CN107191196A - 贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构及施工方法。本发明的目的是提供一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构及施工方法，以解决地下洞室因层间错动带剪切破坏、滑移错位的问题，提高地下工程安全稳定性。本发明的技术方案是：一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：在地下洞室的两侧均置换洞，该置换洞的轴线位于层间错动带上，且置换洞的轴线和地下洞室的轴线平行，置换洞的坡度和层间错动带沿地下洞室纵轴线方向的坡度相同，层间错动带出露于置换洞边墙的中部。本发明适用于地下工程围岩安全稳定技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构及施工方法。适用于地下工程围岩安全稳定技术领域。
背景技术
层间错动带是一种指硬-软-硬相间的岩层在地质构造作用下发生剪切错动，是在历史的区域性构造运动中顺着层状岩体中的若干彼此平行的弱层在收到剪切作用后留下的一组间距不等、厚薄不一的岩土体结构。实际工程中发现，由于层间错动带泥化软弱层较低的力学强度和历史上的剪切错动，地下工程修建时的开挖扰动很可能导致硬-软-硬错动带复合体再次发生错动滑移，因此层间错动带的存在往往对地下工程起着决定性的作用，其存在可能诱发大型地下工程边墙的开裂，或上下盘岩体沿着层间错动带产生剪切破坏、滑移，或导致顶拱变形不收敛甚至造成塌落等破坏。
据不完全统计，我国已建和再建的大型水电工程中，有30余个地下洞室群均因层间错动带的存在而影响工程设计，或改变洞室群尺寸、或改变洞室群布置方式，或因层间错动带的治理不到位导致地下洞室群渗漏水问题频发，因此若贯穿地下洞室的层间错动带治理不到位，在工程建设和运营阶段，地下工程失稳破坏的风险将大大增加。
由于目前地下工程施工时常用的支护方法，如锚杆、锚索支护、挂网喷混凝土等方法只能对地下工程表面和一定深度范围内的岩体进行加固，而且其所提供的支护作用往往远小于层间错动带上下盘岩体因自重及地应力作用下所产生的剪切力，另外层间多动带通常具有复杂的地质结构，因此在面临有层间错动带贯穿的地下洞室的工程时，现有的地下工程技术尚无法有效地保证地下工程围岩因开挖扰动、卸荷等原因导致的沿层间错动带的剪切破坏、滑移错位的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构及施工方法，以解决地下洞室因层间错动带剪切破坏、滑移错位的问题，提高地下工程安全稳定性。
本发明所采用的技术方案是：一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：在地下洞室的两侧均置换洞，该置换洞的轴线位于层间错动带上，且置换洞的轴线和地下洞室的轴线平行，置换洞的坡度和层间错动带沿地下洞室纵轴线方向的坡度相同，层间错动带出露于置换洞边墙的中部；
所述置换洞具有直墙圆拱形的置换洞洞室，置换洞洞室内浇筑有的一期钢筋混凝土衬砌，一期钢筋混凝土衬砌内形成与置换洞洞室同轴的、直墙圆拱形的二期施工隧洞；所述二期施工隧洞内回填混凝土形成二期混凝土封堵块。
所述置换洞洞室的宽度Bz；
Bz＝(τFs－f)B/(2τc)
f＝(cos2βσxx+sin2βσyy+2sinβcosβτxy)tanφ+C
τ＝sinβcosβ(σyy－σxx)+(cos2β－sin2β)τxy；
其中：B为地下洞室的宽度；τc为置换洞内混凝土的平均抗剪强度；β为层间错动带在垂直于地下洞室的轴线平面上的视倾角；C为层间错动带的粘聚力；φ为层间错动带的内摩擦角；[σxx、σyy、τxy]为地下洞室岩体的应力张量；Fs为地下洞室岩体的抗滑安全系数。
所述置换洞的轴线与地下洞室临近侧边墙的距离为1倍地下洞室宽度；所述置换洞的高度大于等于两倍的所述层间错动带高度。
所述置换洞的长度超出地下洞室1倍的地下洞室宽度，且置换洞两端均超出地下洞室0.5倍的地下洞室宽度。
所述一期钢筋混凝土衬砌内预埋若干从二期施工隧洞贯穿一期钢筋混凝土衬砌深入置换洞洞室周围岩体的灌浆管；所述二期施工隧洞的拱顶处设置排气管，该二期施工隧洞的两侧拱肩处设置有两排灌浆盒。
所述排气管采用钢管，钢管设置一定间距的排气孔，并将排气孔采用牛皮纸绑扎保护；所述灌浆盒水平间隔布置，该灌浆盒采用橡胶套为保护材料。
沿所述置换洞洞室轴向具有若干灌浆断面，每个灌浆断面沿置换洞洞室环向均匀布置有十个所述灌浆管，其中位于置换洞洞室拱顶位置的灌浆管为顶拱回填灌浆管，位于置换洞洞室边墙和底板位置的灌浆管为围岩固结灌浆管。
所述一期钢筋混凝土衬砌上设置有纵向和横向施工缝，横向施工缝设置于底板位置，横向施工缝设有键槽和凿毛处理，所述一期钢筋混凝土衬砌内表面经凿毛处理。
所述二期混凝土封堵块采用微膨胀素混凝土在二期施工隧洞内从下而上分成浇筑而成。
一种所述治理结构的施工方法，其特征在于：
a、计算确定待开挖地下洞室两侧置换洞的位置和尺寸参数；
b、进行待开挖地下洞室一侧的置换洞施工
b1、开挖置换洞洞室；
b2、在置换洞洞室内浇筑一期钢筋混凝土衬砌，形成二期施工隧洞，一期钢筋混凝土衬砌中预埋顶拱回填灌浆管和围岩固结灌浆管；
b3、一期钢筋混凝土衬砌达到70％的设计强度后通过顶拱回填灌浆管进行顶拱回填灌浆；
b4、检查拱顶回填灌浆质量；
b5、待拱顶回填灌浆质量检查合格后，通过围岩固结灌浆管进行围岩固结灌浆；
b6、检查围岩固结灌浆质量；
b7、待围岩固结灌浆质量检查合格后，采用微膨胀素混凝土回填二期施工隧洞，分层浇筑的方法从下往上施工。
c、待二期施工隧洞内回填灌浆的质量检查合格后，进行待开挖地下洞室另一侧置换洞的开挖，具体步骤与步骤b相同。
本发明的有益效果是：本发明通过在地下洞室两侧一定距离处设置置换洞，通过工程措施解决了层间错动带这一硬-软-硬的不利结构体，能有效地改善地下工程地应力场的分布，有利于工程稳定。本发明通过设置置换洞，能够将抵抗层间错动带滑移破坏的阻滑力均匀地分布于地下洞室周围的岩体中，可很好地发挥置换洞在抵抗层间错动带上下盘岩体的剪切变形和滑移错动。本发明中置换洞采用回填灌浆、固结灌浆等措施，大大提高层间错动的抗滑性和岩体的完整性，降低洞室开挖施工时层间错动带上下盘的边墙岩体的变形和滑动，从而提高地下工程安全稳定性。
附图说明
图1为本发明中治理结构的布置示意图。
图2为本发明中治理结构的剖面图。
图3为本发明中置换洞的剖面图。
图4为本发明中置换洞灌浆管布置图。
图5为本发明中置换洞的排气管及灌浆盒布置图。
图6为本发明中灌浆盒示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例为一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，在地下洞室2的两侧均设有一置换洞，该置换洞的轴线位于层间错动带3上，且置换洞的轴线和地下洞室的轴线平行，置换洞的坡度和层间错动带沿地下洞室纵轴线方向的坡度相同，并保证层间错动带3出露于置换洞边墙的中部。
如图3所示，本例中置换洞具有直墙圆拱形的置换洞洞室4，置换洞洞室4内浇筑有一期钢筋混凝土衬砌，一期钢筋混凝土衬砌6内形成二期施工隧洞5，二期施工隧洞5呈直墙圆拱形，且与置换洞洞室4同轴。本实施例在一期钢筋混凝土衬砌6上设置有纵向和横向施工缝，横向施工缝设置于置换洞底板混凝土上，横向施工缝设有键槽和凿毛处理，一期钢筋混凝土衬砌6内表面经凿毛处理。
本实施例中沿置换洞洞室4轴向布置有若干灌浆断面，每个灌浆断面沿环向均匀布置有十个灌浆管，相邻灌浆管之间夹角为36°，灌浆管预埋于一期钢筋混凝土衬砌6内，灌浆管从二期施工隧洞5贯穿一期钢筋混凝土衬砌6深入置换洞洞室4周围岩体1(见图4)。其中位于置换洞洞室顶部的3个灌浆管为置换洞的顶拱回填灌浆管9(兼围岩固结灌浆管8)，其余7个为围岩固结灌浆管8，通过顶拱回填灌浆管对置换洞洞室顶部岩体进行顶拱回填灌浆，通过围岩固结灌浆管对置换洞洞室周围岩体进行固结灌浆。
如图5、图6所示，在二期施工隧洞的顶拱处设置排气管11、在二期施工隧洞5两侧拱肩处设置两排灌浆盒10。排气管11采用外径为φ35的钢管，每6m设置一排气孔，并将排气孔采用牛皮纸绑扎保护；灌浆盒10间距为3m，灌浆盒使用橡胶套为保护材料，并满足在0.2MPa压力下能被顶开出浆，二期回填灌浆浆液水灰比为0.5:1，灌浆压力为0.3～0.5MPa。
本例中二期施工隧洞5内回填混凝土形成二期混凝土封堵块7，二期混凝土封堵块7采用微膨胀素混凝土、分层浇筑的方法从下往上施工，控制微膨胀素混凝土的入仓温度，保证二期混凝土封堵块的密实度。
本实施例中置换洞的宽度Bz；
Bz＝(τFs－f)B/(2τc)
f＝(cos2βσxx+sin2βσyy+2sinβcosβτxy)tanφ+C
τ＝sinβcosβ(σyy－σxx)+(cos2β－sin2β)τxy；
其中：B为地下洞室的宽度；τc为置换洞内混凝土的平均抗剪强度；β为层间错动带在垂直于地下洞室的轴线平面上的视倾角；C为层间错动带的粘聚力；φ为层间错动带的内摩擦角；[σxx、σyy、τxy]为地下洞室岩体的应力张量；Fs为地下洞室岩体的抗滑安全系数。
本例中已知地下洞室的宽度B为35m、置换洞内回填混凝土的平均抗剪强度τc为3.5MPa、层间错动带在垂直于待开挖地下洞室的轴线平面上的视倾角β为30°、层间错动带的粘聚力C＝0.6MPa和内摩擦角φ＝15°、地下洞室岩体的应力张量[σxx＝10MPa、σyy＝15MPa、τxy＝1.2MPa]以及抗滑安全系数Fs＝1.7，计算置换洞的宽度Bz：
Bz＝(τFs－f)B/(2τc)＝4m；
其中：f＝(cos2βσxx+sin2βσyy+2sinβcosβτxy)tanφ+C＝3.89MPa；
τ＝sinβcosβ(σyy－σxx)+(cos2β－sin2β)τxy＝2.77MPa。
本例中置换洞的轴线与地下洞室2临近侧边墙的距离为1倍地下洞室宽度B，即为35m；置换洞的高度H不小于两倍的层间错动带高度h，已知h＝1.8m，取H＝4.5m。置换洞的长度超出地下洞室1倍的地下洞室宽度B，且置换洞两端均超出地下洞室0.5倍的地下洞室宽度B，即为0.5*35＝17.5m。
本实施例的施工方法如下：
a、通过已知参数(待开挖地下洞室和层间错动带相关参数)计算出对层间错动带3进行防滑抗剪的置换洞设计参数(开挖位置和宽度、高度参数等)；
b、进行待开挖地下洞室2一侧的置换洞施工；
b1、根据得到的置换洞设计参数，在岩层中开挖置换洞洞室4；置换洞的轴线位于层间错动带3上，且置换洞的轴线和地下洞室2的轴线平行、坡度和层间错动带沿洞室纵轴线方向的坡度相同，并保证层间错动带出露于置换洞洞室边墙的中部；
b2、置换洞洞室内采用C25混凝土浇筑一期钢筋混凝土衬砌6，厚度为50cm，一期钢筋混凝土衬砌上设置纵向和横向施工缝，横向施工缝在底板混凝土上，并对横向施工缝设置键槽和凿毛处理，以保证混凝土连接质量；
一期钢筋混凝土衬砌6中预埋顶拱回填灌浆管9和围岩固结灌浆管8，灌浆断面间距为2.5m，各灌浆管穿过一期钢筋混凝土衬砌入岩15cm；
b3、一期钢筋混凝土衬砌6达到70％的设计强度后通过顶拱回填灌浆管9进行顶拱回填灌浆，顶拱回填灌浆中空隙大的部位应灌注适量水泥砂浆，掺砂量不大于水泥量的200％，灌浆压力为0.3～0.5MPa，在最大压力下灌孔停止吸浆后延续灌注10min即结束；
b4、顶拱回填灌浆结束7天后采用单孔注浆试验法进行灌浆质量检查，检查孔应布置在顶拱中心线脱空较大和灌浆情况异常部位，孔深应穿透一期钢筋混凝土衬砌深入围岩10cm，通过向检查孔内注入水灰比为2的水泥浆，当初始10min中内灌入量不大于10L为合格；
b5、顶拱回填灌浆质量检查合格后进行，在一期钢筋混凝土衬砌6预留的围岩固结灌浆管上钻孔，孔深穿过一期钢筋混凝土衬砌入岩2m，固结灌浆材料采用PO42.5R水泥，水灰比采用1:1、0.5:1两个等级，分2～3序进行灌浆，在最大压力下当浆液注入率不大于1L/min时稳定30min即可结束固结灌浆；
b6、待围岩固结灌浆结束14天后采用测试围岩声波波速法进行灌浆质量检查，围岩固结灌浆声波检查合格标准为声波测试值不小于4200m/s或较固结灌浆前提高值不小于10％；
b7、围岩固结灌浆质量检查合格后进行，一期钢筋混凝土衬砌6内表面凿毛处理，二期施工隧洞5内采用C25微膨胀素混凝土进行二期回填，二期回填采用分层浇筑的方法从下往上施工，控制微膨胀素混凝土的入仓温度，保证微膨胀素混凝土的密实度；
b8、二期施工隧洞的顶拱回填灌浆待微膨胀素混凝土浇筑完成7天后进行，通过灌浆盒配合排气管进行一期钢筋混凝土衬砌与二期混凝土封堵块之间的二期回填灌浆；
c、待二期施工隧洞5内回填灌浆的质量检查合格后，进行待开挖地下洞室2另一侧置换洞的开挖，具体步骤与步骤b相同。
Claims (10)
1.一种贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：在地下洞室(2)的两侧均置换洞，该置换洞的轴线位于层间错动带(3)上，且置换洞的轴线和地下洞室(2)的轴线平行，置换洞的坡度和层间错动带沿地下洞室纵轴线方向的坡度相同，层间错动带出露于置换洞边墙的中部；
所述置换洞具有直墙圆拱形的置换洞洞室(4)，置换洞洞室内浇筑有的一期钢筋混凝土衬砌(6)，一期钢筋混凝土衬砌内形成与置换洞洞室(4)同轴的、直墙圆拱形的二期施工隧洞(5)；所述二期施工隧洞(5)内回填混凝土形成二期混凝土封堵块(7)。
2.根据权利要求1所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述置换洞洞室(4)的宽度Bz；
Bz＝(τFs－f)B/(2τc)
f＝(cos2βσxx+sin2βσyy+2sinβcosβτxy)tanφ+C
τ＝sinβcosβ(σyy－σxx)+(cos2β－sin2β)τxy；
其中：B为地下洞室的宽度；τc为置换洞内混凝土的平均抗剪强度；β为层间错动带在垂直于地下洞室的轴线平面上的视倾角；C为层间错动带的粘聚力；φ为层间错动带的内摩擦角；[σxx、σyy、τxy]为地下洞室岩体的应力张量；Fs为地下洞室岩体的抗滑安全系数。
3.根据权利要求1或2所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述置换洞的轴线与地下洞室(2)临近侧边墙的距离为1倍地下洞室宽度；所述置换洞的高度大于等于两倍的所述层间错动带(3)高度。
4.根据权利要求1或2或3所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述置换洞的长度超出地下洞室(2)1倍的地下洞室宽度，且置换洞两端均超出地下洞室0.5倍的地下洞室宽度。
5.根据权利要求1所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述一期钢筋混凝土衬砌(6)内预埋若干从二期施工隧洞(5)贯穿一期钢筋混凝土衬砌深入置换洞洞室周围岩体(1)的灌浆管；所述二期施工隧洞(5)的拱顶处设置排气管(11)，该二期施工隧洞的两侧拱肩处设置有两排灌浆盒(10)。
6.根据权利要求5所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述排气管(11)采用钢管，钢管设置一定间距的排气孔，并将排气孔采用牛皮纸绑扎保护；所述灌浆盒(10)水平间隔布置，该灌浆盒采用橡胶套(12)为保护材料。
7.根据权利要求5所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：沿所述置换洞洞室(4)轴向具有若干灌浆断面，每个灌浆断面沿置换洞洞室环向均匀布置有十个所述灌浆管，其中位于置换洞洞室(4)拱顶位置的灌浆管为顶拱回填灌浆管(9)，位于置换洞洞室边墙和底板位置的灌浆管为围岩固结灌浆管(8)。
8.根据权利要求1所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述一期钢筋混凝土衬砌(6)上设置有纵向和横向施工缝，横向施工缝设置于底板位置，横向施工缝设有键槽和凿毛处理，所述一期钢筋混凝土衬砌(6)内表面经凿毛处理。
9.根据权利要求8所述贯穿大埋深地下洞室的层间错动带防滑抗剪治理结构，其特征在于：所述二期混凝土封堵块(7)采用微膨胀素混凝土在二期施工隧洞内从下而上分成浇筑而成。
10.一种权利要求1～9任意一项所述治理结构的施工方法，其特征在于：
a、计算确定待开挖地下洞室(2)两侧置换洞的位置和尺寸参数；
b、进行待开挖地下洞室(2)一侧的置换洞施工
b1、开挖置换洞洞室(4)；
b2、在置换洞洞室(4)内浇筑一期钢筋混凝土衬砌(6)，形成二期施工隧洞(5)，一期钢筋混凝土衬砌中预埋顶拱回填灌浆管(9)和围岩固结灌浆管(8)；
b3、一期钢筋混凝土衬砌(6)达到70％的设计强度后通过顶拱回填灌浆管(9)进行顶拱回填灌浆；
b4、检查拱顶回填灌浆质量；
b5、待拱顶回填灌浆质量检查合格后，通过围岩固结灌浆管(8)进行围岩固结灌浆；
b6、检查围岩固结灌浆质量；
b7、待围岩固结灌浆质量检查合格后，采用微膨胀素混凝土回填二期施工隧洞(5)，分层浇筑的方法从下往上施工，形成二期混凝土封堵块(7)；
b8、通过灌浆盒(10)配合排气管(11)进行一期钢筋混凝土衬砌(6)与二期混凝土封堵块(7)之间的二期回填灌浆；
c、待二期施工隧洞(5)内回填灌浆的质量检查合格后，进行待开挖地下洞室(2)另一侧置换洞的开挖，具体步骤与步骤b相同。
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