双线隧道富水软弱破碎围岩大断面工法

1 双线隧道富水软弱破碎围岩大断面工法双线隧道富水软弱破碎围岩大断面工法 铁道部隧道工程局 长大隧道施工遇到强涌水 大规模断层破碎带等不良地质条件 常常成为控制工期 影响工程质量和施工安全的关键技术难题 过去由于技术水平的限制 设计多采用隧道群取 代长隧道以绕避严重不良地质地段 施工多采用导坑扩大分部开挖方法通过断层 近年来 经过科研攻关 隧道软岩施工技术不断提高 使富水软弱破碎地层采用大断面施工才成为可 能 本工法是隧道工程局在大瑶山隧道九号断层施工中研制开发的 科研专题为 穿越大瑶 山隧道 F9 富水软弱破碎 区域性主干断层配套技术 1988 年 5 月通过铁道部技术鉴定 1989 年获铁道部科技进步特等奖 一 工法特点及关键技术 1 本工法综合应用了超前地质预报 排水减压后注浆堵水加固围岩 大断面机械化施 工 初期支护加强并及时封闭成环 施工量测信息反馈以及运用系统工程进行管理等项新技 术 对隧道穿越大规模断层出现的各种不良地质 运用新奥法原理 提出了认识围岩 保护 围岩 支护围岩 监测围岩的三十字施工方法 即 先深探 管超前 预注浆 半断面 留 核心 短进尺 弱爆破 强支护 紧封闭 常量测 2 利用多种地质探测手段 进行施工地质预报 为设计 施工提供决策依据 3 采用超前平导排水降压 正洞采用周边短孔预注浆 固结注浆等方法 堵水和加固 围岩 4 采用大型 高效配套的机械施工 施工工艺能适应地质变化 5 针对不同的工程地质和水文地质条件 采用多种支护手段相结合构成最佳初期支护 体系 主要形式有 锚杆 钢筋网 喷混凝土 锚杆 钢筋网 钢架 喷混凝土 超前 管棚 钢架 喷混凝土 或模筑混凝土 使初期支护为主要承载结构 以保证二次衬砌机械 化安全作业 6 通过围岩与支护的位移量测 评价初期支护的可靠性和围岩的稳定状态 为修改设 计支护参数 变更施工工序提供可靠数据 7 在富水软弱破碎地层开创了隧道大断面施工模式 改善了施工作业环境 减轻了工 人劳动强度 具有安全度高 可避免严重的塌方和突水 进度快 节省工程投资 保证工程 质量等优点 二 适用范围 本工法适用于构造复杂的地层中修建各类用途的山岭隧道和地下工程 适用本工法的地层 大规模断层带 软弱破碎 结构松散的岩体 最大静水压 4 0MPa 最大涌水量 42000t d 平均涌水强度 1000t dD m 无水断层泥 围岩分类为 铁路 类地层 洞室埋深 深埋 洞室断面最大尺寸 跨度 12 5m 高度 11 0m 三 施工程序 施工程序见图 1 2 四 施工工艺 一 地质预报 对于构造复杂的大规模断层 由地表探测和少量的地质钻孔为主 推断地下深部的地 质条件与隧道施工实际遇到的地质条件存在差异 而隧道施工对地质体的变化又非常敏感 特别是采用大断面开挖 更要求准确预报施工前方的工程地质和水文地质条件 因此 采用 本工法必须把地质超前预报作为一个工序纳入生产过程 1 前期准备 收集和熟悉与工程有关的地质资料 研究隧道施工所涉及的主要地质问 题 制定超前预报方案 2 预报方法 采用超前平导方案 以平导和正洞地质 水文观测素描 平导与正洞地 质类比为主 辅以地震波 声波 钻速测试 岩石微观研究 钻孔探水 赤平极射投影作图 等方法 互相补充验证 3 预报的重点内容 预测开挖面前方的地质情况 围岩类别 断层 软弱破碎带在前 方出露的位置和对施工的影响 地下水活动情况等 4 预报方式 根据勘测设计成果和施工阶段的观测结果 进行综合分析处理 分阶段 作出预报 长期预报 根据地质背景 确定地质构造形式 建立具体的地层 构造标志 以地 质观测和类比为主要手段 并用物探 钻孔等验证 进行总体预报 预报断层规模 分布 性质 构造分带 富水性等 并分段作出工程地质评价 中期预报 a 岩石微观构造研究 在地面不同部位采集岩样 进行规定的微观鉴定和岩组分析 进一步论证断层范围 构造分带等 b 工程地质类比 根据超前平导日常观测积累的素材 作出岩体分段定性评价 采用 3 地质类比方法推延正洞 同时据正洞掌子面和侧壁剖面观测 结合地质背景 预报正洞前方 和超前平导的岩体稳定 富水情况 c 各种图析法 利用赤平极射投影 实体比例投影等作图法 分析岩体稳定状况 判 断可能失稳岩块的分布 提供预报 可以以超前平导分段作图预报相对应正洞 也可以以正 洞资料预报前方相似的地段 d 地震反射波法 在掌子面排列布置地震探测的激发和反射波接受装置 可接受反射 波 对于岩性单一 走向与隧道轴线近于正交的断层 只要存在破碎程度差异的界面 便可 产生较强的反射波 据此判断隧道前方岩体的破碎程度和范围 短期预报 a 掌子面及其附近的观测预报 通过地质观测素描 地质作图 分析判断掌子面前方 距离 一般数米以内 不良地质构造间距 岩体稳定情况 提出开挖注意事项和防坍措施 一 般按开挖循环作业进行相应的预报 b 掌子面超前浅钻孔和声波法预报 据钻孔 台车钻孔长可达 15m 的岩粉 钻速 水质 等的变化情况 配合声波单孔深测和跨孔穿透测试 综合判断预报前方水文 地质条件 5 预报效果检查 开挖至预报位置时 应将实际情况进行素描 和预报地质资料进行 对比 以此来评价预报的准确性 积累经验 并为以后的预报提供参考 二 超前平导 1 对于地下水十分发育 静水压力较大的软弱破碎地层 应设置超前平导排水降压 2 平导的位置 长度 断面尺寸等设计参数应根据判明的地下水主要补给方向 范围 以不影响正洞稳定 同时考虑排水降压 超前地质预报双重功能的发挥 便于施工等条件综 合确定 3 平导施工不宜进行围岩注浆堵水 开挖前应在掌子面钻孔排水 孔长 10 15m 宜用 常规的支护手段随挖随支 支护紧跟 达到堵碴排水的目的 4 平导一般应超前正洞 50 100m 三 掌子面周边短孔预注浆 由于超前平导的排水降压作用 正洞涌水量减小 水压降低 因此有条件在隧道开挖 面周边采用短孔预注浆 固结围岩 形成一定厚度的半封闭截水圈 使其开挖后有一定的自 稳时间 即可满足隧道施工的要求 1 注浆段长 利用台车钻孔时 一般为 8m 开挖长度为注浆段长的 0 7 0 8 倍 注浆 方式采用全孔一次压入 2 注浆有效范围 一般为开挖轮廓线外 1 2 2m 浆液应将地层裂隙充填密实 3 注浆孔布置 沿开挖轮廓线单 双排布置 孔距为 0 8 1 0m 外插角 10 16 注 浆管用 42 钢花管 长度一般为 3 5 7 5m 4 止浆岩盘 每一循环预留 2 3m 作为止浆岩盘 在掌子面施喷 15 25cm 厚砼进行封闭 并对后部 3m 范围内初期支护加喷混凝土 5 6cm 5 注浆参数 注浆压力一般用 1 5 2 0MPa 断层泥地段用 2 0 3 0MPa 有效扩散半径 1 5m 采用 CS 双液浆 凝胶时间 1 3min 6 注浆顺序 先注无水孔后注有水孔 一般从拱顶顺序向下注 如遇窜浆或跑浆 则 间隔一孔或几孔注 7 注浆与开挖的关系 注浆工序和开挖工序及其关系见图 2 据此工序衔接 注浆完后 不需要专门的养护时间 即可进行开挖作业 4 四 初期支护 1 初期支护应具有足够的强度和刚度 能控制围岩变形 保持围岩稳定 支护参数选 择详见表 1 断层泥地段初期支护改喷砼为灌筑混凝土 2 超前支护范围 沿拱部开挖轮廓线布设 一般为起拱线以上开挖轮廓周长的 1 2 3 4 3 超前锚杆应以结构锚杆 法向 为支点 两者焊接 或在反向锚杆间加焊横向短筋作 支点 超前管棚以钢架为支点 管棚从钢架腹板预留孔中穿过 4 断层泥地段上半断面开挖后应及时做临时仰拱封闭 仰拱采用 H175 型钢 间距同钢 架 并与钢架焊接 最后灌注 200 混凝土 厚度为 50cm 5 超前支护与开挖长度的关系 L 管长 a b c cos 为外插角 a 为尾端长度 一般 20cm b 为一循环超前支护的开挖进尺 即超前支护纵向间距 见表 1 c 为开挖后留 于岩体内的前端长度 超前锚杆不小于 100cm 管棚不小于 150cm 5 五 上半断面施工 1 铁路双线隧道宜采用上 下半断面顺序开挖法施工 开挖高度 类围岩为 6 5m 类围岩控制在 6m 以内 2 超前探水 开挖前应在掌子面超前探水 孔长 15m 用台车接长钻杆钻孔 一般 5 7 孔 以防突水 3 采用控制爆破技术 短进尺 弱爆破 特别松散的岩石和断层泥不爆破或局部松动 爆破 反铲或风镐开挖 4 类围岩开挖工艺流程 测量画断面 超前锚杆 钻凿炮孔 装药爆破 喷混凝土 出碴 锚杆 挂网 必要时设钢架 喷混凝土 5 类围岩开挖工艺流程 测量画断面 超前管棚 必要时局部锚杆 钻凿炮孔 装药爆破 喷混凝土 出碴 钢架 喷混凝土 6 钢架分段加工 分节长度一般为 4 0m 左右 在掌子面组装 用反铲抬举 就位 管 棚用台车凿孔后顶入 松软地层可直接顶入 一次开挖进尺一般为 1 榀钢架位置 7 断层泥开挖工艺流程 详见图 3 打设超前管棚 用反铲或风镐环状开挖 1 部 同时出碴 前进 2 25m 人工架设 3 排钢架 至此 暂停开挖 将模板固定在钢架内缘灌注混凝土 2 25m 泵送 厚 50cm 开挖核心土体 2 反铲挖掘机左右错开挖 3 接长钢架 灌注混凝土 2 25m 开挖核心土 4 施作临时仰拱 完成一个循环 六 下半断面施工 1 下半断面开挖前应进行拱脚加固 类围岩一般采用喷混凝土加强 类有钢 架处应在其两侧各施作 2 根 22 锁脚锚杆 长度 5m 径向或俯角 30 45 尾端与钢架焊 接 类围岩采用花导管 50 注 CS 浆代替锚杆 导管长度为 5m 断层泥地段为 8m 以加 强拱脚的稳定 防止钢架下沉 2 凡有钢架地段 不含断层泥 均应采用拉中槽 正面单侧交错推进刷邦方法开挖 断 面控制参数见表 2 刷邦出碴后 应迅速敷设边墙钢架 通常称钢架接腿 施作喷射混凝土至 掩埋钢架 类围岩段一般完成 4 6m 后施作一次永久仰拱 表 2 3 断层泥地段因有临时仰拱 下半断面开挖采用留核心 两侧边槽交错开挖法施工 详见图 4 工艺流程为 左侧边槽开挖 4 5m 松动爆破 一次进尺 1 1 5m 装载机出碴 后 迅速完成钢架接腿 最后灌注边墙混凝土 右侧边槽开挖 4 5m 方法同左侧边槽 开挖核心土体 4 5m 施作永久仰拱 拆除临时仰拱 6 采用上述方法施工 如拱脚位移速率超过管理标准 可在钢架拱脚加焊 200 钢管作 横梁给予加强 以控制侧向变形 七 围岩固结注浆 1 在开挖阶段 为保证施工安全 本工法采用的技术措施基本是以排水为前提的 松 散岩体周边短孔预注浆也不能完全满足结构防水的要求 为此 对初期支护大面积渗漏水地 段以及集中涌水处应进行围岩固结注浆 2 围岩固结注浆宜在初期支护达到设计强度后施工 沿洞室围岩径向布孔 孔距 3m 梅花形布置 孔深 5 8m 注浆管设置完毕后 应对作业面补喷一层 5 10cm 厚的混凝土 注 浆参数及方法与周边注浆相同 八 施工监测 1 主要量测项目及测点布置 拱顶下沉量测 测点焊接在钢架上 一个断面布置 3 点 即拱顶和两拱腰 断面间 距一般 20m 断层泥地段 5m 净空收敛量测 在拱脚及拱腰处增设二条收敛基线 测点焊接在钢架上或埋设于围 岩中 开挖下半断面时增加墙中收敛基线 断面间距一般 30 50m 断层泥地段 10 20m 钢架反力量测 利用 GSJ 1 型矿压仪和 GH 50 型压力盒量测钢架支承反力 选择有 代表性的断面布点 临时仰拱受力状态量测 在临时仰拱型钢与钢架拱脚之间埋设 GH 50 型压力盒量测 仰拱受力状态 2 量测频率 1 15d 并距开挖面二倍洞径以内 每天 1 2 次 16 30d 并距开挖面 2 5 倍洞径 每二天 1 次 30d 并距开挖面 2 5 倍洞径以远 每星期一次 当变形速率大于 5mm d 每天量测 3 次 3 信息反馈 量测数据经分析处理与必要的计算 用于判断围岩 支护体系是否稳定 支护参数施工 方法是否合理等 再反馈施工 九 仰拱 边墙基础及铺底 仰拱 边墙基础及铺底一般滞后下半断面开挖面 50m 左右 类围岩地段仰拱应紧跟 开挖面 为减少施工干扰 一般分侧开挖 灌筑 混凝土掺加早强剂 如系钢筋混凝土仰 拱应一次灌筑完成 开挖 灌筑循环长度 6 8m 十 拱墙二次衬砌 二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作 采用全断面模板台车 泵送砼一 7 次灌注成型 每循环 12m 混凝土强度达到 2 5MPa 满足能承受自重要求 方可拆模 五 机械设备 本工法根据大断面机械化施工技术要求选配主要机械设备 并做到一机多用 洞内运 输采用无轨方式 单工作面的主要机械设备详见表 3 六 劳动组织隧道施工是一项系统工程 由于受客观因素影响较大 特别是在不均一 地层 地质变化频繁 工序较多 本工法采用不定时的循环作业制 配备四条机械化作业线 上的各主要工序的劳力 1 开挖作业线 钻孔作业按二班倒配备 3 注浆作业线 22 人 注浆施工采取连续作业 一班到底 掌子面作业 5 人 负责孔口管 注浆管安装 拆卸 局部堵漏 封孔等工作 注浆泵司机 1 人 搅拌机 1 人 配浆 测定凝胶时间 1 人 记录 1 人 搅拌 7 人 负责浆液配备与供应 台车钻孔 3 人 运输车辆 4 人 注浆泵车 搅拌机车 水泥车 水玻璃车 修理工 3 人 电工 钳工 管子工 1 人 4 二次衬砌模注混凝土作业线 按三班倒配备 8 5 衬砌作业主要辅助工序人员配备 73 人 挂铺防水板作业 15 人 边墙基础及仰拱铺底 22 人 模板台车及防水板工作平台轨道铺设 24 人 各种模型板木工 12 人 6 技术管理人员配备 36 人 工程师 5 人 土木 3 人机电 2 人 技术员 6 人 土木 4 人机电 2 人 安全员 3 人 领工员 6 人 量测人员 6 人 试验工 4 人 量测及地质素描 6 人 以上 1 6 项共计 340 人 七 质量标准 本工法除了应该执行 铁路隧道工程质量评定验收标准 TBJ417 87 和 铁路隧道施 工规范 TBJ204 86 等有关规定外 根据软弱破碎围岩施工特性作如下补充 1 注浆结束标准 采用定压注浆 注浆终压达到设计压力 稳压 10min 以上可结束注 浆 2 注浆效果应满足设计要求 否则应补注 采用下列方法检查 钻速测试 检查注 浆范围 根据注浆记录 如压力 注浆量等 和绘制的 P Q T 曲线综合分析 判断注浆效果 根据注浆前后地层声波速度的大小对比判断浆液充填的密度程度 3 管棚制作 采用普通钢管 尾端应焊一圈 8 园钢筋加固 前端切削成尖靴形 4 喷混凝土分二次施作 初喷厚度应达到 3 5cm 二次喷应达到设计厚度 5 锚杆应采用早强水泥砂浆锚杆 6 钢架加工 拼装允许误差为沿开挖周边轮廓 3cm 平面翘曲 2cm 7 钢架安装 钢架拼装 接腿应上够螺栓并拧紧 钢架应垂直于隧道中线 上下 左右允许误差 5cm 钢架垂直度允许误差 2 拱脚高度应低于上半断面开挖底线 15 20cm 钢架原则上应与围岩密贴 局部超挖不平处 应加设径向楔块楔紧 钢架架立后应及时上好纵向连接 两榀钢架间沿钢架周边每隔 1m 用 22 螺栓拉杆 连接 8 量测管理标准 隧道周边允许相对位移 隧道埋深 300m 隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终相对位移值应小于 类 围岩 0 5 类围岩 0 8 类围岩 1 6 当位移速率无明显下降 而此时实测相对位 移值已接近规定的数值 或者支护混凝土表面出现明显裂缝时 必须立即采取补强措施直至 改变施工方法 位移速率 d dt 10mm d 支护需作加固处理 9 d dt 0 2mm d 围岩达到基本稳定 可施作二次衬砌 位移 时间曲线 时态曲线 当变形速率下降时 围岩趋于稳定 当变形速度保持不变时 应考虑加强支护系统 当变形速率不断上升时 则表示已进入危险状态 必须立即加强支护系统 八 安全措施 本工法应执行 铁路隧道施工技术安全规则 TBJ404 87 的有关规定 并应注意以 下事项 1 地质超前预报和量测控制应贯穿施工始终 2 断层如处于单面坡段 开挖应以上坡方向为主攻目标 反坡开挖应准备足够的排水 设备 3 断层泥段开挖后 应快速封闭全开挖断面 施工排水沟宜设在断面中央 并及时疏 排 严禁积水浸泡 4 断层泥隧底仰拱开挖应注意避免施工机械在上来回碾压 防止局部渗水形成泥浆 以用反铲挖掘机挖土 人工清理修整为宜 5 应贯彻安全第一的思想 不盲目追求进度 严防坍塌 做到 地质不明 注浆未 达到设计效果 后部支护未完成 量测值超过管理标准等不准向前开挖 6 应注意防止掌子面正面坍塌 喷混凝土应抵紧掌子面 类围岩开挖后喷混凝土 3 5m 封闭掌子面 九 经济效益 以大瑶山隧道九号断层 长度 465m 施工为例 1 直接经济效益达 838 万元 工程成本较概算节约 398 万元 正洞上半断面开挖面积为平导的 6 倍 而坍塌较平导减少 2 3 下半断面施工无坍塌 节约坍方处理费 318 75 万元 提前工期 3 7 个月 节约工费和机械使用费 121 3 万元 2 运输效益显著 按当时的运输情况计算 提前工期 3 7 个月 可增加运营纯收入 2752 8 万元 3 安全度高 事故率低于部颁标准 正洞施工无重大人身伤亡及机损事故 4 单口月平均开挖进度 折合全断面 为 19 75m 达到国内外同类隧道施工的先进水平 十 工程实例 大瑶山隧道九号断层采用本工法施工 九号断层走向与隧道轴线近于正交 隧道洞身穿越长度为