软岩隧道开挖预防塌方经验总结

周建华

1 塌方产生的原因

隧道出现塌方的主要原因可分为内因和外因,外因主要是指工程地质和水文地质条件造成的塌方,内因主要是指设计和施工不当造成的塌方。1)不良地质造成的塌方。不良地质主要包括风化变质岩体、裂隙发育岩体、崩塌岩堆地区、断层带、溶洞、滑坡、泥石流、膨胀性地层等。2)地下水造成的塌方。地下水是影响围岩稳定的重要因素之一。这不但能使软化系数大的岩石强度降低,而且使结构面的抗剪强度减小。3)偏压造成的塌方。偏压和滑坡是隧道洞口段产生塌方的重要原因。4)爆破参数不正确,周边眼装药量过大,爆破后围岩顶部承载圈失稳造成塌方。施工中严格按照“新奥法”对监控量测、信息处理、及时反馈严格要求。

2 塌方的预防措施

2.1 爆破方案选择

软岩隧道宜采用小药量松动爆破施工,上、下台阶间隔4 m～6 m,钻眼采用YT-28凿岩机进行。炸药采用二号岩石硝铵,爆破材料采用电毫秒雷管和塑料导爆管起爆。

1)根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破材料等进行钻爆设计,并根据爆破效果及时修正有关参数。2)钻爆作业必须按照爆破设计进行钻眼、装药、接线和引爆。钻眼前应绘出开挖断面中线、水平和开挖轮廓线,并根据钻爆设计标出炮眼位置,经检查符合设计要求后方可钻眼。3)爆破施工除应对地层、结构进行监控量测外,应严格控制爆破对围岩的破坏以及对周围环境的影响,必须对爆破作业的扰动范围和地震效应进行检测。4)周边眼常用参数的选择。a.周边眼间距E。它是直接控制开挖轮廓面平整度的主要因素。一般情况下E=(12～15)d,其中炮眼直径d=35 mm～45 mm。对于节理较发育、层理明显以及开挖轮廓要求较高的地下工程,周边眼间距可适当减小,也可在两炮眼之间增加一个不装药的导向空眼或周边眼不装药(周边眼设为隔震眼)。b.周边眼装药结构。严格控制周边眼装药量,采用合理的装药结构,尽量使炸药沿孔深均匀分布,是实现光面爆破的重要条件。常用的装药结构有连续装药;间隔装药;不耦合装药;不装药。c.采用短台阶开挖,上台阶周边眼间距一般控制在30 cm～35 cm,周边眼为不装药结构,设为隔震眼、辅助眼、掏槽眼采用1,3,7段非电毫秒导爆管起爆,装药量按0.2 kg/m3～0.4 kg/m3考虑,中台阶和下台阶周边眼间距采用30 cm,辅助眼采用1,3,7段非电毫秒导爆管起爆,装药量按0.2 kg/m3～0.3 kg/m3考虑。5)炮孔深度为1.2 m～1.5 m,炮孔直径35 mm,药卷直径32 mm。

2.2 控制开挖及加强初期支护

严格遵循“短进尺、弱爆破、管超前、强支护、勤测量、紧衬砌”的原则。

1)Ⅴ级围岩地段采用上弧导预留核心土开挖法施工。开挖以CAT320C掘机为主,辅助以人工风镐开挖,开挖后采取喷混凝土封闭,及时施作钢架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护。即在开挖过程中,分3个台阶7个开挖断面(见图1),以前后 7个不同的位置相互交错开挖,然后分部支护,形成支护整体,缩小作业循环时间。加强超前支护。洞口段围岩较破碎的,进洞前应提前施作φ 108大管棚,并注水泥砂浆加固围岩;洞内施工中先喷射混凝土将开挖断面及掌子面封闭,然后施作超前小导管支护,小导管与初期支护钢架形成共同支护体系。

2)Ⅳ级围岩采用正台阶法掘进,分上、中、下三个台阶,三个工作面。施工时初期支护紧跟开挖面,以减少围岩暴露时间,抑制围岩变位、松弛剥落。施工中严格控制钢架间距及锚杆数量,局部围岩较破碎的必须加密钢架和锚杆。喷射混凝土采用强制式搅拌机拌和,钢架背后及超挖部分用喷射混凝土回填密实,喷射混凝土完全覆盖住钢架并保证表面平顺,以抵御围岩变形应力。

2.3 仰拱及衬砌紧跟掌子面

1)仰拱、二次衬砌紧跟开挖掌子面。仰拱与掌子面距离:Ⅲ级围岩不大于90 m,Ⅳ级围岩不大于50 m,Ⅴ级围岩不大于40 m;二次衬砌与掌子面距离:Ⅰ,Ⅱ级围岩不大于200 m,Ⅲ级围岩不大于120 m,Ⅳ,Ⅴ级围岩不大于90 m。2)按照设计要求开挖到位,基底虚渣、积水清除干净,立即灌注混凝土,闭合成环。围岩松散及富水地段仰拱开挖前,先对边墙初支钢架作横向支撑或施作仰拱钢架支护,再进行仰拱开挖和混凝土施工,避免初期支护大幅度变形。3)二次衬砌应在围岩和初期支护变形稳定后施作,特殊地段(松散堆集体、浅埋地段等)应及时施作二次衬砌。

2.4 加强监控量测

在隧道正洞洞身支护完成后,尤其是仰拱施工完毕后,喷锚支护已闭合成环,及时进行全断面监控量测,随时掌握初期支护的工作状态,指导和确定二次衬砌施作时间。监控量测必测项目及量测间距见表1,表2。

表1 监控量测必测项目

表2 必测项目量测断面间距和每断面测点数量

2.5 做好超前地质预报及时反馈

由于隧道存在围岩变形、失稳等地质灾害问题,施工中对可能发生的地质灾害加强综合预测、预报,超前作好预防措施。

隧道地下水、断层破碎带、滑坡发育、侵入岩体存在蚀变带,地质复杂,施工中采取综合超前地质预测预报措施,采用超前水平钻孔探明地质情况。超前钻孔每循环设3孔,每孔30 m,搭接5 m,每25 m设一循环。必要时采用TSP-202/TSP-203地质探测仪、HSP声波反射法、地质雷达及红外线探水仪等手段综合分析。

根据钻进时的钻压、钻渣及岩芯的抗压强度、岩体抗压强度与钻孔涌水量对断层、地应力和涌水量进行探测和预报。施工时采用XY-2型地质钻机进行超前钻孔探测。

开挖后对隧道洞壁、拱顶和掌子面进行地质描述和编录,用相机拍摄掌子面地质情况,建立资料数字库,推断前方地质状况。

[1]TZ204-2008,铁路隧道工程施工技术指南[S].

[2]TB 10108-2002,铁路隧道喷锚构筑法技术规范[S].

[3]TB 10417-2003,铁路隧道工程施工质量验收标准[S].

[4]杨克栋,姚 军.关家台隧道塌方原因分析及处理方案[J].山西建筑,2009,35(23):349-351.