不良地質(zhì)隧道洞口段的施工技術(shù)

不良地質(zhì)隧道洞口段的施工技術(shù)中鐵二局內(nèi)昆指揮部文天平楊黎明提要 山區(qū)鐵路隧道洞口段偏壓、巖堆、淺埋軟弱圍巖等不良地質(zhì)明顯。以往不良地質(zhì)的洞口段施工，從施工準(zhǔn)備到洞口段建成，常需3?6個月時間，主要原因是對地質(zhì)情況認識不清，施工方法不當(dāng)，支護不及時、不到位，以致造成洞口段坍方，進洞困難。本文以內(nèi)昆線幾座隧道為實例，對幾種不良地質(zhì)洞口的進洞和洞口段的施工提出了切實可行的施工技術(shù)方案。關(guān)鍵詞淺埋巖堆偏壓洞口施工一、 前言在以前甚至幾年前我國多數(shù)鐵路隧道洞口段都是采用上導(dǎo)坑進洞，木支撐支護，先拱后墻的施工方法。這種施工方法有幾大缺陷，首先是拱圈易下沉開裂或受側(cè)壓開裂，其次是為了讓拱圈自然下沉需提高開挖15?20cm，第三是圍巖變形大，不利于隧道穩(wěn)定。而現(xiàn)在隧道施工利用新奧法原理采取對地表預(yù)加固措施，增強洞口段圍巖自穩(wěn)能力，洞口段開挖后加強施工支護控制圍巖變形，采用先墻后拱的襯砌方法避免襯砌下沉并有效抵抗側(cè)壓力，以使不良地質(zhì)的隧道洞口段能夠穩(wěn)定、安全、優(yōu)質(zhì)地建成。二、 工程概況內(nèi)昆鐵路水富至鹽津段屬低山河谷地貌，地形陡峻，河谷成U形或深切成V形，基巖大多裸露，地層出露較多，地表覆蓋較差，分別為砂粘土，塊、碎石土。自然坡度在20?80°之間，而且多數(shù)坡度已達極限，很不穩(wěn)定，每年雨季（5月?9月降雨量1000mm~1200mm）都有落石、崩塌、泥石流的出現(xiàn)。線路逆橫江而上并多次跨越橫江。地震基本烈度為VII度。內(nèi)昆鐵路工程地質(zhì)較差，不良地質(zhì)現(xiàn)象較多，主要有斷層、溶洞、古滑坡、煤系地層及采空區(qū)等。洞口段不良地質(zhì)主要是：危巖落石、偏壓、滑坡堆積體、順層滑移、淺埋等。內(nèi)昆鐵路水富至鹽津段隧道總長34549m，占該段線路總長的42%，可以說內(nèi)昆線施工成敗的關(guān)鍵就是隧道施工的成功與否，且線下工期僅兩年，開工時又正逢雨季，隧道洞口邊仰坡及圍巖自穩(wěn)能力極差，這種情況下，如何迅速、安全地進洞，搞好洞口段施工，防止坍塌，就成為了內(nèi)昆鐵路水富至鹽津段隧道施工的一大課題。三、 淺埋隧道洞口段的施工在淺埋隧道施工中應(yīng)盡量少或不刷坡，超前支護后進洞，盡量采用人工開挖，施工支護采用格柵鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴砼組合的支護方式，先墻后拱進行襯砌。由于淺埋隧道覆蓋層很薄，隧道上方的巖土很難形成自承體系，而且圍巖早期壓力大，變形快，如果對隧道變形控制不當(dāng)，圍巖會很快松弛，產(chǎn)生張裂破壞，將導(dǎo)致直達地表面的塌陷。所以淺埋隧道開挖時應(yīng)強調(diào)圍巖變形的控制而不應(yīng)強調(diào)圍巖變形的釋放，支護必須采用強度較高和剛度較大的初期支護，限制土體變形，以免破壞土體結(jié)構(gòu)。對需要控制地表下沉的隧道，為有效地減少圍巖變形，二次襯砌應(yīng)及時施作，不應(yīng)等到圍巖變形速率<0.2mm/d或變形量達到允許變形量的80%以后。而對于采用正臺階法開挖，自下往上進行襯砌的隧道，如何及時進行二次襯砌呢？我們的辦法是施作套拱，就是略為加大開挖斷面，初期支護后在設(shè)計襯砌斷面外施作厚度25cm的砼支護，這樣就既保證了支護的剛度和及時性，控制了土體變形，又不必采用先拱后墻的影響襯砌結(jié)構(gòu)的施工方法。在燕子坡隧道進口，我們就是采用的這種施工方法。1、地質(zhì)地理概況燕子坡隧道進口覆蓋層為砂粘土、塊石土，草樹叢生。進洞15m以后逐漸進入基巖為灰褐色泥巖夾砂巖，風(fēng)化頗重。隧道洞口0?20m長度范圍內(nèi)埋深為2?4.5m，在12?20m處下穿213國道（山區(qū)公路，泥結(jié)片石路面），埋深為4.5m。其平縱面位置如圖1所示：2、施工方案和措施除去地表的雜草后進行噴錨支護，然后在拱部襯砌輪廓外水平打入兩排寸42小導(dǎo)管，間距40cm，長度4m,環(huán)向間距30cm，縱向3m一環(huán)，鋼管上鉆孔以進行注漿固結(jié)圍巖，再開挖進洞。隧道開挖采用臺階法，分拱部、中層、下層三部分，采用小導(dǎo)管超前支護，格柵鋼架0.5m/棉，徑向錨桿采用WTD25和普通砂漿錨桿兩種，長度3m，環(huán)向間距1m，縱向間距0.5m，并掛網(wǎng)噴砼20cm。每完成6個循環(huán)(3.0m)后施作套拱，即剛度較大的砼支護，開挖時已預(yù)加大斷面25cm，使砼支護不致侵入襯砌斷面。下部開挖時為避免圍巖暴露面過大，造成坍塌，分上下兩層臺階開挖。開挖后依然設(shè)格柵鋼架、錨噴支護及砼支護，支護參數(shù)同拱部，各層間格柵鋼架必須焊接牢固。襯砌緊跟掌子面，直到安全通過公路后施作仰拱，形成襯砌環(huán)，再進行拱部開挖。3、對地表下沉的監(jiān)測213國道就在拱頂上4.5m，隧道開挖將會引起地表下沉，可能造成公路的開裂或塌陷，一旦公路坍塌，后果不堪設(shè)想。所以在燕子坡隧道進口的施工中，還有一個要相當(dāng)注意的問題就是地表下沉和拱頂位移。對于淺埋隧道，其穩(wěn)定性應(yīng)該由拱頂?shù)拇怪蔽灰坪偷乇淼南鲁林祦砼袛?，通常用以下條件作為它的穩(wěn)定性判據(jù):在初期支護以后拱頂和地表下沉速率應(yīng)該明顯下降。最終支護后速率應(yīng)趨近于零。根據(jù)圍巖類別的不同，拱頂和地表下沉值與跨度之比的允許值應(yīng)該在0.1%?0.6%之間。支護表面無大量的明顯的裂縫，允許出現(xiàn)的收縮裂縫無發(fā)展趨勢。燕子坡隧道進口的地表下沉監(jiān)測網(wǎng)布置見圖2：圖2監(jiān)測情況見表1： 表1測點號對應(yīng)洞口距離(m)測量時間襯砌前下沉速率(mm/d)總下沉量(mm)下沉值與跨度比值(%)18.78.22?10.140.1316122148.30?10.140.131351.73168.30?10.140971.24188.30?10.140650.85208.30?10.1401161.5下沉?xí)r志曲線圖見圖3：圖3表1中所列的五個點為線路中線上的測點，從下沉速率和時志曲線來看，襯砌前隧道已趨于穩(wěn)定，支護和公路表面也未發(fā)現(xiàn)裂縫，說明所采用的施工方法和措施是安全、妥當(dāng)?shù)?。但從總下沉量可以看出圍巖開挖暴露后剛性支護不夠及時，管棚和噴錨支護不能完全抵抗圍巖及來自公路上車輛通行產(chǎn)生的壓力，以致圍巖變形和下沉值較大，且地表下沉量絕大部分發(fā)生在該對應(yīng)里程開挖后10天內(nèi)，在施作砼套拱支護后，下沉量立即減小，也說明了唯有及時施作剛度較大的支護才能有效地控制圍巖變形和地表下沉。該段施工工序流程圖如下：四、巖堆洞口段的施工巖堆是巖體風(fēng)化后由重力搬運到坡腳的，其內(nèi)部多為較大碎石、塊石亂疊而成，細顆粒的泥砂較少，碎屑物間無膠結(jié)，結(jié)構(gòu)松散，處于“一觸即潰”的極不穩(wěn)定狀態(tài)，而且坡度一般與堆積物的休止角大致接近，易坍塌。巖堆大多分布在近期構(gòu)造運動強烈上升、物理風(fēng)化盛行地區(qū)，我國西南地區(qū)正處在這種地帶，而且?guī)r堆大都處于發(fā)展增長階段。橫江兩岸坡腳巖堆接連分布，斜坡上時有巖塊滾落，尤其是雨季遭受雨水浸泡、沖刷后，堆積物的內(nèi)摩擦角減小，更容易發(fā)生坍塌.隧道洞口段通過巖堆時，施工中除了要加強施工支護以外，還要特別注意攔截地表水，排除巖堆體內(nèi)地下水，并采用砼支護來抵抗巨大的側(cè)壓力。手扒巖隧道出口和黃蓮坡隧道出口都是典型的堆積體洞口。1、手扒巖隧道出口手扒巖隧道出口90m均位于滑坡堆積體上，堆積物為砂頁巖的碎屑物，粒徑小于5cm，夾有孤石，下伏基巖為頁巖夾砂巖，風(fēng)化頗重，傾角較大。堆積體雖已穩(wěn)定，但地下水較發(fā)育，洞口段40m地形又為偏壓，側(cè)壓力很大。而且基底軟弱，不能承受拱墻重力。根據(jù)該洞口的地質(zhì)情況，我們認為施工時首要注意的是加固圍巖、加強支護。具體施工方案如下：做好天溝排水系統(tǒng)后對邊仰坡刷方，進行鋼筋網(wǎng)噴砼支護，網(wǎng)格間距20X20cm，噴砼厚5cm。在隧道靠山側(cè)襯砌外緣1m采用3排中76鋼花管進行地表注漿加固，注漿深度在基巖下1m。鋼管長13m，間距1m，梅花型布置。如圖4所示：圖4洞口段40m開挖前采用中42小導(dǎo)管注漿超前支護，小導(dǎo)管長5m，環(huán)向間距0.3m，縱向4m/環(huán)，外插角3°和10°，兩種不同外插角的小導(dǎo)管間隔設(shè)置；洞口40m至90m范圍不屬偏壓，拱部采用中42小導(dǎo)管注漿超前支護，小導(dǎo)管長5m，環(huán)向間距0.4m，縱向4m/環(huán)，外插角2°。隧道開挖分拱部、中層、下部三層臺階開挖，拱部開挖進尺0.8m，設(shè)格柵，錨網(wǎng)噴，并加設(shè)25cm厚的砼支護，下部開挖后要把格柵以焊接方式與拱部格柵連接成環(huán)。及時施作仰拱，形成全環(huán)封閉結(jié)構(gòu)。該段施工完畢一段時間后發(fā)現(xiàn)隧道襯砌靠山側(cè)40m范圍有縱、斜向裂縫產(chǎn)生，我們對裂縫和襯砌位移情況進行了觀測，發(fā)現(xiàn)襯砌并無位移，裂縫在雨季后也停止發(fā)展，但裂縫最寬處已達6mm。根據(jù)分析，裂縫成因是由于襯砌未置放在基巖上，邊墻基底承載力不足，在雨季堆積體順基巖面向下滑移，使鋼筋砼襯砌受擠壓發(fā)生開裂。此隧道襯砌的開裂證明由于未采取措施控制堆積體的滑移，即使支護到位，也不能保證隧道安全。根據(jù)裂縫成因，我們的處理措施是在襯砌靠山側(cè)增設(shè)錨固樁，控制山體位移，減輕襯砌單側(cè)受擠壓，并在襯砌基底注水泥-水玻璃雙液漿加固圍巖，增強承載力。然后繼續(xù)觀察，確認裂縫已停止發(fā)展，洞口段安全有了保障。該段施工工序流程圖如下：2、黃蓮坡隧道出口黃蓮坡隧道出口拱部進洞開挖時除去表皮土后即為巖石，讓人以為已進入基巖，實際下部開挖時發(fā)現(xiàn)該巖石實為山上滑下來的兩層厚層砂巖，覆蓋了整個拱部和靠河側(cè)墻部（如圖5），巖石傾角45°，層間為泥砂，裂隙水較豐富，開挖截斷后容易發(fā)生順層滑移，對支護和襯砌產(chǎn)生很大的單側(cè)壓力，造成破壞性開裂，很難處理。圖5砂巖下為堆積體塊石土，而且富含地下水，側(cè)壓力極大，一旦開挖，泥夾石就發(fā)生坍滑。直到進洞60m以后才完全進入基巖。針對這種情況，為確保洞口段穩(wěn)定，施工中一定要加強支護，尤其是靠山側(cè)的支護要加強，我們采用以下施工方案：進洞前對洞頂上方自然溝進行漿砌鋪砌，防止地表水下滲。邊仰坡用WTD25中空注漿錨桿加固坡面，錨桿長4m，間距2m，梅花型布置，加設(shè)中8,40X40cm鋼筋網(wǎng)，噴砼10cm進行防護。再沿拱部輪廓線外緣40cm打入中95、L=15m、環(huán)向間距0.5m的大管棚進行預(yù)注漿加固后開挖進洞。下部開挖分上下兩層臺階以減少圍巖暴露時間和暴露面積。上層開挖一次性爆破成形，下層則分左右兩部開挖，讓靠河側(cè)先行，為靠山側(cè)開挖提供臨空面，減少靠山側(cè)開挖時對圍巖的振動。開挖步驟如圖6：圖6支護參數(shù)：采用格柵鋼架支撐，鋼架0.8m/棉，靠河側(cè)①22錨桿，錨桿長4m，間距1m，鋼筋網(wǎng)中10，網(wǎng)格20X20cm，噴砼12cm支護。靠山側(cè)循環(huán)進尺1m，格柵鋼架0.8m/棉，與中層格柵焊接牢固，錨桿用6?9m①22超長錨桿，間距0.8m，并安裝好墊板，掛雙層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)中10，網(wǎng)格間距10X10cm，噴砼20cm支護。并作25cm厚的砼剛性支護以抵抗山體壓力。仰拱先行。支護完成后，以3m的循環(huán)進尺及時完成仰拱開挖、襯砌，形成全環(huán)封閉結(jié)構(gòu)。該洞口段60m施工完成后我們擔(dān)心隧道襯砌因靠山側(cè)巖石和堆積體的滑移而滑移或開裂，于是布點進行了觀測，隨時準(zhǔn)備采取加強措施。在經(jīng)過一個雨季的觀測后，隧道沒有發(fā)生任何變形問題，證明所采用的施工方法和支護手段是安全、可靠的。該段施工工序流程圖如下：五、偏壓洞口段的施工偏壓隧道是指承受顯著不對稱荷載的隧道，形成原因有地形原因、地質(zhì)原因或坍方造成的等原因。洞口段的偏壓一般由地形原因造成，當(dāng)洞頂覆蓋層較薄、地面橫坡較陡、圍巖類別較低時，隧道將承受偏壓，多見于傍山隧道。也就是隧道拱肩外側(cè)圍巖覆蓋厚度t小于表2所列數(shù)值時，將引起洞頂上方巖體下沉，在巖體內(nèi)形成兩個非對稱滑動面，使隧道承受顯著不對稱荷載，開挖時易坍塌，襯砌后易開裂。表2 單位：米t值圍巖類別地面橫坡（單線隧道）1:11:1.51:21:2.5III石544III土10865.5II土18161210所以在偏壓洞口段施工，要注意盡早將支護和襯砌形成環(huán)以抵抗靠山側(cè)較大的土壓力，有可能的情況下應(yīng)在靠河側(cè)加設(shè)輔助措施增強其抗壓能力。飄水巖隧道進口為褐色砂巖夾頁巖，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化嚴重，洞頂橫坡約為1:1，拱肩覆蓋層厚度1?2m，洞口8m右側(cè)（靠河）幾乎成陡坎，從墻腳到拱肩覆蓋層厚度為0.5?1.5m，如不采取特別措施，一旦開挖進洞，右側(cè)必坍無疑。為確保順利進洞，我們制定了以下方案：1、 做好天溝排水設(shè)施。2、刷邊仰坡，增設(shè)①22錨桿，長3.5m，間距1.5m，梅花型布置，掛20X20cm鋼筋網(wǎng)，噴砼8cm進行地表加固。3、 在右側(cè)施作鋼筋砼擋墻護坡，擋墻厚1m，置于穩(wěn)定地基上，高于拱頂2m。擋墻與邊坡面用錨桿連接，錨桿長1m，間距1.2m，梅花型布置。如圖7所示：圖74、 進洞前沿拱部開挖輪廓線設(shè)2排中42超前小導(dǎo)管注漿，間距0.4m，小導(dǎo)管長4m，環(huán)向間距0.3m。5、 拱部開挖分左右兩部進行，左側(cè)采用炸藥爆破，右側(cè)用風(fēng)鎬輔助人工開挖成形，循環(huán)進尺控制在0.8m以內(nèi)，及時支護。該洞口施工難點是山體的偏壓和靠河側(cè)的覆蓋層特別薄，進洞易坍塌，但在施作了鋼筋砼擋墻護坡后進洞，圍巖沒有發(fā)生坍塌，支護也未無開裂，說明該擋墻對抵抗偏壓和穩(wěn)定圍巖起了關(guān)鍵性的作用，是成功進洞的重要措施。該段施工工序流程圖如下：六、結(jié)束語現(xiàn)代隧道施工已有上百年的歷史了，但由于地質(zhì)地形的千變?nèi)f化，對隧道受力分析沒有一套統(tǒng)一的計算方法，尤其對不良地質(zhì)、軟弱圍巖，更不可能有“包治百病”的施工方法，只有認清地質(zhì)情況，并根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的施工措施才可能獲得成功。在淺埋、巖堆、偏壓隧道洞口段，我們認為施工時首要的是強調(diào)對圍巖變形的控制而不是圍巖變形的釋放。具體做法就是：①初期支護必須要有一定的剛度，不能強調(diào)其柔性；②二次模注要及時施作，不必拘泥于某些技術(shù)規(guī)程中關(guān)于施作二次模注時圍巖變形速率必須小于0.1mm/d的規(guī)定。經(jīng)過在內(nèi)昆線多座隧道的實踐也證明了我們應(yīng)用的施工原則和采用的施工方法是完全正確的、妥當(dāng)?shù)?。AbstractDuringconstructionofentrancesectionofrailwaytunnelwithextremely-weaksurrou