堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)

1、第29卷第1期2009年2月隧道建設(shè)TunnelConstructionVol.29No.1Feb.2009堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)孫偉亮(中鐵十四局集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250014)摘要:堡鎮(zhèn)隧道的主要工程地質(zhì)特點(diǎn)是在高地應(yīng)力、順層偏壓、軟巖地質(zhì)條件下隧道發(fā)生大變形。在對國內(nèi)外高地應(yīng)力軟巖隧道施工技術(shù)研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,分別對順層偏壓地層和高地應(yīng)力順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分析,制定了“超前支護(hù)、初支加強(qiáng)、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報”的快速施工原則和總體方案。通過對開挖方法、通風(fēng)方式、機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)及管理技術(shù)等方面的

2、綜合攻關(guān),實現(xiàn)了同類工程安全無事故條件下的快速施工。關(guān)鍵詞:高地應(yīng)力;順層偏壓;軟巖大變形;隧道;快速施工技術(shù)中圖分類號:U455文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:1672-741X(2009)01-0076-06RapidConstructionTechnologyforBaozhenTunnelinHeavilyDeformingSoftRockStratumwithHighGroundStressandBeddedStrataAsymmetricalLoadSUNWeiliang(ChinaRailway14thBureauGroupCo.,Ltd.,inan250014Abstract:Them

3、aingeologicalcharacteristicsofBaozhengrstrataasymmetricalloadandlargedeformationoftunnelinsoftr.ontechnologyinsoftrockwithhighgroundstressbothinmakesanalysisonmechanicalbehavioroftunnelsinasymmetrical2l2landhighlystressedstratarespectively.Then,theauthorpres2entsthecompositeppleofadvancesupport,enha

4、ncedprimarysupport,reasonabledeformation,properstressreleasingbeforestressresisting,flexiblesupportinstalledbeforerigidsupport,timelyclosingthesupportstruc2ture,strengtheningtunnelinvert,optimizingtunnelstructureandgeologicalpredication.Theexcavationmethod,venti2lationmethod,equipmentsmatchingtechno

5、logyandmanagementtechnologyadoptedhasensuredthesafeandrapidcon2structionofthetunnel.Keywords:highgroundstress;beddedstrataasymmetricalload;largedeformationoftunnelinsoftrock;tunnel;rapidconstructiontechnology0引言在山嶺深埋隧道設(shè)計施工中,一般只考慮與埋深無關(guān)的松弛壓力,但是在高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖中隧道土壓除有松弛壓力外,還有軟巖特有的因隧道開挖及其后隨時間延長、隧道斷面逐漸縮小的“蠕

6、變壓力”。國內(nèi)外隧道工程中所遇到的擠壓大變形問題1-5較多,如國外奧地利的陶恩隧道,國內(nèi)南昆線的家竹箐隧道等,給隧道設(shè)計施工帶來了一系列的問題:隧道設(shè)計施工中難以控制變形量,洞身開挖后空間效應(yīng)明顯,產(chǎn)生蠕動變形,引起支護(hù)破壞,引發(fā)坍塌等。目前,國內(nèi)外尚未建立高地應(yīng)力軟巖地質(zhì)條件下的隧道控制軟弱圍巖大變形機(jī)理及處理對策的理論研究體系收稿日期:2008-09-03;修回日期:2008-12-26和施工處理體系。另外,隧道處于軟弱圍巖順層偏壓地層,國內(nèi)對偏壓隧道的研究也主要局限于地形引起的偏壓隧6-9道。為此,研究地質(zhì)構(gòu)造引起的偏壓隧道的襯砌形式、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征成為堡鎮(zhèn)隧道課題之一。從施工技術(shù)

7、角度,通過研究分析,提出了針對高地應(yīng)力、順層偏壓、軟巖地質(zhì)條件下行之有效的快速施工總體思路、技術(shù)方案和工藝方法,以及與之密切相關(guān)的運(yùn)輸方式和設(shè)備配套、通風(fēng)方案等。1工程概況宜萬鐵路地處云貴高原東北麓,山高谷深,地質(zhì)復(fù)雜,在建國初期被國內(nèi)外專家視為中國鐵路建設(shè)的禁作者簡介:孫偉亮(1972),男,山東人,1996年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院隧道與地下工程專業(yè),本科,高級工程師,現(xiàn)從事隧道與地下工程技術(shù)管理工作。第1期孫偉亮:堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)77區(qū),其工程之艱巨被稱做“集西南山區(qū)鐵路建設(shè)艱險之大成”。堡鎮(zhèn)隧道左線長11563m,右線長11595m,該隧道是宜萬鐵路全線第

8、二長隧、七大控制工程之一。隧道穿越巖性主要為粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖,呈灰黑色,多軟弱泥質(zhì)夾層帶,白色云母夾層,強(qiáng)度極低。大部分頁巖呈薄層狀,層厚310cm,分層清晰,強(qiáng)度很低,遇水膨脹;順層發(fā)育,有光滑順層面,層間多夾軟泥質(zhì)夾層,節(jié)理、層理發(fā)育,切割嚴(yán)重,圍巖整體性很差,爆破后滑坍、掉塊嚴(yán)重。根據(jù)堡鎮(zhèn)隧道地應(yīng)力測試資料,隧道洞身段最大水平主應(yīng)力約為16.0MPa,隧道橫截面內(nèi)的最大初始應(yīng)力max約14.75MPa,巖石max均小的單軸抗壓強(qiáng)度Rc為6.513.1MPa,Rc/于4,根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn),該區(qū)域?qū)贅O高應(yīng)力區(qū)。施工過程中洞內(nèi)初期支護(hù)局部開裂,順層坍塌,軟巖變形等,凡專家預(yù)測的復(fù)雜地質(zhì)

9、均已出現(xiàn)。堡鎮(zhèn)隧道在高地應(yīng)力順層偏壓的共同作用下發(fā)生了較大變形,拱頂沉降達(dá)34.5cm,收斂達(dá)70.2cm。通過合理安排支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時機(jī),使初期支護(hù)和二次襯砌均有較高的安全度。3)通過對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全分析,上臺階拱部內(nèi)力呈現(xiàn)不對稱,且是最容易發(fā)生破壞的部位,因此,施工時應(yīng)加強(qiáng)拱部支護(hù)和監(jiān)測。3快速施工原則及總體施工方案針對高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形隧道的特點(diǎn),結(jié)合施工力學(xué)行為分析,制定了“超前支護(hù)、初支加強(qiáng)、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報”的快速施工原則和總體方案,配合平導(dǎo)超前等輔助方案較好地解決了該隧道施工難題。采用超前小導(dǎo)管支護(hù),及時封閉圍巖;

10、加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度,并根據(jù)“先柔后剛,先放后抗、剛?cè)岵?jì)”原則,初期支護(hù)能適應(yīng)大變形。為達(dá)到穩(wěn)固圍巖的目的,系統(tǒng)錨桿長度應(yīng)稍大于塑性區(qū)的厚度。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空12量,。制定合理,。及,以減小變形、提高圍巖穩(wěn);另外加大仰拱厚度,增大仰拱曲率,全幅仰拱施工,也有利于改善受力狀況。改善隧道結(jié)構(gòu)形狀,加大邊墻曲率,提高二次襯砌的剛度。全過程實施施工地質(zhì)超前預(yù)報工作。結(jié)合開發(fā)或改進(jìn)實施的“三臺階五步開挖同時起爆法”、“支墩式棧橋抗干擾仰拱施工法”、“單洞雙線上下行運(yùn)輸法”、分階段通風(fēng)技術(shù)等措施,保證施工進(jìn)度。2隧道施工力學(xué)行為分析根據(jù)堡鎮(zhèn)隧道特點(diǎn)和施工重難點(diǎn),結(jié)合總體施工方案,采用F

11、LAC3D擬。依據(jù)。102.1順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分析1)節(jié)理產(chǎn)狀直接影響洞周應(yīng)力場和位移場分布,隧道開挖后洞周圍巖最大主應(yīng)力跡線最大梯度方向與節(jié)理層面方向一致,洞周圍巖最大剪切應(yīng)變增量梯度方向,由傾角較小時的垂直層理面方向過渡到順層理面方向。2)在傾角小于30°時,不易發(fā)生順層滑動,圍巖屈服主要取決于層間抗拉強(qiáng)度;傾角大于40°時,隨巖層傾角的增大,巖層順弱勢節(jié)理面變形增大,洞周圍巖破壞則主要取決于節(jié)理面摩擦力和黏聚力,在5種計算工況中,50°傾角時圍巖塑性區(qū)最大。3)節(jié)理走向與隧道軸線一致、節(jié)理面傾角在一定范圍內(nèi)時,隧道的開挖會引起拱部的偏壓,且隨著節(jié)

12、理面傾角的增大而增大,在傾角70°時,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)軸力最大相差21.4%。2.2高地應(yīng)力順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分11析1)在高地應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)行隧道施工,由于構(gòu)造應(yīng)力的影響,容易產(chǎn)生擠壓變形,在采用臺階法施工時,上臺階的擠壓變形較大。2)在高地應(yīng)力軟巖大變形地段,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)因承受較大的形變壓力,容易造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,在設(shè)計和施工時可考慮將二次襯砌做為部分承載結(jié)構(gòu),44.1施工工藝及施工方法開挖支護(hù)高地應(yīng)力順層偏壓軟巖隧道施工采用“三臺階五步開挖同時起爆法”。圖1為該段采用的結(jié)構(gòu)斷面結(jié)構(gòu)圖之一,三臺階五步開挖法施工順序如圖2所示。本方法的主要特點(diǎn)是:1)適用于各種地質(zhì)

13、條件和地下水條件,根據(jù)圍巖變化可通過調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留沉降量等措施,有效控制拱頂沉降、凈空收斂;2)通過合理劃分臺階高度,簡易鉆孔臺架搭、拆方便、快速,減少工序時間;3)三臺階順序施工,出碴、錨桿施作、鋼拱架架立等工序可平行作業(yè),及時支護(hù),保證結(jié)構(gòu)安全,同時減少循環(huán)作業(yè)時間;4)適合于各種斷面形式。4.2仰拱施工高地應(yīng)力順層偏壓軟巖隧道施工據(jù)圍巖及監(jiān)控量測情況,須及時施作仰拱及矮邊墻,以早日形成閉合環(huán);另外加大仰拱厚度,增大仰拱曲率,也有利于改善78隧道建設(shè)第29卷據(jù)量測和工程實際,發(fā)現(xiàn)異常,必要時及時施作二次襯砌?？紤]高地應(yīng)力和順層偏壓的共同作用,除了加大初期支護(hù)的剛度、強(qiáng)度和厚度

14、外,還適當(dāng)加大二次襯砌的強(qiáng)度和厚度,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),提高材料的強(qiáng)度和彈性模量。4.4超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測施工全過程實施綜合地質(zhì)超前預(yù)報及監(jiān)控量測,主要內(nèi)容包括掌子面地質(zhì)素描及常規(guī)地質(zhì)綜合分析、圍巖變形及應(yīng)力應(yīng)變測試等監(jiān)控量測。同時,利用右線平導(dǎo)開挖揭露的圍巖地質(zhì)情況,準(zhǔn)確地預(yù)測左線隧道相應(yīng)地段的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,在施工過程中采用相應(yīng)的處理措施,確保施工安全。為了解高地應(yīng)力區(qū)圍巖變形的機(jī)理和規(guī)律,掌握圍巖應(yīng)力釋放(變形)與支護(hù)應(yīng)力大小的規(guī)律,合理地圖1Fig.1高地應(yīng)力段T1斷面結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)StructureofT1cross2sectioninhighgroundstres

15、ssection(unit:mm)受力狀況。仰拱施作應(yīng)一次成形,為此,隧道在無軌、有軌2種運(yùn)輸條件下,進(jìn)行仰拱全幅施工。對于無軌運(yùn)輸,輸和仰拱施工互不影響;墩軌道式仰拱棧橋13法”施工,如圖3工縫,保證了仰拱的整體性,適合于軟巖大變形或者有其他地質(zhì)災(zāi)害的地段。全幅仰拱施工,將會成為隧道施工的一個趨勢,也是根治隧道運(yùn)營病害的關(guān)鍵。4.3二次襯砌一般情況下在圍巖量測穩(wěn)定后施作二次襯砌,但軟巖高地應(yīng)力大變形是一個緩慢的蠕變過程,即便量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,但地應(yīng)力仍緩慢不斷地向支護(hù)施加。根確定隧道結(jié)構(gòu)安全度,為優(yōu)化設(shè)計支護(hù)參數(shù)與施工方案提供理論依據(jù),確保堡鎮(zhèn)隧道施工和運(yùn)營期間的安全、控制工程造價,、圍巖壓力、

16、鋼架應(yīng)力、二襯應(yīng)力等項目。1洞內(nèi)運(yùn)輸方式選擇根據(jù)以往施工經(jīng)驗,國內(nèi)單線隧道獨(dú)頭掘進(jìn)在#1500m以內(nèi)多采用無軌運(yùn)輸?？紤]堡鎮(zhèn)隧道進(jìn)口的具體情況,經(jīng)綜合考慮,確定隧道左、右線進(jìn)口端3橫通道前采用無軌運(yùn)輸方式,其余全部采用有軌運(yùn)輸方式。5.2有軌運(yùn)輸軌道布置線路鋪設(shè)質(zhì)量的高低將直接影響出碴的快慢。鋼軌采用43kg/m軌。為滿足SS16DB搭接式梭#礦最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求,單開道岔可以選用6道岔,#渡線道岔必須選用8道岔。軌距采用900mm。(a)開挖順序橫斷面與爆破孔位(b)開挖順序(縱斷面)圖2三臺階五部開挖法施工順序示意圖(單位:cm)Fig.2Constructionsequenceofthr

17、ee2benchandfive2stepexcavationmethod(unit:cm)第1期孫偉亮:堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)79圖3Fig.3有軌運(yùn)輸支墩式棧橋仰拱施工示意圖(單位:mm)Sketchofinvertconstructionwithrail2transportationsystemandpieredtrestle(unit:mm)正洞內(nèi)軌道布設(shè)已襯砌地段為“四軌雙線”,采用“單洞雙線上下行運(yùn)輸法”,并按照需要設(shè)置渡線、道岔,以滿足運(yùn)輸調(diào)度的需要。平導(dǎo)開挖及出碴、運(yùn)料為有軌運(yùn)輸,平導(dǎo)布設(shè)“兩軌單線”,間隔420m左右設(shè)錯車道,錯車道部位布設(shè)為“四軌雙

18、線”。在左線洞口處聯(lián)接段設(shè)四軌雙線非標(biāo)道岔、組合渡線。線間距取1.9m,兩線間一般600m設(shè)一換轍線(渡線),特殊情況加密設(shè)置。穿越襯砌臺車地段,在車道。5.3設(shè)備配置裝碴運(yùn)輸設(shè)備配備的是否合理是整個設(shè)備配套中的重點(diǎn),裝碴機(jī)械選擇的是否合理將是制約整個工程進(jìn)度的關(guān)鍵,選擇的裝碴機(jī)械必須具備效率高、性能穩(wěn)定、堅實耐用的特點(diǎn)。1)裝碴設(shè)備。堡鎮(zhèn)隧道出碴、運(yùn)輸配備大型機(jī)械作業(yè),重載有軌運(yùn)輸,設(shè)備按“快速掘進(jìn)”模式配備。左線進(jìn)口端正洞、通過橫通道施工左線作業(yè)面(前期在平導(dǎo)作業(yè)面)各配置1臺德國產(chǎn)ITC312H履帶式挖襯砌臺車前后設(shè)浮放道岔或避車線。臨近掌子面設(shè)調(diào)80隧道建設(shè)第29卷掘裝碴機(jī),機(jī)體采用內(nèi)

19、燃和電力2種工作方式;橫通道、平導(dǎo)作業(yè)面配置LWL150型履帶式挖掘裝載機(jī);右線平導(dǎo)擴(kuò)挖正洞采用挖掘機(jī)扒碴、輪胎式裝載機(jī)裝碴。2)運(yùn)輸設(shè)備。機(jī)車和礦車應(yīng)統(tǒng)一考慮,大容量礦車必然要大功率機(jī)車,二者匹配。牽引設(shè)備采用蓄電池機(jī)車,最小曲線半徑12m。在坡度7情況下,12t3蓄電池機(jī)車可以拖動2節(jié)16m梭礦。1)前期采用壓入式通風(fēng)方式,之后充分利用平導(dǎo)采取巷道式通風(fēng)方式,左線正洞為進(jìn)風(fēng)通道,平導(dǎo)(平66.1施工通風(fēng)導(dǎo)擴(kuò)挖正洞)為出風(fēng)通道,并設(shè)置風(fēng)門;各工作面以壓入式通風(fēng)輔助。2)考慮拐入平導(dǎo)壓入式通風(fēng),供平導(dǎo)及通過橫通道開挖左線正洞兩個工作面,為增大風(fēng)壓,在該通風(fēng)段中部增加串聯(lián)風(fēng)機(jī)。3)增設(shè)射流風(fēng)機(jī),

20、保證洞內(nèi)風(fēng)速、快速排除有害氣體,以及形成負(fù)壓以利新鮮空氣的壓入。通風(fēng)方案根據(jù)左線正洞、右線平導(dǎo)及平導(dǎo)擴(kuò)挖掘進(jìn)進(jìn)度分5個階段,如圖4。分階段通風(fēng)方案采用分階段通風(fēng)技術(shù),以巷道式通風(fēng)為主、壓入式通風(fēng)、水幕降塵等為輔的總體方案。(a)第一階段通風(fēng)方案(b)第二階段通風(fēng)方案(c)第三階段通風(fēng)方案(d)第四階段通風(fēng)方案(e)第五階段通風(fēng)方案圖4Fig.4各階段通風(fēng)方案Ventilationprogramforeachphase第1期孫偉亮:堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)816.2輔助性降塵措施該隧道的通風(fēng)技術(shù)難度大,在不斷優(yōu)化通風(fēng)方案參考文獻(xiàn):1劉達(dá)仁(譯).阿爾貝格公路隧道掘進(jìn)中的

21、支護(hù)問題J.基礎(chǔ)上,采取水幕降塵、高壓風(fēng)射流、機(jī)械凈化、濕式鑿巖、加強(qiáng)局扇通風(fēng)、限制洞內(nèi)車速等一些輔助性降塵措施。隧道譯叢,1980(5).2薛躍宗,姚海慶,謝嘉(譯).阿爾貝格公路隧道J.隧道譯叢,1981(11).3鄒崇富(譯).惠那山隧道長平譯斷層中新奧法的設(shè)計和7結(jié)語堡鎮(zhèn)隧道通過對開挖方法、通風(fēng)方式、機(jī)械設(shè)備配施工J.隧道譯叢,1986(1).4張祉道.關(guān)于擠壓性圍巖隧道大變形的探討和研究J.套技術(shù)及管理技術(shù)等方面的綜合攻關(guān),在2個工作面條件下月平均施工速度達(dá)到223m,刷新了同類工程安全無事故施工進(jìn)度紀(jì)錄。有效地化解了施工風(fēng)險,戰(zhàn)勝了長距離軟巖高地應(yīng)力大變形及順層坍塌等困難,安全、質(zhì)量、工期等全面實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。1)通過施工力學(xué)行為分析,優(yōu)化了高地應(yīng)力順層偏壓軟巖地層隧道快速施工方案,確保了施工安全質(zhì)量。2)通過對隧道的施工監(jiān)測,建立了復(fù)雜應(yīng)力條件下軟巖大變形隧道施工監(jiān)控體系及監(jiān)測、預(yù)測方法。3)“三臺階五步開挖同時起爆法”、“單洞雙線上下行運(yùn)輸法”、“工序標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時間管理”、設(shè)備配套和分階段通風(fēng)等方法、工效率,4),全幅仰拱施工已為鐵路隧