乌鞘岭隧道大变形围岩段施工的几点认识和体会.doc

乌鞘岭特长隧道大变形围岩段施工的几点认识和体会 柴瑞峰 王才高（中铁五局一公司 湖南 长沙 410117）摘 要：在建中的乌鞘岭隧道全长20.05km，为亚洲第一长铁路隧道。工期紧、质量要求高、尤其是以其地质复杂、围岩易发生大变形现象、施工难度大而著称，自开工以来引起各方的观注。笔者有幸参与了该隧道的施工，初步摸索总结出一定施工经验，现提出一些认识和体会，抛砖引玉，以寻求最佳工艺，更好地进行类似工程的施工。关键词：大变形 预支护技术 监控量测 施工 认识 体会1、前言 乌鞘岭隧道F6断层与F7断层之间约两公里长，该段洞身通过板岩、千枚岩地段，岩体受构造影响较重，节理、裂隙发育，掌子面有渗水，围岩软弱（V级）、松软破碎，遇水软化，并具有一定的膨胀性，开挖后成泥状，自稳性极差，容易产生松弛变形，甚至大的突变、掉块和坍塌。该段施工初期多次发生大变形，轻则三、二十厘米，重则七、八十厘米，有的为局部变形，有的则是整体上百米的大变形。在此工程地质条件下如何安全进行隧道的施工、防止变形发生，防止产生质量隐患，按期完成工程任务，是摆在施工单位面前的一大难题。2、施工方法不良地质条件下的隧道施工，采用超前预支护技术对围岩进行有效的预加固，就目前来说是一种行之有效的方法。该预支护能提高围岩的稳定性，确保作业安全，具有经济可靠、快捷安全，效果良好等优点。常用的预支护方法有小导管超前预注浆、长管棚超前预注浆、超前锚杆（或系统锚杆）、及水平旋喷桩加固等。对于板岩、千枚岩地层，在适宜、适时的支护和其它措施的辅助下，特别是根据围岩变化实际采取动态施工，是可以取到良好效果的。施工时遵循“弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”的作业原则。正洞采用正台阶法施工（微台阶，长度5米），开挖采用人工手持风钻打眼，浅眼爆破，必要时上部预留核心土。钢拱架支撑、锚网喷联合支护（湿喷作业），液压整体模板台车衬砌。横通道采用上、下微台阶法开挖，台阶长度35米。无论是横通道还是正洞，均采用PC130挖掘机翻碴，下部用改装312型立爪装碴，15T自卸汽车无轨运输出碴。3、预支护技术及其应用情况3.1、管棚管棚是一种钢管群体，掘进前在隧道开挖工作面的上半断面部分（呈扇形）或全部沿隧道断面周边间隔一定距离钻孔压入钢管（管壁上钻有压浆小孔）而形成。为提高钢管钢度，常向管内压入水泥-水玻璃浆液（双液浆）或纯水泥浆液（单液浆），另外也可设钢筋笼压注水泥浆，效果颇好。管棚可与型钢钢架组成预支护体系，有效控制围岩的下沉松弛和坍塌，较好地控制地表沉降量。其在有较大地面集中荷载的超浅埋暗挖隧道（城市地铁）、软弱围岩隧道进洞施工中应用效果明显。超前小导管常与格栅钢架共同组成支护系统，小导管起着超前管棚作用和注浆管的作用。通过注浆，在隧道周围形成一个加固圈，提高围岩自稳能力，防止掘进中的坍塌和过大变形。但其在黄土、砂粘土等难以注浆加固的软弱围岩隧道中应用效果不是很理想，此时可考虑采用水平旋喷桩加固。在乌鞘岭隧道的施工中，我们采用了直径为42mm的小导管管棚，打设在拱部150范围内，环向间距30cm。在渗水现象严重地段，导管内预注双液浆，无水地段仅打设小导管，并适当加密间距（拱顶90范围为2025cm，其余两侧间距为3035cm）。导管前端呈锥状，尾部焊上6mm加劲箍。施工时小导管从型钢钢拱架腹部穿过，纵向以1015仰角钻孔，采用YT-28凿岩机施钻打入拱部围岩，导管外露长度不大于15cm，并尽量与型钢、锚杆焊接牢固，使之共同受力。横通道拱部小导管每2m施做一环，每环32根，正洞拱部小导管每2.4m施做一环，每环35根，沿隧道轴线两环小导管间保持1m以上的水平搭接长度。隧道开挖后检查注浆段浆液固结连成一片，形成帷幕护拱；未注浆段亦形成钢管棚架，阻止了围岩的掉落、滑塌，保证了开挖的顺利进行。3.2、锚杆锚杆有两种类型，一是拱部超前锚杆，用于支护上部临空围岩，起插板作用；另一类是洞身径向锚杆，将洞身承受的较大荷载传递至深部围岩，提高其稳定性。锚杆将围岩若干层组合成厚层，将节理发育的岩体串联在一起，阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在洞室周边形成一定厚度的承载环，充分发挥围岩自承能力，防止围岩因过大变形而坍塌。也就是起着组合、悬吊、挤压加固围岩的作用。施工方式有砂浆锚杆、药卷锚杆和中空注浆锚杆等。其施工程序：锚杆除锈除油调直；按设计定出孔位，控制外插角、钻进；孔内注浆或塞入砂浆锚固剂；插入锚杆并用锤击方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流出失。对于中空锚杆则先插入，然后用水和稀浆湿润管路，再开始注浆。施工要点：钻孔圆而直，孔口岩面整平，钻孔与岩面垂直。注浆压力和注浆量符合有关规定。先期施工横通道时，我们采用了长度3.5m/根的22mm螺纹钢锚杆，拱部、边墙等长，锚固剂全长锚固，间距1m1m，每环上、下断面各10根，端部设置钢垫板。考虑到拉开工序好施工，开挖后先立拱架（包括打锁脚锚杆）、网喷混凝土，后部再跟随打设系统锚杆。施工一定距离后量测发现产生了变形，特别是型钢拱架之间的边墙初支变形相对较大，个别测点周边收敛达20cm、拱顶下沉达9cm。说明该支护未能有效控制变形，而且围岩（或初支）变形以周边收敛为主，拱顶下沉为次。我们尝试将所有系统锚杆改为锁脚锚杆施工（锚杆和立拱架、网喷同时施作），将系统锚杆靠近钢拱架施工，不设垫板而把其尾端弯曲焊接在钢拱架上，作为加强锁脚。大部分锚杆垂直岩面打进，而将每侧拱脚中的两根以1530斜向下打入围岩形成撑脚锚杆。型钢拱架两侧锁脚锚杆用22mm短钢筋相互焊接牢固，确保钢架的整体稳定性。经量测发现此时的初支收敛变形值大为减少，围岩开挖后的稳定性显著增强。在正洞施工时，由于开挖跨度、高度增大，按设计增加了锚杆的长度：拱部4m/根、边墙6m/根，间距0.8m0.8m。因型钢拱架榀与榀间距为0.8m，正好将径向锚杆全部焊接于拱架上，拱架间没有再打系统锚杆，量测发现初支稳定性较好，开挖月余而暂未衬砌段变形也不超过5cm。3.3、水平旋喷桩水平旋喷桩是指在软弱土层中水平钻孔高压喷射注浆加固，形成承载环而得以开挖进洞，其施工成功率高，安全可靠，只是造价相对较高，推广应用不多却有着良好的应用前景。本工程中未予应用。3.4、网喷混凝土8mm钢筋网在洞外预先编制而成，网格为25cm25cm，网片在系统锚杆施作后安设，随被支护岩体的实际起伏而铺设，并在初喷砼后进行，其尽量与岩体密贴。网片之间连接处，网片与锚杆连接处采用点焊焊在一起，使钢筋网在喷射砼时不易晃动。采用湿式喷射作业，分段、分片、分层、由下而上呈螺旋式进行，喷头应连续，以便使喷层厚度均匀。开始喷射时减小喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，钢筋保护层厚度大于2cm。喷射中如有脱落的石块或混凝土块被钢筋网卡住时及时进行清除。在一般情况下，不要求一次就能喷到设计厚度，当喷砼厚度不够时进行补喷即可，但在板岩、千枚岩地段，围岩开挖后变形较快，一次喷射厚度不足或质量不佳时，无法提供有效的结构抗力，同时二次喷射混凝土与第一次喷射混凝土粘接效果受到影响，因不密实而形成缝隙，容易造成混凝土剥落、掉块，横通道施工时有两处采用分次喷砼，发现初支周边收敛达二十余厘米，分析可能就是此原因所致。此后我们均是设法一次喷射到位，并针对拱顶回弹大的情况，采取在拱顶2米范围纵向铺设尺寸为10cm10cm网格的钢筋网片，宁愿成本增大一些、作业循环时间长一些，但明显增加了网喷的有效性，在一定程度上避免了支护后的变形。4、内控标准的运用及其它针对乌鞘岭隧道的施工实际，上级制定了施工工序内部控制标准，即上台阶长度5m，仰拱距下半断面不超过15m，衬砌距下半断面50m以内，及时施作锁脚锚杆，初期支护距掌子面不超过10m。我们努力克服工序干扰大的影响，按此要求进行作业，并且做到了初支距掌子面不超过3m，及早形成支护封闭环，提高结构的整体受力性能。同时，加强洞内防排水，疏导水源，在初支表面有渗水的地方打56米深的孔眼引水，防止因浸泡初期支护而引起变形，衬砌时在水多地段加密环向透水管。这些综合措施的有机运用，对防止变形起到了立竿见影的作用。5、施工监测及地质预测预报现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，是采用信息化设计和施工的重要组成内容之一。在大变形围岩地段进行施工，监控量测显得尤为重要，它直接提供施工支护信息，监测围岩和支护的力学动态及稳定程度，保障施工安全，为评价和修改初期支护参数、力学分析及二次衬砌施作时间提供依据，起着重要的作用。H1H2D11D21CAABB根据实际需要我们进行了围岩及支护状态观察、净空水平收敛和拱顶下沉三个必测项目，及锚杆抗拔力、钢筋内力、围岩土压力等选测项目。水平收敛、拱顶下沉的测点布置在同一断面内，并采用同一量测频率，量测作业均持续到变形基本稳定后13周。开挖后12h内读取初始值（初读数连续三次取平均值），然后按设计量测频率坚持观测。及时进行数据处理，绘制相关时态曲线，进行回归分析，反馈信息和提出相应对策。量测点位置布置示意图如下：施工中坚持“以人为本、预防为主”的原则。通过对掌子面及其附近的岩层结构面性质、组合关系、软弱层和涌水特点进行观测、分析，来推断前方的不良地质问题以及岩体稳定性状。依此提出施工建议和防坍工程措施。每个开挖循环进行一次，每次预报距离为3-5m。我们一方面通过接长钻杆在掌子面的两侧、中央和顶部超前钻探测孔(孔深8米左右，一般钻3-6个孔)，根据钻进过程中排除的岩粉、出水量以及卡钎情况来判断前方钻孔深度内的岩体特性，另一方面通过地质雷达测试，综合进行地质预测和分析，做好应急措施，保证了施工顺利进行。6、机具设备和材料该变形围岩段施工采用常规施工机具和材料，没有任何特殊，在此不作赘述。7、施工效果该段围岩V级，石质软弱易碎，开挖后岩层极不稳定，通过严格打设小导管超前支护、型钢拱架支撑、锁脚锚杆及钢筋网喷混凝土联合支护，形成了一个可靠的受力整体，随挖随护，稳步推进，安全渡过软弱围岩破碎带，保证了开挖顺利进行，同时有效防止了围岩和初支的变形。隧道施工按期进行、安全有序、形象良好、质量可靠，得到了有关部门和各级领导的好评。原只有275米任务，现又奖励了400多米的施工任务。通过预埋测点监测，结果显示围岩变形不大。横通道变形已趋稳定，局部变形较大地段衬砌已完。目前施工中的正洞拱顶最大下沉值20.5mm，周边最大收敛值61.2mm，围岩变形符合有关规范要求。8、认识和体会、大变形围岩地段施工，常规预支护技术有其较好适用性，但需进行一定改进。、支护必须及时、必须到位。网喷混凝土应一次喷够，分多次进行的效果不好；把系统锚杆改为钢拱架的锁脚锚杆，不用锚杆垫板而将其弯曲焊接在型钢上，并适当增加撑脚锚杆，起到支承、箍抱钢拱架的作用，对防止初期支护变形有很好的效果。锚杆施作应与设立型钢拱架、网喷同时进行，不能滞后。钢拱架间距、锚杆数量等应按设计施工，不可减弱，有的位置还应适当加强，这样才能确保初期支护的稳定性。、一般来说锚杆锚固段越长越好，如边墙锚杆设计长度6米，但铁路隧道中操作困难，不便于垂直岩面打进，倾斜施作的效用如何有待进一步研究。另外锚杆类型、长度和施作方式对稳定围岩及在不同地层中的作用如何还亟待深层认识。、搞好防排水措施，避免板岩、千枚岩吸水膨胀、流塑、变形甚至坍塌，具有重要的意义。施工中发现，该段隧道通过区域地质较为特殊，初期支护表面仍有渗水或湿润现象时，则必须充分考虑深处水源的影响，可能此处会有流水缝隙，甚至水腔、水室等。笔者亲眼目睹兄弟单位初支发生变形处，打设的一些6米深孔排水孔内水流如