高原长、大隧道施工.doc

高原地区长大隧道综合施工技术研究一、工程简介 大理（平坡）至保山（大官市）段高速公路是国道主干线上海昆明瑞丽中云南境内的一段，是云南省列为“八五”和“九五”期间改造的六条干线之一。它东连省会昆明，西连滇西边境经济区，是与东南亚各国贸易往来的交通要道。该工程由云南大保高速公路建设指挥部投资兴建。我局通过投标承揽了第7-1合同段K394+957K396+569段的施工，全长1612米。二、工程概况 万宝山隧道位于云南省永平县龙街乡右富村，隧道设计为上下行分离式双线单向行驶双车道隧道，隧道净高7.2米、净跨为10.9米。行车速度按60km/h标准设计，设计交通量：远景交通量（2020年）为29116辆/昼夜。线路由K395+109.35分幅进入万宝山隧道，穿过海拔2638米的万宝山后至上行线K397+999、下行线K398+025处合拢；上、下行线隧道测中线的距离，大理端间距约为110米，保山端约为40米，其中：下行线隧道位于下行线K395+385K397+745之间，全长2360米，其进口段长87.17米，位于R=500m，出口端长87.17米，位于R=500m，LS=90m，I=4%的右转曲线上；其余1942.06m为直线。为有利于进口排水，增加行车的舒适性，在进口段设置2.099%的上坡，至K395+560后变坡，（设R=10100米的竖曲线）下-0.75%的坡至出口。隧道最大埋深为316米，上行线隧道位于上行线K395+326K397+738之间，全长2412米，其出口段长169.58m，位于R=500m， LS=90m，I=4%的左转曲线上，其余2246.42m为直线，纵坡-0.77%，最大埋深317m。1、地形地貌大保公路横穿著名的三江深大断裂带，隧道区位于金沙江红河断裂与澜沧江断裂所夹持的一个长期沉降带，由于印度板块向欧亚板块下俯冲，经喜山运动后形成了众多的二、三级构造形迹，邻近本区的主要有热水塘断裂、永平断裂等。是一新构造运动活动强烈的地区。根据勘察报告，在隧道区附近发育一条逆断层，说明区内地应力较强。万宝山隧道地处陡峻山岭区， 地质复杂，属构造侵蚀中高山地貌区。山区冲沟河谷，多垂直于山脊，呈羽状或放射状。河谷多发育成“V”字型，以构造侵蚀作用为主。轴线位于地下水位线以下。2、地层岩性及围岩的工程性隧道所穿过地层区为中生界白垩系下统景星组（KIJ），为内陆河相与湖泊交互沉积，俗称“滇西红层”。岩性主要为中厚层状红褐色，紫红色石英砂岩，粉砂岩夹泥岩。隧道围岩多为半坚硬岩、软弱岩，粘土矿物含量较高，固结程度差，物理力学指标低，常形成较厚的风化残积层，亲水性强，泥质岩极易亲水膨胀软化，恶化其工程性。3、水文地质条件1）隧道区地下水的补给条件大气降水为区内地下水的主要补给源，受西南风的影响，区内降雨量充沛，年均降雨量1080毫米。但雨季、旱季差异明显，每年5月11月为雨季，其降水量约占全年的90%。大气降水大部分以地表径流的形式排泄，部分降水渗入地下，以上层滞水形式保存在残坡积层中或渗透补充到基岩裂隙水中。 2）隧道区的主要含水层（体）和隔水层的特征隧道区的主要含水层有：第四系残坡积层孔隙含水层。岩性由紫红色碎石土、块石土组成，局部夹亚粘土；风化节理裂隙含水层。因围岩风化较强，形成较厚的强微风化带，风化层内节理裂隙发育，且相互间连通性好，形成的风化裂隙含水层；受构造作用形成的各种规模不等的构造破碎带。裂隙发育带及次生各种强性节理裂隙形成的构造综合含水带。中层状新鲜泥岩为隔水层。3）对各含水层（体）中地下水的水量评价第四系残坡积层及强微风化岩带，厚度巨大，内部裂隙节理发育，孔隙度较高，在雨季可吸纳贮藏大量的大气降水，在旱季渗出以补充地表径流，隧道两端均有常年流水。在施工中第四系残坡及强微风化岩带孔隙水呈无压水流进隧道。由于隧道紧邻深大断裂及其分支次生断裂，且埋深较大，受构造影响，围岩积压错动严重，次生破碎带，小褶曲发育，围岩产状多变，隧道围岩受构造影响岩体破碎，构造裂隙及层间裂隙相当发育，尤以性脆的粉砂岩、砂岩为甚。大气降水及地表水、孔隙水多沿构造及层间裂隙、破碎带渗流，在泥岩与砂岩界面及构造破碎带内富集，成为隧道区内最主要的富水带。因隧道较长，埋深较大，对地下水的吸引范围较广，隧道穿越含水层时，其最不利静水压在2Mpa以上。在中层泥岩的隔水作用下，造成各部分间水力联系差，未能形成统一的地下水位线。具有典型的裂隙水、断层水特征。在隔水层的作用下，常呈承压水或承压水转无压水渗涌入隧道。隧道主要通过中厚层状砂岩与中层状泥岩互层区，砂岩孔隙率较高，且性脆节理裂隙发育，常含地下水，在隧道施工中地下水以小股渗流为主。4）施工中遇到的主要水文问题评述较大的渗水及突发性涌水由于中层泥岩的隔水作用，造成部分砂岩及裂隙断层水之间水力联系差，无统一的地下水位线，形成较大的水位差。在将揭穿富水带初期，若地下水头较高，常出现突破性涌水，以大股裂隙为主，或沿超前导管呈股状涌水，集中发生于构造带及砂岩与泥岩界面附近。若地下水头较低，则常由渗水渐大成股状渗水。揭穿带后先以消耗地下静储量为主，后期逐渐衰减并趋于平稳。软质岩遇水软化问题隧道内围岩的粉砂岩、泥岩含粘土泥质成分高，成岩程度不高，为软弱岩类，亲水能力强，软化系数特别低，干湿抗压强度相差悬殊。本隧道地下水较发育，在地下水的浸润下，泥岩、泥质粉砂岩，部分遇水软化，少数已崩解完全泥化呈可塑软塑状。因此进一步降低了岩体的力学强度。软质岩遇水膨胀问题泥岩、泥质粉砂岩，泥质粘土成分高，在遇水常软化崩解过程中常伴随着体积膨胀变形。虽自由膨胀率尚未达到膨胀岩的指标，在充水饱和后体积不变条件下，膨胀压力可达130Kpa，内摩擦角可降至1218。这足以导致变形岩体的结构破坏，恶化支护的受力条件。三、施工难点1、万宝山隧道地处深山峡谷之中，地形横坡十分陡峻，本地区属于侏罗系（KIJ）“滇西红层”堆积地貌，地表所覆盖岩层风化严重，极为破碎，自稳条件差，进洞极为困难。2、万宝山隧道类围岩442m，占隧道全长21.4%；类偏下围岩1626m，占隧道全长78.6%，岩体多为泥岩、泥质粉砂岩不等厚互层、软弱破碎带围岩，施工难度大，技术要求高。3、万宝山隧道地处海拔2630米的高原地区，洞内通风排烟难度大，技术含量大，除需要实现严格的通风管理外，还需要研制大风量、高风压的风机和大直径、高强度的软式通风管。4、万宝山隧道洞门路基边坡及洞口土石方开挖后，引起山体大面积滑移，洞身受山体偏压，砼开裂，初期支护钢架扭曲变形，整治技术施工难度大，且满足施工、安全需求。5、万宝山隧道机械设备配套施工技术。四、关键技术1、进洞施工方案由于边、仰坡岩体破碎，风化严重，坡面采用喷锚、挂网支护。洞头支护在起拱线以上，开挖轮廓以外环向设置WTD25中空注浆锚杆，锚杆与锚杆之间分别用连接筋、网筋连接，喷射20号砼封闭坡面（详见洞头支护图）设置钢管棚超前支护，管棚钢管采用节长6m，1086mm热轧无缝钢管，以长15cm的丝扣连接，设置长度20m。钢管上按梅花型间距25cm钻68mm的小孔，在钢管中注C.S浆液，其C.S浆液的配合比为水泥:水玻璃=1:0.5，水灰比为0.70.9，水玻璃模数m=3，波美度Be=35，注浆初压0.51.0mpa，终压22.5 mpa，注浆结束后用10号水泥砂浆充填，以增强钢管的强度和钢度。坡面防护及超前钢管棚支护完成后，即进入套拱施工，要求增设4m长套拱，套拱嵌入山体50cm长。套拱内设钢格栅加强支护，格栅纵向间距按50cm设置，灌注C25砼，拱圈厚度为55cm，与钢管棚浇筑形成一个整体。当套拱砼强度及注浆强度达到设计要求后，即可进入暗挖施工。2、软弱破碎围岩段施工技术1）实施地质雷达超前探测和断面收敛仪监测技术。采用地质雷达超前探测围岩技术和断面收敛仪监测技术指导施工，根据预报所探测的地质资料和水文资料采取相应的施工方法和施工组织，预防因情况突变而造成措手不及。2）施工方法依据设计文件提供的水文、地质资料，结合现场施工条件、机械设备状况，同时结合建设指挥部的工期要求，本着安全第一的原则，该隧道的开挖方法采用“台阶法”施工。软弱破碎、膨胀性泥岩、渗漏水较大处预留“核心土”侧壁导坑开挖。同时依据设计文件、地质超前预报及施工实际等，针对围岩的变化，及时采用相应的技术措施，改变施工方法。 类围岩开挖、支护方法原则上按设计S4型断面施作，对局部软弱地段进行加强支护。打设424mm的超前小导管管棚支护，开挖进尺每次控制在0.61.0m范围，遵循“弱爆破、短开挖”的原则采用光面爆破，清理危石，初喷钢纤维砼封闭岩面，环向施做系统锚杆，施工放样，安装钢架。钢架安设焊接完成后，施作下一循环拱部超前支护，超挖大于40cm处及渗漏水严重处设置钢筋网片加强，喷射钢纤维砼至设计厚度，对局部软弱地段加强支护，调整工字钢间距，加大开挖沉降量，增设锁脚锚杆锁定钢支撑，加密钢支撑之间的连接筋，渗漏水严重处增设弹簧排水管引排水，加密二衬内钢筋，提高砼标号，坍穴高度大于50cm处采用同级泵送砼回填。类偏下围岩开挖支护方法根据围岩状况局部设置424mm超前小导管支护，钢支撑采用I 14工字钢，间距按1.0m架设，超挖大于40cm及渗漏水严重处设置钢筋网片加强，坍穴大于50cm处采用同级泵送砼回填，二衬厚度按50cm的素砼施工，其它开挖及初期支护项目按类围岩控制施工。3、坍方处治技术本地区属于侏罗系（KIJ）“滇西红层”堆积地貌，岩体多为泥岩、泥质粉砂岩、紫红色粉砂岩、粉砂质泥岩不等厚互层，岩体较软，且较破碎，块间结合力微弱。围岩受构造作用，块体间具有明显的挤压滑动光面及擦痕，围岩节理裂隙发育，裂隙间距一般530cm，使围岩被切割成形状不规则的块碎状，其块间结合力较差。多处呈滴状细线状渗水，岩体在裂隙水的作用下，在开挖过程中易形成掉块坍塌，对坍塌体的处治加强措施一般为以下几步：对坍穴部位喷射20号钢纤维砼封闭岩面，喷射厚度一般控制在510cm。加强钢支撑支护，采用I16钢支撑，间距控制在0.30.6m的范围，纵向采用I14工字钢连接，间距按0.30.5m布设焊接于钢支撑上，嵌入掌子面岩体于50cm，尾部搭接于已施作完成的初期支护钢支撑上，每榀钢支撑增设68根22L=400cm的锁脚锚杆。在坍穴部位预埋泵送砼管，然后吊模喷射20号钢纤维砼厚2050cm。待20号喷射钢纤维砼达到设计强度的70%，泵送同级砼充填洞穴。坍塌部位处理完成后，施作超前支护，超前支护需加强支护。布设超前小导管环向间距为3050cm，L=46m，小导管管壁梅花型设置小孔，压注双液浆，固结松散岩体，待浆液强度形成强度后方能开挖，开挖采用“短进尺、弱爆破、快封闭、强支护”的程序施作。4、山体滑移，洞身受山体偏压，砼开裂钢架扭曲变形的整治技术万宝山隧道下行线进口位于山体两冲沟交会处，洞身走向位于前方冲沟左边坡的中下部，洞口、洞身土石方开挖后，破坏了山体原有平衡，扰动了山体的稳定，下行线K395+425K395+470段洞口左边坡，由1999年1月12日至1999年3月26日，发生4次不同程度的坍塌滑移，下行线K395+410K395+450段右边坡，于1999年9月11日出现大面积滑坍，将下部设置的空压机房、配电室、机动车零配件库摧毁，施工生产受到严重影响。路基边坡的多次坍塌，牵动山体大面积滑移，主要表现于洞外地表裂缝：沿下行线隧道前进方向，距洞口57m处，地表横向有一道裂缝（与隧道轴线垂直），缝长23m，宽550mm；在洞口的左上方72米以内地表有9道裂缝，宽780mm。山体大面积滑移，对洞身产生偏压。虽然在洞身开挖后及时施作了初期支护、二衬，并在二衬内加强了钢支撑，加密了钢筋，二衬砼由设计的20号提高到25号砼（取消了防水板），但山体侧压力仍使初期支护砼开裂，钢架扭曲变形，二衬砼开裂，脱皮掉块，钢筋弯曲，个别处渗漏水严重。整治技术：依据大保路纪（1999）003号会议纪要，在下行线K395+512.4K395+556.4段拱部初期支护砼开裂及钢架变形段取消土工布、防水板，增设钢支撑（钢支撑间距与原设置钢架对应），二衬内加密钢筋，砼标号由C20改为C25，对该段加强支护。为了洞身的结构稳定，确保今后的运营安全，对K395+475K395+800段二衬采取深层注浆，固结二衬背后围岩，增强围岩的自稳能力，改善外界对二衬的压力。a、注浆管的布设在K395+475K395+800段二衬起拱线以上，布设注浆孔，考虑浆液的扩散范围及注浆效果，注浆孔间距1.711.71m梅花型布置。注浆管采用42、L=5.0m长的钢管，管壁设置注浆孔，间距20cm，梅花型布置。顶进时，外露的长度一般不小于1520cm，以便连接管路（详见注浆管布置图），原则上注浆管的布设多集中于裂缝处。b、注浆材料的选择水泥浆液具有结石体强度高，工艺简单，浆液配置容易，材料来源丰富，成本较低等优点。水泥浆液的水灰比选用1：10.5：1。稀浆粘度低，易于压注，但强度也低，凝结时间长，稳定性和结石率都不好；浓浆则相反。因此，在满足注浆工艺和岩层压注需要的条件下，应尽量使用浓液。改善水泥浆液性能的措施：采用极细的水泥和各种快硬水泥；水泥浆中加入各种速凝剂、早强剂，缩短其凝结时间，提高结石体的早期强度，掺加速凝剂3%氯化钙。c、注浆压力注浆过程中，注浆压力控制采用分级升压法，注浆压力控制在（48Mpa）范围内。K395+489K395+495和K395+538K395+547两段拱部二衬砼开裂，渗漏水严重，根据2001年1月6日大保指挥部综合检查组的检查意见，对以上两段采用换拱的办法处置。a、以上换拱地段，增设WTD25中空注浆锚杆，锚杆间距为0.80.8m，梅花型布置，L=4.0m。布置完成后，压注水灰比为1：0.5的水泥浆液。b、以上换拱地段，每次处治三米，在三米的前后、左右端头钻孔，孔深刚好穿过二衬砼为宜，孔与孔之间的间距为10cm，钻孔后将各孔凿通，内部的炮眼孔距按3030cm布置（详见爆破图中炮孔布置图），孔底距初期支护砼10cm为宜。清孔后隔孔装药，装药量通过试验后确定，爆破后以不损坏初期支护砼为宜。人工清除残留砼及钢筋，清除完毕，人工重新铺设防水层、钢筋，立模浇筑砼，钢筋间距按2533.3cm设置，砼标号为C25防水砼。为了清除洞外两侧边坡对洞口的威胁（两侧边坡多次滑坍），减少山体对洞身的偏压。万宝山隧道下行线进口共接长85m明洞，洞外反压回填，恢复原地貌。通过以上方案的整治，山体对洞身的偏压已得到遏制，两侧边坡已趋于稳定。5、二衬渗漏水止水治理技术渗漏水情况万宝山隧道下行线从K395+495K395+785，共计290m范围内均有不同程度渗漏，其中K395+505K395+626段渗漏水尤为严重，个别地段漏水呈喷射状，其他地段可见湿润状渗滴，从电缆沟盖板顶部以上均有渗漏。渗漏水原因在隧道施作过程中，由于洞身受山体偏压，初期支护曾出现起拱线以上向内挤压，工字钢扭曲变形，喷射砼大面积开裂掉块等险象。为了保证洞身的整体结构和施工安全，在部分地段增设了第二层工字钢支撑，同时取消了土工布和防水板。二次衬砌施作后，渗水因为没有阻隔，从岩体透过初期支护渗入初期支护与二衬结合部，进一步扩散后，通过各种缝隙渗漏到隧道内部。止水方法经请教有关专家，并通过现场反复试验比较，最后确定采用堵排结合，以堵为主的办法解决本隧道的渗漏水问题，其工法如下：a、增设排水孔，降低洞周静水压力在二衬渗水地段使用凿岩机在二衬边墙钻孔径为50mm的排水孔，钻孔深度为2m，间距视渗水程度而定为25m，增设排水孔可使基岩内的水顺利排入排水沟，降低围岩静水压力，为日后止水创造条件。b、深层注浆堵水在漏水部位采用深层注水泥水玻璃浆液的方法，固结围岩，堵截渗水通道，切断隧道来水。首先在起拱线以上设置42小导管，小导管间距1.711.71m，梅花型布置，管长5m，导管顶端0.1m加工成锥形，以便于插入钻孔，在导管的前端4.2m范围内钻直径为10mm的排浆孔，排浆孔呈梅花型布置。使用钻机造孔，钻孔清孔后插入小导管，小导管使用锚固剂锚固。导管周围必须塞堵密实，以防止浆液外漏。导管露出二衬1015cm，以便与注浆管连接。注浆浆液浓度视漏水情况而定，由浓至稀逐渐变化，水泥水玻璃浆液现场配制，配制比例如下：水灰比水泥（kg）