Ⅵ级围岩隧道掌子面溜坍灾害处治技术研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十三局集团有限公司科研计划项目()作者简介:安茂平()男山东日照人高级工程师主要从事工程技术研究、项目管理工作:.引文格式:安茂平.级围岩隧道掌子面溜坍灾害处治技术研究.铁道建筑技术():.级围岩隧道掌子面溜坍灾害处治技术研究安茂平(中铁二十三局集团第一工程有限公司 山东日照)摘 要:掌子面溜坍灾害是高地应力断层破碎带隧洞施工的主要危害之一提出有效的技术处理措施来减小其带来的不利影响对施工来说十分重要 以杉阳隧道为依托工程探究级溜坍灾害机理结合数值模拟结果和现场监测数据分析防溜坍灾害支护体系的可行性 研究表明:导致掌子面溜坍灾害的主要因素是断裂夹持带和高地应力锚杆长度的增加无法抑制掌子面纵向位移的发展初期支护结构从单层增加到双层时掌子面纵向位移降低约.采用三台阶开挖 超前支护 双层初期支护结构施工体系后二次衬砌结构的安全系数最小为.满足设计要求关键词:隧道 掌子面溜坍 数值模拟 处置措施 监控测量中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言隧道是我国西南高原山区公路、铁路重要的组成部分工程量逐年递增 在云贵高原隧道建设过程中受大陆板块和多条断裂带影响常遭遇大变形、溜坍、围岩膨胀等地质灾害而溜坍灾害因具有发展快速和出现频繁等特征对隧道的安全施工危害极大近年来溜坍灾害受到了学者们的广泛关注 刘德安等以巴东隧道为例指出掌子面失稳具有三种渐进形态其中明显溜坍是最终灾害形式 杨晓芳等通过研究发现当深埋隧道穿越多条断层时隧道内部易发生灾害 董化瑞针对高地应力隧道的修建提出了微台阶、多层衬砌结构、注浆和锚杆相结合的支护方案 张星建立以地质雷达法和瞬变电磁法为基础的溜坍灾害勘探方案 杨超等采用理论分析和数值模拟相结合的手段发现隧道穿越断层破碎带时掌子面出现“稳定发展失稳”的阶段特征 李勇等提出地下水可能也是导致产生掌子面出现溜坍突泥灾害的因素 龚成明等认为高压水是导致断层破碎带隧道掌子面溜渣的关键性因素 毛永强等基于地质、水文和施工三个方面建立了灾害评估等级 韩琳等提出了涌水突泥的风险等级 陈善民等提出了通过超前加固和支护结构补强等措施解决高地应力问题 孟杰等采用有限元软件验证了隧道中溶洞承铁道建筑技术 ()安茂平:级围岩隧道掌子面溜坍灾害处治技术研究压水达到启动压力值才会出现突水突泥灾害 陈涛提出注浆和排水相结合的方式降低隧道洞口边坡溜坍的风险 目前关于隧道的溜坍灾害研究多集中于断层破碎带和高地应力单一因素影响的分析而针对两者共同作用时产生的掌子面溜坍灾害研究较少因此本文依托杉阳隧道首先分析掌子面溜坍灾害机理其次基于数值模拟分析以注浆加固 超前中管棚 边墙超前 双层初支为支护结构体系的可行性最后提出现场溜坍灾害处置措施并通过现场监测判断支护结构是否满足设计要求 以期为之后的工程设计及施工提供依据 工程概况.工程地质与水文条件杉阳隧道作为大瑞铁路的控制性工程之一全长 最大埋深约 隧道所处地层结构由碎石土、砂岩夹泥岩、泥岩夹砂岩板岩及泥灰岩组成隧址区地表水受大气降雨补给较为发育土层孔隙潜水主要赋存于沟槽内土体中 段内基岩为砂岩和泥岩岩层富水性和透水性较差地下水不丰富 泥岩含水及透水性差基岩裂隙水贫乏含量甚微砂岩含水及透水性相对较好基岩裂隙水相对较丰富地下水流向以大风口梁子为分水岭向东西两侧分流.工程灾害杉阳隧道位于大合江断裂和澜沧江断裂夹持部位区域新构造运动强烈地质复杂多变区内次级断层较发育岩层节理和裂隙发育岩体较为破碎 隧道穿越地层主要是“滇西红层”泥岩、页岩、砂岩薄层 中厚层状岩质软具有遇水易软化、泥化、膨胀等特征 图 掌子面溜坍灾害 现场状况且所构造影响围岩挤压破碎挠曲发育围岩完整性差 在隧道施工期间多次于掌子面发生溜坍灾害且该灾害具有发展快速和出现频繁等特征 掌子面溜坍灾害情况如图 所示.灾害机理分析根据现场地勘资料显示杉阳隧道主要穿越 条褶皱、条断裂 隧道洞身附近最大水平主应力为 最小水平主应力为 垂直主应力为 三向主应力值的主要关系为垂直主应力 最大水平主应力 最小水平主应力最大水平主应力优势方向为 地应力特征以自重应力为主地应力值与埋深成正相关 因此判断隧址区构造应力相对集中、地体构造复杂和高地力是导致杉阳隧道出现掌子面溜坍灾害的主要原因 数值模拟.数值模型及工况设置采用有限元软件建立计算模型尺寸为 模型中隧道埋深取 其余部分围岩作为荷载施加在模型上边界并对模型左右边界施加 方向位移约束下边界施加 方向位移约束前后边界施加 方向位移约束 隧道采用台阶工法开挖超前支护采用注浆加固 超前中管棚 边墙超前的方式进行 围岩选取级弹性模量为.泊松比为.密度为 /内摩擦角为粘聚力为 计算工况如表 所示模型计算参数如表 所示表 支护结构计算工况工况支护方案单层初期支护结构 锚杆单层初期支护结构 锚杆双层初期支护结构 锚杆双层初期支护结构 锚杆表 计算参数名称弹性模量/泊松比密度/(/)初期支护.二次衬砌.结果分析经计算工况 时掌子面纵向位移为.工况 时掌子面纵向位移为.工况 时掌子面纵向位移为.工况 时掌子面纵向位移为.通过分析发现锚杆长度对掌子面纵向位移的约束影响甚微而初期支护结构的层数对掌子面纵向位移影响较大初期支护结构从单层增加到双层位移降低.左右占比约.因此从支护能力和节约材料方面而言工况 是最优支护方案 溜坍灾害处置措施.断裂夹持带软岩单线铁路隧道掌子面“防溜坍”施工技术 基于断裂夹持带软岩特殊地质环境以“宁强勿弱、尽量减少拆换”为原则提出单线铁路隧道掌子面“防溜坍”施工技术 主要流程为:首先在开挖之前使用超前管棚与超前小导管对掌子面前方围岩进行超前加固架设管棚工作室后封闭上台阶掌子面施作超前管棚与超前小导管并注浆其次进行短进尺上台阶预留核心土机械开挖及时进行封闭采用双层支护然铁道建筑技术 ()安茂平:级围岩隧道掌子面溜坍灾害处治技术研究后对掌子面使用玻璃纤维锚杆进行加固开挖完仰拱之后进行初支背后注浆初支闭环完成之后进行监测如果变形速率达到 /进行浅层围岩修复注浆若出现局部变形异常就在对应位置进行锚杆补强最后检验初支背后是否有空洞 施工工艺流程如图 所示图 施工工艺流程(单位:)图 溜坍体治理横向 环向临时支撑结构示意针对溜坍体提出一种横向 环向临时支撑结构施工技术:首先对溜坍堆积体表面进行喷混封闭防止或减缓堆积体进一步垮塌滑落 其次在溜坍堆积体后方上台阶洞室处布设横撑作为临时挡墙结构的骨架在溜坍堆积体后方上台阶洞室顶处打设锚杆将部分锚杆打入围岩留出一定长度用于与现浇混凝土接触将围岩与现浇混凝土临时挡墙锚固为一个整体 再次从横撑后方起至溜坍空腔体内预设混凝土泵送管用于后续泵送混凝土填充空腔 然后在溜坍堆积体后方浇筑混凝土形成临时挡墙结构有效阻挡发生概率较高的二次溜坍确保施工安全 最后在掌子面处施作超前管棚、通过泵送混凝土填满溜坍空腔、对溜坍堆积体及周围土体进行超前帷幕注浆后拆除临时挡墙结构开挖溜坍堆积体 结构示意如图 所示.现场监测监测内容除应包括围岩沉降及水平收敛变形等外还需监测围岩压力、初支钢架应力及二次衬砌内力等以及时掌握支护结构的承载状况 通过对初期支护进行现场监测得到其变形数据若其变形速率 /需立即采取浅层围岩修复注浆加固措施 注浆孔开孔直径 终孔不小于 再埋入孔口管每环 根长./根 孔口管采用直径为 、壁厚为.的钢花管管长.孔口管应埋设牢固并应有良好的止浆措施将文中第.节的施工方案应用于 断面 使用混凝土应变计监测二次衬砌混凝土的应力将混凝土应变计通过钢筋绑扎在钢架内外侧型钢翼板上沿钢架环向轴线布设 当混凝土应变计与钢架绑扎后用仪表测试混凝土应变计初始频率若初始频率正确便可调零 在施工期间需要做好线头的保护针对 断面二次衬砌结构的拱顶、拱脚、边墙和仰拱位置进行监测混凝土应力监测结果如图 所示图 二次衬砌结构应力时程曲线由图 可知二次衬砌结构各位置的应力速率随时间的推移呈先增后减的趋势应力最大值出现在左拱脚内侧约为.各位置的应力在开始的 增长速率最快在 增长速率开始减缓从 开始应力逐渐趋于稳定值 根据文献将监测数据转化为二次衬砌结构的内力如图 所示图 二次衬砌结构内力分布(下转第 页)铁道建筑技术 ()李明:复杂耦合环境下隧道施工灾害防控技术研究.中铁十六局集团路桥工程有限公司中铁十六局集团有限公司.一种基于遥感技术的隧道岩层多点位移同步监测的方法:.中铁十六局集团路桥工程有限公司中铁十六局集团有限公司.一 种 用 于 层 状 岩 层 隧 道 断 面 岩 层 位 移 监 测 装 置:.中铁十六局集团路桥工程有限公司中铁十六局集团有限公司.一种复杂层状岩层隧道爆破的施工方法:.庞拓.黄瓜山隧道周边孔爆破优化研究.工业建筑():.(上接第 页)由图 可知二次衬砌结构各位置中拱顶的弯矩最小为.右拱脚的弯矩最大为.左拱脚的轴力最大为 拱顶的轴力最小为 将二次衬砌结构的弯矩和轴力按照铁路隧道设计规范中的计算公式转化为安全系数进行分析得到各位置的安全系数分布如图 所示 图 二次衬砌结构 安全系数分布由图 可知二次衬砌结构各位置中左拱脚的安全系数最小为.大于铁路隧道设计规范 所要求的最低安全系数.因此本文提出的掌子面防溜坍施工技术可以满足隧道的安全性要求 效益分析 段采用断裂夹持带软岩单线铁路隧道掌子面“防溜坍”施工技术能有效控制断裂夹持带隧道周边围岩变形稳步推进施工进度降低施工安全风险施工成本可控保障工期采用断裂夹持带软岩单线铁路隧道掌子面“防溜坍”施工技术避免了在之前施工段出现的掌子面溜坍、初支拱架大变形等隧道病害避免了返工加固新建铁路大理至瑞丽线大理至保山第二标段隧道采用断裂夹持带软岩单线铁路隧道掌子面“防溜坍”施工技术施工有针对性地控制滇西软岩大变形段在复杂多变的地质条件能稳步推进施工进度降低安全风险 工法的运用较之前隧道病害状况有明显降低为大瑞铁路顺利开通提供了保障获得了监理、业主、地方政府的认可和好评 通过在大瑞铁路杉阳隧道、大坡岭隧道项目的应用在隧道施工阶段阻挡了掌子面的溜坍很好地保证了工程的安全和质量本成果核心技术在国内外均属新兴技术为隧道在施工阶段防止掌子面的溜坍提供了新的思路和方法 结论()隧道洞身处三向主应力的关系为垂直主应力 最大水平主应力 最小水平主应力断裂夹持带和高地应力是掌子面溜坍灾害的主要原因()锚杆长度的变化对掌子面的掌子面纵向位移的影响基本忽略不计双层初期支护结构相比单层初期支护结构更能抑制掌子面变形最高可以减少纵向位移约.()二次衬砌结构各位置的应力速率随时间的增加呈先增后减的趋势应力最大值出现在左拱脚内侧约为.各位置的安全系数中最小为.满足安全性要求现场采用的台阶开挖 超前支护 二层初期支护结构施工体系可保障隧道安全施工参考文献 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