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浅埋偏压碳质泥岩隧道施工技术

浅埋偏压碳质泥岩隧道施工技术研究

薛金海

（中国中铁航空港集团第一工程有限公司,陕西渭南 714000）

摘要：文章结合工程实例,介绍了隧道位于洞口浅埋偏压、沟槽软弱碳质泥岩等不良地质隧道的工程实践,施工中运用了确定合理预留变形量、加强锁脚及临时仰拱（临时横撑）、洞内单层超前小导管注浆、全环钢拱架、仰拱、严格控制开挖步长、二衬紧跟掌子面等措施,解决了此类地质条件下隧道变形侵线、坍塌冒顶等技术难题.

关键词：浅埋偏压；碳质泥岩；隧道工程；隧道变形侵线；坍塌冒顶文献标识码：A

中图分类号：U455文章编号：1009-2374（2016）02-0101-04DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.050

中铁一局蒙河铁路工程指挥部施工的蒙河铁路一标隧道35.226km,占标段总长的50%.隧道地质复杂,普遍存在断层等不良地质,Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩占隧道长度的70%,其中软弱围岩地段主要是碳质板岩地质,新现1号隧道的炭质板岩地质尤为复杂,施工中防涌水突泥、防浅埋地段坍塌冒顶,加强软弱围岩施工控制,提高施工进度,是确保施工工期的关键.现笔者就蒙河铁路新现1#隧道浅埋偏压软弱围岩施工技术研究浅谈汇报如下：

1工程概况

新现一号隧道为Ⅰ级电力牵引单线隧道,设计行车速度120km/h.起讫桩号为DK46＋048～DK46＋620,隧道全长572m.隧道进出口位于右偏曲线（R＝1600m）上,隧道处线路纵坡为单面下坡（进口段为18‰下坡,出口段为12‰下坡）,变坡点里程为DK46＋450,变坡点高程为1422.55m.隧道断面内轮廓为三心圆曲边墙断面形式,断面净宽6.75m,拱顶净高7.61m,洞内铺设重型轨道碎石道床,铺设Ⅲ型枕及60kg/m钢轨,内轨顶面至道床底面高度为77cm.隧道进口采用翼墙式洞门,出口采用台阶式洞门,进出口边仰坡采用人字型骨架护坡防护.洞身采用复合式衬砌结构.隧道左侧设通信电缆槽,右侧设电力电缆槽,全隧设小避车洞16个,大避车洞兼电缆余长腔3个.

2研究目的

通过研究,经各方的共同努力,确定合理施工方案、施工工艺参数.为以后施工同类围岩地质总结经验,积累数据.

3研究过程

3.1原设计地质情况

新现一号隧道设计为<33～2>灰岩夹板岩（ε1m）：灰岩为深灰色,致密隐晶结构,中薄层状,节理发育,充填有较多方解石细脉,局部有泥质灰岩；板岩成深灰色,风化后呈黄褐色,变余粉砂泥质结构及钙质结构,中薄层状,岩质较软.节理发育,岩体破碎,钻孔取芯基本呈块状,局部节理面可见炭质泥膜.

3.2开挖揭示地质情况

新现一号隧道自2009年7月进洞开挖后,揭示地质为堆积状碳质泥岩,呈黑褐色.受构造影响,岩体及其风化破碎,土质不均,含水量不均,具“流滑性”和蠕动作用,无自稳能力,在有临空面的情况下极易产生下滑溜坍.岩体挤压破碎严重,受地下水长期浸泡作用,大部分已成土状、淤泥质土状,在局部残存的破碎岩块上可见断层擦痕.由于岩层无自稳能力,周边围岩侧压力大,致使开挖支护后的初期支护下沉及收敛变形严重.

3.3变更设计支护参数

隧道自进洞至2010年3月,累计变更12次,均未能有效阻止初支变形,期间停工半年,经过多次专家评审,2010年10月确定如下措施：全环采用I18型钢钢架,间距0.6m,预留变形量0.3m,拱部设双层Ф42超前小导管,水平小导管长3.5m,环向间距0.3m,纵向间距1.2m,斜向45o小导管长4.5m,环向间距0.3m,纵向间距1.2m,水平小导管与斜向小导管交错布置.挂设Ф8钢筋网,网格间距0.2m×0.2m,锁脚采用Ф22砂浆锚杆,每根长4.0m,每榀4根,设在BC单元接头处.衬砌设计为V级复合式衬砌（二）,采用Ф18钢筋混凝土,钢筋间距33cm,衬砌厚度0.4m.

3.4隧道埋深情况

3.5隧道部分净空测量情况

3.6前期施工情况介绍

由于前期对隧道围岩认识不足,总认为围岩松散,只采取加密超前小导管进行施工,阻止拱部出现流塌现象,没有意识到隧道变形量大,上台阶掘进长度30m,中台阶25m,当进行阶仅施工5m后发现,初支已变形侵限,造成30m初期支护全部换拱.

由于现有的支护参数无法抵御围岩侧压力,致使围岩收敛过大,甚至有发生塌方的危险,施工人员安全得不到保证,于2010年3月停止施工,重新研究施工方案.

3.7施工难点

综合以上施工情况,经过设计、业主、集团公司专家多次亲临现场研究以及一年多的施工经验来看,浅埋偏压碳质板岩有以下四个特点：（1）围岩为碳质板岩,遇水呈泥状,无自稳能力,且具有“流滑性”和蠕动作用；（2）在施工过程中,初支在有扰动情况下,变形量大且不收敛；（3）在工序转换工程中,受扰动,变形加剧,尤其是落D单元及仰拱开挖过程中,产生突变,极易塌方；（4）变形时间长,洞口段已施作的30m二衬左右边墙由于围岩侧压力原因,出现一条通长裂纹,裂缝最大宽度2～3mm.

4方案制定及主要工程措施

4.1研究时间

隧道自2010年3月停工,到2010年10月,经过专家多次会议研究,对存在的问题进行了针对性的分析,主要问题如下：（1）隧道围岩破碎,遇水成塑状,无自稳能力；（2）隧道围岩浅埋偏压且含水量大,给施工带来更烦；（3）隧道变形量大,在有扰动的情况下变形加剧,变形时间长.

针对以上问题,我们采取了以下措施：（1）加强超前支护,保证开挖过程中拱顶不流塌；（2）加强锁脚锚杆施作,每个节点采用4根锁脚锚杆,并增设临时横撑,阻止围岩收敛过大,拱脚采用预制砼支垫密实,防止初支下沉量大,同时增加预留变形量,防止侵限；（3）加强监控量测,每循环进行量测工作,找出变形量大的工序,并加快该工序的施工时间,尽快成环；（4）二衬紧跟,保证洞内施工安全.

4.2施工方案

依据设计、业主以及集团公司专家多次亲临现场研究,结合前期施工经验和围岩情况及监控量测数据,2010年12月制定以下方案组织施工.

“拱部辅单层小导管,开挖采用七步流水施工,预留核心土,仰拱及二衬紧跟,大循环成洞施工”的加固措施和施工方案.

施工中严格控制施工步序作为铁的纪律来执行.

4.3加强措施参数

全环I18工字钢钢架,钢架间距0.5m,预留变形量增加到0.3～0.5m,拱部设Ф42小导管注浆加固,小导管长3.5m,环向间距0.2m,纵向间距1.0m,加强锁脚锚管,每个节点设4根Ф42锁脚锚管,锚管长度4.0m.全环共计16根,并增加2排工字钢横撑,分别布置在BC,CD单元接头处,工字钢纵向间距1.0m,横撑纵向采用Ф22钢筋进行连接,连接筋间距1.0m.

4.4换拱施工

2010年10月,根据方案进行换拱施工,拆换过程中必须采用“先加固,后拆除”的原则,确保在拆换工程中初支不会出现两次变形.采用“自上而下,由外向里,逐榀拆除”的施工方法,“每3～4m为一个施工大循环”,即拆换、仰拱、二衬.保证施工安全.

首先采用I18钢管横撑进行加固,加固完成后打设径向小导管注浆（环100×纵60cm）固结；其次采用风镐在原有钢架之间进行凿除,凿除一个台阶,钢架安装一个台阶,拆换后及时加设锁脚锚管及横撑,每3～4m完成后,及时进行仰拱施工,使之封闭成环,仰拱完成后二衬紧跟.2010年12月中旬换拱施工全部完成.

4.5七步流水施工

隧道上台阶采用人工配合小型挖机的方式进行开挖,尽量减少扰动,架立钢架并喷射砼,待喷射砼有一定强度后再打设锁脚锚管,防止锚杆施工时扰动围岩出现塌方,同时在B单元拱脚加设临时横撑,再进行中台阶C单元开挖,同样在D单元开挖前,在C单元拱脚架加设临时横撑,依次进行开挖,并及时施作仰拱二衬.

4.6研究完成情况

2010年10月开始进行换拱施工,截至2010年12月,30m侵限初支换拱全部完成,2011年1月正式进入软弱围岩施工,此时个节点里程如下：上台阶：DK46＋560；中台阶：DK46＋565；阶及仰拱二衬里程：DK46＋570；二衬距掌子面步长仅10m.我们按照预定方案进行施工,2011年6月软弱围岩浅埋偏压段全部施工完毕.

5研究成果

截至2012年3月,新线1#隧道浅埋偏压段已经全部施工完毕并顺利贯通,经过长期研究总结了以下七点：

第一,严格控制开挖步长.针对软弱变形隧道施工,工序步长控制是关键、工艺到位是保证、量测数据分析是依据,二衬施工速度决定掌子面的开挖速

度：（1）上台阶步长控制在3～5m,每循环开挖1榀（0.5～0.7m）；（2）中台阶步长控制在5～8m,每循环开挖2榀（1.0～1.2m）；（3）仰拱距阶控制在3～5m,二衬距掌子面步长控制在25m以内（可根据二衬前隧道收敛值确定）.

第二,根据隧道的变形量测数据,确定合理的预留量,确保隧道二衬施工前不得侵入隧道二衬结构.

第三,加强锁脚及临时仰拱（临时横撑）,抑制

变形.

每个节点设置4根锁脚锚管,每根长4.0m,每榀钢架共16根,并保证锚管与钢架的链接质量.

安装临时横撑时要保证接头质量,在切割临时横撑时,横撑需比净空小2～3cm,安装之前在钢架上焊接角钢架,横撑放在焊接好的角钢架上,横撑与钢架的间隙填实并焊接牢固,确保横撑受力效果.

第四,延长C单元,减小落D单元时的临空高度.

延长C单元一方面可以减少落D单元的临空高度,防止D单元开挖时临空面过高发生流塌；另一方面可以减少D单元工序时间,无论是从开挖及钢架安装工程量均有所减少,相应减少工序时间.

第五,钢架拱脚部必须落在实处（基岩或砼垫块）,抑制拱架及初期支护的人为下沉降.