隧道特殊地质处理施工技术.ppt

中铁十一局五公司包西项目部 二 九年十一月 技术交流 彭刚 庆兴隧道特殊地质处理技术 一 工程概况 庆兴隧道位于陕西省蒲城县境内 紧邻洛滨镇庆兴村及蒙新庄 起迄里程DK691 253 DK701 493 全长10240m 其中 级围岩8900m 级围岩1340m 隧道洞身最大埋深110m 最小埋深2 5m 线路位于洛河河谷右岸 黄土台塬中 洛河切割黄土台地 进口段地形起伏较大 洞身主要位于黄土台塬中 塬顶有居民分布 出口地形平坦开阔 地面高程一般为460 650m 相对高差190m 该隧道为双线隧道 除出口524 4m位于半径为2800m的曲线上 其余地段均位于直线上 隧道洞身位于3 0 5 1 4 8 单面上坡上 隧道除进 出口相向掘进外 设计有5座斜井辅助施工 本隧道穿过大部分黄土地层段和部分岩层段 不良地质及特殊岩土等难点地段有湿陷性黄土 膨胀土 煤层瓦斯 采空区 正断层与逆断层 细砂软弱层 174m2超大断面黄土段 斜井三叉口段及两处下穿县级柏油公路等 以上均为该隧道施工的重难点 工期紧 安全风险高 施工难度大 根据业主工期要求 2007年11月25日开始施工准备 2008年1月1日正式开工 计划2010年2月28日结束施工 二 大断面黄土隧道施工技术 庆兴隧道主要以老黄土为主 部分地段为新黄土 砂质黄土 在双线铁路黄土隧道施工中 由于围岩软 开挖断面大 导致施工进度慢 难度大 安全风险突出 针对此种情况 结合庆兴隧道施工经验 就 三台阶七步开挖法 在大断面黄土隧道中的如何做到安全 快速施工做以下简要介绍 一 工程地质1 黄土基本特征黄土是第四纪干旱 半干旱气候条件下 陆相沉积的一种特殊土 其特征主要有 基本色调是黄色 具多孔性 具柱状节理 垂直节理发育 直立性强 遇水易崩解 剥蚀 表层多具湿陷性 易产生潜蚀 形成陷穴 黄土按其形成年代一般分为Q1 Q2老黄土 Q3新黄土和Q4新近堆积黄土 其中Q3 Q4新黄土多具湿陷性 与工程建设关系密切 2 黄土隧道工程特性 1 新黄土隧道新黄土 Q3 Q4 大孔发育 具垂直节理 土质结构比较松散 含水量较小 一般5 15 覆盖于地表 厚度一般30 50m 由于其垂直节理发育 在垂直节理面上因节理切割形成竖向软弱面 软弱面之间粘聚力很小 在下部开挖隧道时形成临空面 受开挖扰动 在重力的作用下棱体塌落 地表会随掌子面产生纵向裂缝和环向裂缝 易形成塌方 根据对其变形分析 在新黄土 Q3 Q4 地层 围岩变形释放快 具突然性 2 老黄土隧道一般覆于新黄土之下 埋深较大 含水量为10 40 与隧道位置原始地应力相比 其围岩强度低 围岩容易发生屈服形成塑性区 其变形为塑性变形 可进行柔性支护和适度释放变形 但若无支撑或支护强度不足围岩蠕变过大 会脱落形成塌方 老黄土隧道含水量的大小对黄土的物理力学特性影响很大 对隧道施工的影响也很大 直接影响着隧道的围岩稳定和施工安全 目前 根据庆兴隧道施工过程中对含水率的检测 含水量为14 28 之间 庆兴隧道黄土地层主要以Q2 Q3 砂质土为主 3 水文地质特征 隧道地下水不发育 主要为黄土空隙及裂隙潜水 对于浅埋地段 应关注农灌的影响 地下水主要接受大气降水及地表水补给 无浸蚀性 二 三台阶七步开挖法介绍 1 工序介绍三台阶七步开挖法开挖步骤见图1 施工工序见图2 开挖透视见图3 1 第1步 上部弧形导坑开挖 在拱部超前支护后进行 环向开挖上部弧形导坑 预留核心土 核心土长度宜为3 5m 宽度宜为隧道开挖宽度的1 3 1 2 开挖循环进尺为每次一榀钢架长度 开挖后立即初喷3 5cm混凝土 随后及时进行喷 锚 网系统支护 2 第2 3步 左 右侧中台阶开挖 开挖循环进尺为每次一榀钢架长度 开挖高度一般为3 3 5m 左 右侧台阶错开2 3m 开挖后立即初喷3 5cm混凝土 及时进行喷 锚 网系统支护 3 第4 5步 左 右侧下台阶开挖 开挖循环进尺为每次一榀钢架长度 最大不得超过1 5m 开挖高度一般为3 3 5m 左 右侧台阶错开2 3m 开挖后立即初喷3 5混凝土 及时进行喷 锚 网系统支护 4 第6步 上 中 下台阶开挖核心土 各台阶分别开挖预留的核心土 开挖进尺与各台阶循环进尺相一致 5 第7步 隧底开挖 每循环开挖长度宜为2 3m 开挖后及时施作仰拱初期支护 完成两个隧底开挖 支护循环后 及时施作仰拱 仰拱分段长度宜为4 6m 2 初期支护施工作业清理岩面初喷混凝土封闭岩面施作系统锚杆 挂钢筋网安装钢架复喷混凝土至设计厚度围岩量测数据分析 反馈开挖三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土 锚杆 管 钢筋网和钢架等组成 各部分联合受力 初期支护应在开挖后立即施作 以保护围岩的自然承载力 3 仰拱及衬砌施工作业隧底开挖应采用全幅分段施工 上面铺设仰拱栈桥 每循环开挖长度宜控制在4 6m 为确保安全 防止塌方 仰拱安全距离控制在35m以内 衬砌安全距离控制在50m以内 必要时 应停止前方掌子面开挖 及时施做仰拱及二衬 4 监控量测做好围岩量测是做好二衬的关键 黄土隧道与石质隧道最大的不同就是拱部沉降和拱脚收敛较大 我们针对这种情况采取了以下措施 在进行隧道施工过程中 从开挖完毕后在喷射混凝土内预埋水平收敛观测桩 和拱项下沉观测桩 桩用钢筋制做 用JSS型水平收敛计和水平仪进行观测 每隔10m做一个观测断面 前7d每天观测1 2次 以后1个月内每3d观测一次 之后每两星期观测一次 如下图5所示为我们对DK693 500断面进行观测所得的s t曲线图 通过我们长期观测 刚开挖后的一个星期内 拱顶下沉10cm左右 拱脚收敛有5 9cm 收敛量基本不变 根据观测结果我们及时反馈至施工中去 将原有的沉降量15cm变为20cm 加宽值加大10cm 及时施做二次衬砌永久支护在施做二次衬砌之前用断面仪测量喷锚断面 将数据通过CSS测量系统用计算机辅助处理与设计断面进行比较 确定最后衬砌时间 衬砌完后再对二衬进行长时间的收敛观测 基本不变 5 大断面黄土隧道变形特性 1 净空位移大断面黄土隧道净空位移以竖向位移为主 竖向位移中又以拱脚下沉较为突出 尤其是埋深场合 浅埋时拱脚接近拱顶下沉的水平 随深埋增加逐渐超过拱顶下沉 因此 在深埋场合 拱脚是大断面黄土隧道采用三台阶七步开挖时拱部最容易失稳的部位 在深埋条件下 水平收敛变形以中台阶 墙腰 水平收敛最为严重 施做完仰拱后 根据观测基本稳定 2 掌子面纵向位移根据数据分析 掌子面上的纵向位移主要发生在开挖后2小时以内 这与掌子面表层土体发生失稳的时间段相吻合 因此应重视掌子面及时封闭 尤其是浅埋砂质黄土场合 见图6所示 图6掌子面纵向位移图示 6 大断面黄土隧道变形控制要点 1 大拱脚对净空位移的控制效果大拱脚对于净空位移具有明显的控制效果 其中 深埋效果优于浅埋 黏质黄土效果优于砂质黄土 拱部下沉控制效果优于水平收敛 考虑到砂质黄土中人工掏挖大拱脚的安全性 大拱脚宽度不宜大于120cm 2 锁脚锚杆对净空位移的控制效果a 锁脚锚杆可显著减小拱部下沉 但其效果与打入角度有很大关系 仅当打入角度 与水平夹角 45 时才产生明显的拱部下沉控制效果 约减小30 以上 当打入角度减小至30 时作用已不明显 约5 而打入角度减小至15 以内时 锁脚锚杆对拱部下沉基本不起控制作用 b 增加锁脚锚杆长度可进一步改善净空位移 但在不同地层中效果有所不同 在黏质黄土中3m较2m的拱部下沉改善并不明显 而在砂质黄土中则有较明显改善 锁脚锚杆长度增至4m时 则不论黏质还是砂质黄土其拱部下沉和水平收敛均减小 c 黄土隧道中系统锚杆作用基本上很小 在庆兴隧道施工中 我们对锚杆施做方式进行调整 拱部锚杆取消改作超前 边墙锚杆取消改作锁脚 3 仰拱封闭距离的影响大断面黄土隧道三台阶净空位移的绝大部分都发生在仰拱封闭前 其总位移量的占比 平均达到90 以上 因此 仰拱封闭距离决定了三台阶净空位移趋于稳定的距离 及时封闭仰拱对于控制大断面弧形导坑净空位移具有重要意义 从不同封闭距离的监控数据分析来看 仰拱封闭距离 35m时的净空位移明显小于封闭距离 40m的情况 因此 对深埋隧道 仰拱封闭距离可控制在35m以内 对于浅埋隧道 仰拱封闭距离应控制在15m以内或更短 4 二衬紧跟当下沉 收敛难以控制时 采取二衬及时跟进将是非常有效的措施 7 三台阶七步开挖法施工控制要点 1 三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接 工序安排应紧凑 尽量减少围岩暴露时间 避免因长时间暴露引起围岩失稳 初期支护应及时封闭成环 全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右 仰拱应超前施作 仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在35m以内 铺设防水板 二次衬砌等后续工作应及时进行 二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度 但不得大于50m 2 在满足作业空间和台阶稳定的前提下 应尽量缩短台阶长度 核心土长度应控制在3 5m 宽度宜为隧道开挖宽度的1 3 1 2 3 三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度 根据围岩地质情况 合理确定循环进尺 每次开挖长度不得超过1 2m 开挖后立即初喷3 5cm混凝土 以减少围岩暴露时间 4 严格按设计要求施作超前支护 控制好超前支护外插角 保证隧道开挖在超前支护的保护下施工 5 隧道周边部位应预留30cm人工开挖 其余部位宜采用机械开挖 6 中 下台阶左 右侧开挖应错开 严禁对开 左右侧错开距离宜为2 3m 7 钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设 钢架应架设在垫块或枕木上并落于原状土之上 钢架应与锁脚锚杆 管 焊接牢固 8 隧道超挖部位必须回填密实 严禁初期支护背后存在空洞 必要时初期支护背后应进行充填注浆 保证初期支护与围岩密贴 9 施工过程中可采用增加拱 墙 脚锁脚锚杆 管 增设钢架拱 墙 脚部位纵向连接筋 扩大拱 墙 脚初期支护基础及增设拱 墙 脚槽钢垫板等增强拱 墙 脚承载力等措施控制变形 10 应加强监控量测工作 根据量测结果 及时调整支护参数 确定二次衬砌施作时间 进行信息化施工管理 三 风积粉细砂隧道施工技术 一 工程地质1 砂层分布情况庆兴隧道1 斜井小里程方向拱部分布有一约4 5m厚的粉砂层 呈水平状 高度分布不一 密实 潮湿 均一 砂层下部为泥岩夹砂岩 中厚层状 节理极为发育 破碎 厚约2m 风化层下部为灰岩 呈中厚水平层状 需爆破开挖 2 砂层工程特性此处采用三台阶开挖 开挖过程中粉砂层经常性 突然性的涌出大量粉砂 尤其是中下台阶开挖爆破扰动后 掌子面及已施做初支极易产生坍塌及变形 致使施工难度大 安全风险高 为确保隧道正常贯通 采取了多种办法 下面就简单为大家做以下介绍 二 注浆加固法1 方法原理本法利用打入砂层的多孔导管 采用不致于破坏地层构造压力的原理 将配制好的化学浆液注入砂粒间的空隙中 挤出其中的空气和水分并胶结凝固 使松散的风积砂形成具有一定强度的整体 然后 在此行加固体的保护下进行隧道施工 2 技术要点利用小导管作超前支护 通过小导管压注化学浆液加固 固结 砂层 形成帷幕 在其保护下实施短开挖 强支护 衬砌紧跟的施工方法 其要点为 1 利用超前导管注浆加固隧道周边一定范围内的砂层 解决施工中的流砂和坍塌问题 布孔图附后 2 解决孔隙小 渗透条件差的风积砂中的浆液可注性问题 选定最佳的加固参数 3 在不用大型设备的条件下形成一套有效的打管注浆和开挖方法 4 施工中保证拱脚部位砂体稳定 提高基底承载力 防止结构过量沉降和掉拱的发生 布孔图 三 加密加长超前小导管加固法1 方法原理应用钢插板法原理 采用加密加长 42超前小导管的方式 沿初支钢架对前方砂层进行预支护 防止或减少漏砂的可能性 同时采用木板 纸板 石棉瓦等片状物对局部漏砂部位进行封堵 避免扩大的趋势 2 技术要点利用小导管作超前支护 通过加密小导管的方式 形成钢插板的效果 在其保护下实施短开挖 强支护 衬砌紧跟的施工方法 其要点为 1 超前小导管长度应根据台阶高度 砂层滑落自然角进行调整 要求导管尾端必须插入原状砂层中 而不至于砂层漏空后将导管尾端露出 2 小导管应尽可能的加密 形成另一种钢插板 3 避免初支背后的空洞 若有应及时填充 4 钢架拱脚部位必须落于基岩上 5 上台阶扁平结构受力效果差 应尽快落于中台阶 小导管布置图 四 采空区隧道施工技术 1 探明庆兴隧道DK691 253 DK691 790段为小煤窑采空区 对可能存在的采空区域 采用物探指导钻探 钻探验证物探的综合勘探方法 根据已开挖洞内地质 地形及物探方法的适用条件 先期采用地质雷达在所探测段内布设两条平行物探断面 根据物探初步探测结果异常点 有针对性布设钻探 钻孔间距沿隧道纵向40m布设一个孔 以验证物探结果 并为物探的最终解释提供点上的直接依据 隧道开挖后应对采空区进行详细的地质勘探 确定小煤窑采空区的分布位置及形态 以便确定相应的处理措施 2 处理措施拱部 仰拱采用注浆回填 边墙部位浆砌片石回填 3 预防初支下沉处理措施由于采空区 巷道 坍塌体等对整个山体围岩进行了扰动 在隧道在掘进过程中 受到偏压 围岩软弱 窖水等原因的影响 导致隧道初支下沉量大 极易产生变形 塌方 针对此类情况 庆兴隧道进口采空区采取了如下措施 1 围岩初始应力释放大 此外采空实体位置与洞内的关系很不确定 因此适当加大初期支护的刚度和强度是必要的 目前进口拱墙部位采用I25b型钢 仰拱采用I20b型钢 纵向间距0 6m 2 为防止拱顶下沉 保证钢架稳定及施工安全 每榀型钢钢架设16根4m长 42锁脚注浆导管 角度向下倾斜200 450 3 钢架落脚部位设置水泥垫块 木板等 大拱脚 以增大该处土体承压面积 减小地基土应力 减小拱脚下沉量 4 纵向连接必要时加强 以提高整个初支结构的整体性 采用I16型钢在各连接板位置进行连接 5 初支钢架及时成环并跟进仰拱 可有效控制沉降 进口处仰拱距掌子面最近只有7m 庆兴隧道进口采空 巷道照片 1 庆兴隧道进口采空 巷道照片 2 五 细砂软弱下卧层处理技术 一 工程地质庆兴隧道DK692 460 DK693 250段基底有一层细砂软弱下卧层 约1 6 4 9m厚的粉砂层 呈水平状 高度分布不一 密实 潮湿 均一 砂层受动载扰动后 极易液化流动 导致无碴轨道发生沉降 进而影响铁路的运营安全 二 细砂软弱下卧层处理技术为了保证运营期间基底稳定 基底采用 76钢管桩注浆预加固 以使细砂与钢管桩形成复合地基 提高承载力 钢管桩