好,强度上升快。2.2抗渗喷射混凝土。在地下水公路隧道防水难度大,要求高,工程上常用多道防线层层设防。在淋水区,只有增加喷射混凝土的抗渗性,才能使地下水沿设置的环向排水管向下流,否则,由于喷射混凝土的高渗透性,地下水会在喷层上大量漫渗,增大了地下水穿过防水板的机会,因此有必要在地下水较大区段采用抗渗喷射混凝土代替普通喷射混凝土。抗渗喷射混凝土的配制方法是在普通喷射混凝土拌合料中加抗渗剂。3对于火炬支架与钢支架的连接,中,发生了“自由生长、高压大时期、不稳定。”钢支架支护是隧道支护的基本方式之一,地质条件较差时用量很大。目前,我国公路隧道支护用的钢支架主要有钢格栅、工字钢和H型钢支架,它们在力学性能和施工工艺等方面均存在不足。首先,在力学性能上相对呈刚性。随着围岩的变形,支架上的压力逐渐增加,当围岩压力达到一定量值时,支架的承载力达到极限,如果这时再增加压力,支架便会发生各种形式的破坏。其次,上述钢支架的节段间普遍采用法兰对接,支架安装前各节段的形状与尺寸已加工定形。由于隧道在开挖过程中,地质条件不断变化,局部较小规模的超、欠挖在所难免。若利用上述已定形的钢支架,施工中调整余地较小,安装相当不便。目前,在一些隧道修建水平较高的国家(瑞士等),广泛采用U型钢可缩性支架进行隧道初期支护。我国的其它地下工程行业,也已有多年广泛使用U型钢支架进行围岩支护的经验。我国公路隧道相对起步较晚,对于U型钢支架尚处于认识与试验研究阶段。U型钢是加工地下工程支架的专用型钢,具有良好的断面形状和几何参数,U型钢可缩性支架由若干支架节段组成。在工程上,随着隧道围岩的变形,U型钢支架出现“滑动—增阻—再滑动—再增阻”的可缩变形工作过程,保证围岩稳定。安装时,由于节段间相互搭接,节段间具有一定的“可伸缩性”,能使支架较好地适应隧道的开挖轮廓。鉴于U型钢支架的诸多优点,在隧道支护中用U型钢支架替代普通钢支架很有必要。4喷射混凝土的铺设隧道在施工过程中经常遇到不良地质,即围岩类别低于Ⅲ类。这时设计的支护形式多为钢支架与喷射混凝土联合支护,即在钢支架或钢格栅架设后,用喷射混凝土封闭围岩,稳定钢支架。由于喷射混凝土的成本与模注混凝土的成本相比要高得多,所以施工中在架间常出现喷射混凝土凹槽,见图3所示。对此,工程上的处理办法,一是视而不见,直接在其上铺设防水层;二是按照设计要求,用喷射混凝土补平架间凹槽。笔者认为这2种处理方法均不妥,前者初期支护与二次衬砌之间凹凸相互咬合,防水层的滑动介面作用不能发挥,最终容易使二次衬砌出现裂缝;后者看似严格质量管理,实质上已造成喷射混凝土材料浪费。对架间凹槽的最好处理办法是用模注混凝土补平,其理由如下。(1)mpa左右模注混凝土强度一般为30MPa左右,喷射混凝土强度一般为20MPa左右。在隧道初期支护问题基本解决后,作为补强用的厚度较大(>15cm)的混凝土,模注混凝土和喷射混凝土相比,前者可使隧道衬砌结构的总体承载力更高。(2)喷射混凝土的洞穴喷射混凝土无法振捣,内部孔隙率较大。当用钢格栅支护时,格栅内的喷射混凝土更是充满空洞。当采用模注混凝土补强时,由于可振捣,混合料与水灰比稳定,所以混凝土密实,骨料分布均匀,强度高且稳定。洞顶收口时,可以先模喷,再裸喷,将不同工艺相结合。(3)模注射混凝土比射混凝土成本低在保证工程质量的前提下,降低工程造价是业主和承包商共同追求的目标。模注混凝土成本比喷射混凝土成本低得多。(4)模注混凝土替代喷射混凝土的必要性目前隧道施工中多采用潮喷工艺施做喷射混凝土,作业区乃至整个隧道内粉尘量很大,若以模注混凝土替代喷射混凝土,隧道内的工作环境会有所改善,有利于施工人员的身体健康和施工安全。(5)模注混凝土表面处理模注混凝土较喷射混凝土密实,抗渗能力高,从而可以减少渗至防水板的水量,减小渗水穿越防水板的几率。此外,模注混凝土较喷射混凝土表面平整。隧道衬砌完工后,若围岩变形增加,作用在防水板上的压力也增大,喷射混凝土容易将防水板压得凹凸不平甚至局部出现损伤,而平整的模注混凝土则有利于保护防水板。5复合锚固锚杆针对目前我国公路隧道修建中支护技术存在的问题,介绍了几条简单易行,经济实用的改进途径。(1)