千枚岩隧道动态变形及其控制

2014-09-04 01:04
长春工业大学学报 2014年5期
关键词:千枚岩控制技术围岩

邵 峰

(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司, 重庆 404100)

千枚岩隧道动态变形及其控制

邵 峰

(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司, 重庆 404100)

通过千枚岩隧道实际施工的分析,阐述了隧道动态变形,变形控制施工方式以及关键施工工序,探讨了相关技术在隧道管理中的重要性。

千枚岩隧道; 动态变形; 控制

0 引 言

千枚岩板岩为薄层状,局部夹有石英脉,层理不明显;局部结构面充填泥质物,但表面光滑,稳定性不强;千枚岩松软易碎,经挤压揉碎后,石英脉都呈现酥碎砂状,主要是散体结构。

1 千枚岩隧道情况

1.1地质情况

以马鞍子梁隧道进口为例,露出千枚岩多为深灰色或黑色,根据千枚岩的构成,局部云母含量较高,泥质凝结,敲击声低哑,用手就可掰开,并会留下痕迹。岩体受到结构影响严重的呈现为褶曲状,岩体破碎,多为颗粒状,触感光滑,并有光泽。工程开挖后,掌子面不会出现明显渗水的现象,会有少量水渗漏,以滴状或面状湿润,拱部会出现掉块、坍塌现象,并且容易风化。围岩的整体性不高,Ⅴ,Ⅳ级的围岩较多[1]。具体情况见表1。

1.2地下水的作用

隧道施工中的地下水对围岩的稳定性起到了重要作用,尤其是地质较软的千枚岩区,还能在一定程度上起到控制作用。主要为千枚岩进行洞身开挖时,开始不会有地下水,之后会出现滴水,甚至股水。千枚岩在遇到水后,会软化似弹簧土,泥化呈淤泥状,这种现象降低了围岩的稳定性,甚至可能造成变形。

表1 马鞍子梁隧道围岩类型统计

1.3千枚岩隧道的变形过程

从隧道的结构来看,周围岩体和各种支护结构构成了隧道的结构体系,也可以说是周围地质体加上支护构件等于洞室结构体系;同时工作人员应当认识到挖掘坑道后,在一定范围内,围岩的应力会受到重新分布的影响,还会释放局部底壳残余的应力;通过应力重新分布的作用,围岩会在一定程度内发生位移和松弛,同时也改变围岩的物理力学性质。在这种情况下,坑道围岩在薄弱处很容易出现损坏,更严重会造成整个坑道的崩塌,相关单位及工作人员要正确认识千枚岩的变形动态过程,并在工程实践中不断总结经验,及时优化[2]。

应力释放的过程就是开挖工作的本质,控制应力的过程可以通过人工支护来实现。工作人员要努力解决这个应力释放与控制的过程,换句话就是要在隧道施工中解决由于开挖工作而带来围岩变形。总之,应力释放和应力控制的过程就是隧道工程的实质。应力释放的直接结果会导致围岩的变形和松弛,对这个过程进行控制就是应力控制的实质。隧道施工的主要原则是在开挖和支护过程中不造成围岩的松弛和改变[3]。

2 千枚岩隧道变形动态以及控制技术与方法

在隧道施工过程中,通过开挖和支护两方面来实现,围岩的原始状态是开挖和支护长期稳定的产物,这里所用的控制技术就是开挖和支护中的控制技术。应力释放的方法是开挖,开挖方式的不同,对应力释放的过程和程度也是不同的,应力控制的方式则是支护的含义,支护方法的不同,应力的控制过程也是不同的。除了开挖和支护两项工作外,其它作用都是辅助性的,比如排水、通风、运输、测量、地质的超前预报等。但这些作业也是左右开挖、支护成功与否的关键,不能忽视它的作用[4]。

2.1开挖与支护的关系

开挖与支护在施工中密切相关,基本可以分为3类:

1)无需支护的开挖。这种方法一般运用在无需支护的硬质围岩中,坚硬且自支护能力比较高是其适用的条件,应力释放后能够自行稳定的围岩。

2)先挖后支护。这种方式用于一般地质、一般地形条件的开挖后的支护工作及较坚硬和自支护能力相对较高的支护工作中,以及应力释放后能够保持一定时间自我稳定的围岩等。

3)先支护后开启。这是针对特殊地质和地形条件开展的方法,较软弱、自支护能力不强是其适用的条件,围岩在应力释放后无法自行稳定[5]。

2.2换拱过程中的应用

采用Φ50 mm×4 mm注浆钢管进行周壁注浆,1.2 m×1.2 m是其环向×纵向的间距,注浆的方法是采用水泥-水玻璃双液注浆,并且在这个过程中,要对注浆压力进行控制,范围在1.5~2.0 MPa。并根据施工现场的实际情况,及时对注浆情况进行调整。先拱墙、后拱部是其注浆顺序,方式为隔孔注浆,注浆完毕的标志是注浆压力不断提高,最后达到设计终压,并再持续注浆15 min以上,采用Φ50 mm×4 mm小导管进行超前支护,设置拱部数量为40根,间距为25 cm,超前注浆的排管长度为4 m,还要将排距控制在2 m的范围内,而且每次循环都要遵守这个规律,浆液是水泥-水玻璃双液[6]。

2.3初期支护

施工过程中,I20工字钢是钢支撑采用的工具,Φ25螺纹钢筋是纵向连接的钢筋,间距是1 m;Φ8圆钢焊制而成的钢筋网,20 cm×20 cm是网片网格间距。架起钢支撑之后,应立即做锁脚锚杆,Φ50 mm×4 mm管式注浆锚杆是锁脚锚杆的定义,其长度为4 m,每个上断面做出8根,并将两节拱架和拱脚控制在0.5 m的范围内,下断面为4根,拱脚设置范围是1.0~1.3 m。Φ22砂浆锚杆是系统采用的工具,喷射混凝土标号C20。

在工程施工中,由于受到噪声、振动爆破的限制,及时运用控制爆破的方式也无法将爆破振动限制在一个范围内。在一些场合,更为有效和经济的方式就是并用爆破开挖和机械开挖。具体来讲,就是使用割岩的方式进行掏槽,促使自由面的形成,然后向外侧进行一定顺序的爆破开挖,或采用槽式钻机在开挖周围设置沟槽,以此实现自由面由前至后依次爆破,在最外周沟槽的钻设和自由面的形成,采取非电雷管在隧道内部进行爆破,使爆破振动的影响得到了降低。

3 千枚岩隧道变形动态及其控制技术的一些建议

实际要求和支护类型的不相适应是造成隧道变形的主要诱发原因。通过对支护参数的加强,相关单位应对变形路段进行有效的管理,并总结相关经验,在后续的施工中吸取教训,使支护参数有所加强,避免同样地质的情况下变形倾斜现象的出现。对千枚岩施工的几点意见如下。

3.1隧道开挖对千枚岩的影响

千枚岩因为其地质条件、特征及其构造、施工难度较大,还会受到千枚岩的特性和地下水的影响[7]。板岩和千枚岩相间的位置,软硬岩相间难以控制爆破药量,一般来讲,会使软岩部分超挖,硬岩部分相对较少,造成开挖成型差。这种情况会造成不同位置的应力释放出现差异,不利于应力的分布,会造成不同程度的局部坍塌和掉块。而若是在全千枚岩区域,岩体非常破碎、并呈团块状。鳞片状在开挖时容易钻进,同时容易塌孔。并且根据千枚岩遇水的特性,初期支护实施之后,围岩的变形较大,且恢复时间较长,部分区域4~5个月都不会稳定,所以开挖时要确保无地下水,后期的地下水增大,会影响到隧道结构质量与施工安全。

3.2千枚岩路段施工建议

尽量缩短千枚岩各施工程序之间的距离,并使整个断面衬砌封闭的进程加快,使暴露的岩层减少,并减少其松动,增大低压。

1)尽早进行成环封闭,及时进行仰拱和二衬,认真遵守铁道部的相关文件并严格控制隧道步长关系;

2)尽量保证隧道内无水残留,或及时将水排除。

在千枚岩隧道施工中,对地下水的处理会影响围岩的稳定性,尤其在软弱的千枚岩区域,更能起到控制的作用。当以千枚岩为主进行洞身开挖时,开始没有地下水,但会出现滴水甚至是股水,千枚岩遇水会变成泥,并且容易风化,所以在施工中要及时将隧道中的积水排出,特别是掌子面中的积水。在施工过程中,可以预留一蓄水池,将洞中的水集中抽出。

在开挖作业中,运用爆破法进行推进时,应严格掌握炮眼数目、深度和装药量,并进行分步开挖法,使其下部开挖能够适应左右两侧交替进行。支护作业中,断层地带的支护应宁强勿弱,并定期进行加固,喷射一层混凝土在断层地带的开挖面,并配备卒后轻度的支撑钢架。在衬砌作业中,衬砌应跟紧开挖面,并尽早封闭衬砌断面[8-9]。

3.3加强初期支护,防止围岩的松弛、坍塌

在保证开挖工作稳定的施工中,主要采用的施工方法是“先挖后支”或“边挖边支”,不断使初期支护力度加强,使围岩的松弛、坍塌得到控制,开挖工作面稳定,达到提高和维系围岩固有自支护能力的目的。基本措施有:

1)采用全断面法或超短台阶的全断面法;

2)使初期支护的力度和效果得以提高,隧道变形的发展得到控制和收敛;

3)使各开挖工作面的步距得到控制并尽快闭合;

4)单项作业的机械化程度得到提高,各单项作业的时间得以缩短,循环次数增加,达到快速施工的目的。

4 结 语

马鞍子梁隧道全线为十天高速公路中的第二长隧道,总长度为4 929 m,位置处于巴山腹地,地质复杂多样,是全线控制性的工程。马鞍子梁隧道曾因不良的地质条件和破碎带的影响,发生多次变形和侵限。文中首先对隧道的地质条件进行了分析,阐述了千枚岩隧道动态变形及其控制技术,包括开挖与支护的关系、换拱工程的应用、初期支护等,并以此对千枚岩隧道的施工技术进行详细探讨,为相关人员提供借鉴和参考。

[1] 李权.软岩大变形公路隧道变形规律及控制技术研究[J].西南交通大学学报,2012(5):159-160.

[2] 周艺,何川,汪波,等.基于支护参数优化的强震区软岩隧道变形控制技术研究[J].岩土力学,2013(4):167-168.

[3] 张宇.隧道三维变形规律研究及其在乌鞘岭隧道工程中的应用[J].西南交通大学学报,2012(6):148-149.

[4] 吴红刚.隧道-滑坡体系的变形机理及控制技术研究[D]:[博士学位论文].北京:中国铁道科学研究院,2012.

[5] 赵旭峰.挤压性围岩隧道施工时空效应及其大变形控制研究[J].同济大学学报,2011(5):179-180.

[6] 王更峰.炭质板岩蠕变特性研究及其在隧道变形控制中的应用[J].重庆大学学报,2012(5):149-150.

[7] 张帅军,胡明研,陈峰宾.软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究[J].西部探矿工程,2013(2):159-160.

[8] 张帅军,胡明研,陈峰宾.软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究[J].长春工业大学学报:自然科学版,2011,32(2):142-143.

[9] 李洲.杜家山隧道软弱围岩支护稳定性研究[J].成都理工大学学报,2011(9):187-188.

Phyllite tunnel dynamic deformation and its control

SHAO Feng

(Tunnel Engineering Co. Ltd. of No. 18 Bureau of China Railway Group Company, Chongqing 404100, China)

Analyzing the phyllite rock tunnel construction, we study the dynamic deformation of the tunnel , control methods and key construction process. The importance of the related technologies applied in the tunnel management is discussed.

phyllite tunnels; dynamic deformation; control.

2014-06-10

邵 峰(1980-),男,汉族,湖北襄阳人,中铁十八局集团有限公司隧道工程公司工程师,硕士,主要从事工程施工技术方向研究,E-mail:273469910@qq.com.

U 456.31

A

1674-1374(2014)05-0572-04

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