隧道膨脹巖地段施工技術及質量控制

摘要:膨脹巖抗壓強度低,是我國交通土建工程施工中經常遇到的不良地質地段,可能造成工程的工期延長、質量下降、工程造價劇增,還可能出現安全事故。文章介紹了膨脹巖地段的施工開挖方法、支護措施、工序銜接、循環進尺、施工質量控制,以及膨脹巖施工中出現的初期支護變形問題的處理方法,以確保隧道結構和施工安全。

關鍵詞:鐵路隧道;膨脹巖;施工技術;質量控制

中圖分類號:U445文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0158-02

膨脹巖是指土中黏土礦物成分主要由親水性礦物組成,同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性,是濕脹干縮往復變形的高塑性黏性土。它屬于軟質巖石,抗壓強度低,是我國交通土建工程施工中經常遇到的不良地質地段,將造成工程的工期延長、質量下降、工程造價劇增,還可能出現大的安全事故,導致人員傷亡、設備損壞等,因此有必要對膨脹巖地段的施工技術進行全面、系統的研究和總結。

一、膨脹巖的基本特性

1.超固結性。膨脹巖含量高的隧道在開挖時會產生較大的塑性變形,并會引起圍巖的應力釋放,導致強度降低而產生的現象。這都是因為膨脹巖大多具有原始地層的超固結特性,有較高的初始應力存在于土體中。

2.多裂隙性。基于膨脹巖的本身特性,隨著時間的積累,中間就會形成很多種裂隙,并最終具有了各式各樣的裂隙性。

3.濕漲干縮性。膨脹巖含有較多強親水性黏土礦物,因此會因吸水而膨脹,失水而收縮,破壞圍巖的穩定性,特別是膨脹壓力將對增大圍巖壓力起疊加作用。

二、施工順序及施工工藝

膨脹巖地段施工順序為:拱部小導管注漿超前支護一上半斷面開挖支護一左、右錯開開挖下半斷面馬口、施作下部支護一下半斷面中間開挖一施作仰拱、填充,及時成環一施作拱墻二次襯砌。

1.超前支護。拱部采用Φ42小導管注漿超前支護,小導管縱向間距2m,環向間距40cm,每環20根,每根長3.5m,外插角5°~10°,管壁四周按間距15cm,梅花形布設幅Φ8mm注漿孔。小導管采用YT28鑿巖機鉆孔、推進,小導管以緊靠開挖面的格柵鋼架為支點,小導管打入后即進行注漿,形成管柵支護環。超前小導管采用水泥一水玻璃雙液注漿,水泥和水玻璃漿液比一般為1∶1～1∶0.6,漿液濃度為1∶1.25～1∶0.8,水玻璃采用35Be',緩凝劑采用磷酸氫二鈉,摻量為2%～2.5%,漿液擴散半徑50cm。雙液注漿泵注漿,注漿壓力一般為0.5MPa～1.0MPa。

2.上半斷面開挖與支護。上半斷面開挖高度為5.3m,即最大跨度以下0.44m,采用鉆爆法施工,YT28風動鑿巖機鉆孔,光面爆破,每循環進尺2.0m。每次開挖后立即進行初期支護。支護形式采用Φ22砂漿錨桿,每根長3m,環向與縱向間距分別為0.8m,1.0m;全環格柵鋼架,每米1榀,外設Φ8鋼筋網(25cm×25cm);噴射混凝土厚20cm。

Φ22砂漿錨桿采用風動錨桿鉆機或風鉆,利用多功能臺架鉆孔,鉆至設計深度后,用高壓風吹孔,用注漿泵向孔內灌人孔深2/3的砂漿,打入錨桿,孔口不滿部分用砂漿泵補灌,再用砂漿將孔口抹平,安裝墊板螺栓。

格柵鋼架以Φ22螺紋鋼筋作為四支主骨架,按設計輪廓放樣焊制。鋼架各單元間以螺栓連接牢固,接頭板焊接,縱向插人鋼筋連接。

3.下半斷面開挖與支護。下半斷面與上半斷面水平距離為10～30m,采取先下挖馬口施作初期支護,后挖中間土的方式施工。下挖馬口采取左右錯開,隔四挖二的開挖方式,以人工配合挖掘機開挖。開挖后,立即按上臺階格柵鋼架布置施作下臺階格柵鋼架,施作徑向錨桿,濕噴混凝土初期支護,中間土采用振動錘破碎巖層,挖掘機出碴。

開挖馬口的先后順序和時間安排尤其重要。開挖馬口和上半斷面的施工方面在時間的先后順序上不相干擾,下半斷面中間土開挖和上半斷面鉆孔同時間進行,相互之間也不會形成影響。這樣既保證了施工的安全,又保障了施工的快速。

4.仰拱。為了不影響掌子面的掘進與支護施工,仰拱在掌子面鉆孔時進行開挖。采用振動錘配合挖掘機跳槽開挖,每6m一循環,上鋪兩條0.6m寬的行車鋼便橋,以滿足正常通車需要,最后澆筑仰拱混凝土。因為在仰拱實施過程中采用了積極合理的方式,很好的完成了斷面、下斷面、仰拱三道工序同時施工,相輔相成互不影響,達到了預期的配合效果。施工安全項和工作進度預期同時得到有效的保證。同時,隧道內碴、進料在緊張運輸時,在安全、工作量、效率上明顯得到提高。

5.二次襯砌。有時候根據隧道內監控設備采取的檢測數據為了確保隧道結構和施工期的安全推移,判定在圍巖和初期支護變形發展速度減慢或者趨于穩定后,可以進行二次襯砌施工。相反,當圍巖變形發展速度變快速而看不出有穩定的趨向時最好不要進行二次襯砌施工或者要采取二次襯砌緊跟、加快二次襯砌的處理方式。二次襯砌采用整體模板臺車,混凝土采用拌合站集中拌和,混凝土輸送車運輸,泵送入模。

6.排水。鑒于膨脹巖在吸水的情況下即會膨脹、失水即會收縮的特點,在項目中尤其要注意排水,還要注意小縫隙,漏洞等漏水而對膨脹巖帶來的不利影響。根據多年的項目經驗知道,很小的疏忽可能會造成不可預計的影響。

7.監控量測。現場監控量測是判斷圍巖的穩定性狀態、保證施工安全、指導制定施工方案、進行施工管理、保證高效、快速施工的重要控制手段,在膨脹巖施工中尤為重要。通過監控量測,可以動態地掌握支護結構的穩定性,了解支護構件的作用效果,及時將監控量測數據的分析結果,反饋到設計、監理單位和施工現場,重新驗算修正圍巖的各項物理參數,進一步優化設計,調整施工方案和工藝流程,使其更加符合實際情況,在保證安全的前提下,加快隧道膨脹巖地段的施工進度。

三、常見變形的處理措施

1.鎖腳錨桿。在拱、墻腳以上0.5m,1.0m,1.5m處,特別是鋼架C、D單元接頭薄弱環節處,設鎖腳錨桿,并與格柵鋼架焊接。鎖腳錨桿采用自進式錨桿(L=3m～6m)或Φ42小導管(L=4.0m)注漿,控制圍巖收斂變形,阻止下沉。

2.臨時卡口梁。當圍巖或支護收斂變形較大或開挖軟弱地段下部時,在起拱線或地面以下50cm處增設Ι16型鋼卡口梁,局部地段在地面以下施作鋼筋混凝土卡口梁。

3.套拱。施作套拱也是限制圍巖變形的措施之一。當圍巖或支護收斂變形較大或增長加快時,沿初期支護內緣套設Ι16工字鋼鋼架,并在拱墻腳打鎖腳錨桿,與其焊接在一起。

4.加快二次襯砌施工。在開挖時發生坍塌或圍巖支護變形很大,長期不能趨于穩定情況下,征得設計同意,采取加快二次襯砌施工以確保隧道結構安全。

5.調整施工方法。施工前方施工方法調整為超短臺階法,臺階長度3～5m;全環架設格柵鋼架。上臺階高度調整到鋼架B、C單元連接處,原C、D單元合成整體一次完成,不留接頭,并仰拱及時跟進,初期支護迅速成環。

6.加強監控量測及數據分析,適時調整預留變形量。當實測變形量已達到預留變形量的2/3時,及時補強初期支護。

四、結語

1.鑒于膨脹巖破壞力巨大的特點,從安全方面考慮大致可以分為幾點防范:首先,搞清這種膨脹巖的內在膨脹因素和外在膨脹因素。其次,有效利用膨脹巖的力學性質來達到施工快速和安全的目的。其實膨脹巖的一個很大的作用是在舊隧道的施工過程中大量使用膨脹巖,并表現出了很好的效果。

2.但是這樣巖石用在工程項目中,當其出現問題比如變形時,基本不會出現裂紋、調塊等現象出現。所以在膨脹巖使用較多地段尤其注意監測和了解施工情況,這樣就為完全有效的施工做好了保障和鋪墊。

3.鑒于膨脹巖只有在碰到水的情況下才會出現膨脹的情況,在施工過程中尤其是在隧道施工、設計中尤其注意排水工作,將排水工作擺在首要位置。

參考文獻

[1]周治勇,付迎春.象山隧道特殊地質段施工方案分析[J].山西建筑,2007,33(35).

作者簡介:楊建華(1973-),男,廣東廣州人,中鐵二十五局集團有限公司工程師,研究方向:工程試驗。