神延铁路隧道工程特性分析

神延铁路隧道工程特性分析

1项目总结1.1围岩类别及长度来自我国的这件作品，长度为93450米，有三座隧道，共长8390米，占标准段长度的92%。其中:羊马河隧道长3810m(神延线第二长隧),关路坡隧道长3159m(神延线第三长隧),翅膀沟隧道长1721m(被设计院称为神延第一烂洞)。最高围岩类别为Ⅳ类,总长度3900m,占隧道总长的45%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩共4790m,占隧道总长的55%。其中土质隧道地段总长度4000m,占隧道设计长度的46%。各类围岩的分布情况如下:各类隧道土质地段分布情况如表2:1.2黄土及红粘土工程性质神延铁路W9标段位于陕北黄土高原梁峁沟谷区,冲沟发育,植被稀疏,地形起伏较大。出露地层由老新依次为:第四系全新统冲、洪积黄土质砂粘土;上更新统风积新黄土,冲积圆砾土、卵石土;中更新统老黄土;第三系红粘土以及侏罗系中统砂岩夹页岩,页岩夹砂岩;黄土及红粘土工程性质如下:(Ⅰ)黄土质砂粘土(Q3a13):浅黄色,土质较纯,土体疏松,粉土质为主,砂感,具Ⅱ级非自重湿陷性,半干硬～硬塑。(Ⅱ)新黄土(Qeo1333eo13):淡黄色,土质纯,粉土质为主,裂隙及垂直节理发育,具Ⅱ级自重湿陷性,半干硬～硬塑。(Ⅲ)老黄土(Qeo1322eo13):淡棕红色,有粉感,裂隙及垂直节理发育,半干硬～硬塑,与红粘土接触带上有软塑夹层。(Ⅳ)红粘土(N2cr):棕红色,粘土质,粘性强,具干湿效应,节理裂隙发育,层状分布,硬塑,弱膨胀性,Ⅲ级硬土,Ⅱ～Ⅲ类围岩。1.3当前水文条件1.3.1地表水保护主要为季节性水流,受大气降水影响较大。旱季沟内为地下水出露形成径流,雨季及暴雨季节沟内水量较大。1.3.2含水层表土层内的红粘土储水规律主要为黄土层间裂隙潜水和基岩裂隙水,黄土层间裂隙潜水主要分布于黄土与红粘土间,含水层为黄土层底部与红粘土接触带处,红粘土为相对隔水层,受大气降水补给,含水层储水和排泄条件差,水量小且不稳定。资料显示,土质地段含水量呈可塑或潮湿状。关路坡隧道涌水量为880m3/d,羊马河隧道为560m3/d。2隧道坍塌2.1第4段:dk46+400段,实施喷荧光施工该隧道长1721m,1999年4月5日按正台阶先墙后拱法进洞施工。施工严格按照设计要求和施工规范进行操作,遵照短开挖、强支护、早衬砌的原则进行施工。6月21日塌方前,上半断面开挖至DK446+337,下断面开挖至DK446+342.4及DK446+465～DK446+353.6全断面衬砌。1999年6月21日晚22:30时,翅膀沟隧道上导坑掌子面正进行喷砼施工,下导坑正在立拱架。突然值班人员注意到DK446+350处护拱有掉块现象,仔细检查后发现右边墙已松动,并有“喀嚓”的响声,就立即通知所有施工人员撤离。随后右边墙发生坍塌。指挥人员得到通知后,立刻赶到洞内指挥抢险。此时塌方面积已经变大,一切措施都无济于事。22日凌晨,塌至山顶。抢险人员对DK446+365～353段衬砌加固后,留下观察人员外,其余全部撤离现场。洞内塌方段长度约13.8m,塌方段施工支护(每m一榀Ⅰ16钢架及锚喷支护)全部被压坏。山顶塌体直径20m,地表陷坑3～5m。塌方示意见图1。塌方原因:塌方段为黄土质砂粘土,粉土状、含水量较大,山顶冲沟陷穴较为发育,山体渗水较发育,山体偏压,隧道经过山体的左山坡,山体较陡,偏压较大。类似的塌方还有羊马河隧道出口段(DK441+320～DK441+300),塌方时间为1999年5月18日。2.2子面地表冲淤,洞底设锚固相,隧道洞外排水,复合土,顺应工工该隧道全长3810m,为神延铁路第二大隧道,合同工期只有17.5个月,该隧道地质条件极差,进口段基底位于软塑状黄土上,承载力低,施工进度极为缓慢,为解决工期矛盾,于1999年5月在大关里沟DK438+182处新增加一个长50.68m斜井,7月份进入正洞施工。地层为新黄土夹砂层,掌子面时常发生小面积塌方,地表冲沟,陷穴发育,隧道涌水量大,施工至DK438+250处时发现设计地质与实际地质情况不符,原设计为Ⅳ围岩,开挖后发现全断面为红粘土夹砂层,经变更按Ⅱ类围岩施工,各工序施工操作规范化,完全遵照黄土隧道施工要求,短开挖、强支护、勤量测、早衬砌的原则进行。1999年11月8日,羊马河隧道(大关里沟斜井)对DK438+354～DK438+359段初期支护进行测量时,发现支护底部出现裂缝,当时现场施工人员立即组织人员架设水平横撑加以处理,但由于土体变形过快,该段右侧边墙部位长约4.0m的初期支护平行推移整体滑出;之后,工地组织所有人员对两端未塌方地段进行加固处理,但由于地质情况太坏,该段边墙及拱部不断坍塌掉块,发生大规模的塌方,并向两侧延伸,截止晚9时许,塌方仍在延续,塌方长度约为30m,塌方高度不详(此处覆盖层厚约为90m)经过7d后,土块才将拱顶塌口封死。洞内塌方长度31m,初期支护全部被压坏。塌方示意见图2。2.2.3原因分析2.2.3.上分层拱壁土体羊马河隧道该段地质原设计为Ⅳ类围岩,开挖后的地质表现为红粘土,仰拱底部20cm以下为风化页岩,土石交界处含水量大,上部土体分布有4道砂层,平均厚度60～100cm,一道距仰拱底1.5m,一道距仰拱底3m,一道在起拱线部位,在拱顶30cm处有一道。2.2.3.边墙土体变形在隧道开挖土石交界处含水量大,成股状流出,日出水量为180m3。浸泡边墙底部,致使边墙底部土体松软,发生变形,上部砂层剥离掉块发生下滑,将初期支护挤出,形成空间后,砂层不断剥落,黄土不断坍塌,致使塌方扩大。类似的塌方还有大山沟明洞正洞施工的DK445+415～DK445+460段于1999年11月17日塌方。3初期支护施工塌方发生后,先后于11月8日、11月12日、11月23日分别会同神延总指、设计院、铁城监理站对塌方地段进行了会勘,形成以下处理方案:3.1加强对未塌地段支撑,及时量测,未发现变化时加强配筋,首先对未坍塌地段实施钢筋砼衬砌。对塌方地段先进行上导坑处理,完毕后再进行下导坑处理,每处理完1.2～2.4m,便立即进行钢筋砼衬砌。施工中应循序渐进,特别是在下部开挖时,初期支护易发生沉降,应加强顶撑,并布设水平支撑和锁脚锚杆,防止发生再次坍塌。3.2坍方地段采用管棚法通过,管棚采用Ø40mm小导管全断面布设,环向间距22cm,施工中适当放大仰角,以防止开挖后下沉,小导管长度为3.0m,排间搭接长度≮1.0m。3.3初期支护采用Ⅰ16型钢拱架,在塌方的头部和尾部各5.0m范围内每30cm一榀,中间地段采用50cm一榀,型钢拱架应与管棚牢固焊接,型钢拱架制作应保证二次衬砌顶部厚度有1.0m,即采用Ⅰ类模筑砼衬砌再加大40cm,并预留10cm的沉降量,初期支护采用网喷砼25cm加以封闭。3.4初期支护在进行下导施工时,应分步进行。在上部拱架的底部安设托梁连接成整体,防止沉降,必要时可采用挖井法进行下导支护的施工。3.5二次衬砌采用Ⅰ16型钢拱架模筑砼衬砌,型钢布设成双层,外层紧贴初期支护,内层距衬砌内轮廓预留5～8cm的砼保护层,内外层型钢沿纵向1榀/m相错布置,连接钢筋采用Ø22mm,环向间距1根/m布设两层,两层型钢间布设Ø22mm斜拉钢筋以形成整体受力。为防止砼开裂,在内层型钢表面加挂Ø12mm网片,间距为25cm×25cm。仰拱加型钢支撑,并与衬砌型钢拱架连接牢固。4具体施工方法以李沟dk438和346dk438和380段处理为例4.1确定管道钻孔角度钢管打入角度的确定应根据工作平台的搭设高度、施工器具、净空高度和方便施工综合因素而定,我们定为8°～15°。4.2工字钢导向架的建立钢管的打入方向和角度是保证顺利、快速、安全通过塌方段的前题条件,为此采取了工字钢作为固定钢管方位的导向架。利用支护拱架在工字钢上按间距每20cm用气焊割出钢管能沿一定角度打入时顺利通过的圆孔,见图3。4.3管道连接钢管的打入快慢是决定塌方处理进度的主要决定因素,由于地层为黄土,决定采用风枪打入法。4.4预应力管道设计管棚支护是保证隧道塌方段上方土体不再下沉,因此型钢钢架必须与钢管焊接牢固,在施工中我们采用超前导管,长度为3.0m,排间搭接长度为1.5m,保证拱部上部至少有两层钢管作为超前支护保证支护强度,由于导管施工有仰角,故型钢与导管存在空隙,在施工中我们采取短钢管或短型钢废料,将空隙堵塞,并牢固焊接。见图4。4.5开始钢管反打为保证整个开挖段的净空满足要求,必须对开始钢管打入段进行反打,反打要在保证净空的条件下进行,可利用一榀支护拱架作为导向孔支架,反打后,把影响净空的钢管切掉。4.6型钢拱架与管棚、预应力管道安装为保证上导坑开挖后稳定及下导坑开挖的安全,要对上导坑加强支护。支护采用Ⅰ16型钢拱架,在塌方的头部和尾部各5.0m范围内每30cm一榀,中间地段采用50cm一榀,型钢拱架与管棚牢固焊接。在起拱线处加设Ø100mm钢管水平横撑并焊牢;同时对拱脚部位施工锁脚锚杆,防止下导坑开挖时拱部下沉。见图5。4.7混凝土网喷为保证初期支护具有相当的强度和稳定性,型钢架设后马上进行挂网喷砼25cm厚加以封闭。4.8与钢架焊接,挂网喷清洗下导坑开挖采用左右相错人工开挖,当一边开挖后,马上进行钢架的架设,并与拱脚钢架焊接在一起,边墙安设径向锚杆并同钢架焊接牢固,马上挂网喷砼封闭防护;然后处理另一边。在下导坑开挖分两步进行时,每一步工作完成后,均应加水平支撑以保证稳定,具体施工中我们全断面共设三层水平横撑。见图6。4.9外侧型钢的安装二次衬砌采用Ⅰ16型钢拱架模筑砼初砌,型钢布设成双层,外层紧贴初期支护,内层距衬砌内轮廓预留5～8cm的砼保护层,内外层型钢沿纵向每m一榀相错布置,连接钢筋采用Ø22mm,环向间距1根/米布设两层,两层型钢间布设Ø22mm斜拉钢筋形成整体受力。为防止砼开裂,在内层型钢表面加挂Ø12mm网片,间距为25cm×25cm。仰拱加型钢支撑,并与衬砌型钢拱架连接牢固。5体验和建议5.1隧道埋深、土体结构及老黄土的注意程度,一般在205.1.1黄土质砂粘土及新黄土,以粉土质为主,结构疏松,在隧道洞口地段时,由于浅埋及偏压,加之含水量极小,自稳时间很短,受开挖的扰动后,极易产生坍塌冒顶现象;在埋深较大地段,由于含水量适中,自稳情况略好一些,但也经常沿裂隙面发生坍塌掉块现象,对施工人员危害很大。该地层中的隧道埋深一般在40m左右,受埋深、含水量、土体结构及土体颗粒影响,其发生塑性变形的可能性不大,因而应加强施工支护,减少暴露时间和暴露长度。5.1.2老黄土,以风积为主,粉粒含量大,结构较疏松,节理发育,与其他地区黄土相比,其应为中更新统晚期形成,老黄土中不含古土壤,钙质结构少见。开挖后易沿裂隙掉块,形成局部坍塌,在受外部不利因素影响、含水量较大时,也容易产生坍塌冒顶现象。由于本地区地层结构自上而下为新黄土、老黄土、红粘土和砂泥页岩,位于黄土底部的红粘土为相对隔水层,故老黄土底部含水量大,有1～2.5m的软塑层,此也为本地区滑坡发育的原因。受线路标高控制,许多老黄土隧道中或部分段落(即将进入红粘土或岩石),均出现软塑层,其对工程性质影响很大。因而根据含水量情况对施工支护及衬砌结构的调整是必要的。5.2加强施工用水管理,保持洞内排水通畅5.2.1在黄土质砂粘土及新黄土浅埋地层,如洞口段、沟谷段、偏压段,应采用超短台阶开挖,随挖随支,衬砌紧跟,尽量缩短衬砌与开挖距离,减少围岩暴露时间,必要时设超前支护,以安全通过为主要目的。5.2.2黄土隧道施工时应及时发现一些隐患,如地表对线路有影响的陷穴、陷坑应及时回填;对地形偏压、人工回填土层等时应谨慎施工,洞内施工时应加强施工支护或进行超前支护。5.2.3加强施工用水管理,保持洞内排水畅通。如水池远离线路,以防止成为坍塌的诱因。洞内用水管理有序,排水应畅通,严防软化地基出现坍塌。5.2.4对位于软塑层上的隧道应及时施做仰拱和封闭钢架,并在施工期间加设横撑,特别是隧底部分,防止钢架内移失稳造成坍塌。5.2.5在施做施工支护时,钢架基底应平整压实,设混凝土垫块,并加设横撑。对部分按先拱后墙法施工的隧道,衬砌拱脚也应平整压实,并可考虑设置托梁。5.2.6黄土隧道施工中应及时初喷,及早约束围岩早期变形,在变形未完成时进行初喷,将变形控制在允许范围内。5.2.7按新奥法原理设计的隧道,应按要求进行各项量测,如发现异常应及时通知设计单位