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(zhǎng)32.55公里，其中西河潭和1～6號(hào)7條隧洞為城門(mén)洞型無(wú)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(guò)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(xì)砂巖、粉砂巖、石英砂巖、泥炭質(zhì)砂巖、云母片巖、頁(yè)巖等，除石英砂巖強(qiáng)度高、風(fēng)化程度較弱外，其余強(qiáng)度較低，風(fēng)化程度較大?；鸪蓭r地層為凝灰霏細(xì)斑巖、石英霏細(xì)斑巖、石英正長(zhǎng)巖及侵入巖的花崗巖，其強(qiáng)度均較高。洞的進(jìn)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?yàn)橹?，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(qiáng)風(fēng)化巖體中裂隙多充填泥質(zhì)，形成不利組合對(duì)隧洞穩(wěn)定影響大。
    二、隧洞設(shè)計(jì)
    目前，國(guó)內(nèi)水工隧洞設(shè)計(jì)有兩種方法，一是傳統(tǒng)方法，即圍巖荷載全部由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)；二是新奧法，即依靠監(jiān)測(cè)性能來(lái)預(yù)測(cè)和劃分地基地質(zhì)條件，允許圍巖產(chǎn)生使其強(qiáng)度達(dá)到屈服強(qiáng)度這一目的，用輕型的臨時(shí)支護(hù)來(lái)完成，用正確的最終支護(hù)時(shí)間，使巖體的初期屈服及時(shí)終止，以防強(qiáng)度的損失，達(dá)到充分發(fā)揮圍巖承載能力的目的。使初期支護(hù)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(dān)荷載。洞室開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布，并且洞壁圍巖從變形到松動(dòng)破壞有一個(gè)時(shí)間效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性。此時(shí)，如能加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采用薄壁柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)緊貼圍巖，保護(hù)和加固圍巖，利用圍巖自身承載能力，共同支承荷載，達(dá)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(hào))是按新奧法設(shè)計(jì)的。1～6號(hào)隧洞按照五類(lèi)圍巖分別設(shè)計(jì)了五種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。其中一、二類(lèi)圍巖結(jié)構(gòu)形式：初期支護(hù)只在個(gè)別地方進(jìn)行錨噴，二次混凝土襯砌按最小設(shè)計(jì)厚度25厘米；三類(lèi)圍巖結(jié)構(gòu)形式：初期支護(hù)在局部范圍進(jìn)行錨噴混凝土厚5厘米，二次混凝土襯砌厚度25厘米；四類(lèi)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(lèi)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(duì)隧洞進(jìn)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(lèi)別變化而不斷進(jìn)行調(diào)整的。
    ①當(dāng)圍巖為穩(wěn)定-基本穩(wěn)定-穩(wěn)定性較差的一至三類(lèi)對(duì)，均采用全斷面光爆法，然后排煙，清除危巖，視具體情況進(jìn)行局部或頂拱錨桿噴混凝土，再出渣。
    ②當(dāng)圍巖為穩(wěn)定性差的四類(lèi)時(shí)，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需采用超前錨桿上導(dǎo)坑松動(dòng)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(jìn)行下導(dǎo)坑爆破，作側(cè)墻錨桿噴混凝土。
    ③當(dāng)圍巖為很不穩(wěn)定的五類(lèi)圍巖時(shí)，采用加長(zhǎng)加密超前錨桿，上導(dǎo)坑開(kāi)挖噴混凝土，架設(shè)鋼拱架掛網(wǎng)再?lài)娀炷?，必要時(shí)采用注漿導(dǎo)管封堵流土、流砂，然后出渣。對(duì)下導(dǎo)坑開(kāi)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(duì)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(diǎn)：其一是初期支護(hù)要及時(shí)，即使一、二類(lèi)圍巖也要注意，這兩類(lèi)圍巖采用光面爆破后也會(huì)出現(xiàn)個(gè)別地方的巖石松動(dòng)，如果不及時(shí)打上注漿錨桿，也會(huì)因后面的爆破擾動(dòng)，將已松動(dòng)的巖石震下來(lái)。對(duì)四、五類(lèi)圍巖由于本身的自穩(wěn)能力差，變形時(shí)間效應(yīng)比一、二、三類(lèi)圍巖要小得多，不把握初期支護(hù)時(shí)間，等到巖石松動(dòng)時(shí)才去支護(hù)，就等于失去利用圍巖自身承載能力的機(jī)會(huì)。其二是初期支護(hù)要緊貼圍巖，用初期支護(hù)緊貼圍巖并形成整體才能調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力共同控制圍巖變形，如果初期支護(hù)拱頂同圍巖貼合不緊，形成空隙，使支護(hù)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(dòng)破壞區(qū)擴(kuò)大，最后由初期支護(hù)單獨(dú)承擔(dān)荷載，易使支護(hù)失穩(wěn)、圍巖坍塌。
    4、鋼拱架封底問(wèn)題。按設(shè)計(jì)要求凡是有鋼拱架支護(hù)的地段為使拱墻支撐穩(wěn)定，必須及時(shí)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(lái)了一些施工問(wèn)題：其一是初期支護(hù)封底后，需要噴射的混凝土初凝后才能作業(yè)，這樣會(huì)影響工期；其二是出碴運(yùn)輸車(chē)輛長(zhǎng)期在洞底來(lái)回輾壓，會(huì)破壞封底結(jié)構(gòu)，甚至?xí)?dǎo)致側(cè)墻鋼支撐的松動(dòng)；其三是如果封底結(jié)構(gòu)破壞，底撐銹蝕，將會(huì)給處理帶來(lái)麻煩。鑒于上述情況，在側(cè)墻底部采取加強(qiáng)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(shí)替代底撐的作用，這樣就解決了上述三個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐該辦法是成功的，也未發(fā)現(xiàn)墻底變位的情況。如5號(hào)洞k23-090～k23-065段由于右側(cè)圍巖的水平壓力過(guò)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(dòng)。
    五、“新奧法”隧洞施工的幾點(diǎn)體會(huì)
    1、做好地質(zhì)勘探，查清洞體圍巖類(lèi)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(duì)變形加以控制，錨噴支護(hù)，根據(jù)實(shí)際情況分析確定最終支護(hù)，支護(hù)越適時(shí)越好。最重要的是設(shè)計(jì)人員、施工人員和監(jiān)測(cè)人員互通情況，及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。其中最主要的是必須掌握被稱(chēng)為“新奧法”三大支柱的錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的內(nèi)容。然而若在實(shí)施過(guò)程由于預(yù)裂、光爆、噴錨技術(shù)不過(guò)硬，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)(測(cè))不完善，就會(huì)在施工過(guò)程中出現(xiàn)諸如坍方、初期支護(hù)變形等一些問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)理論和施工實(shí)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(wèn)題具體分析。如對(duì)粘性土用注漿法作為臨時(shí)初期支護(hù)手段是難以湊效的，必須加強(qiáng)超前支護(hù)。當(dāng)隧洞穿越軟塑或膨脹性土或洞頂壁應(yīng)力集中和偏壓過(guò)大時(shí)，鋼筋花拱架支護(hù)對(duì)安全不能保證時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行襯砌，才能使巖體不致于破壞。而當(dāng)遇到一些圍巖為極軟弱的松散體時(shí)，只靠錨噴支護(hù)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(jìn)，同時(shí)隧洞掘進(jìn)施工也比較安全，可節(jié)省建筑材料，降低工程造價(jià)，加快施工進(jìn)度，保證質(zhì)量。