神延鐵路隧道工程特性分析

神延鐵路隧道工程特性分析

1項(xiàng)目總結(jié)1.1圍巖類(lèi)別及長(zhǎng)度來(lái)自我國(guó)的這件作品，長(zhǎng)度為93450米，有三座隧道，共長(zhǎng)8390米，占標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度的92%。其中:羊馬河隧道長(zhǎng)3810m(神延線第二長(zhǎng)隧),關(guān)路坡隧道長(zhǎng)3159m(神延線第三長(zhǎng)隧),翅膀溝隧道長(zhǎng)1721m(被設(shè)計(jì)院稱(chēng)為神延第一爛洞)。最高圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi),總長(zhǎng)度3900m,占隧道總長(zhǎng)的45%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖共4790m,占隧道總長(zhǎng)的55%。其中土質(zhì)隧道地段總長(zhǎng)度4000m,占隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的46%。各類(lèi)圍巖的分布情況如下:各類(lèi)隧道土質(zhì)地段分布情況如表2:1.2黃土及紅粘土工程性質(zhì)神延鐵路W9標(biāo)段位于陜北黃土高原梁峁溝谷區(qū),沖溝發(fā)育,植被稀疏,地形起伏較大。出露地層由老新依次為:第四系全新統(tǒng)沖、洪積黃土質(zhì)砂粘土;上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土,沖積圓礫土、卵石土;中更新統(tǒng)老黃土;第三系紅粘土以及侏羅系中統(tǒng)砂巖夾頁(yè)巖,頁(yè)巖夾砂巖;黃土及紅粘土工程性質(zhì)如下:(Ⅰ)黃土質(zhì)砂粘土(Q3a13):淺黃色,土質(zhì)較純,土體疏松,粉土質(zhì)為主,砂感,具Ⅱ級(jí)非自重濕陷性,半干硬～硬塑。(Ⅱ)新黃土(Qeo1333eo13):淡黃色,土質(zhì)純,粉土質(zhì)為主,裂隙及垂直節(jié)理發(fā)育,具Ⅱ級(jí)自重濕陷性,半干硬～硬塑。(Ⅲ)老黃土(Qeo1322eo13):淡棕紅色,有粉感,裂隙及垂直節(jié)理發(fā)育,半干硬～硬塑,與紅粘土接觸帶上有軟塑夾層。(Ⅳ)紅粘土(N2cr):棕紅色,粘土質(zhì),粘性強(qiáng),具干濕效應(yīng),節(jié)理裂隙發(fā)育,層狀分布,硬塑,弱膨脹性,Ⅲ級(jí)硬土,Ⅱ～Ⅲ類(lèi)圍巖。1.3當(dāng)前水文條件1.3.1地表水保護(hù)主要為季節(jié)性水流,受大氣降水影響較大。旱季溝內(nèi)為地下水出露形成徑流,雨季及暴雨季節(jié)溝內(nèi)水量較大。1.3.2含水層表土層內(nèi)的紅粘土儲(chǔ)水規(guī)律主要為黃土層間裂隙潛水和基巖裂隙水,黃土層間裂隙潛水主要分布于黃土與紅粘土間,含水層為黃土層底部與紅粘土接觸帶處,紅粘土為相對(duì)隔水層,受大氣降水補(bǔ)給,含水層儲(chǔ)水和排泄條件差,水量小且不穩(wěn)定。資料顯示,土質(zhì)地段含水量呈可塑或潮濕狀。關(guān)路坡隧道涌水量為880m3/d,羊馬河隧道為560m3/d。2隧道坍塌2.1第4段:dk46+400段,實(shí)施噴熒光施工該隧道長(zhǎng)1721m,1999年4月5日按正臺(tái)階先墻后拱法進(jìn)洞施工。施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范進(jìn)行操作,遵照短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌的原則進(jìn)行施工。6月21日塌方前,上半斷面開(kāi)挖至DK446+337,下斷面開(kāi)挖至DK446+342.4及DK446+465～DK446+353.6全斷面襯砌。1999年6月21日晚22:30時(shí),翅膀溝隧道上導(dǎo)坑掌子面正進(jìn)行噴砼施工,下導(dǎo)坑正在立拱架。突然值班人員注意到DK446+350處護(hù)拱有掉塊現(xiàn)象,仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)右邊墻已松動(dòng),并有“喀嚓”的響聲,就立即通知所有施工人員撤離。隨后右邊墻發(fā)生坍塌。指揮人員得到通知后,立刻趕到洞內(nèi)指揮搶險(xiǎn)。此時(shí)塌方面積已經(jīng)變大,一切措施都無(wú)濟(jì)于事。22日凌晨,塌至山頂。搶險(xiǎn)人員對(duì)DK446+365～353段襯砌加固后,留下觀察人員外,其余全部撤離現(xiàn)場(chǎng)。洞內(nèi)塌方段長(zhǎng)度約13.8m,塌方段施工支護(hù)(每m一榀Ⅰ16鋼架及錨噴支護(hù))全部被壓壞。山頂塌體直徑20m,地表陷坑3～5m。塌方示意見(jiàn)圖1。塌方原因:塌方段為黃土質(zhì)砂粘土,粉土狀、含水量較大,山頂沖溝陷穴較為發(fā)育,山體滲水較發(fā)育,山體偏壓,隧道經(jīng)過(guò)山體的左山坡,山體較陡,偏壓較大。類(lèi)似的塌方還有羊馬河隧道出口段(DK441+320～DK441+300),塌方時(shí)間為1999年5月18日。2.2子面地表沖淤,洞底設(shè)錨固相,隧道洞外排水,復(fù)合土,順應(yīng)工工該隧道全長(zhǎng)3810m,為神延鐵路第二大隧道,合同工期只有17.5個(gè)月,該隧道地質(zhì)條件極差,進(jìn)口段基底位于軟塑狀黃土上,承載力低,施工進(jìn)度極為緩慢,為解決工期矛盾,于1999年5月在大關(guān)里溝DK438+182處新增加一個(gè)長(zhǎng)50.68m斜井,7月份進(jìn)入正洞施工。地層為新黃土夾砂層,掌子面時(shí)常發(fā)生小面積塌方,地表沖溝,陷穴發(fā)育,隧道涌水量大,施工至DK438+250處時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)地質(zhì)與實(shí)際地質(zhì)情況不符,原設(shè)計(jì)為Ⅳ圍巖,開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)全斷面為紅粘土夾砂層,經(jīng)變更按Ⅱ類(lèi)圍巖施工,各工序施工操作規(guī)范化,完全遵照黃土隧道施工要求,短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早襯砌的原則進(jìn)行。1999年11月8日,羊馬河隧道(大關(guān)里溝斜井)對(duì)DK438+354～DK438+359段初期支護(hù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),發(fā)現(xiàn)支護(hù)底部出現(xiàn)裂縫,當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工人員立即組織人員架設(shè)水平橫撐加以處理,但由于土體變形過(guò)快,該段右側(cè)邊墻部位長(zhǎng)約4.0m的初期支護(hù)平行推移整體滑出;之后,工地組織所有人員對(duì)兩端未塌方地段進(jìn)行加固處理,但由于地質(zhì)情況太壞,該段邊墻及拱部不斷坍塌掉塊,發(fā)生大規(guī)模的塌方,并向兩側(cè)延伸,截止晚9時(shí)許,塌方仍在延續(xù),塌方長(zhǎng)度約為30m,塌方高度不詳(此處覆蓋層厚約為90m)經(jīng)過(guò)7d后,土塊才將拱頂塌口封死。洞內(nèi)塌方長(zhǎng)度31m,初期支護(hù)全部被壓壞。塌方示意見(jiàn)圖2。2.2.3原因分析2.2.3.上分層拱壁土體羊馬河隧道該段地質(zhì)原設(shè)計(jì)為Ⅳ類(lèi)圍巖,開(kāi)挖后的地質(zhì)表現(xiàn)為紅粘土,仰拱底部20cm以下為風(fēng)化頁(yè)巖,土石交界處含水量大,上部土體分布有4道砂層,平均厚度60～100cm,一道距仰拱底1.5m,一道距仰拱底3m,一道在起拱線部位,在拱頂30cm處有一道。2.2.3.邊墻土體變形在隧道開(kāi)挖土石交界處含水量大,成股狀流出,日出水量為180m3。浸泡邊墻底部,致使邊墻底部土體松軟,發(fā)生變形,上部砂層剝離掉塊發(fā)生下滑,將初期支護(hù)擠出,形成空間后,砂層不斷剝落,黃土不斷坍塌,致使塌方擴(kuò)大。類(lèi)似的塌方還有大山溝明洞正洞施工的DK445+415～DK445+460段于1999年11月17日塌方。3初期支護(hù)施工塌方發(fā)生后,先后于11月8日、11月12日、11月23日分別會(huì)同神延總指、設(shè)計(jì)院、鐵城監(jiān)理站對(duì)塌方地段進(jìn)行了會(huì)勘,形成以下處理方案:3.1加強(qiáng)對(duì)未塌地段支撐,及時(shí)量測(cè),未發(fā)現(xiàn)變化時(shí)加強(qiáng)配筋,首先對(duì)未坍塌地段實(shí)施鋼筋砼襯砌。對(duì)塌方地段先進(jìn)行上導(dǎo)坑處理,完畢后再進(jìn)行下導(dǎo)坑處理,每處理完1.2～2.4m,便立即進(jìn)行鋼筋砼襯砌。施工中應(yīng)循序漸進(jìn),特別是在下部開(kāi)挖時(shí),初期支護(hù)易發(fā)生沉降,應(yīng)加強(qiáng)頂撐,并布設(shè)水平支撐和鎖腳錨桿,防止發(fā)生再次坍塌。3.2坍方地段采用管棚法通過(guò),管棚采用?40mm小導(dǎo)管全斷面布設(shè),環(huán)向間距22cm,施工中適當(dāng)放大仰角,以防止開(kāi)挖后下沉,小導(dǎo)管長(zhǎng)度為3.0m,排間搭接長(zhǎng)度≮1.0m。3.3初期支護(hù)采用Ⅰ16型鋼拱架,在塌方的頭部和尾部各5.0m范圍內(nèi)每30cm一榀,中間地段采用50cm一榀,型鋼拱架應(yīng)與管棚牢固焊接,型鋼拱架制作應(yīng)保證二次襯砌頂部厚度有1.0m,即采用Ⅰ類(lèi)模筑砼襯砌再加大40cm,并預(yù)留10cm的沉降量,初期支護(hù)采用網(wǎng)噴砼25cm加以封閉。3.4初期支護(hù)在進(jìn)行下導(dǎo)施工時(shí),應(yīng)分步進(jìn)行。在上部拱架的底部安設(shè)托梁連接成整體,防止沉降,必要時(shí)可采用挖井法進(jìn)行下導(dǎo)支護(hù)的施工。3.5二次襯砌采用Ⅰ16型鋼拱架模筑砼襯砌,型鋼布設(shè)成雙層,外層緊貼初期支護(hù),內(nèi)層距襯砌內(nèi)輪廓預(yù)留5～8cm的砼保護(hù)層,內(nèi)外層型鋼沿縱向1榀/m相錯(cuò)布置,連接鋼筋采用?22mm,環(huán)向間距1根/m布設(shè)兩層,兩層型鋼間布設(shè)?22mm斜拉鋼筋以形成整體受力。為防止砼開(kāi)裂,在內(nèi)層型鋼表面加掛?12mm網(wǎng)片,間距為25cm×25cm。仰拱加型鋼支撐,并與襯砌型鋼拱架連接牢固。4具體施工方法以李溝dk438和346dk438和380段處理為例4.1確定管道鉆孔角度鋼管打入角度的確定應(yīng)根據(jù)工作平臺(tái)的搭設(shè)高度、施工器具、凈空高度和方便施工綜合因素而定,我們定為8°～15°。4.2工字鋼導(dǎo)向架的建立鋼管的打入方向和角度是保證順利、快速、安全通過(guò)塌方段的前題條件,為此采取了工字鋼作為固定鋼管方位的導(dǎo)向架。利用支護(hù)拱架在工字鋼上按間距每20cm用氣焊割出鋼管能沿一定角度打入時(shí)順利通過(guò)的圓孔,見(jiàn)圖3。4.3管道連接鋼管的打入快慢是決定塌方處理進(jìn)度的主要決定因素,由于地層為黃土,決定采用風(fēng)槍打入法。4.4預(yù)應(yīng)力管道設(shè)計(jì)管棚支護(hù)是保證隧道塌方段上方土體不再下沉,因此型鋼鋼架必須與鋼管焊接牢固,在施工中我們采用超前導(dǎo)管,長(zhǎng)度為3.0m,排間搭接長(zhǎng)度為1.5m,保證拱部上部至少有兩層鋼管作為超前支護(hù)保證支護(hù)強(qiáng)度,由于導(dǎo)管施工有仰角,故型鋼與導(dǎo)管存在空隙,在施工中我們采取短鋼管或短型鋼廢料,將空隙堵塞,并牢固焊接。見(jiàn)圖4。4.5開(kāi)始鋼管反打?yàn)楸ＷC整個(gè)開(kāi)挖段的凈空滿足要求,必須對(duì)開(kāi)始鋼管打入段進(jìn)行反打,反打要在保證凈空的條件下進(jìn)行,可利用一榀支護(hù)拱架作為導(dǎo)向孔支架,反打后,把影響凈空的鋼管切掉。4.6型鋼拱架與管棚、預(yù)應(yīng)力管道安裝為保證上導(dǎo)坑開(kāi)挖后穩(wěn)定及下導(dǎo)坑開(kāi)挖的安全,要對(duì)上導(dǎo)坑加強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)采用Ⅰ16型鋼拱架,在塌方的頭部和尾部各5.0m范圍內(nèi)每30cm一榀,中間地段采用50cm一榀,型鋼拱架與管棚牢固焊接。在起拱線處加設(shè)?100mm鋼管水平橫撐并焊牢;同時(shí)對(duì)拱腳部位施工鎖腳錨桿,防止下導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)拱部下沉。見(jiàn)圖5。4.7混凝土網(wǎng)噴為保證初期支護(hù)具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和穩(wěn)定性,型鋼架設(shè)后馬上進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼25cm厚加以封閉。4.8與鋼架焊接,掛網(wǎng)噴清洗下導(dǎo)坑開(kāi)挖采用左右相錯(cuò)人工開(kāi)挖,當(dāng)一邊開(kāi)挖后,馬上進(jìn)行鋼架的架設(shè),并與拱腳鋼架焊接在一起,邊墻安設(shè)徑向錨桿并同鋼架焊接牢固,馬上掛網(wǎng)噴砼封閉防護(hù);然后處理另一邊。在下導(dǎo)坑開(kāi)挖分兩步進(jìn)行時(shí),每一步工作完成后,均應(yīng)加水平支撐以保證穩(wěn)定,具體施工中我們?nèi)珨嗝婀苍O(shè)三層水平橫撐。見(jiàn)圖6。4.9外側(cè)型鋼的安裝二次襯砌采用Ⅰ16型鋼拱架模筑砼初砌,型鋼布設(shè)成雙層,外層緊貼初期支護(hù),內(nèi)層距襯砌內(nèi)輪廓預(yù)留5～8cm的砼保護(hù)層,內(nèi)外層型鋼沿縱向每m一榀相錯(cuò)布置,連接鋼筋采用?22mm,環(huán)向間距1根/米布設(shè)兩層,兩層型鋼間布設(shè)?22mm斜拉鋼筋形成整體受力。為防止砼開(kāi)裂,在內(nèi)層型鋼表面加掛?12mm網(wǎng)片,間距為25cm×25cm。仰拱加型鋼支撐,并與襯砌型鋼拱架連接牢固。5體驗(yàn)和建議5.1隧道埋深、土體結(jié)構(gòu)及老黃土的注意程度,一般在205.1.1黃土質(zhì)砂粘土及新黃土,以粉土質(zhì)為主,結(jié)構(gòu)疏松,在隧道洞口地段時(shí),由于淺埋及偏壓,加之含水量極小,自穩(wěn)時(shí)間很短,受開(kāi)挖的擾動(dòng)后,極易產(chǎn)生坍塌冒頂現(xiàn)象;在埋深較大地段,由于含水量適中,自穩(wěn)情況略好一些,但也經(jīng)常沿裂隙面發(fā)生坍塌掉塊現(xiàn)象,對(duì)施工人員危害很大。該地層中的隧道埋深一般在40m左右,受埋深、含水量、土體結(jié)構(gòu)及土體顆粒影響,其發(fā)生塑性變形的可能性不大,因而應(yīng)加強(qiáng)施工支護(hù),減少暴露時(shí)間和暴露長(zhǎng)度。5.1.2老黃土,以風(fēng)積為主,粉粒含量大,結(jié)構(gòu)較疏松,節(jié)理發(fā)育,與其他地區(qū)黃土相比,其應(yīng)為中更新統(tǒng)晚期形成,老黃土中不含古土壤,鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)少見(jiàn)。開(kāi)挖后易沿裂隙掉塊,形成局部坍塌,在受外部不利因素影響、含水量較大時(shí),也容易產(chǎn)生坍塌冒頂現(xiàn)象。由于本地區(qū)地層結(jié)構(gòu)自上而下為新黃土、老黃土、紅粘土和砂泥頁(yè)巖,位于黃土底部的紅粘土為相對(duì)隔水層,故老黃土底部含水量大,有1～2.5m的軟塑層,此也為本地區(qū)滑坡發(fā)育的原因。受線路標(biāo)高控制,許多老黃土隧道中或部分段落(即將進(jìn)入紅粘土或巖石),均出現(xiàn)軟塑層,其對(duì)工程性質(zhì)影響很大。因而根據(jù)含水量情況對(duì)施工支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)的調(diào)整是必要的。5.2加強(qiáng)施工用水管理,保持洞內(nèi)排水通暢5.2.1在黃土質(zhì)砂粘土及新黃土淺埋地層,如洞口段、溝谷段、偏壓段,應(yīng)采用超短臺(tái)階開(kāi)挖,隨挖隨支,襯砌緊跟,盡量縮短襯砌與開(kāi)挖距離,減少?lài)鷰r暴露時(shí)間,必要時(shí)設(shè)超前支護(hù),以安全通過(guò)為主要目的。5.2.2黃土隧道施工時(shí)應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些隱患,如地表對(duì)線路有影響的陷穴、陷坑應(yīng)及時(shí)回填;對(duì)地形偏壓、人工回填土層等時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎施工,洞內(nèi)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)施工支護(hù)或進(jìn)行超前支護(hù)。5.2.3加強(qiáng)施工用水管理,保持洞內(nèi)排水暢通。如水池遠(yuǎn)離線路,以防止成為坍塌的誘因。洞內(nèi)用水管理有序,排水應(yīng)暢通,嚴(yán)防軟化地基出現(xiàn)坍塌。5.2.4對(duì)位于軟塑層上的隧道應(yīng)及時(shí)施做仰拱和封閉鋼架,并在施工期間加設(shè)橫撐,特別是隧底部分,防止鋼架內(nèi)移失穩(wěn)造成坍塌。5.2.5在施做施工支護(hù)時(shí),鋼架基底應(yīng)平整壓實(shí),設(shè)混凝土墊塊,并加設(shè)橫撐。對(duì)部分按先拱后墻法施工的隧道,襯砌拱腳也應(yīng)平整壓實(shí),并可考慮設(shè)置托梁。5.2.6黃土隧道施工中應(yīng)及時(shí)初噴,及早約束圍巖早期變形,在變形未完成時(shí)進(jìn)行初噴,將變形控制在允許范圍內(nèi)。5.2.7按新奧法原理設(shè)計(jì)的隧道,應(yīng)按要求進(jìn)行各項(xiàng)量測(cè),如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位