新奧法在東部供水隧洞工程中的應(yīng)用

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一、隧洞地質(zhì)概況 
    全線九條輸水隧洞長32.55公里，其中西河潭和1～6號7條隧洞為城門洞型無壓隧洞，凈斷面4.1×5.25米；東江和元山兩條為圓型有壓隧洞，直徑分別為5.4米和5.0米。
    隧洞分別穿過低山丘陵區(qū)的沉積與火成巖地層。山丘頂高程為70～230米，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性好。沉積巖地層為泥盆系、石炭系和侏羅系的細砂巖、粉砂巖、石英砂巖、泥炭質(zhì)砂巖、云母片巖、頁巖等，除石英砂巖強度高、風化程度較弱外，其余強度較低，風化程度較大?；鸪蓭r地層為凝灰霏細斑巖、石英霏細斑巖、石英正長巖及侵入巖的花崗巖，其強度均較高。洞的進出口部位第四系覆蓋土層較厚。
    構(gòu)造斷裂以北東和北西向為主，與洞軸線夾角大于30度，斷層破碎帶一般寬度小于2米，節(jié)理裂隙與斷裂方向一致，以陡傾角為主，部分緩傾，強風化巖體中裂隙多充填泥質(zhì)，形成不利組合對隧洞穩(wěn)定影響大。
    二、隧洞設(shè)計
    目前，國內(nèi)水工隧洞設(shè)計有兩種方法，一是傳統(tǒng)方法，即圍巖荷載全部由支護結(jié)構(gòu)承擔；二是新奧法，即依靠監(jiān)測性能來預(yù)測和劃分地基地質(zhì)條件，允許圍巖產(chǎn)生使其強度達到屈服強度這一目的，用輕型的臨時支護來完成，用正確的最終支護時間，使巖體的初期屈服及時終止，以防強度的損失，達到充分發(fā)揮圍巖承載能力的目的。使初期支護與后期混凝土模注(襯砌)形成一體的組合襯砌形式，兩者共同承擔荷載。洞室開挖后，圍巖應(yīng)力會重新分布，并且洞壁圍巖從變形到松動破壞有一個時間效應(yīng)的動態(tài)特性。此時，如能加強監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時采用薄壁柔性支護結(jié)構(gòu)緊貼圍巖，保護和加固圍巖，利用圍巖自身承載能力，共同支承荷載，達到洞室穩(wěn)定。在東部供水水源工程的九條隧洞中，有6條隧洞(1～6號)是按新奧法設(shè)計的。1～6號隧洞按照五類圍巖分別設(shè)計了五種支護結(jié)構(gòu)形式。其中一、二類圍巖結(jié)構(gòu)形式：初期支護只在個別地方進行錨噴，二次混凝土襯砌按最小設(shè)計厚度25厘米；三類圍巖結(jié)構(gòu)形式：初期支護在局部范圍進行錨噴混凝土厚5厘米，二次混凝土襯砌厚度25厘米；四類圍巖結(jié)構(gòu)形式：采用系統(tǒng)錨桿加拱頂鋼筋網(wǎng)噴混凝土厚10厘米，二次混凝土襯砌厚度30厘米；五類圍巖結(jié)構(gòu)形式：采用超前錨桿或小導(dǎo)管注漿、立鋼筋花拱架、掛鋼筋網(wǎng)、噴射15厘米厚的混凝土，二次混凝土襯砌厚度30厘米；對隧洞進出口與巖石破碎地帶，二次鋼筋混凝土襯砌厚度30厘米。
    三、隧洞施工
    1、施工方法是隨圍巖類別變化而不斷進行調(diào)整的。
    ①當圍巖為穩(wěn)定-基本穩(wěn)定-穩(wěn)定性較差的一至三類對，均采用全斷面光爆法，然后排煙，清除危巖，視具體情況進行局部或頂拱錨桿噴混凝土，再出渣。
    ②當圍巖為穩(wěn)定性差的四類時，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需采用超前錨桿上導(dǎo)坑松動爆破、排煙、清除危巖，架設(shè)鋼拱架掛網(wǎng)，噴混凝土后出渣，再進行下導(dǎo)坑爆破，作側(cè)墻錨桿噴混凝土。
    ③當圍巖為很不穩(wěn)定的五類圍巖時，采用加長加密超前錨桿，上導(dǎo)坑開挖噴混凝土，架設(shè)鋼拱架掛網(wǎng)再噴混凝土，必要時采用注漿導(dǎo)管封堵流土、流砂，然后出渣。對下導(dǎo)坑開挖作側(cè)墻錨桿掛網(wǎng)噴混凝土、引排滲水、封堵流土流砂。
    2、“新奧法”適用的圍巖條件是具有粘性、塑性、彈性的連續(xù)介質(zhì)，而對于那些粘性較差、非塑性、非彈性的松散體，用“新奧法”理論就值得研究。必須根據(jù)具體情況，采取一些特殊施工工藝，才能滿足工程要求。
    3、用“新奧法”施工，要注意兩點：其一是初期支護要及時，即使一、二類圍巖也要注意，這兩類圍巖采用光面爆破后也會出現(xiàn)個別地方的巖石松動，如果不及時打上注漿錨桿，也會因后面的爆破擾動，將已松動的巖石震下來。對四、五類圍巖由于本身的自穩(wěn)能力差，變形時間效應(yīng)比一、二、三類圍巖要小得多，不把握初期支護時間，等到巖石松動時才去支護，就等于失去利用圍巖自身承載能力的機會。其二是初期支護要緊貼圍巖，用初期支護緊貼圍巖并形成整體才能調(diào)動圍巖自身承載能力共同控制圍巖變形，如果初期支護拱頂同圍巖貼合不緊，形成空隙，使支護與拱頂圍巖分離，提供了拱頂圍巖變形的空間條件并不斷向圍巖深處發(fā)展，造成松動破壞區(qū)擴大，最后由初期支護單獨承擔荷載，易使支護失穩(wěn)、圍巖坍塌。
    4、鋼拱架封底問題。按設(shè)計要求凡是有鋼拱架支護的地段為使拱墻支撐穩(wěn)定，必須及時在洞底加設(shè)底鋼架支撐噴混凝土封底，形成封閉圈，保證安全施工。這樣卻帶來了一些施工問題：其一是初期支護封底后，需要噴射的混凝土初凝后才能作業(yè)，這樣會影響工期；其二是出碴運輸車輛長期在洞底來回輾壓，會破壞封底結(jié)構(gòu)，甚至會導(dǎo)致側(cè)墻鋼支撐的松動；其三是如果封底結(jié)構(gòu)破壞，底撐銹蝕，將會給處理帶來麻煩。鑒于上述情況，在側(cè)墻底部采取加強措施，即在側(cè)墻底部鋼支撐處打垂直錨桿，并用混凝土封閉，臨時替代底撐的作用，這樣就解決了上述三個問題。經(jīng)過實踐該辦法是成功的，也未發(fā)現(xiàn)墻底變位的情況。如5號洞k23-090～k23-065段由于右側(cè)圍巖的水平壓力過大、使側(cè)墻1米以上鼓出0.3～0.5米，拱頂也有一些下沉，但墻底卻未動。
    五、“新奧法”隧洞施工的幾點體會
    1、做好地質(zhì)勘探，查清洞體圍巖類別，這是應(yīng)用“新奧法”的前提。
    2、“新奧法”的原理可以概括為：保持巖石原有的性能，充分發(fā)揮巖體承載作用，對變形加以控制，錨噴支護，根據(jù)實際情況分析確定最終支護，支護越適時越好。最重要的是設(shè)計人員、施工人員和監(jiān)測人員互通情況，及時采取適當?shù)拇胧?。其中最主要的是必須掌握被稱為“新奧法”三大支柱的錨桿支護、噴射混凝土支護和現(xiàn)場量測的內(nèi)容。然而若在實施過程由于預(yù)裂、光爆、噴錨技術(shù)不過硬，監(jiān)測預(yù)報(測)不完善，就會在施工過程中出現(xiàn)諸如坍方、初期支護變形等一些問題。因此，設(shè)計理論和施工實踐的緊密結(jié)合，是“新奧法”應(yīng)用的關(guān)鍵。
    3、在特殊情況下，要具體問題具體分析。如對粘性土用注漿法作為臨時初期支護手段是難以湊效的，必須加強超前支護。當隧洞穿越軟塑或膨脹性土或洞頂壁應(yīng)力集中和偏壓過大時，鋼筋花拱架支護對安全不能保證時，必須及時進行襯砌，才能使巖體不致于破壞。而當遇到一些圍巖為極軟弱的松散體時，只靠錨噴支護還不足以控制圍巖變形，可增加一定數(shù)量的鋼拱架，滿足工程要求。因此在采用“新奧法”施工中，要做到靈活應(yīng)用。
    4、在圍巖地質(zhì)清楚，符合“新奧法”理論的前提下，可大力推廣“新奧法”在水工隧洞中的應(yīng)用，該理論比較先進，同時隧洞掘進施工也比較安全，可節(jié)省建筑材料，降低工程造價，加快施工進度，保證質(zhì)量。