綜述鐵路隧道開挖支護方法與坍塌防止措施

唐 杲 姜惠華

隨著鐵路建設的提速,隧道工程也相繼增多。由于地質情況千變萬化,圍巖巖性、覆蓋層等不同因素的影響,極易產生各種不同的安全危害,在隧道工程中,影響安全因素的主要就是開挖過程中的支護方式與方法。注重了支護的方式與方法,就可以減少絕大部分在隧道開挖過程中所產生的一系列影響安全的事故。

1 鐵路隧道開挖支護方法

1.1 噴射混凝土

隧道開挖時,隨著開挖面的進程,向開挖成型的內表面圍巖上噴射混凝土,目的在于使被裂隙分割的巖塊體通過混凝土粘結起來,保持巖塊體的咬合和鑲嵌作用,通過提高巖塊體的粘結力和摩擦力來有效的防止圍巖松動,從而可以避免或緩和圍巖內表面應力集中現象的發生,而且給圍巖表面以抗力和剪力,使圍巖處于有利于穩定的三軸應力狀態,同時,通過噴混凝土層自身的結構剛度,來阻止圍巖開挖后不穩定體的坍塌。噴射混凝土方法適用于圍巖巖體整體性較好的地段。

1.2 錨桿支護

與邊坡錨桿支護的原理類似,錨桿支護是指在巖土體中打入錨桿,目的在于約束巖土體的變形,并通過向圍巖施加壓力,使原來處于二軸應力狀態的圍巖開挖后內表面的圍巖保持三軸應力狀態,從而阻止了圍巖體剛度的惡化,尤其是松動區內圍巖的剛度,阻止圍巖體開挖后的坍塌。1)錨桿的懸吊作用。由于隧道圍巖被節理、裂隙或斷層切割,開挖爆破震動可能引起局部圍巖失穩,采用錨桿將不穩定的巖塊懸吊在穩定的巖體上,或者將由于開挖引起應力降低區內不穩定的圍巖,懸吊在應力降低區以外的穩定巖體上。2)錨桿的組合梁作用。在水平或者傾角小的層狀巖體中,錨桿能使巖體緊密結合,形成類似組合梁結構,能增加層面間的抗剪強度和摩擦力,從而提高圍巖的穩定性。

1.3 掛鋼筋網

鋼筋網通常是與錨桿連接在一起使用。由于錨桿布設有一定的間距,錨桿約束作用之間的圍巖土體就非常薄弱,易發生坍落,為此在錨桿之間用鋼筋網連接,可以使松散的圍巖土塊體處于三軸應力狀態中,保持穩定作用。同時錨桿之間相互連接,減小了由于單個錨桿失效,造成局部坍落的可能性。

1.4 鋼支撐

鋼支撐一般適用于以下幾種情況:1)自穩時間很短的圍巖,在錨桿或者噴混凝土支護發揮作用之前,可能發生圍巖失穩或坍塌危險時;2)淺埋、偏壓隧道,當早期圍巖壓力增長快,需要提高初期支護的早期強度和剛度時;3)在難以施作錨桿、噴混凝土的砂卵石、土夾石或斷層等地層,大面積淋水地段,以及為了抑制圍巖大的變形需增加支護抗力時;4)當需要施作超前支護,設置鋼支撐作為超前錨桿(或超前小鋼管等)的支撐構件時。

1.5 注漿導管超前支護

在超前支護方法上,超前注漿導管其作用類似于超前錨桿。該支護方式是縱向支撐松散的巖體,在隧道開挖的開挖輪廓線施作,由后部的鋼支撐和前方未開挖部分巖土體支撐起中間部分的巖土體,起縱向梁作用。同時由于通過對導管內注漿和砂漿錨桿注漿,漿液將進入巖土體的裂隙中,形成剛度較大的土層加固圈,從而提高巖土體的穩定性,保證開挖圍巖不坍塌。這種支護方法對于裂隙發育的塊狀圍巖體效果為佳,超前注漿導管對圍巖土體的注漿加固作用較超前錨桿效果要突出。

1.6 管棚超前支護

管棚超前支護的工作原理:1)利用簡支梁作用的原理,由于管棚的直徑大、剛度大,同時又是較密排布置的,當鋼管兩端支撐梁的剛度達到足夠大之后,開挖引起的變形量非常小,這時管棚就相當于一道簡支梁,阻隔隧道開挖時釋放應力對圍巖的作用;2)利用水泥漿液的流動性和圍巖的裂縫或孔隙,使注入的水泥漿液能與土體進行粘合而形成一種類似混凝土的固結體,從而加固圍巖土體。對于含水較小的地層還能起到一定的止水效果。

2 隧道塌方產生的原因

2.1 支護設計不足以及施工不規范

支護設計應針對不同地段的地質特征,采取不同的支護措施,不能太粗略;施工時也應按照設計要求、規范要求嚴格施工。常發生的施工質量問題有錨桿長度不足、錨桿砂漿不飽滿或強度尤其早期強度不足、噴漿強度與厚度達不到設計要求、鋼支撐未置于穩定堅固的基礎上或鋼支撐與圍巖之間存在空隙等等。

2.2 采用施工方法和措施不當

施工方法與地質條件不適應,當地質條件發生變化時,沒及時改變施工方法;施工支護不及時;地層暴露過久,引起圍巖松動、風化;忽略了圍巖的變形規律等等因素均會導致隧道塌方危險。

3 隧道坍塌防治措施

3.1 超前地質預報

隧道地質超前預報的主要內容:1)提供開挖掌子面前方的圍巖類別變化趨勢;2)地質情況預報,預報掌子面前方可能出現的地質斷層及巖石破碎帶的地質情況;3)開挖段前方的水文資料和可能的涌水預報;4)溶洞尺寸及位置預報。

3.2 掌握坍塌前的第一手資料

坍塌發生是有許多前兆的,如鉆進速度與回水速度的大小、鉆進感覺變化、巖石顏色的變化等。因此,掌子面工作的工人應將有關信息及時反饋給有關方面,迅速調整后序爆破作業的爆破參數,做到既保證有效進尺,又不破壞軟弱圍巖的應力平衡。

3.3 完善施工組織設計

按照“早噴錨、強支護、快封閉”的原則完成施工組織設計,在不良地質地段施工時,應按照“先治水、短開挖、弱爆破、先護頂、早噴錨、強支護、早襯砌”的原則穩步前進,合理控制開挖速度,提高初期支護的剛度和承載力。

3.4 處理好地表、地下水

在隧道進洞前應先做好洞口工程,穩定好洞口的邊坡和仰坡,做好天溝、邊溝等排水設施,確保地表水不致危及隧道的施工安全;采用“降、堵、泄”等方法處理地下水,提高噴射混凝土質量,防止流砂、突水、突泥;及時排水,避免巖層長期浸泡而強度降低。

3.5 制定防塌應急預案

為了確保隧道一旦坍塌發生意外事故時,能夠有計劃、有組織、及時、有序、高效的采取措施,做出快速反應,最大限度地減少事故對人員傷亡、財產損失的程度,對環境影響的程度,應結合各項目的特點及實際情況,制定出應急預案。儲備應急設備、物資,尤其對城市地鐵隧道等人員集中地段的隧道工程均應提前準備。

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