柔性支护

关键词： 百色 广西 高速公路 公路

柔性支护（精选五篇）

柔性支护 篇1

(一) 膨胀土路堑边坡的破坏形式

膨胀土路堑是公路通过膨胀土地层经开挖而形成的构筑物。路堑开挖后, 埋藏一定深度的膨胀土体暴露于大气并直接与降雨、蒸发、温度等风化营力发生作用。在大气干湿循环作用下, 随着边坡内部土体反复膨胀收缩、裂隙逐渐发育、水平应力逐渐增大, 边坡产生了极其复杂的工程地质作用, 尤其是在施工过程中, 以及通车初期, 极易出现变形破坏。其破坏类型主要有以下几种:

1. 剥落:

剥落是边坡表土经物理风化作用使土块解体, 破碎成松散土粒, 在重力作用下沿坡面滚落堆积于坡脚的现象。剥落的特征是:剥落物质小, 沿坡面层层深入, 主要发生在蒸发作用强烈的干旱季节, 一般旱季越长, 蒸发越强烈, 剥落越严重, 多在坡面下受物理风化作用显著的表层约0.1～0.3m深度范围。剥落在路堑中大多只造成边坡的后退, 初期无明显其它变形产生, 剥落的松散物质在雨季被水流裹带搬运则形成泥流, 常成为侧沟淤积的主要物质来源。

2. 冲蚀:

冲蚀是路堑坡面剥落的松散表土, 在大气降雨或地表径流的集中水流冲刷侵蚀作用下, 沿边坡形成沟状冲蚀坡面的现象。在大气降雨的片状侵蚀作用下, 坡面的部分松土被雨水带走, 先期出现若干雨洞或雨淋沟, 随着水流的线状侵蚀发展, 而形成密集纹沟, 而后线状侵蚀加强, 纹沟下切形成V形, 则发展成为细沟, 集中水流再进一步加强, 大量表土沿坡面产生悬移质或推移质运动, 细沟深切则发展成为切沟。在形态上有成单沟垂直贯穿坡面的, 有坡面上部呈单沟, 向下逐渐放射形成鸡爪沟密布于坡面的。

3. 膨胀:

膨胀土边坡开挖后, 由于一部分应力释放, 而产生的不均匀卸载膨胀, 以及干缩湿涨效应, 使坡面局部土体产生外鼓现象。这种作用多在边坡的局部坡面发生, 规模不大。但在未进行防护的坡面, 膨胀则形成松散层, 早季易剥落, 雨季易冲蚀, 而且为边坡溜塌积聚了条件。在己防护的边坡, 膨胀常使浆砌片石骨架挤裂, 混凝土封闭层被拱破等。

4. 溜塌:

溜塌是边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和, 在重力与渗透压力的作用下, 沿坡面向下产生流塑性溜塌现象。这类变形大多在坡面出现剥落, 冲蚀或膨胀的边坡产生。溜塌的特征是:运动较缓慢, 呈塑流状态, 一般无明显滑带, 上方土体溜塌后, 常形成弧状小陡坎, 塌体大都从床底开始沿坡面堆积溜塌主要在雨季产生, 规模较小, 高度和长度均在数米内, 厚0.2～0.6m。

5. 滑坡:

路堑开挖临空面的边坡膨胀土体, 在一定的土体结构, 地形, 水文和气候条件下, 由于抗剪强度的衰减而发生连续破坏, 丧失其稳定平衡, 在重力作用下沿一定软弱带 (或面) 向下发生整体位移滑动的现象。滑坡的特征是:在形态上具有一般滑坡的弧形外貌, 且有明显的光滑滑动面与基床, 但滑坡后壁特别陡直, 常常与膨胀土中近水平裂隙一致, 从滑体厚度看, 大多属于浅层滑坡性质, 因此一般受边坡土体风化层制约。滑坡宽数十m, 厚一般3～4m, 较少超过6m, 它是膨胀土路堑边坡最严重的破坏形式。

(二) 百隆高速DK0+580～DK0+740柔性支护处治技术

1. 柔性支护的处治方案

柔性支护主要指以土工织物加筋边坡土体为主, 辅以其它必要综合处理措施的处理方案。其特点是支护体不但能承受土压力而且允许土体产生一定变形, 可吸收边坡土体因超固结引起的应力释放和含水量变化产生的膨胀力。针对以往膨胀土路堑边坡刚性支护出现的问题, 对13标四塘互通区的匝道DK0+580～DK0+740路堑边坡实施柔性支护处治, 如图1所示。

膨胀土路堑边坡柔性支护处治体系主要由以下3个部分组成: (1) 柔性支护结构体:将路堑边坡超挖3.5m左右 (边坡坡比1∶1.5) , 再采用膨胀土回填, 并分层铺土工隔栅将土包起来, 碾压后便形成了柔性支护结构; (2) 排水系统:包括坡顶截水沟及截水渗沟、墙背渗水层、墙底排水垫层、墙趾外和墙踵处的排水渗沟; (3) 坡表防护系统:包括坡顶土工布防水封闭层及坡面植被防护层。在该结构体系中, 支挡结构体也起到防护和排水的作用, 防排水体系兼有支挡和防护的作用, 同时防排水体系为一连续的系统, 与支挡防护结构形成一密切联系、共同作用的整体。

柔性支护处治的防排水体系由地表水和地下水两个子系统构成。

地表水防排水子系统:由天沟——两布一膜隔水土工布封顶层——植草防护层——平台及坡脚边沟等构成。其中, 天沟用来截排坡后径流;两布一膜隔水土工布封顶层——植草防护层用来进行坡面隔水防渗;平台及坡脚边沟用来拦截坡面及路面径流。

地下水截排水子系统:由坡顶渗沟——墙背渗水层——底部隔水排水垫层——坡脚前边沟下渗沟——坡脚后渗沟构成。其中, 坡顶渗沟——墙背渗水层——坡脚后渗沟用来截排坡后地下水;底部隔水排水垫层——墙背渗水层——坡脚后渗沟用来截排渗入加筋土墙体中的地下水;脚前边沟下渗沟用来疏排和拦截开挖路床及其工作区的入渗地下水。

2. 柔性支护的作用机理

柔性支护处治方案将土工格栅分层摊铺锚固, 回填膨胀土压实形成足够厚度的柔性加筋体, 再辅以坡顶的封闭、加筋体背部及基底的排水处理以使其综合发挥各自的功效:

(1) 格栅与填土间摩擦力和咬合力, 尤其格栅层间的联接、反包可提供足够的抗剪强度, 使加筋体构成一整体来抵抗边坡的破坏。

(2) 柔性支护允许边坡产生一定的变形, 以释放开挖过程所释放的应变能和吸水膨胀过程中所产生的膨胀势能, 实现“以柔克刚”。

(3) 坡率为1∶1.5、厚度大于3.5m、高度大于三分之二坡高的柔性加筋体能覆盖路堑开挖的主要坡面, 有足够的自重以抵抗土压力作用。

(4) 足够的加筋体厚度 (大于有效活动层深度) 可隔绝或防止风化作用对坡内膨胀土的影响, 阻止裂隙的发展和浅表层滑坍。

(5) 柔性支护结构具有完备的综合防排水体系。排水体系包括坡顶截水沟及截水渗沟、墙背渗水层、墙底排水垫层、墙趾外和墙踵处的排水渗沟;坡表防护体系包括坡顶土工布防水封闭层及坡面植被防护层。

(三) 柔性支护的施工工艺及技术要求

柔性支护采用常规筑路机械, 施工简便且无特殊技术要求。基本步骤为:按设计先将边坡超挖形成工作面;由坡脚由下而上分层在开挖坡面前填筑50cm厚碎石排水层, 然后加铺土工格栅, 在其上回填土并压实;将预留的土工格栅反包, 并与上层格栅用连接棒连接形成坡面。此时加筋体后碎石排水层自下而上贯通, 可将坡体内裂隙水排出。具体施工工艺与技术要求:

1. 边坡清方:先对边坡坡底进行清方, 坡底清方水平宽度从原设计边坡坡脚为起点, 滑塌区清至边坡滑塌松方与未滑边界止。对未滑塌区域按设计挡墙宽度加上0.5m (墙后排水层宽度) 计算, 清方基底应挖成向边坡内倾斜的斜面, 倾斜坡比为4%, 挖出的膨胀土放于附近路床的指定位置, 以备柔性支护回填使用。

2. 土工格栅柔性挡墙基础开挖及碾压:将土工格栅柔性挡墙基础开挖至原路床换填部位, 基础部位的松土要全部清完, 直到坚硬的土层, 然后采用压路机对基础进行静压, 压实度要求≥90%。在基础开挖过程中若引起上部土体松动滑塌到基坑中, 须将基坑中的松土清干净。

3. 路床和土工格栅柔性挡墙下渗沟开挖及防水层布设:根据设计图纸, 采用人工开挖纵向渗沟, 渗沟顶部位于路床换填碎石土底部, 在渗沟底部和侧面铺设“两布一膜”作好防渗工作。

4. 路床和土工格栅柔性挡墙下渗沟排水管布置以及沟内碎石的填筑:在渗沟底部布置纵向带孔PVC排水管作为纵向排水通道, 并用机械或人工将碎石填于沟内。施工时, 要求沟底平整, 水流畅通, 出口参照截水沟下渗沟出口形式设一字墙出水口。截水沟和其下渗沟采用人工开挖基坑, 按设计图纸位置铺两布一膜, 安放带孔的PVC管, 回填碎石, 渗沟顶回填砂砾土, 在砂砾土顶部铺一层土工膜, 防止细粒土渗入堵塞带孔的PVC管, 影响渗沟的使用效果。坡顶渗沟和截水沟应设置在滑坍体以外, 距滑坍体边缘不小于5m, 并且渗沟和截水沟沟底平整、沟内水流顺畅、不积水, 沟底纵坡不小于0.5%, 渗沟起、终端设二个一字墙出水口, 及时排出地下水。

5. 放线:每层土工格栅摊铺前, 按照设计图纸进行测量放线, 并用石灰粉标出边坡线和土工格栅包边线, 以保证边坡的顺直以及设计坡率的实现。

6. U形钉、格栅张具及连接棒的准备:在厂家购置连接棒, 将φ6钢筋裁断成50cm长, 弯成U型钉。用φ10钢筋自制格栅张拉工具, 以备固定和张紧土工格栅之用。

7. 土工格栅裁剪:土工格栅裁剪的长度须根据滑坍区域的大小和基础清方宽度而定, 具体按设计图执行。将成捆的土工格栅按柔性挡墙的设计宽度再加上1.5m的反包长度, 进行裁剪备用。裁剪好的土工格栅放置于附近路床的指定位置。

8. 格栅搭接:为了保证格栅沿路中线方向的整体性, 两幅格栅间需搭接, 搭接宽度为5cm;并用U形钉在搭接部位固定, 在尾部固定后, 中间部位U形钉的间距为1.5m。

9. 膨胀土填料的准备:按照就近取料的原则, 将边坡开挖出来的膨胀土在指定位置堆放, 并用推土机履带将其压碎, 严格控制填料的粒径不大于20cm。

10. 渗水层的填筑:采用人工或机械按宽50cm高25cm将开挖的碎石土填筑于柔性挡墙墙背与基础清方所成的边坡面之间以形成墙背渗水层, 注意开挖深度应保证与下一层透水碎石土层相接。为防止边坡地下水渗入路床, 在土工格栅包碎石土边坡外侧铺二布一膜。

11. 第一层土工格栅的摊铺:格栅加筋区与基础清方所形成的新的边坡线的剩余部位按设计图纸的要求回填相应的填料。土工格栅在预留1.5m反包长度后沿横断面方向自包边线处往路基边坡方向展开, 并用U型钉将其张紧固定。以此类推, 第一级挡墙的格栅都按上述方法执行。第二级挡墙的格栅按设计图纸执行。第二级挡墙的格栅加筋区与基础清方所形成的新的边坡线的剩余部位同样按设计图纸的要求回填相应的填料。

12. 按设计图纸上第一层填料:用装载机或挖掘机将备好的膨胀土料 (或碎石土) 置放于土工格栅上及背后需回填的区域。

13. 填料的摊铺及碾压:采用推土机将填料推平, 达到平整性要求后用小型压路机进行碾压;碾压遍数应根据实际情况及时调整, 压实度≥80%。注意, 施工机械不得直接在土工格栅上行走。

14. 上第二层填料:直接在第一层已压实的土层上上第二层填料并进行碾压。

15. 放线:按设计图纸的坡率进行测量放线。

16.修坡:采用人工将填筑并碾压后的两层土修成1∶1.5的坡比。

17.第一层土工格栅反包:将预留的反包格栅段沿修好的边坡反包并张紧。

18.第二层土工格栅的摊铺:按设计图纸和第 (11) 条的要求进行第二层土工格栅的摊铺, 格栅预留1.5m的包边长度, 将已准备好的一段的土工格栅沿横断面方向自包边线处往路基边坡方向展开。

19.格栅连接与搭接:将下层格栅的端部与上层格栅的适当位置用连接棒连接 (以上层格栅张紧后其端部在包边线附近为宜) , 为了保证格栅沿路中线方向的整体性, 两幅格栅间需搭接 (格栅的宽度为1.1m) , 搭接宽度为5cm。

20.张拉及固定:用连接棒将上下两层的土工格栅连接, 沿垂直路中线方向用钢钎拉紧格栅产生1%～2%的伸长率, 然后钉住钢钎, 连接棒必须被上下两层土工格栅牢牢夹紧, 并立即用U型钉将格栅固定土层上。为防止格栅因倒土产生变形或褶皱, 需在搭接处沿垂直路中线方向的中部加钉U型钉。

21.施工便道的修建:当边坡填筑低于6m时, 通过在柔性挡墙前方修筑便道, 以便于填筑上土;当边坡填筑高于6m时, 采用通过边坡侧翼修便道的方式满足上填料土和碎石土的要求。

22.结合设计图纸, 重复 (11) 至 (21) 步骤, 直到挡墙的顶部。

23.坡顶需回填土填筑的部份:按设计图纸执行。土层夯实可采用机械或小型压路机。边坡坡率采用1∶1.5。

24.边坡封顶:在回填土上方以及膨胀土边坡顶部铺设两布一膜, 铺设宽度 (坡顶距离截水沟距离) 不低于5m, 顶部处理按设计图纸执行。土工格栅柔性挡墙顶部至截水沟边缘范围内坡面铺土工膜隔水, 并在其上铺30cm厚种植土, 植草绿化, 铺土工膜前, 修整坡面, 填塞裂隙。

25.坡面反包格栅的保护:在反包边坡表面培植30cm非膨胀土, 并随着施工进程由下而上填土并拍实, 以防止紫外线对格栅寿命的影响。

26.坡面防护:按边坡方案设计图纸执行。

(四) 结束语

膨胀土路堑边坡刚性支护不允许被支护体产生变形, 而在干湿循环、水的作用下边坡膨胀土体必然干缩湿胀, 当膨胀变形较大而得不到释放时, 会产生很大的膨胀压力致使刚性支护破坏。而柔性支护处治技术不但能承受土压力而且允许土体产生一定变形, 可吸收边坡土体因超固结引起的应力释放和含水量变化产生的膨胀力, 很好的解决了膨胀土地区路堑边坡的处治难题。

参考文献

[1]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版社, 1984.

[2]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.

[3]杨和平, 郑鹏.南友路膨胀土堑坡滑坍的地质调查与思考[J].长沙理工大学学报, Vol.1No.1, 2004.

柔性支护在引水隧道交叉段的应用 篇2

关键词：柔性支护,引水隧道,交叉段,应用,分析

0 引言

引红济石调水工程施工过程中,面临着新开支洞在NK0-087.4的里程与主洞K2+231.1的位置相交,根据开挖情况,此段围岩属于Ⅳ类围岩,围岩较破碎,易形成坍塌。为了保证交叉段大跨度开挖整体的稳定,所以对新开支洞与主洞上游交叉地段分析研究拟进行提前预加固。施工前针对施工特点制定了三种具体施工方案,经过相关方及专家优化分析,最后采取了改线施工,改线处地质情况同样相当复杂,前期预加固的主要措施拟定为系统锚杆、型钢加喷射混凝土的柔性支护形式。锚网喷支护结构属于土体原位加筋技术,配合机械开挖,采用下行式短台阶下挖方式施工。通过在边坡设置高密度小尺寸锚杆群,配合面层钢筋混凝土结构组成轻型支护挡土体系。设计上是以锚杆力逐段分块平衡土压力,在密集排布的锚杆作用下,把潜在滑裂面前的主动土压力区土体加固为具有自撑能力的稳定土体。

1 工程概况

陕西省引红济石调水工程是一项跨流域调水工程,它将汉江北岸褒河支流红岩河河水通过穿越秦岭的隧洞自流调入到石头河中。工程受益区为陕西省关中地区中西部的咸阳、杨凌、西安三个市区。

引红济石调水工程引水隧洞Ⅱ标主线输水隧洞全长2560m,断面为圆拱直墙型,成洞洞径3.0m×2.8m(高×宽)。2号支洞原设计水平长度561.46m,断面为三心圆拱型,成洞洞径5.4m×4.0m(宽×高)。变更后2号支洞总长度为568.46m,断面变更为圆拱直墙型,成洞洞径5.85m×4.0m,直墙高1.075m,拱部采用半径为2.925m的半圆拱。根据变更后新开2号支洞与主洞交叉段设计图纸,交叉段范围NK0-067.94～NK0-081.91段。交叉段示意图见图1。

该段地质判定为Ⅳ～Ⅴ级围岩,围岩较破碎,易坍塌。岩性以云母石英片岩为主,薄层状结构,节理发育,岩层产状20°∠20°,弱～强风化,裂隙发育,裂隙充填泥质,地下水出露形态以渗滴水为主,围岩易产生掉块现象。局部围岩严重泥化,造成细粒被水流带走,围岩呈松散碎石状,无自稳能力。对于此类软弱破碎段围岩施工应进行深入研究[1]。

2 号支洞施工过程中,在接近交叉段处曾出现突泥事故,突泥量初步估计约2000m3,塌方量初步估计为8000m3。专家组通过对相关资料的研究判断以及现场实地踏勘,初步认为突泥段属于变质岩中压性逆断层,断层影响带岩体破碎、渗透性强,大量的裂隙水的渗出,使断层破碎带内的大量断层泥强度弱化而出现松动变形,形成泥石流。变形加剧了断层破碎带的损伤断裂的扩展,标志着泥石流由连续变化向不连续变化的转变,最终导致泥石流失稳、突发这样一个由渐变向突变,由量变向质变的转变体系。

2 支护方案的选择

原设计支护采用刚性支护,即混凝土整体衬砌支护。通过现场调查分析后认识到,这种支护对于该隧道有四个严重的不足点;

(1)混凝土衬砌的支护体刚度较大,岩体自身与混凝土衬砌之间的支承能力不能很好共同作用,致使在岩体大变形时先将混凝土衬砌压坏,紧接着岩体自身也破坏。(2)混凝土衬砌很难完全与围岩密合,二者之间存在局部受力点,致使混凝土衬砌被围岩压力各个击破从而破坏。(3)混凝土衬砌施做时间也是一个重要的因素,如施做太早,则易发生上述后果,如施做太晚.也起不到支撑作用。(4)由于局部涌水,地下水使围岩泥化、软化,造成岩体强度降低,因局部压密易造成拱架下沉。另外涌水会造成喷射混凝土粘附不良、妨碍施工作业。

与之相比,柔性支护却能起到很好的作用。柔性支护能密贴围岩或深入到岩体内部,有效地发挥围岩自承能力,允许围岩有一定变形而不破坏,甚至同被加固的岩体作整体运动时仍能保证相当大支护抗力的支护措施。由于柔性支护的及时性、粘结性、深入性、柔性、封闭性以及灵活性等特点,对于不同的围岩均能找到其适应的特点。

柔性支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、和锚网喷复合支护等。锚喷支护能从根本上改变岩石强度特征,使隧道支护由以前的被动支护变为主动支护,有着传统外部支撑结构所不具备的技术优势,因而在世界各国发展很快。所谓“从根本上”是指锚喷支护结构能与其支护围岩结合在一起共同作用,既能直接对围岩支撑保护,又能从内部加固围岩,将被加固的围岩由载荷体变为承载体,充分发挥了围岩的自身支撑作用。锚网喷支护形式是在锚喷支护的基础上发展起来的,是锚杆、金属网、喷射混凝土三者并用的联合支护结构[2]。与锚喷支护相比较,关键是增加了金属网。锚网喷复合支护形式,一般仍然是以锚为主,以喷、网为辅。围岩的支护抗力主要由锚杆及时提供,增加金属网在于改善喷射混凝土性能,增大喷射混凝土的整体性和抗弯、抗拉、抗剪的性能,使喷层不易开裂,从而更好地起到封闭、防风化、防水和防止锚杆间岩体的松动掉落,达到保护和发挥锚杆支护的目的,也使得喷层压力得到更均匀分布[3,4]。

钻爆法施工适用于各种地质条件和地下水条件。并且具有适合各种断面形式和变化断面的高度灵活性。鉴于引水隧道交叉段的复杂地质情况,综合考虑各种因素。该引水隧道交叉段开挖采用钻爆法。综合对比分析以上各种因素,本工程决定采用锚网喷复合支护代替混凝土整体衬砌支护。

3 柔性支护施工应用

为了保证交叉段大跨度开挖整体的稳定,决定采用锚网喷复合支护代替混凝土整体衬砌支护进行施工。技术上采用超前支护、预注浆、调整支护参数、增加二次衬砌、仰拱等手段来确保施工安全。施工过程中采用了型钢拱架进行加固。

新开支洞采用初期支护与二次衬混凝土交替施工,开挖时采用小导管超前支护,初期支护采用双层HZ140拱架加固,拱架间距75～100cm,喷护厚度50～100cm,分布进行。施工工序为:架设系统锚杆→锚杆、连接筋加固原来的钢支撑(拆除部分的钢支撑不加固)→架设型钢支撑→喷射混凝土作业→拆除开挖范围的钢支撑。具体施工措施为:(1)准确放样画出新开支洞与主洞上游的相贯线。(2)钻孔进行超前小导管及锚杆施工,采用5米准42超前小导管与5米准22锚杆联合超前支护,间距为30cm,两种支护交错布置。架立时将加设的砂浆锚杆与钢架焊接,再通过锁脚锚杆、纵向连接筋等加固,连接成整体。钢架安设好后尽快施喷混凝土,并将其全部覆盖,使钢架与喷混凝土共同受力。(3)等交叉段加固措施完成后,拆除主洞上游开挖范围内的型钢支撑。(4)根据已放样出的开挖轮廓线,清理型钢表面的混凝土,然后用割枪分段切割型钢,拆除完成后,及时进行主洞开挖的初期支护。

4 支护效果分析

在施工过程中,我们对围岩支护体系的稳定状态进行了监测,确保施工及结构运营安全。根据在施工过程中测的K3+232处拱腰净空变化量测数据。分析收敛--时间走向,选用双曲线函数公式作为回归函数,绘制了收敛--时间曲线以做具体分析。

施工一段时间以后,拱腰收敛分析:根据选定的双曲函数方程对此测点进行分析,第31天以后,位移量达11.04mm,位移率达80.54%>80%,收敛速率达0.10mm/d<0.20mm/d,收敛稳定。由此可判定围岩及初期支护净空变化在开挖31天后基本稳定,说明围岩和初期支护结构已趋于稳定,满足施工要求。根据施工现场情况和施工监控量测结果,此次采用锚网喷复合支护代替混凝土整体衬砌支护进行施工达到了良好效果。具体效果包括:(1)隧道成形好,变形量小,支护保持完整,提高了隧道的稳定性和安全性。通过现场对隧道围岩周边位移、拱顶下沉、锚杆轴力、拱架应力等项目的监控量测分析,可知锚网喷复合支护结构与围岩相互作用的整体性好,能够延长围岩的自稳时间,有利于充分发挥围岩自身的作用,有效抑制了围岩产生的过大变形,提高了隧道的稳定性和安全性。(2)缩短工期。锚网喷复合支护操作简单,节省了立模时间。钻孔、注浆、搅拌、输送和喷锚都可实现机械化,施工速度快,减轻体力劳动强度。(3)节约成本。作为隧道开挖中的临时支护,柔性支护相对工作量少,喷射混凝土厚度一般比模注式混凝土薄,不仅可节约材料,还可减少开挖的土石方量,降低爆破器材的消耗。现场对比表明柔性支护的费用较少,施工成本有所降低,且无需返修,减少了维修费用。

5 保证措施

(1)加强交叉段的监测。在NK0-076.7的位置拱顶设置沉降观测点,观测拱顶的下沉情况和围岩收敛情况,注意随时观察掌子面的出水情况(水量大小变化、浑浊变化)来判断碴体内的变化情况。(2)现场除一名专职安全员以外,各工班的工班长为兼职安全员,项目部将不定期组织人员进行安全检查,检查和督促各项安全制度的落实情况,确保形成自上而下的安全保证体系。(3)建立应急预案,做到事前有准备,出现意外有预案,使安全生产落到实处。

6 结论

从交叉段施工完毕至现在已有3年时间,该段使用情况良好,此交叉段施工是一个用柔性支护代替刚性支护成功的案例。这种工程实践案例很有借鉴意义,说明特殊地段隧道的施工中应用柔性支护是行之有效的方法[6]。为了充分发挥支护作用,首先要加强前期的地质勘探工作,尽量明确围岩的性质及分布状况,设计合理的支护结构形式;其次要加强施工监控量测,做到量测数据有效的反馈并指导施工,根据现场实际情况随时调整支护形式;最后要做到严格按照规范和设计施工,从技术上保证支护的长期作用效果。

目前,柔性支护的应用已从较单纯的地下工程支护发展到桥梁、道路、边坡、矿山、大坝等各个领域。随着支护理论及实践应用技术的成熟,其发展将有更加广阔的前景。

参考文献

[1]王必军.浅埋偏压、软弱围岩双线客运专线隧道施工综合技术研究[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2011(1):14-16.

[2]李林山.喷锚支护与土钉墙[J].岩土工程技术,1998(3).

[3]刘宝江.锚网喷支护在断层破碎带中的应用[J].中国科技博览,2010(33):569.

柔性支护 篇3

SNS (Safety Netting System) 柔性防护系统是以高强度钢丝绳柔性网 (菱形钢丝绳网、环形网、高强度钢丝格栅) 作为主要构成部分, 并以覆盖、紧固 (主动防护) 和拦截 (被动防护) 来防护坡面岩石崩塌、滚石、爆破飞石等危害的钢丝绳柔性防护网系统。主动防护网采用系统锚杆固定, 通过缝合张拉和支撑绳或预应力锚杆对柔性网实现预张拉, 抑制局部岩土体位移, 从而实现其主动防护功能。主动防护网主要用于坡面崩塌、风化剥落、溜坍等地质灾害的加固防护, 其主要型号有GAR2、GPS2、GER2和GTC-65A。

SNS柔性防护网主要特点如下: (1) SNS柔性防护系统属于开放性系统, 地下水可以自由排泄; (2) 可根据地形起伏变化灵活布置, 在狭窄场地比其他方法更能体现其优势, 系统的柔性特征能使其能承受更大的荷载, 同时降低单根锚杆的锚固力要求。 (3) 系统部件实行标准化生产, 解决了施工进度缓慢和复杂地形条件下施工困难的难题。

二工程概况

某高速公路路线所经地区为主要为重丘区和高差悬殊的山领区, 沿线地形条件非常复杂, 施工难度较大, 线路大多地段都采用路堑形式, 形成了很多陡坡, 在建设初期, 表面经过喷射混凝土处理, 阻止了坡面破碎岩土节理发育和崩塌落实发生, 一段时间以来能够有效保障道路行车的安全。随着时间的推移, 在自然因素的侵蚀下岩体表面的喷射混凝土逐渐破坏并形成碎落块, 对行车和人员安全存在很大的威胁, 需采用防护处理。

该路段沿线区域主要特点是春季风沙多雨水少, 夏季多雨炎热, 秋季晴和日照长, 冬季寒冷雨雪少, 属大陆性季风气候, 蒸发量远远大于降水量, 最大冻土深度为35cm。路线所经区域地表出露以第四系和新近系地层为主, 东部、南部地势开阔平坦, 地形条件简单, 地表岩性以第四系冲击物为主, 零星可见石炭系和二叠系地层;新近系岩性主要为紫色、黄绿色泥岩, 含砂砾岩及灰色泥岩。

三防护设计总体思路

根据现场调查, 路段边坡存在的主要安全隐患有:边坡开挖过陡, 坡率为1:0.5～1:0.3, 且坡面未设置台阶;边坡表面素混凝土与岩体黏结强度差, 在风化等作用下剥落掉块;部分边坡存在结构面不利组合、裂缝、临空面以及危岩体等灾害因素;边坡顶部风化较深, 崩塌、破碎、掉块隐患大。针对以上隐患, 结合本工程特点, 选择防治措施时主要考虑以下三个方面:施工周期短, 处理措施简单易行, 尽量不开挖或减少开挖以避免对边坡稳定性的进一步破坏;尽量避免崩塌落实灾害发生, 即使有掩体松动也要将其控制在防护措施范围内;在同等防护效果的前提下尽量节约资金。从防止灾害的角度考虑, 本工程采用SNS主动防护方案, 防护系统型号GTC-65A。

四 GTC-65A防护系统主要构成及施工顺序和方法

GTC-65A防护系统原理是:采用带锚垫板的预应力钢筋锚杆, 将专用TECCO高强度格栅张紧固定覆盖于边坡上, 抑制崩塌和剥落, 保护行人及车辆安全。

1.主要构成

TECCO格栅:由高强度不小于1770MPa的经防腐处理钢丝编制, 菱形网孔内切圆直径65mm, 网块标准规格30cm/20cm/10cm×3.5m;TECCO锚垫板:菱形状钢板, 型号CE-7007, 尺寸不小于350mm×170mm, 厚度不小于8mm, 四个角带有弯钩;锚杆:采用φ25普通螺纹钢筋锚杆, 一端加工螺纹并进行热镀锌防腐处理, 间距3m×3m;辅助锚杆:用在局部低凹或边界处, 目的是使格栅更好地紧贴坡面, 其构成与主要锚杆相同, 长度一般选用1～1.5m。边界绳:φ12热镀锌钢绳, 每根两端各配一根长度为3m的2φ16双股钢丝绳锚杆。

2.施工顺序与方法

(1) 清坡:清除坡面防护区域内松土落实。

(2) 放线测量并布置确定锚杆孔位, 尽量设于天然凹坑处, 需要时根据地形条件调整锚杆孔间距, 但间距不应大于设计值的10%。

(3) 按设计深度自下而上钻凿锚杆孔;尽量采用干钻, 确保钻孔位置及方向。

(4) 锚杆除锈、安装锚杆并注浆, 清理锚杆头并使其裸露长度为10～18cm;进行下一道工序前养护至少三天。

(5) 铺设与缝合格栅, 格栅横向上无需重叠, 纵向边界应重叠一至两个网孔宽度并不小于20cm, 缝合丝或绳穿过搭接孔, 缝合绳两端各用两个绳卡进行固定。

(6) 边界绳从格栅网孔穿过至两端钢绳锚杆, 张紧并用3-5个绳卡固定。

(7) 安装锚垫板并施加预应力, 锚垫板的弯钩必须牢固地卡入格栅网孔内, 格栅悬空处的锚杆预应力应小于30kN, 上边界和侧边界绳必须卡压在锚杆外围, 下边界绳必须卡压在锚杆的上侧。

(8) 检查格栅与坡面的贴紧情况, 需要时布设辅助锚杆。

五结束语

该工程采用SNS柔性防护系统施工完成后, 边坡处于持续稳定状态, 边坡植被自然生长未受影响。SNS柔性防护具有施工便捷、造价低、不给边坡增加荷载等优点, 能适应用复杂的地形, 是一种值得在铁路、公路工程边坡崩塌落石防护中推广应用的先进技术。

参考文献

[1]刘亚伶, 于保华.SNS柔性防护在八达岭高速公路上的应用[J].市政技术, 2009 (5) , Vol.27No.3:227-229, 232

柔性支护 篇4

红柳煤矿二号副立井隶属神华宁夏煤业集团有限责任公司红柳煤矿, 由中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司设计, 中煤五建第二工程处承建, 红柳煤矿二号副立井净直径为9. 4m, 井筒深度为808. 1m, 冻结段深度588m。净断面面积69. 4m2。矿井为瓦斯矿井, 煤尘有爆炸危险性。副立井井筒的主要技术特征详见表1。

井筒的水文地质条件较为复杂, 围岩以粉砂岩、砂岩为主, 岩石孔隙发育中等, 抗外力和抗变形能力一般, 遇水易崩解, 井筒预计将穿过14 个含水层, 岩性以粉砂岩和砂岩为主, 各主要含水层涌水量详见表2。

井筒穿遇地层总体上工程地质条件较差, 基岩段围岩以粉砂岩和砂岩为主, 岩石饱和抗压强度远小于自然状态或干燥状态下的抗压强度, 软化系数普遍小于0. 75, 为遇水易崩解的岩石。井筒掘至620m位置涌水量增大, 岩石遇水泥化、岩石不稳定, 片帮严重, 一次片帮量最多达78m3。最初尝试采用锚网喷作为支护, 但由于岩石较为松软、容易片帮, 而且淋水较大, 导致喷浆出现容易回弹、上墙等效果不佳现象。经过多次研究论证及实验, 决定采用柔性材料作为辅助支护方案。

2 施工方案

2. 1 方案设计

由于侏罗系中统直罗组以遇水容易泥化、崩解的砂 ( 泥) 岩为主, 加上该段井壁淋水较大, 裸露的岩体很容易片帮, 采用锚网喷的方法起不到临时支护的明显效果, 所以为了尽量减少开挖对围岩的破坏, 采取分段开挖并及时进行柔性材料支护再浇注, 保证柔性材料与围岩紧密相连, 保持整体性, 同时控制围岩侧应力的变化。由于该柔性临时支护材料采用高强聚乙烯塑膜加工而成, 故又称为柔模。具体施工方案详见表3。

2. 2 柔模施工

首先是局部开挖, 然后临时支护, 再悬挂柔模, 最后挂网固定, 其具体流程详见图1。

柔模悬挂固定方式: 第一模在浇注混凝土前采用垂直井壁的钢管及水平锚杆悬挂, 第二模以下采用钢管上的短丝杠悬挂固定, 下模钢管通过连接头与上模预留钢管连接, 然后在丝杠上悬挂柔模, 再在柔模表面挂设钢筋网, 最后采用托盘螺母将其固定, 柔模施工完开始在钢筋网外灌注砼以便形成整体 ( 一圈) 混凝土。详见图2、图3。

3 结语

使用该具有永临结合性质的支护, 使红柳煤矿副井成功通过不良地层, 节约了成本, 节省了工期, 也为通过类似地层施工提供了一种有效的新技术和新手段。

( 1) 为有效减少不必要的混凝土浪费, 控制井壁片帮带来的影响, 必须要根据井壁围岩情况合理设计柔模数量。

( 2) 要专人观测柔模支护稳定期间其余井壁及围岩摩擦力的变化, 确保井筒整体变化的可控性。

( 3) 柔模在支护方面属于永临结合, 所以要求柔模砼边开挖边浇注, 实现井壁支护的及时性和有效性。

( 4) 要安排有关工程技术人员对施工现场柔模相关参数定期进行测定, 并对相关数据进行整理, 对存在的问题进行分析, 提出解决方案和措施。

( 5) 柔模施工方案要根据井筒施工情况不断进行调整和优化, 保证永临结合支护的实际效果。

( 6) 柔模永临支护, 减少了材料、能源、人力、物力的浪费和对环境的影响, 缩短了建设周期, 取得良好的社会、经济效益。

( 7) 柔性支护既提高了围岩的整体性, 也增强了围岩自身的承载能力, 而且该支护方式无粉尘、零回弹。

( 8) 这种复杂地层施工新技术还能有效封堵井壁淋水, 确保井壁永久支护的强度和质量。

参考文献

[1]刘彦杰, 等.立井含水岩层柔模混凝土临时支护技术[J].建井技术, 2013, 03:50-51.

[2]张新华.红柳煤矿井巷柔模支护设计探讨[A].神华第三届科技大会论文集[C].北京:煤炭工业出版社, 2009.

[3]吴国强.宁东矿区井巷柔模泵注混凝土快速支护技术的实施探讨[A].第四届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C].北京:煤炭工业出版社, 2009.

柔性支护 篇5

近年来,锚杆技术发展迅速,在边坡支护、围岩锚定、滑坡整治、高层建筑基础锚固等工程中广泛应用,它克服了传统边坡支护结构的支护高度受限制、造价高、工程量大、稳定性差等缺点,同时在施工过程中对边坡的扰动较小,预应力锚杆可以有效地控制边坡支护结构的变形,具有使用安全、经济性好的特点,在边坡支护工程中发挥了极大的作用[1,2,3,4,5,6,7]。李忠等[2]基于土体边坡滑动面的破坏模式及极限平衡理论,采用圆弧滑动条分法,在考虑支护结构、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,建立了边坡最危险滑移面的搜索模型,推导了边坡滑移面圆心位置与稳定系数之间的关系;周勇等[3]合理选取了框架预应力锚杆支挡结构的土压力计算模型和框架、锚杆的计算模型,并提出了采用力法求解框架和锚杆的内力;韩爱民等[8]对预应力锚杆框架梁支护体系加固边坡的力学响应、支护体系与加固坡体之间相互作用的空间力学效应以及支护体系的力学响应对设计参数的敏感性等问题进行了研究;董建华等[9]应用弹塑性有限元方法,研究了框架锚杆支护边坡的受力机理;林杭等[10]通过FLAC-3D建立数值计算模型,分析了锚杆长度变化对边坡安全系数和滑动面的影响以及锚杆的力学响应。上述研究都只是针对锚杆没有破坏时所对应的坡体及锚杆轴力等的一些规律分析,而没有考虑锚杆破坏时的影响。本文通过对一工程算例进行数值模拟,分析了不同位置锚杆破坏对支护结构的影响,主要从锚杆轴力、边坡安全系数及相应锚杆破坏时对应的坡体位移进行了分析,为后续框架预应力锚杆柔性支护结构的可靠度分析奠定了一定的基础。

1 FLAC-3D简介

FLAC-3D是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件,是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法,可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。采用显式差分法和混合离散法,可以准确模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

2 工程算例分析

2.1 工程概况

甘肃平凉崇信县佰泰家园北端边坡为一自然边坡,呈东西走向,倾向北(N),边坡坡角约为85～90°(边坡陡峭),且为土质边坡。拟加固边坡为北端高度13m的边坡,边坡重要性系数取1.0,安全系数取1.3,边坡土体组成为:(1)黄土状粉土;(2)黄土状粉质粘土,土体物理性质见表1。

采用框架预应力锚杆支护结构进行边坡加固,边坡倾角为85°,共布置5排锚杆,施加预应力120kN,锚杆水平间距取2.7m,竖向间距取2.6m,立柱和横梁截面尺寸均取为b×h=300mm×300mm,混凝土强度等级采用C25,锚杆采用HRB335级钢筋,具体计算采用“深基坑支护结构设计软件V1.0”中的框架锚杆边坡支护模块进行。由此计算的锚杆设计参数值见表2,锚杆布置形式见图1。

2.2 基本假设

锚杆常用来加固岩土体,其主要作用是借助于水泥浆沿其长度提供的抗剪能力,以产生局部阻力,从而抵抗岩土体产生的位移,因此所做假定是:锚杆的锚固段与周围土体、浆体完全粘结,满足变形相容条件。

2.3 计算模型

为了便于建立分析模型,并结合该工程的实际支护情况,由于该工程处地下水埋藏较深,在模拟计算过程中,不考虑地下水的影响;在建模过程中,不考虑挡土板的作用。对于边坡计算模型,取坡高为13m,坡角为85°。为了消除边界效应的影响,边坡向前延伸19.5m,向后延伸33m,坡体宽度取13.5m,模型的边界条件为下部固定,左右两侧水平约束,上部为自由边界。计算模型由实体单元数6400个、网格点(gridpoint)7678个、结构单元450个及单元节点(node)460个组成。模型支护前以自重应力为初始应力,并且在自重作用下计算至平衡,然后将速度场、位移场清零,以该阶段为初始状态进行计算,建立的三维计算模型如图2所示。关于锚杆的破坏有三种形式[11]:锚固段砂浆与周围岩土体的黏结破坏、锚固段砂浆与钢筋之间的黏结破坏和钢筋的拉断破坏。在模拟过程中,关于锚杆的破坏,主要从锚杆单元的相关设计参数入手,即材料参数和水泥浆特性。在这里选择了两种情况:钢筋抗拉强度设计为0和单位长度上水泥浆的粘结力(gr＿coh)、刚度(gr＿k)与自由段设置相同,相当于无锚固段(程序运行后提取数据,相应的锚杆轴力与坡体位移两者相差不大),以第一种情况为例进行分析。

2.4 结果分析

2.4.1 边坡稳定安全系数

在FLAC-3D软件中,计算边坡安全系数采用强度折减法,其定义为:使边坡刚好达到临界破坏状态时,对土体的抗剪强度进行折减,即定义安全系数为土体的实际抗剪强度与临界破坏时折减后剪切强度的比值。强度折减法的要点是利用公式(1)和(2)来调整土体的强度指标c和φ,然后对边坡稳定性进行数值分析,不断地增加折减系数,反复计算,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为边坡稳定安全系数Fs。

式中:c和φ分别为土体折减前的黏聚力和内摩擦角;cF和φF分别为土体折减后的黏聚力和内摩擦角;Ftrial为折减系数。

在建模过程中,取五榀框架,由于结构为对称结构,取中间列不同位置锚杆的破坏进行研究,经过模拟计算,不同情况下的安全系数见表3。

从表3可以看出,单根锚杆破坏对整个支护结构的影响,其中53破坏对整个支护结构的影响最大,其次是33和43,33和43的破坏对支护结构的影响情况相同,再次是23破坏,最后是13破坏。从边坡的稳定安全系数来看,单根锚杆破坏对整个支护结构的影响从上到下逐渐加强,底部锚杆破坏影响最大。

2.4.2 边坡土体位移

边坡没有加固前对坡体位移进行计算时,由于对应土体参数黏聚力较小,不能用带参数最大不平衡的SOLVE命令,原因是模拟计算将永远不收敛而不能达到平衡状态,但可以通过设置时间步数(或者说迭代次数)来模拟过程。边坡土体水平位移分析点布置见图3(取中间列锚杆对应的坡体位移),其中2#、4#、6#、8#和10#对应锚杆13、23、33、43、53的位置。

分别提取了边坡土体加固前、加固后及不同位置锚杆破坏时对应的土体位移,各种情况下对应的坡体位移见表4,负号表示边坡土体发生位移的方向沿x轴的负方向。

边坡加固前对应的1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#处的土体位移分别是-190.7mm、-191.73mm、-203.23mm、-230.01mm、-265.12mm、-297.05mm、-301.42mm、-287.7mm、-263.44mm、-199.58mm、-7.453mm,由这些数据可知边坡在未加固前对应的坡体位移最大值发生在边坡中部。表4为边坡加固后对应的各点位移,可见边坡经过框架预应力锚杆支护结构加固后,土体位移明显减小,且锚杆位置(即2、4、6、8、10点处)对应的土体位移也呈现中间大、两边小的变化趋势。

不同工况下对应的坡体位移增量见表5,即:未破坏之前的位移减去不同工况下对应的位移。

从表5看出,锚杆位置(即2、4、6、8、10点处)对应的坡体位移在53破坏时对应的坡体位移增量最大,达到6.668mm,其次是43破坏、33破坏、23破坏,最后是13破坏,其锚杆位置对应的最大位移增量分别达6.599mm、4.843mm、3.771mm和1.805mm。与不同工况下对应的安全系数的变化趋势相同;13破坏对应的监测点1#和3#、23破坏对应的监测点3#和5#、33破坏对应的5#和7#、43破坏对应的7#和9#、53破坏对应的9#和11#点的位移增量较大,说明不同工况分别对相应的这些点的影响较大,也就是说,不同工况下的锚杆破坏对应的坡体位移,其影响范围主要是破坏位置处及其对应的上下两个相邻监测点处;不同工况下锚杆的破坏均对上部土体的影响较大,对下部土体的影响较小。

以33破坏为例,提取13、23、33、43和53锚杆处对应的x方向土体位移见图4,横坐标为时间步,纵坐标为位移变化(每隔一定时间步,提取各点位移)。从该图可以看到,不同锚杆处对应的土体位移在刚开始的一定时间步内线性增加,之后增长逐渐缓慢并趋于稳定。

2.4.3 锚杆轴力变化

现在取33锚杆在不同工况下的锚杆轴力,见图5,根据锚杆长度,每一米布置一个测点,从该图可以看到锚杆轴力的大致变化趋势,预应力锚杆轴力最大值发生在自由段,并且自由段锚杆轴力大小基本相同,从锚固段开始轴力逐渐下降,下降坡度比较平缓,并且在锚固段末端轴力一般都小于30kN。

分别提取不同工况对应的锚杆轴力,见表6,从表6可以看出锚杆未破坏时的轴力变化趋势。第一排锚杆轴力较小,第二、三、四排锚杆轴力逐渐增加,第五排锚杆轴力相对于第四排又有一定的减小,这一变化规律和坡体水平位移呈现中间大、上下小的情况相似。第二、三、四排锚杆中的23、33、43破坏时对应的其周边锚杆轴力变化如下(因为锚杆布置结构为对称结构故取一半研究):(1)破坏锚杆的周边锚杆轴力均有相应的增加,23破坏对13、22、33,33破坏对23、32、43,43破坏对33、42、53影响最大,锚杆轴力平均可以增加13%左右;(2)破坏的锚杆对其上一排、同排及下一排的周边锚杆轴力影响较大,相对而言对上排的影响更大;(3)从这三种工况来看,单根锚杆破坏的影响范围为:以锚杆破坏的位置为圆心,以R=槡Hv2+Hh2(其中Hv为锚杆的垂直间距,Hh为锚杆的水平间距)为半径画圆,在圆弧上的锚杆对其影响程度约为6%。第一、五排的锚杆处于支护结构的最上排和最下排,这两排的锚杆破坏时对其周边锚杆轴力的影响与第二、三、四排锚杆破坏时的情况不同。具体表现为:对同排锚杆轴力影响较大,13破坏时,其同排锚杆12的轴力增加较大,达到10.38%,对23的影响达到7.6%;53破坏时,其同排锚杆52轴力增加较大,达到17.18%,对43的影响达到14.44%。

预应力锚杆自由段轴力变化见图6,横坐标为时间步,纵坐标为轴力变化(每隔一定时间步,提取各锚杆轴力),利用History命令记录了在程序运行过程中锚杆自由段的轴力变化情况,取33锚杆破坏后对应的13、23、33、43和53预应力锚杆自由段轴力变化曲线。由图6可以看出,在刚开始一定时间步内,预应力急剧减小,然后线性增加,当时间步达到3000时锚杆轴力达到一定值并趋于稳定。结合图4和图6可以说明,在框架预应力锚杆支护结构中,对锚杆施加的预应力可以有效地控制边坡土体位移,其次,在位移得到明显控制后,锚杆开始承受土体压力,经过一定的时间步,锚杆轴力达到一定数值并趋于稳定。

3 结论

(1)从计算的边坡稳定安全系数看,从顶端到底部,不同位置单根锚杆破坏对应的安全系数,从上到下逐渐减小;不同工况下分别对应的锚杆破坏后,最下面一排锚杆破坏对应的边坡安全系数最小,因此最下面一排锚杆破坏最为危险。

(2)不同工况下的锚杆破坏对应的坡体位移,其影响范围主要是破坏位置处和与其对应的上下监测点处;不同工况下锚杆的破坏对上部土体的影响比对下部土体的影响大一点。

(3)中间排不同位置锚杆破坏使其周边锚杆轴力均有相应的增加,平均增加13%左右;锚杆破坏后对其周边的上排、同排和下排锚杆轴力影响较大,相对而言对上排的影响最大;单根锚杆破坏的影响范围半径

(4)顶端和底部锚杆不具备上述(3)的规律,具体表现为它们的破坏对同排锚杆轴力影响较大,对其上下排锚杆轴力影响较小;最下排锚杆破坏使同排相邻锚杆的轴力增加达到17.18%,因此最下排锚杆破坏最为危险。