堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术.pdf

堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术孙伟亮(中铁十四局集团有限公司,济南250014)摘要:堡镇隧道的主要工程地质特点是在高地应力、顺层偏压、软岩地质条件下隧道发生大变形。在对国内外高地应力软岩隧道施工技术研究现状基础上,分别对顺层偏压地层和高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析,制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案。通过对开挖方法、通风方式、机械设备配套技术及管理技术等方面的综合攻关,实现了同类工程安全无事故条件下的快速施工。关键词:高地应力;顺层偏压;软岩大变形;隧道;快速施工技术中图分类号:U 455文献标志码:B文章编号:1672-741X(2009)01-0076-06Rapid Construction Technology for Baozhen Tunnel i n Heavily Deform i ng SoftRock Stratum with High Ground Stress and Bedded Strata AsymmetricalLoadSUN Weiliang(China Rail way14th Bureau Group Co.,L td.,Jinan250014,China)Abstract:The main geological characteristics of Baozhen Tunnel are high ground stress,bedded strata asymmetricalload and large deformation of tunnel in soft rock.Based on the study of the tunnel construction technology in soft rockwith high ground stress both in China and foreign countries,the authormakes analysison mechanical behaviorof tunnelsin asymmetrical2loaded stratum and asymmetrical2loaded and highly stressed strata respectively.Then,the author pres2ents the composite construction principle of advance support,enhanced pri mary support,reasonable deformation,properstress releasing before stress resisting,flexible support installed before rigid support,timely closing the support struc2ture,strengthening tunnel invert,optimizing tunnel structure and geological predication.The excavation method,venti2lation method,equipmentsmatching technology and management technology adopted has ensured the safe and rapid con2struction of the tunnel.Key words:high ground stress;bedded strata asymmetrical load;large deformation of tunnel in soft rock;tunnel;rapidconstruction technology0引言在山岭深埋隧道设计施工中,一般只考虑与埋深无关的松弛压力,但是在高地应力作用下的软弱围岩中隧道土压除有松弛压力外,还有软岩特有的因隧道开挖及其后随时间延长、隧道断面逐渐缩小的“蠕变压力”。国内外隧道工程中所遇到的挤压大变形问题较多1-5,如国外奥地利的陶恩隧道,国内南昆线的家竹箐隧道等,给隧道设计施工带来了一系列的问题:隧道设计施工中难以控制变形量,洞身开挖后空间效应明显,产生蠕动变形,引起支护破坏,引发坍塌等。目前,国内外尚未建立高地应力软岩地质条件下的隧道控制软弱围岩大变形机理及处理对策的理论研究体系和施工处理体系。另外,隧道处于软弱围岩顺层偏压地层,国内对偏压隧道的研究也主要局限于地形引起的偏压隧道6-9。为此,研究地质构造引起的偏压隧道的衬砌形式、衬砌结构应力分布特征成为堡镇隧道课题之一。从施工技术角度,通过研究分析,提出了针对高地应力、顺层偏压、软岩地质条件下行之有效的快速施工总体思路、技术方案和工艺方法,以及与之密切相关的运输方式和设备配套、通风方案等。1工程概况宜万铁路地处云贵高原东北麓,山高谷深,地质复杂,在建国初期被国内外专家视为中国铁路建设的禁收稿日期:2008-09-03;修回日期:2008-12-26作者简介:孙伟亮(1972),男,山东人,1996年毕业于石家庄铁道学院隧道与地下工程专业,本科,高级工程师,现从事隧道与地下工程技术管理工作。第29卷 第1期2009年2月隧道建设Tunnel ConstructionVol.29No.1Feb.2009区,其工程之艰巨被称做“集西南山区铁路建设艰险之大成”。堡镇隧道左线长11 563m,右线长11 595m,该隧道是宜万铁路全线第二长隧、七大控制工程之一。隧道穿越岩性主要为粉砂质页岩、泥质页岩,呈灰黑色,多软弱泥质夹层带,白色云母夹层,强度极低。大部分页岩呈薄层状,层厚310 cm,分层清晰,强度很低,遇水膨胀;顺层发育,有光滑顺层面,层间多夹软泥质夹层,节理、层理发育,切割严重,围岩整体性很差,爆破后滑坍、掉块严重。根据堡镇隧道地应力测试资料,隧道洞身段最大水平主应力约为16.0MPa,隧道横截面内的最大初始应力 max约14.75MPa,岩石的单轴抗压强度Rc为6.513.1MPa,Rc/max均小于4,根据工程岩体分级标准,该区域属极高应力区。施工过程中洞内初期支护局部开裂,顺层坍塌,软岩变形等,凡专家预测的复杂地质均已出现。堡镇隧道在高地应力顺层偏压的共同作用下发生了较大变形,拱顶沉降达34.5 cm,收敛达70.2 cm。2隧道施工力学行为分析根据堡镇隧道特点和施工重难点,结合总体施工方案,采用FLAC3D岩土工程分析软件进行了数值模拟。分别对顺层偏压地层和高地应力顺层偏压地层的隧道施工力学行为进行了分析,为施工提供了理论依据。2.1顺层偏压地层隧道施工力学行为分析10 1)节理产状直接影响洞周应力场和位移场分布,隧道开挖后洞周围岩最大主应力迹线最大梯度方向与节理层面方向一致,洞周围岩最大剪切应变增量梯度方向,由倾角较小时的垂直层理面方向过渡到顺层理面方向。2)在倾角小于30时,不易发生顺层滑动,围岩屈服主要取决于层间抗拉强度;倾角大于40 时,随岩层倾角的增大,岩层顺弱势节理面变形增大,洞周围岩破坏则主要取决于节理面摩擦力和黏聚力,在5种计算工况中,50倾角时围岩塑性区最大。3)节理走向与隧道轴线一致、节理面倾角在一定范围内时,隧道的开挖会引起拱部的偏压,且随着节理面倾角的增大而增大,在倾角70 时,初期支护结构左右两侧轴力最大相差21.4%。2.2高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析11 1)在高地应力环境下进行隧道施工,由于构造应力的影响,容易产生挤压变形,在采用台阶法施工时,上台阶的挤压变形较大。2)在高地应力软岩大变形地段,初期支护结构因承受较大的形变压力,容易造成初期支护结构破坏,在设计和施工时可考虑将二次衬砌做为部分承载结构,通过合理安排支护结构施作时机,使初期支护和二次衬砌均有较高的安全度。3)通过对支护结构安全分析,上台阶拱部内力呈现不对称,且是最容易发生破坏的部位,因此,施工时应加强拱部支护和监测。3快速施工原则及总体施工方案针对高地应力顺层偏压软岩大变形隧道的特点,结合施工力学行为分析,制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案,配合平导超前等辅助方案较好地解决了该隧道施工难题。采用超前小导管支护,及时封闭围岩;加强初期支护的刚度,并根据“先柔后刚,先放后抗、刚柔并济”原则,初期支护能适应大变形。为达到稳固围岩的目的,系统锚杆长度应稍大于塑性区的厚度。为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空,开挖时即加大预留变形量12,另外采取了不均衡预留变形量技术。制定合理的爆破方案和开挖支护工艺,减小对围岩的扰动。及时封闭仰拱特别是仰拱初支,以减小变形、提高围岩稳定性;另外加大仰拱厚度,增大仰拱曲率,全幅仰拱施工,也有利于改善受力状况。改善隧道结构形状,加大边墙曲率,提高二次衬砌的刚度。全过程实施施工地质超前预报工作。结合开发或改进实施的“三台阶五步开挖同时起爆法”、“支墩式栈桥抗干扰仰拱施工法”、“单洞双线上下行运输法”、分阶段通风技术等措施,保证施工进度。4施工工艺及施工方法4.1开挖支护高地应力顺层偏压软岩隧道施工采用“三台阶五步开挖同时起爆法”。图1为该段采用的结构断面结构图之一,三台阶五步开挖法施工顺序如图2所示。本方法的主要特点是:1)适用于各种地质条件和地下水条件,根据围岩变化可通过调整循环进尺、支护参数、预留沉降量等措施,有效控制拱顶沉降、净空收敛;2)通过合理划分台阶高度,简易钻孔台架搭、拆方便、快速,减少工序时间;3)三台阶顺序施工,出碴、锚杆施作、钢拱架架立等工序可平行作业,及时支护,保证结构安全,同时减少循环作业时间;4)适合于各种断面形式。4.2仰拱施工高地应力顺层偏压软岩隧道施工据围岩及监控量测情况,须及时施作仰拱及矮边墙,以早日形成闭合环;另外加大仰拱厚度,增大仰拱曲率,也有利于改善77 第1期 孙伟亮:堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术 图1高地应力段T1断面结构图(单位:mm)Fig.1Structure of T1 cross2section in high ground stress section(unit:mm)受力状况。仰拱施作应一次成形,为此,隧道在无轨、有轨2种运输条件下,进行仰拱全幅施工。对于无轨运输,采用单跨钢便梁式仰拱栈桥施工,使洞内出碴运输和仰拱施工互不影响;对于有轨运输,采用多跨支墩轨道式仰拱栈桥,按“支墩式栈桥抗干扰仰拱施工法”施工 13,如图3。仰拱全断面施作避免了纵向施工缝,保证了仰拱的整体性,适合于软岩大变形或者有其他地质灾害的地段。全幅仰拱施工,将会成为隧道施工的一个趋势,也是根治隧道运营病害的关键。4.3二次衬砌一般情况下在围岩量测稳定后施作二次衬砌,但软岩高地应力大变形是一个缓慢的蠕变过程,即便量测数据稳定,但地应力仍缓慢不断地向支护施加。根据量测和工程实际,发现异常,必要时及时施作二次衬砌。考虑高地应力和顺层偏压的共同作用,除了加大初期支护的刚度、强度和厚度外,还适当加大二次衬砌的强度和厚度,采用钢筋混凝土结构,提高材料的强度和弹性模量。4.4超前地质预报及监控量测施工全过程实施综合地质超前预报及监控量测,主要内容包括掌子面地质素描及常规地质综合分析、围岩变形及应力应变测试等监控量测。同时,利用右线平导开挖揭露的围岩地质情况,准确地预测左线隧道相应地段的工程地质及水文地质条件,在施工过程中采用相应的处理措施,确保施工安全。为了解高地应力区围岩变形的机理和规律,掌握围岩应力释放(变形)与支护应力大小的规律,合理地确定隧道结构安全度,为优化设计支护参数与施工方案提供理论依据,确保堡镇隧道施工和运营期间的安全、控制工程造价,对锚杆轴力、围岩压力、钢架应力、初支应力、围岩内部位移、接触压力、二衬应力等项目进行了测试。5运输方式及设备配套5.1洞内运输方式选择根据以往施工经验,国内单线隧道独头掘进在1 500m以内多采用无轨运输。考虑堡镇隧道进口的具体情况,经综合考虑,确定隧道左、右线进口端3#横通道前采用无轨运输方式,其余全部采用有轨运输方式。5.2有轨运输轨道布置线路铺设质量的高低将直接影响出碴的快慢。钢轨采用43 kg/m轨。为满足SS16DB搭接式梭矿最小转弯半径的要求,单开道岔可以选用6#道岔,渡线道岔必须选用8#道岔。轨距采用900mm。(a)开挖顺序横断面与爆破孔位(b)开挖顺序(纵断面)图2三台阶五部开挖法施工顺序示意图(单位:cm)Fig.2Construction sequence of three2bench and five2step excavation method(unit:cm)87 隧道建设 第29卷 图3有轨运输支墩式栈桥仰拱施工示意图(单位:mm)Fig.3Sketch of invert construction with rail2transportation system and piered trestle(unit:mm)正洞内轨道布设已衬砌地段为“四轨双线”,采用“单洞双线上下行运输法”,并按照需要设置渡线、道岔,以满足运输调度的需要。平导开挖及出碴、运料为有轨运输,平导布设“两轨单线”,间隔420m左右设错车道,错车道部位布设为“四轨双线”。在左线洞口处联接段设四轨双线非标道岔、组合渡线。线间距取1.9m,两线间一般600m设一换辙线(渡线),特殊情况加密设置。穿越衬砌台车地段,在衬砌台车前后设浮放道岔或避车线。临近掌子面设调车道。5.3设备配置装碴运输设备配备的是否合理是整个设备配套中的重点,装碴机械选择的是否合理将是制约整个工程进度的关键,选择的装碴机械必须具备效率高、性能稳定、坚实耐用的特点。1)装碴设备。堡镇隧道出碴、运输配备大型机械作业,重载有轨运输,设备按“快速掘进”模式配备。左线进口端正洞、通过横通道施工左线作业面(前期在平导作业面)各配置1台德国产ITC312H履带式挖97 第1期 孙伟亮:堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术 掘装碴机,机体采用内燃和电力2种工作方式;横通道、平导作业面配置LWL150型履带式挖掘装载机;右线平导扩挖正洞采用挖掘机扒碴、轮胎式装载机装碴。2)运输设备。机车和矿车应统一考虑,大容量矿车必然要大功率机车,二者匹配。牵引设备采用蓄电池机车,最小曲线半径12m。在坡度7 情况下,12 t蓄电池机车可以拖动2节16m3梭矿。6施工通风6.1分阶段通风方案采用分阶段通风技术,以巷道式通风为主、压入式通风、水幕降尘等为辅的总体方案。1)前期采用压入式通风方式,之后充分利用平导采取巷道式通风方式,左线正洞为进风通道,平导(平导扩挖正洞)为出风通道,并设置风门;各工作面以压入式通风辅助。2)考虑拐入平导压入式通风,供平导及通过横通道开挖左线正洞两个工作面,为增大风压,在该通风段中部增加串联风机。3)增设射流风机,保证洞内风速、快速排除有害气体,以及形成负压以利新鲜空气的压入。通风方案根据左线正洞、右线平导及平导扩挖掘进进度分5个阶段,如图4。(a)第一阶段通风方案(b)第二阶段通风方案(c)第三阶段通风方案(d)第四阶段通风方案(e)第五阶段通风方案图4各阶段通风方案Fig.4Ventilation program for each phase08 隧道建设 第29卷 6.2辅助性降尘措施该隧道的通风技术难度大,在不断优化通风方案基础上,采取水幕降尘、高压风射流、机械净化、湿式凿岩、加强局扇通风、限制洞内车速等一些辅助性降尘措施。7结语堡镇隧道通过对开挖方法、通风方式、机械设备配套技术及管理技术等方面的综合攻关,在2个工作面条件下月平均施工速度达到223m,刷新了同类工程安全无事故施工进度纪录。有效地化解了施工风险,战胜了长距离软岩高地应力大变形及顺层坍塌等困难,安全、质量、工期等全面实现预定目标。1)通过施工力学行为分析,优化了高地应力顺层偏压软岩地层隧道快速施工方案,确保了施工安全质量。2)通过对隧道的施工监测,建立了复杂应力条件下软岩大变形隧道施工监控体系及监测、预测方法。3)“三台阶五步开挖同时起爆法”、“单洞双线上下行运输法”、“工序标准作业时间管理”、经济合理的设备配套和分阶段通风等方法、技术的实施,提高了施工效率,加快了施工进度。4)在高地应力软岩大变形地质条件下,全幅仰拱施工已为铁路隧道施工的一个趋势,是根治隧道运营病害的关键。参考文献:1刘达仁(译).阿尔贝格公路隧道掘进中的支护问题J.隧道译丛,1980(5).2薛跃宗,姚海庆,谢嘉(译).阿尔贝格公路隧道J.隧道译丛,1981(11).3邹崇富(译).惠那山隧道长平译断层中新奥法的设计和施工J.隧道译丛,1986(1).4张祉道.关于挤压性围岩隧道大变形的探讨和研究J.现代隧道技术,2003(4):5-12,40.5姜云.隧道工程围岩大变形问题研究J.测绘技术装备,2003(增刊).6钟新樵.土质偏压隧道衬砌模型试验分析J.西南交通大学学报,1996,31,(6):28-32.7王兵,谢锦昌.偏压隧道模型试验及可靠度分析J.工程力学,1998,15(1):85-93.8杨小礼,李亮,刘宝琛.偏压隧道结构稳定性评价的信息优化分析J.岩石力学与工程学报,2002,21(4):484-488.9朱合华,姜勇.岩石隧道偏压成因分析与荷载反演研究J.现代隧道技术,2002,10(增).10 孙伟亮.顺层偏压地层隧道施工力学行为分析J.铁道建筑技术,2008(5):72-75.11 李清泰.高地应力顺层偏压隧道施工力学分析与实践J.山西建筑,2008(17):19-20.12 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