泥巖地質隧道大變形施工控制技術

郭鵬飛

由于泥巖的強度比較低,而且具有膨脹性,遇到水就會軟化,所以如果在泥巖地質條件下進行地下隧道的工程施工,就會容易發生隧道變形,例如拱頂下沉、水平收斂等,這很容易破壞隧道的初期支護。具體表現為鋼架扭曲、初期支護噴射的混凝土表面脫落等。最后就會導致剛性支護前隧道的性能遭到破壞。我國目前在鐵路隧道施工過程中廣泛使用的是CRD和CD方法,技術已經成熟,能夠對圍巖的大變形進行有力的控制,保證隧道施工的安全進行。

1工程概況

宜萬鐵路紅瓦屋隧道是礦山法施工的電氣化鐵路隧道,總長3507m,起止里程是DK90+910～DK94+417,因為要滿足線路多功能的要求,在區間設置了非絕緣下錨段、余長電纜腔和變壓器室等,隧道的結構尺寸是(跨度×高度)11.14×8.97m,洞頂處最小覆土厚度是24.0m。

2地質概況

宜萬鐵路紅瓦屋隧道位于湖北省宜昌市長陽縣榔坪鎮社坪村境內,是大山山脈到方斗山山脈的北西翼,項目工程區屬于構造剝蝕,地形起伏比較大。沿線的地層都是三疊系中上統,區域的構造應力相對比較集中。隧道圍巖分為四個級別,分別是灰和深灰色泥質的灰巖夾頁巖,地下水都是基巖裂隙水,水量比較大。隧道的左側圍巖存有順層軟弱面,極易發生滑落、坍塌,對洞身產生側面擠壓形成變形,給施工帶來了特別大的困難。

3隧道變形的主要原因分析

3.1 不良地質引起初期支護變形

根據統計資料顯示,紅瓦屋隧道變形的地段都是泥巖、粘土、頁巖、塊石土等軟質巖,或者是破碎的灰巖和薄層砂巖等。

調查的結果表明:宜萬鐵路隧道的初期支護變形受到構造影響的為4處,占總比例19%;受到高地應力影響而發生變形的8處,所占比例是38.1%;由于地下水影響發生變形的是6處,占總比例的28.6%;受隱伏巖影響的3處,占總比例的14.3%。各個原因發生的比例都沒有達到50%,所以,高地應力、構造、隱伏巖、地下水只是造成隧道的初期支護變形侵限的原因,只要在施工過程中給予充分的重視,嚴格規范施工操作,是可以避免的。

3.2 設計原因引起的變形

根據對宜萬鐵路隧道變形情況統計的結果來看,對于個別雙線跨度比較大的軟巖隧道,因為受到各種因素的影響,設計施工的方法是短臺階法,從現場的施工情況分析,采取這種短臺階方法進行施工很難避免出現初期的支護變形侵限,所以,針對一些雙線大跨度的軟巖隧道,應該加強對于施工方法或者輔助工法的設計。

3.3 施工原因引起的變形

本工程中,除了對于高地應力的認識水平有限之外,其它的情況均和施工有關,主要原因在于施工方法、監控測量、初期支護閉合三個方面。所以,在施工過程中加強對于施工方法的控制、及時加強初期支護閉合、加強監控測量是避免初期支護變形侵限的一個主要手段,在施工過程中,要嚴格要求,及時檢查,一旦發現問題立即修改。

4泥巖隧道施工中的注意事項

(1)上下臺階之間不能拉的過長,通常情況下,在20m～30m之間最為適宜。

(2)開挖施工不能由于人為的因素延長時間,要具有時效性。

(3)超前支護施工一定要按照設計的方案進行操作,每一步都力求到位。

(4)初期支護工作在完成5m～10m之后,為了有效控制隧道的偏壓變形,要及時對軟巖處進行壁后注漿處理。

(5)二次襯砌和仰拱一定要緊跟掌子面,通常二次襯砌應該控制在150m的范圍之內,仰拱控制在100m范圍之內。

5泥巖地質變形控制措施

5.1 上臺階臨時封閉仰拱法

筆者通過對現場圍巖測量的資料進行分析發現:在開挖下臺階之前,上臺階的圍巖情況已經基本穩定,拱角的周圍以0.15mm/d的速度收斂,拱底也以0.1的速率下沉。為了防止由于下臺階的開挖而導致上層臺階的變形,在施工的過程中可以采用臨時封閉仰拱的方法。

上臺階臨時封閉仰拱法工藝流程。

(1)用弱爆破的方式開挖上臺階,在上臺階附近做臨時支護以及初期支護的施工,初噴4cm厚的混凝土,然后鋪設鋼筋網,在上臺階的初期支護上安裝鎖腳錨桿和拱架,在鉆設徑向錨桿之后再按照設計要求再次噴混凝土。

(2)監測上臺階圍巖的情況。

(3)安裝臨時的仰拱鋼架。

(4)用弱爆破的方式開挖下臺階,在下臺階附近做臨時支護以及初期支護的施工,初噴4cm厚的混凝土,然后鋪設鋼筋網,在下臺階的初期支護上安裝鎖腳錨桿和拱架,在鉆設徑向錨桿之后再按照設計要求再次噴混凝土。

(5)在下臺階開挖10m之后,開挖第三個臺階,下臺階噴混凝土。

(6)分析上臺階的監控測量結果,等初期支護收斂之后把仰拱鋼架拆除,做下臺階仰拱施工。

5.2 上臺階扇形臨時支撐

在開挖下臺階之前,上臺階圍巖還不能保持穩定狀態,拱腳周邊的水平收斂速度是0.6mm/d,拱頂沉降速率是0.3。在下臺階開挖的過程中,為了盡量減緩上臺階的變形,施工的時候可以使用臨時的扇形支撐,也就是把環向鋼架補加在已經施工完成的初期支護鋼架的里面,以增強初期支護的強度和剛度,進而達到抗力要求。

上臺階扇形臨時支撐法的施工流程。

(1)用弱爆破的方式開挖上臺階,在上臺階附近做臨時支護以及初期支護的施工,初噴4cm厚的混凝土,然后鋪設鋼筋網,在上臺階的初期支護上安裝鎖腳錨桿和拱架,在鉆設徑向錨桿之后再按照設計要求再次噴混凝土。

(2)監測上臺階圍巖的情況。

(3)安裝臨時的仰拱鋼架,加設扇形支撐。

(4)用弱爆破的方式開挖下臺階,在下臺階附近噴厚度為4cm的混凝土,然后鋪設鋼筋網,把鋼架接長,加鎖腳錨桿,在鉆設徑向錨桿之后再按照設計要求再次噴混凝土。

(5)在下臺階開挖10m之后,開挖第三個臺階,下臺階噴混凝土。

(6)分析上臺階的監控測量結果,等初期支護收斂之后把仰拱鋼架拆除,做下臺階仰拱施工。

5.3 二次襯砌

在仰拱施工結束之后,如果隧道支護與圍巖的變形仍然在繼續的話,就可以采用二次襯砌的方法來加強支護的抗力能力。通過分析圍巖的測量結果可以看出,如果初期的支護變形一直在繼續,變形的速率也沒有明顯的下降趨勢的話,就應該盡快進行二次襯砌。通常襯砌采用鋼模臺車整體式的施工方法,這種方法施工工藝以及方法都比較簡單,為了達到安全穩定的效果,可以適當增加襯砌的厚度及配筋率。

6結語

根據實際經驗說明,上臺階臨時封閉仰拱法和上臺階扇形臨時支撐法工序簡單,操作方便,進度也比較快,但是如果其剛性結構支護抗力較早的話,就不能徹底的釋放圍巖的壓力,這樣對控制變形很不利。在泥巖地質條件下修筑隧道,做圍巖變形控制的時候,采用上臺階臨時封閉仰拱法和上臺階扇形臨時支撐法就能使泥巖變形得到有效的控制,所以在實際的施工過程中,要慎重選擇施工方法,從而取得良好的施工效果。

參考文獻

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