新奧法在東部供水隧洞工程中的應用

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一、隧洞地質概況 
    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)域地質構造穩(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，形成不利組合對隧洞穩(wěn)定影響大。
    二、隧洞設計
    目前，國內水工隧洞設計有兩種方法，一是傳統(tǒng)方法，即圍巖荷載全部由支護結構承擔；二是新奧法，即依靠監(jiān)測性能來預測和劃分地基地質條件，允許圍巖產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構緊貼圍巖，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)是按新奧法設計的。1～6號隧洞按照五類圍巖分別設計了五種支護結構形式。其中一、二類圍巖結構形式：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計厚度25厘米；三類圍巖結構形式：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；四類圍巖結構形式：采用系統(tǒng)錨桿加拱頂鋼筋網噴混凝土厚10厘米，二次混凝土襯砌厚度30厘米；五類圍巖結構形式：采用超前錨桿或小導管注漿、立鋼筋花拱架、掛鋼筋網、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坑松動爆破、排煙、清除危巖，架設鋼拱架掛網，噴混凝土后出渣，再進行下導坑爆破，作側墻錨桿噴混凝土。
    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，上導坑開挖噴混凝土，架設鋼拱架掛網再噴混凝土，必要時采用注漿導管封堵流土、流砂，然后出渣。對下導坑開挖作側墻錨桿掛網噴混凝土、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，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，會破壞封底結構，甚至會導致側墻鋼支撐的松動；其三是如果封底結構破壞，底撐銹蝕，將會給處理帶來麻煩。鑒于上述情況，在側墻底部采取加強措施，即在側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段由于右側圍巖的水平壓力過大、使側墻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、做好地質勘探，查清洞體圍巖類別，這是應用“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。最重要的是設計人員、施工人員和監(jiān)測人員互通情況，及時采取適當的措施。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)場量測的內容。然而若在實施過程由于預裂、光爆、噴錨技術不過硬，監(jiān)測預報(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，設計理論和施工實踐的緊密結合，是“新奧法”應用的關鍵。
    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，要做到靈活應用。
    4、在圍巖地質清楚，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，保證質量。