宜万铁路堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工技术

罗洪戈,谭泽意

(中铁五局集团宜万铁路工程指挥部,湖北宜昌 443500)

宜万铁路堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工技术

罗洪戈,谭泽意

(中铁五局集团宜万铁路工程指挥部,湖北宜昌 443500)

宜万铁路堡镇隧道穿越地层大部分为砂质页岩和粉砂质页岩,局部为炭质页岩,岩层软弱、节理较发育;隧道埋深大,地应力高,围岩强度低,高地应力软岩大变形区段长,施工过程中发生了严重的大变形。主要介绍高地应力软岩大变形段的施工措施,即:采用小导管注浆超前支护、采用短台阶和双侧壁相结合的开挖方法,初期支护采用喷混凝土+型钢钢架+锚杆+钢筋网的支护措施,控制每环仰拱开挖长度不超过4m,及时封闭成环,及时施做二次衬砌,对隧道高地应力软岩段的预留变形量为15～30cm,确保了隧道顺利通过软岩大变形区段。

宜万铁路;铁路隧道;高地应力;软岩;施工

1 工程概况

1.1 工程简介

堡镇隧道是宜万铁路第二长大隧道,位于湖北省长阳县贺家坪镇和榔坪镇之间,采用左右2座平行的单线隧道方案,线间距30m,是宜万铁路的重点控制性工程。左线隧道全长11563m(DK70+161～DK81+ 724),右线隧道全长11595m(YDK70+182～YDK81+ 777);隧道设人字坡,最大坡度15‰,最小曲线半径R=2000m;右线隧道初期为辅助左线隧道施工的平行导坑,待左线隧道贯通后再扩挖成右线隧道。堡镇隧道分2个标段进行施工,中铁五局集团有限公司承担了出口端左线5724m(DK76+000～DK81+724)和右线5977m(YDK75+800～YDK81+777)的施工任务。

右线隧道出口于2004年7月14日开始平导施工,左线隧道出口于2004年8月18日开工。

1.2 不良地质

堡镇隧道集“高地应力、单斜、顺层、软岩、深埋、偏压、大变形”等特点于一身。

堡镇隧道出口段穿越长阳背斜北翼,主要工程地质有粉砂质页岩夹泥质粉砂岩、黑色薄层硅质岩夹黑色页岩、灰黑色页岩与薄层含炭质页岩互层等,围岩较为破碎,节理发育,地下水以基岩裂隙水为主。受隧道埋深(最大埋深600m)和构造影响,围岩内部地应力较大。

根据实际开挖揭示,堡镇隧道出口端最主要的不良地质是高地应力软岩大变形。堡镇隧道出口左右线受高地应力影响长度约7600m,穿越炭质页岩地层约2600m。岩层受高地应力影响褶皱明显,围岩松散破碎、遇水成软塑状、抗压强度低,开挖后不能自稳,掌子面稳定性极差,超挖严重,施工进度非常缓慢,支护难度大。在高地应力作用下,特别是进入富水的高地应力炭质页岩后,初期支护发生了很大的变形,最大日变形量达到190mm,累计最大水平收敛值为996.77 mm,累计最大拱顶下沉值为341.01mm。

在高地应力软弱炭质页岩段施工时,掌子面岩石产状扭曲,岩层破碎,局部围岩有饼化现象,开挖后围岩不能自稳,按照设计参数支护后,监控量测数据显示开挖后变形值较大,已支护地段局部喷混凝土开裂、钢架扭曲、围岩长时间不收敛、支护侵入净空,严重影响了施工安全和工程质量,如何有效克服软岩地段高地应力产生的大变形成为堡镇隧道施工中的重、难点。

经设计、监理和施工等各方充分研究、现场实践,逐步优化开挖方法和支护措施,最终安全、平稳地通过了高地应力软岩变形段,取得了较好的效果。

2 施工原则

(1)以新奥法施工精髓“弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”为总体施工原则。

(2)合理选用超前地质预测预报技术,及时做好地质预报工作,提前揭示掌子面前方及周边围岩状况。

(3)根据地质预报确定合理的超前支护措施、开挖方法和循环进尺并及时进行优化,尽量减少对周边围岩的扰动和破坏,确保掌子面围岩稳定。

(4)开挖后及时施作初期支护,初期支护紧跟开挖掌子面;选用强有力的柔性支护体系,先柔后刚、先让后抗。

(5)尽早施作仰拱或临时仰拱,确保施工支护及时封闭成环。

(6)加强监控量测工作,及时掌握围岩的变形和支护的稳定情况,合理确定开挖的预留变形量并提供调整和修正支护参数的依据。

(7)通过对监控量测数据的分析提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据,确定二衬的合理施作时间并及时封闭。

3 具体措施

3.1 超前支护

因围岩破碎,地应力高,围岩开挖后不能自稳,为防止拱部围岩发生垮塌,在掌子面掘进前,需采用φ42mm小导管注浆进行预支护。通过小导管将水泥浆强制注入至拱部岩石裂隙内,浆液和破碎的岩石胶结形成一个整体性较好的胶结体拱状壳,再加上注满浆的小导管自身所发挥的管棚作用,可以承受相当大的压力,这样就可以极大地提高了开挖作业的安全性,防止坍方。

小导管采用壁厚为3.5mm的φ42mm无缝钢管制作,前端20cm范围内加工成圆锥形,以减少打入时的阻力;在小导管前部2/3范围内管壁上钻小孔以利于浆液均匀扩散,孔径约1cm,小孔间距50cm,呈梅花形布置。

施工时,通过拱部型钢钢架腹壁预留的孔洞沿拱部开挖轮廓线外10cm左右进行钻眼,外挑角6°～10°,小导管环向间距0.4m,每环施工25根。为保证管棚作用的连续性,每环小导管纵向搭接长度不短于1.0m,一般情况下,每2循环施工1环超前小导管。浆液采用水泥浆,注浆压力一般控制在0.2MPa左右。

3.2 隧道开挖

根据高地应力段软岩易坍塌的特点,经过逐步优化,最后选用短台阶和双侧壁相结合的开挖方法。

此方法可以尽量减少一次性开挖面积,维持开挖面的稳定;各部分均错开开挖,有利于减少掌子面高度,增大其稳定性;同时可以缩短开挖和支护之间的时间间隔,减少每次支护量,缩短每部分支护工作时间,使开挖的部分能及时进行支护,防止围岩变形、坍塌。

具体开挖顺序和台阶长度如图1所示。

图1 隧道开挖顺序(单位:m)

施工时,掌子面配备EC140型挖掘机1台,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ各部分爆破后,立即用挖掘机扒砟,及时采取锚喷支护和型钢钢架相结合的措施进行初期支护。

上台阶和下台阶每循环开挖长度应控制在1.5m以内,尽量减少爆破装药量,少扰动周边围岩,防止围岩坍塌。

堡镇隧道的开挖实践证明,高地应力软岩变形段采用短台阶和双侧壁相结合的开挖方法是比较稳妥的。

3.3 初期支护

锚喷支护是新奥法施工的三大支柱之一,也是高地应力软岩变形段施工成败的关键。初期支护采用锚、喷、网联合支护结构,按照初喷混凝土→立钢架→打锚杆→挂网→复喷混凝土至设计厚度的顺序紧跟开挖面进行施工。局部地段采用双层钢架支护加强,在第1层支护施做完成且变形达70%左右施做第2层钢架,第2层钢架与第1层钢架交错布置,最后用喷射混凝土覆盖并找平。

3.3.1 喷混凝土

堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工中,喷混凝土强度等级为C20,喷射厚度根据型钢钢架型号的不同一般为26～30cm,施工时可分为初喷和复喷两个阶段,初喷约6cm,复喷20～24cm。

一般情况下,隧道开挖后应立即进行初喷。初喷混凝土作为围岩的第一层支护,它起着极其重要的作用。

(1)可以有效地防止新出露的洞壁围岩风化、崩落,从而最大限度地减少围岩自承力的降低;

(2)还可以填平围岩开挖轮廓的不平顺,可以减轻或者消除局部应力集中,从而提高围岩的稳定性;

(3)通过封闭围岩,可以提高下一步施工作业的安全性。

初喷完后,立即施工系统锚杆、钢筋网和型钢钢架,并及时进行复喷混凝土施工。复喷完后,才允许进行下一循环开挖施工。

喷混凝土早期强度高(速凝剂的作用),与围岩黏结较牢固,能在短时间内与围岩形成一个拱形整体,共同承受荷载,从而起到加固围岩、提高围岩的自承能力和稳定性的作用。

当围岩特别破碎、开挖后垮塌较严重时,初喷混凝土作用不大。此时,可不进行初喷,锚杆、钢筋网、型钢钢架、喷混凝土一次到位。

3.3.2 锚杆

高地应力软岩变形隧道中,锚杆的作用如下:

(1)锚杆可以使支护变被动为主动,提高支护效果;

(2)锚杆可以将洞壁周边一定深度内的围岩进行挤压加固,形成一个压力拱圈,从而可以承受相当大的荷载,达到维护围岩稳定的作用。

一般情况下,锚杆施工宜在初喷后进行。锚杆杆体宜采用φ22mm螺纹钢或WTD25中空锚杆,单根长度4～6m,环向、纵向间距均为1.0m,梅花形布置,锚杆方向应与岩面垂直。锚杆端头设铁垫板,施工时垫板用螺母拧紧,使之紧贴岩面。锚杆杆体插入孔内长度不应小于设计长度的95%,外露长度不应大于喷混凝土厚度。注浆应饱满,以提高锚杆的黏结力。锚杆钻孔机械可采用风钻或锚杆专用钻机(长锚杆施工)。

3.3.3 钢筋网

钢筋网的作用是改善喷混凝土应力的分布,提高喷混凝土的抗拉和抗剪强度,改善其变形性能,增加支护的整体性和承载力;它还能有效地防止小块松散围岩掉落,增加施工的安全性;同时它在防止喷混凝土开裂、脱落方面也有一定的作用。

钢筋网采用 φ8mm钢筋焊接而成,网格间距20cm。为了提高施工速度,钢筋网一般先在加工棚内焊接成2.0m×2.0m片状,现场再进行安装、焊接。现场施工时,利用已施工的锚杆作为钢筋网的支承点,与钢筋网焊接在一起。特别要注意的是,钢筋网片之间一定要焊牢,以利于整体受力。

3.3.4 型钢钢架

型钢钢架是为了抑制围岩大变形而采用的加强支护措施。它本身刚度大,与喷混凝土、锚杆、钢筋网组成联合支护,有利于提高支护的强度和刚度。

型钢钢架宜采用I16～I20型钢制成,钢架间距宜为0.5～1.0m。钢架加工时,每榀钢架根据施工需要分解成几个单元,各单元两端由14mm厚连接钢板焊接成型。为提高工字钢与连接钢板处的抗拉强度,每单元工字钢与连接板之间设加劲肋,单元间用螺栓连接。安装时在各节点处加1块3mm厚的橡胶垫块。为提高型钢钢架的整体性,纵向相邻钢架采用φ22mm螺纹钢连接,纵向连接筋间距一般为1.0m。钢架安装时,要特别注意把钢架底脚处的虚砟清除干净,以利于型钢受力。

3.4 仰拱

及时施工仰拱是抑制隧道变形的一项重要措施。通过封闭仰拱,可以增加隧底的强度和刚度,从而抵御较大的形变压力。

高地应力软岩大变形地段,为了提高仰拱抗变形能力,可以采用加大仰拱曲率、增加仰拱厚度、采用钢筋混凝土结构等方法实现。

高地应力软岩变形地段,仰拱应紧跟开挖面。一般来说,仰拱距开挖下台阶长度一般不超过15m。每环仰拱开挖长度不超过4m,开挖后立即用型钢钢架、钢筋网、喷混凝土进行支护,使整个支护体系封闭成环,并及时施作仰拱混凝土,以利于整体受力。严禁因开挖过长等情况造成仰拱长时间无法支护、衬砌的情况,因为这样极易引起隧道坍塌。

3.5 二次衬砌

为了保证隧道净空,抵御巨大的形变压力,高地应力软岩变形段衬砌应采用钢筋混凝土结构,混凝土最小厚度40cm。施做时间一般根据监控量测结果在围岩收敛后进行;对于部分地段围岩长时间不收敛的情况,为了保证施工安全,不必拘泥于围岩收敛全部完成,而是待其变形速度小于一定值(如10mm/d)时,立即施工钢筋混凝土衬砌,让衬砌承受部分形变压力。实践证明,此方法是可行的,堡镇隧道左线出口净空测量数据显示,衬砌未出现侵限现象,衬砌表面也未出现高地应力引起的裂缝。

4 监控量测

监控量测是指导高地应力软岩大变形隧道施工的一种重要手段。通过监控量测数据可以及时掌握隧道围岩动态,以分析和判定围岩的稳定性;监控量测数据也是确定预留变形量的重要依据;同时,通过对监控量测数据进行回归分析,还可以确定二次衬砌的合理施作时间。

一般情况下,隧道施工需作拱顶下沉和水平收敛量测,量测频率以《铁路隧道施工规范》要求为准。根据堡镇隧道左线出口的监控量测数据显示,高地应力软岩地段的变形值一般为15～30cm,个别地段可达80～100cm。为了防止支护因变形而侵入衬砌轮廓线,增加欠挖处理的难度和危险性,堡镇隧道左线出口高地应力软岩变形段大部分地段采用了30cm的预留变形值,个别地段因围岩松散、地质特别差而采用了更大值(60～100cm)。实践证明,堡镇隧道采用的预留变形值是比较合理的,虽然部分地段存在超挖回填,增加了成本,但未出现大面积欠挖处理和坍方现象,从安全性和进度方面考虑还是值得的。

5 结语

堡镇隧道初始地应力高,围岩强度低,软岩大变形区段长,安全风险极大。通过业主、设计、监理、施工单位等各方的共同努力,克服重重困难,堡镇隧道终于顺利完工。施工过程中,采取了多种有效的施工措施,为今后高地应力软岩大变形隧道的施工提供参考。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.堡镇隧道设计图[Z].武汉:2004.

[2] TB10204—2002,铁路隧道施工规范[S].

[3] TB10417—2003,铁路隧道工程施工质量验收标准[S].

U455.49

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1004 -2954(2010)08 -0131 -03

2010 05 17

罗洪戈(1973—),男,高级工程师,1995年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业,工学学士。