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炭质片岩地质隧道施工变形控制
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内容提示：针对长大隧道施工安全风险高、地质复杂、工期紧、质量要求高的特点,通过分析襄渝二线新蜀河隧道炭质片岩地质特征,对隧道变形控制施工技术做了简要介绍,同时提出了相应的技术措施及施工建议,最后证实了正台阶法的合理性。
1 工程概况
新蜀河隧道全长8 989 m,是新建铁路襄渝二线胡安段的重点控制工程。（参考《建筑中文网》）设计采用带仰拱的曲墙复合式衬砌、除进出口39 m为碎石道床外其余均铺设弹性整体道床。整个隧道设2座斜井和1座横洞,其中:渔王沟斜井长849. 64 m,险滩沟斜井长992. 14 m,沙沟横洞长263. 16 m。
隧道原设计Ⅲ级围岩6 780 m,Ⅳ级围岩1 852 m,Ⅴ级围岩357 m,变更设计后Ⅲ级围岩2 621 m,Ⅳ级围岩4 317 m,Ⅴ级围岩2 051 m。地层岩性主要为石英云母片岩及云母石英片岩,呈互层状,局部呈夹层状,矿物成分主要为绢云母和石英等,片状及块状构造,变晶结构,岩层软硬互层,片理发育,片理面具丝绢光泽,受构造影响严重,褶曲发育,片理产状变化较大,岩体全风化~弱风化。
2 地质特点隧道洞身通过地层主要以志留系下统云母片岩为主,受区域构造的影响,岩体中构造和小褶曲发育,岩体受应力和变质作用的影响,使区域范围产生大的褶曲构造,而且使岩层自身形成了局部的褶曲、揉皱,造成产状的多变。施工过程中洞身开始大量出现炭质片岩地质及部分零散段落。炭质片岩岩体的抗剪强度低且对振动影响很敏感,岩体扭曲、揉皱现象明显,节理发育,岩体节理面光滑亮泽,往往夹杂有石英岩脉侵入体,并伴有地下水渗流。施工过程中出现了不同程度的初期支护变形、侵限、拆换和危及施工安全现象。
3 炭质片岩特性和大变形特点分析
3.1 炭质片岩特性
经过近四年的现场施工情况分析,新蜀河隧道炭质片岩是一种具有沿片理面蠕滑、软质岩流变和构造破碎综合特性的特殊劣质岩。炭质片岩强度低、具有变形长时段发展的流变性质,在区域地质构造作用下,地层强烈扭曲揉皱,产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面,岩体的整体性遭到严重破坏,由于富含炭质滑膜的作用,岩体抗剪强度c值、内摩擦角值极低,是导致初期支护开裂、变形、侵限的基本地质原因。
3.2 大变形特点分析
1)日变形量和累计变形量大:施工过程中围岩日水平收敛达30 mm~50 mm,随着隧道的掘进,变形也随之加快,洞身开挖支护完成后,导致初期支护在很短时间内变形侵限。2)蠕变加突变:开挖支护后,围岩蠕变持续时间长,拆换侵限初期支护时易发生突变,造成围岩失稳坍塌。3)工序转换易导致围岩变形加剧:工序转换时对围岩变形收敛影响大,比如掌子面爆破,下台阶落底及仰拱开挖时围岩均有明显的变形加剧现象(见图1)。
4 方案选择
4.1 三台阶法施工
隧道上台阶开挖后,首先进行围岩封闭,接着进行上台阶翻碴、打设锚杆、挂设钢筋网、架立Ⅰ20钢架和施作喷射混凝土,同时进行中、下台阶出碴作业。出碴结束后即进行施作中、下台阶的初期支护,同时上台阶进行打设超前小导管和隧道开挖工作。小导管采用42无缝钢管,长3. 5 m,循环长度2. 0 m,环向间距30 cm,外插角5°~10°。中部和下部施工时,采用两侧错开开挖,纵向错开距离不小于2 m,单侧开挖长度不大于1 m。
4.2 正台阶法施工
采用长台阶加临时仰拱施工方案。正台阶增加临时仰拱采用Ⅰ20型钢,并浇筑C20普通混凝土。先对掌子面进行工序转换,进行上台阶施工,掌子面初喷混凝土封闭,上台阶底部增设临时仰拱,必要时预留核心土,下台阶分左右断面错开,仰拱及二衬混凝土根据步长控制要求穿插进行,及时跟进。开挖采用弱爆破,上台阶出碴采用小型挖掘机、装载机配合小型运输机械出碴,下台阶采用装载机、挖掘机配合自卸汽车出碴。上台阶开挖高度5. 2 m,台阶长50 m。下台阶开挖高度4. 03 m,分左右断面开挖,断面错开3 m,仰拱开挖应超前临时仰拱拆除2 m。上台阶开挖循环进尺1 m,下台阶左右断面开挖循环进尺均不超过1. 5 m,仰拱开挖循环进尺不超过4 m。上台阶采用42超前小导管进行超前支护;初期支护采用Ⅰ20型钢拱架、25中空锚杆,8钢筋网及C20喷射混凝土;临时仰拱采用Ⅰ20型钢,并浇筑C20普通混凝土。
4.3 方案确定
根据炭质片岩的变形特点,三台阶法不能有效控制初期支护的变形,导致初支大量变形拆换,正台阶法加临时仰拱,在临时仰拱的横向支撑下,能有效的阻止围岩的水平收敛,防止初支变形坍塌,确保了施工安全,加快了施工进度。经综合考虑,最终确定采用正台阶加临时仰拱的施工方法。
5 施工工艺
1)超前支护:开挖前,采用42超前小导管注浆对隧道拱部进行超前支护。钢管采用外径42 mm,壁厚3. 5 mm,长3. 5 m热轧无缝钢管。循环长度2 m,环向间距30 cm,纵向搭接长度1 m,外插角5°~10°,全环36根。浆液采用水泥砂浆(加速凝剂),小导管与钢拱架牢固焊接。
2)上台阶开挖:严格控制打眼深度及装药量,尽量减少对围岩的扰动,根据围岩变化情况调整爆破参数。
3)支护及施作临时仰拱:上台阶开挖后,初期支护与临时仰拱同步施作。临时仰拱采用22螺纹钢纵向连接,间距100 cm。钢架下设8单层钢筋网,网孔间距20 cm×20 cm,并与型钢点焊连接,现浇C20混凝土(加速凝剂),捣固密实。
4)下台阶开挖:采用两侧错开开挖,纵向错开距离不小于2 m,单侧开挖长度不大于1 m。
5)下台阶支护:下台阶开挖完成后,及时按设计施作初期支护。
6)仰拱施工:采用弱爆破开挖,栈桥跨越,每次施作4 m。
7)临时仰拱拆除:采用人工风镐凿除混凝土,气割型钢拱架,一次拆除长度4. 5 m。
8)防水板铺设:临时仰拱拆除后,人工及时铺设防水板,防水板焊接采用双缝热焊机焊接,单条焊缝宽度不小于1. 5 cm。
9)绑扎衬砌钢筋:防水板铺设完成后,及时绑扎衬砌钢筋。10)浇筑混凝土:钢筋绑扎完成后,模板台车就位,混凝土采取罐车运输,混凝土输送泵泵送入模,插入式振捣棒捣固密实。
6 采取的主要措施
1)加强支护措施。针对软弱炭质片岩变形特征及特点,严格按照“强支护”的原则组织施工。初期支护:采用42超前小导管,环向间距30 cm,打设22系统砂浆锚杆,长度3 m,间距1 m×1 m,挂设6. 5×8钢筋网,网孔间距20 cm×20 cm,架立2榀/mⅠ20型钢钢架,喷射C25混凝土厚27 cm。
2)控制工序步长措施。优化施工工艺,并对每个工序、工艺进行监控,确保工艺到位,严格控制工序步长,三台阶关键工序步长控制如下: a.上、中台阶长度在3 m~5 m,循环进尺0. 8 m~1 m; b.仰拱施工一次不超过4 m,仰拱距离下台阶不超过8 m; c.二次衬砌距上台阶掌子面不大于50 m,仰拱紧跟下台阶等。
3)临时加固措施。a.对变形控制采用42的小导管进行径向注浆加固,小导管长4 m、间距1 m×1 m梅花形布置。b.在软弱围岩段钢拱架连接板处增加锁脚锚杆,并对连接板处集中加固。c.正台阶施工,在起拱线部位增设临时仰拱,临时仰拱采用Ⅰ20型钢按照钢拱架的间距设置,灌注25 cm厚C20混凝土。
4)释放应力措施。由于炭质片岩特殊岩性的影响,围岩变形量大易导致初期支护变形侵限,因此对大变形隧道的处理应按照“先放后抗”的原则进行,在临时支护约束下尽量释放变形,然后施作初期支护,二衬及时紧跟。
5)控制爆破措施。开挖采用弱爆破和人工风镐配合修凿,坚持多打眼、少装药原则,尽量减少超挖,避免欠挖。
6)加强监控量测,增加预留变形量,满足施工需要。针对新蜀河隧道变形持续时间长、累计变形量大的特点,依据监控量测数据分析,增加了预留变形量,由设计的15 cm增加到45 cm。
7 炭质片岩大变形隧道施工建议
1)强化工序组织、快速成环,步序合理、工艺到位和采取的一系列措施对隧道变形具有抑制作用,以二衬施工控制开挖速度,是减少变形拆换的一个有效方法。
2)支护强度。炭质片岩隧道围岩变形非常严重,围岩变形量大,致使隧道初期支护变形、开裂掉块严重,侵占二衬空间,钢架扭曲,甚至被剪断。造成大量拆换,严重制约了施工进度。因此,炭质片岩隧道施工地段应加大钢架型号,提高喷射混凝土级别,抵抗围岩变形。
3)以暴露时间控制工序步长、控制预留变形量的值。初期支护暴露时间越长时,围岩变形就越大,从控制围岩变形角度来考虑,初期支护暴露时间越短越好,因此尽可能地缩短施工台阶,争取早封闭、快成环。然后对初期支护暴露时间内的监控量测数据进行分析,合理确定预留变形量数值。
新蜀河隧道全长8 989 m,是新建铁路襄渝二线胡安段的重点控制工程。（参考《建筑中文网》）设计采用带仰拱的曲墙复合式衬砌、除进出口39 m为碎石道床外其余均铺设弹性整体道床。整个隧道设2座斜井和1座横洞,其中:渔王沟斜井长849. 64 m,险滩沟斜井长992. 14 m,沙沟横洞长263. 16 m。
隧道原设计Ⅲ级围岩6 780 m,Ⅳ级围岩1 852 m,Ⅴ级围岩357 m,变更设计后Ⅲ级围岩2 621 m,Ⅳ级围岩4 317 m,Ⅴ级围岩2 051 m。地层岩性主要为石英云母片岩及云母石英片岩,呈互层状,局部呈夹层状,矿物成分主要为绢云母和石英等,片状及块状构造,变晶结构,岩层软硬互层,片理发育,片理面具丝绢光泽,受构造影响严重,褶曲发育,片理产状变化较大,岩体全风化~弱风化。
2 地质特点隧道洞身通过地层主要以志留系下统云母片岩为主,受区域构造的影响,岩体中构造和小褶曲发育,岩体受应力和变质作用的影响,使区域范围产生大的褶曲构造,而且使岩层自身形成了局部的褶曲、揉皱,造成产状的多变。施工过程中洞身开始大量出现炭质片岩地质及部分零散段落。炭质片岩岩体的抗剪强度低且对振动影响很敏感,岩体扭曲、揉皱现象明显,节理发育,岩体节理面光滑亮泽,往往夹杂有石英岩脉侵入体,并伴有地下水渗流。施工过程中出现了不同程度的初期支护变形、侵限、拆换和危及施工安全现象。
3 炭质片岩特性和大变形特点分析
3.1 炭质片岩特性
经过近四年的现场施工情况分析,新蜀河隧道炭质片岩是一种具有沿片理面蠕滑、软质岩流变和构造破碎综合特性的特殊劣质岩。炭质片岩强度低、具有变形长时段发展的流变性质,在区域地质构造作用下,地层强烈扭曲揉皱,产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面,岩体的整体性遭到严重破坏,由于富含炭质滑膜的作用,岩体抗剪强度c值、内摩擦角值极低,是导致初期支护开裂、变形、侵限的基本地质原因。
3.2 大变形特点分析
1)日变形量和累计变形量大:施工过程中围岩日水平收敛达30 mm~50 mm,随着隧道的掘进,变形也随之加快,洞身开挖支护完成后,导致初期支护在很短时间内变形侵限。2)蠕变加突变:开挖支护后,围岩蠕变持续时间长,拆换侵限初期支护时易发生突变,造成围岩失稳坍塌。3)工序转换易导致围岩变形加剧:工序转换时对围岩变形收敛影响大,比如掌子面爆破,下台阶落底及仰拱开挖时围岩均有明显的变形加剧现象(见图1)。
4 方案选择
4.1 三台阶法施工
隧道上台阶开挖后,首先进行围岩封闭,接着进行上台阶翻碴、打设锚杆、挂设钢筋网、架立Ⅰ20钢架和施作喷射混凝土,同时进行中、下台阶出碴作业。出碴结束后即进行施作中、下台阶的初期支护,同时上台阶进行打设超前小导管和隧道开挖工作。小导管采用42无缝钢管,长3. 5 m,循环长度2. 0 m,环向间距30 cm,外插角5°~10°。中部和下部施工时,采用两侧错开开挖,纵向错开距离不小于2 m,单侧开挖长度不大于1 m。
4.2 正台阶法施工
采用长台阶加临时仰拱施工方案。正台阶增加临时仰拱采用Ⅰ20型钢,并浇筑C20普通混凝土。先对掌子面进行工序转换,进行上台阶施工,掌子面初喷混凝土封闭,上台阶底部增设临时仰拱,必要时预留核心土,下台阶分左右断面错开,仰拱及二衬混凝土根据步长控制要求穿插进行,及时跟进。开挖采用弱爆破,上台阶出碴采用小型挖掘机、装载机配合小型运输机械出碴,下台阶采用装载机、挖掘机配合自卸汽车出碴。上台阶开挖高度5. 2 m,台阶长50 m。下台阶开挖高度4. 03 m,分左右断面开挖,断面错开3 m,仰拱开挖应超前临时仰拱拆除2 m。上台阶开挖循环进尺1 m,下台阶左右断面开挖循环进尺均不超过1. 5 m,仰拱开挖循环进尺不超过4 m。上台阶采用42超前小导管进行超前支护;初期支护采用Ⅰ20型钢拱架、25中空锚杆,8钢筋网及C20喷射混凝土;临时仰拱采用Ⅰ20型钢,并浇筑C20普通混凝土。
4.3 方案确定
根据炭质片岩的变形特点,三台阶法不能有效控制初期支护的变形,导致初支大量变形拆换,正台阶法加临时仰拱,在临时仰拱的横向支撑下,能有效的阻止围岩的水平收敛,防止初支变形坍塌,确保了施工安全,加快了施工进度。经综合考虑,最终确定采用正台阶加临时仰拱的施工方法。
5 施工工艺
1)超前支护:开挖前,采用42超前小导管注浆对隧道拱部进行超前支护。钢管采用外径42 mm,壁厚3. 5 mm,长3. 5 m热轧无缝钢管。循环长度2 m,环向间距30 cm,纵向搭接长度1 m,外插角5°~10°,全环36根。浆液采用水泥砂浆(加速凝剂),小导管与钢拱架牢固焊接。
2)上台阶开挖:严格控制打眼深度及装药量,尽量减少对围岩的扰动,根据围岩变化情况调整爆破参数。
3)支护及施作临时仰拱:上台阶开挖后,初期支护与临时仰拱同步施作。临时仰拱采用22螺纹钢纵向连接,间距100 cm。钢架下设8单层钢筋网,网孔间距20 cm×20 cm,并与型钢点焊连接,现浇C20混凝土(加速凝剂),捣固密实。
4)下台阶开挖:采用两侧错开开挖,纵向错开距离不小于2 m,单侧开挖长度不大于1 m。
5)下台阶支护:下台阶开挖完成后,及时按设计施作初期支护。
6)仰拱施工:采用弱爆破开挖,栈桥跨越,每次施作4 m。
7)临时仰拱拆除:采用人工风镐凿除混凝土,气割型钢拱架,一次拆除长度4. 5 m。
8)防水板铺设:临时仰拱拆除后,人工及时铺设防水板,防水板焊接采用双缝热焊机焊接,单条焊缝宽度不小于1. 5 cm。
9)绑扎衬砌钢筋:防水板铺设完成后,及时绑扎衬砌钢筋。10)浇筑混凝土:钢筋绑扎完成后,模板台车就位,混凝土采取罐车运输,混凝土输送泵泵送入模,插入式振捣棒捣固密实。
6 采取的主要措施
1)加强支护措施。针对软弱炭质片岩变形特征及特点,严格按照“强支护”的原则组织施工。初期支护:采用42超前小导管,环向间距30 cm,打设22系统砂浆锚杆,长度3 m,间距1 m×1 m,挂设6. 5×8钢筋网,网孔间距20 cm×20 cm,架立2榀/mⅠ20型钢钢架,喷射C25混凝土厚27 cm。
2)控制工序步长措施。优化施工工艺,并对每个工序、工艺进行监控,确保工艺到位,严格控制工序步长,三台阶关键工序步长控制如下: a.上、中台阶长度在3 m~5 m,循环进尺0. 8 m~1 m; b.仰拱施工一次不超过4 m,仰拱距离下台阶不超过8 m; c.二次衬砌距上台阶掌子面不大于50 m,仰拱紧跟下台阶等。
3)临时加固措施。a.对变形控制采用42的小导管进行径向注浆加固,小导管长4 m、间距1 m×1 m梅花形布置。b.在软弱围岩段钢拱架连接板处增加锁脚锚杆,并对连接板处集中加固。c.正台阶施工,在起拱线部位增设临时仰拱,临时仰拱采用Ⅰ20型钢按照钢拱架的间距设置,灌注25 cm厚C20混凝土。
4)释放应力措施。由于炭质片岩特殊岩性的影响,围岩变形量大易导致初期支护变形侵限,因此对大变形隧道的处理应按照“先放后抗”的原则进行,在临时支护约束下尽量释放变形,然后施作初期支护,二衬及时紧跟。
5)控制爆破措施。开挖采用弱爆破和人工风镐配合修凿,坚持多打眼、少装药原则,尽量减少超挖,避免欠挖。
6)加强监控量测,增加预留变形量,满足施工需要。针对新蜀河隧道变形持续时间长、累计变形量大的特点,依据监控量测数据分析,增加了预留变形量,由设计的15 cm增加到45 cm。
7 炭质片岩大变形隧道施工建议
1)强化工序组织、快速成环,步序合理、工艺到位和采取的一系列措施对隧道变形具有抑制作用,以二衬施工控制开挖速度,是减少变形拆换的一个有效方法。
2)支护强度。炭质片岩隧道围岩变形非常严重,围岩变形量大,致使隧道初期支护变形、开裂掉块严重,侵占二衬空间,钢架扭曲,甚至被剪断。造成大量拆换,严重制约了施工进度。因此,炭质片岩隧道施工地段应加大钢架型号,提高喷射混凝土级别,抵抗围岩变形。
3)以暴露时间控制工序步长、控制预留变形量的值。初期支护暴露时间越长时,围岩变形就越大,从控制围岩变形角度来考虑,初期支护暴露时间越短越好,因此尽可能地缩短施工台阶,争取早封闭、快成环。然后对初期支护暴露时间内的监控量测数据进行分析,合理确定预留变形量数值。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201108/15012.htm
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