朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策.pdf

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朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策1 朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策2 朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策3 朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策4 朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策5 朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策6
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・隧道/地下工程・朔州隧道设计与施工中遇到的问题及对策于春(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要朔州隧道是准池铁路最长的隧道,从本隧道的地质条件出发,结合工期等要求,论证了单双线隧道方案、隧道采用'IBM掘进机方案及钻爆法方案;并对施工期遇到的进口黄土地层的大变形及侵限进行了原因分析及处理,对I-_硬T软地层及隧道水平岩层的防塌提出了处理及预防措施,以期给类似工程提供借鉴。关键词隧道方案设计大变形侵限中图分类号U452.2;U455文献标识码A——文章编号10094539(2016)Ol一003506CountermeasuresofProblemsEncounteredintheDesignandConstructionofShuozhouTunnelYuChun(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)AbstractShuozhouTunnelisthelongesttunneloftherailwayfromJungartoShenehiSouth.Proceedingfromthe—geologicalconditionsofthetunnelandcombinedwiththerequirementsoftheprojectduration,thispaperdemonstratestheschemeonthetunnelwithsingletrackordoubletrack,theplanofTBMadoptedinthetunnelandtheschemeof—drillingblastingmethod.Anditalsoanalyzeswhatcausesthelargedeformationofloessstratumattheentranceanditstreatmentsduringtheconstructionperiod,andputsforwardthepreventionandtreatmentmeasurestoavoidthecoHapsesofthestratawithupperhardandlowersoftandthetunnelwithhorizontalstrata,withaviewtoprovidingareferenceforsimilarengineering.Keywordstunnel;scheme;design;largedeformation;invasion1工程概况1.1隧道概况朔州隧道地处山西省北部,跨朔州市的平鲁、朔城两区,属中低山地貌。隧道全长11299m,为单洞双线隧道。隧道最大埋深为540m。出口长352.66m位于曲线上,余均为直线。洞内纵坡为基…本对称的人字坡。1.2工程地质概况隧道由进I=I至出口依次穿越地层为:第四系砂质黄土、黏质黄土,寒武系强一弱风化石灰岩,奥陶系弱风化石灰岩夹页岩、夹泥灰岩,奥陶系弱风化——收稿日期:20151105基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发项目(Y2011011)白云岩,寒武系弱风化石灰岩,奥陶系强~弱风化石灰岩夹页岩。隧道区分布有褶皱两处,发育断层7处。不良地质主要为危岩落石、岩溶,特殊岩土主要为黄土,具湿陷性旧J。1.3水文地质特征隧道区地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水、松散岩类孑L隙水。预测隧道正常涌水量2551.1m3/d,最大单位涌水量5102.2m3/d。隧道洞身各级围岩长度情况见表1。表1洞身各级围岩长度统计围岩级别Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级长度/m2875485523351234比例/%25.443.020.710.9铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(01)万方数据・隧道/地下工程・2主要方案设计萦鑫裳凳霍至箸蒿喾霎霪喜薹三鬻票盏釜翳2.1特长隧道单、双线方案设计双线方案主要工程投资可省68340.69万元,经综结合工期、施工工艺,从线路接线条件、地质条合考虑,推荐朔州隧道采用一座双线隧道方案。单件、施工难易、运营、防灾救援、工程投资等多方面双线方案比较见表2。表2单、双线隧道方案比较比较项目一座双线隧道两座单线隧道两端接线不需要过渡,便于线路布置,出洞后小北岔桥施工技术较需设过渡段(线间距4.0~35.0n1),出洞后小北岔桥施工相对条件为简单复杂工程难度软弱破碎围岩段施工难度较大小间距隧道段、燕尾隧道段施工困难,其他地段施工难度较小运营通风无法形成活塞风,需在天窗时间双线隧道进行换气通风,列车单方向运行,活塞风效应明显,可利用活塞风,通风能耗相及照明通风能耗相对较大。仅一座隧道需固定照明,照明能耗低对较小。两座隧道均需设置固定照明,照明能耗较高当洞内发生列车脱轨或其他事故时,可能影响两条线路运若一隧道发生事故,可以保证另一条线路的运营,同时两洞互为防灾救援营,一旦隧道内发生事故,救援难度大疏散通道,逃生救援较有利辅助坑道辅助坑道设置相对较少辅助坑道设置较多。施工组织复杂工程投资投资相对较低投资相对较高2.2TBM掘进机施工方案基于隧道施工总工期24个月的要求,开展了TBM掘进机方案研究。结合隧道洞口场地条件、运输便道引入条件、隧道穿越的地质条件及地下水情况,着重分析了地层岩性、岩石的完整性及岩石单轴抗压强度、区内不良地质构造等,得到本隧除进口黄土段及洞身穿越断层带外,其他地段可以采取TBM掘进机施工。经比选,拟采用开敞式全断面隧道掘进机,开挖直径约11.56m【3J,全断面一次成型,以实现快速掘进,充分发挥掘进机的优势。2.2.1TBM施工进度指标TBM施工进度指标,根据岩石的抗压强度、节理裂隙发育程度、岩体完整程度等,并结合秦岭隧道、磨沟岭隧道、桃花铺隧道及中天山隧道TBM掘进机的应用情况确定HJ,具体指标见表3。表3TBM掘进机施工采用的进度指标m/,q\指标Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级备注项目~\围岩围岩围岩围岩全断面开挖及初支500500350衬砌及二衬滞后TBM掘进450450350仰拱填充开挖300in2.2.2TBM掘进机方案结合现场地形、地质情况,结合工期要求,按隧道进口洞身穿越砂质黄土、碎石土的地层条件较差铁道建麓技术及洞身断层破碎带段采取钻爆法施工的原则,分别研究了进口一台TBM联合钻爆法方案、进出口各一台TBM联合钻爆法方案,具体比较情况见表4。表4钻爆法、TBM法方案对照项目工期/月投资/万元钻爆法方案2462740.371台TBM方案23.387884.872台TBM方案23113563.37可见,应用钻爆法施工断层破碎带及围岩较差的洞口段,有效规避了TBM穿越断层带的风险,确保了施工进度及工期,采取TBM方案是可行的。但根据本工程地质条件和工程特点,TBM工法在工期方面没有明显优势,投资增加也较多,且国内大直径TBM施工经验较少,不确定性增加,反而带来更多的风险。而钻爆法施工方案工法转换灵活,适宜于各种地质条件,在安全和施工进度方面的风险是可控的,且投资最省,因此,推荐采用钻爆法施工。2.3钻爆法方案施组设计根据建设方要求,鉴于本隧道特殊的地形、地质条件,兼顾弃砟等要求,从初步设计到施工图阶段,设计分别开展了建设工期为3.5年(隧道工期30个月,设置3座无轨运输斜井)、2.5年(隧道工期24个月,设置4座无轨运输斜井)以及2年实现RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(01J万方数据・隧道/地下工程・简易通车(隧道工期22个月,设置5座无轨运输斜井)的施组研究。通过系统的方案研究,并通过多次专家审查,施工图设计中本隧道采取了设5斜井(见表5)的钻爆法方案,以达到2年实现简易通车、实施临管运营的目的。表5朔州隧道辅助坑道设计方案(2年实现简易通车)斜井名称线路关系交点里程平面交角综合纵坡/%运输方式断面类型平长/m1#枭3c井线路左侧DKl31+1504009.02无轨运输双车道l0452#索}井线路左侧DKl32+900’52。129.25无轨运输单车道19703艨}井线路右侧DKl35+050’530509.2无轨运输双车道17704#斜井线路左侧DKl36+400’87。446.3无轨运输双车道16705#斜井线路左侧DKl38+200’590549.1无轨运输双车道7ll3.2洞口设计余段均采用喷锚支护一1。“”根据早进晚出的设计理念合理确定洞El位3.7施工工法置,对边、仰坡开挖高度进行严格控制。边仰坡开隧道按新奥法原理组织施工:lI级围岩段采用挖后采取喷锚加固、浆砌片石护坡或骨架护坡防ⅢⅣ全断面法,级围岩段采用台阶法,级围岩段采护,以确保边坡稳定及施工安全。用台阶法或正台阶临时仰拱法;V级围岩段采用三3.3隧道衬砌结构设计台阶临时仰拱法或CRD法;1V级围岩风机段采用环(1)隧道暗洞段均采用曲墙断面的复合式衬形开挖预留核心土法哺JⅡ砌,级围岩段采用拱墙衬砌+钢筋混凝土底板,3.8运营通风其余地段均采用拱墙衬砌+仰拱,根据围岩条件对本线为运煤专线,设计近期不考虑设置通风设衬砌及仰拱进行配筋设计。明洞段采用整体式备,仅在出口IV级围岩地段衬砌预留射流风机安装衬砌。土建条件。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(ol1硐万方数据・隧道/地下工程・4施工中遇到的问题处理4.1进口段大变形及侵限处理隧道进口DKl28+832一DKl28+856段地表左低右高,沿隧道纵向呈阶梯形。拱顶覆土厚约30m,穿越地层为第四系黏质黄土。原设计该段隧道拱部设蝉2mm超前小导管,初支全环设120a钢架,间距0.6m/榀;喷C25混凝土厚27cm,二衬采用全环厚50cm的钢筋混凝土结构。三台阶临时仰拱法施工。开挖揭示该段隧道黏质黄土的含水率在23%以上,呈松软结构、局部受地表水下渗影响,呈软塑~流塑状,自稳能力差,竖向节理发育,节理面多呈光滑状,分布不均,如图2、3所示,开挖过程中拱腰、边墙崩塌、滑塌现象严重,监测支护变形大,地表出现多条贯通的横、纵向裂缝。为确保安全施工,将,I,42小导管环向间距调整为25cm,初支设双层120a型钢钢架,钢架纵向间距为0.6m;设两层掷mm钢筋网;锁脚锚管增加至24根,下倾角按不小于450打设;钢架每个拱(墙)脚处增设锁脚固定钢板。图2进口松软状黏质黄土图3进口软~流塑状黏质黄土实际施工中因未严格按变更后的要求施作,在施工至DKl28+838时,洞内出现初支喷砼严重开裂、剥落,部分钢架处初支出现错台,沉降变形明显,同时地表出现凹陷现象,并伴有多条纵、横向裂缝。洞内初支喷混凝土剥落及错台如图4、5所示。图4初支喷砼开裂、剥落图5初支钢架处混凝土沉降错台铁道建筠技术既往的黄土隧道修建经验表明,当隧道埋深较浅时,难以形成常规意义上的坍落拱,开挖后地表反应明显,将在周边以一定的破裂角延伸至隧道两∽侧及掌子面前方地表,隧道受力呈现三维状态J。后续的开挖进一步产生对地层的扰动,再加上支护立架时间较长、支护不及时,未施作临时仰拱、支护未及时封闭成环、变形不能及时抑制,最终致使围岩内部应力松弛过大,再加上地表水的下渗,润滑了结构面¨0|,加速了沉降变形,造成本段隧道即便采用双层钢架支护也还是发生了大变形侵限现象。4.1.1侵限后的应急对策侵限后及时利用隧道弃砟进行洞内反压回…填J,以抑制隧道及周边围岩的进一步变形。4.1.2洞内综合处理措施(1)地表根据裂缝的发展情况,沿地表裂缝开挖适当大小的沟槽,采用三七灰土分层夯实,并做成高出原地面的凸起以利排水。(2)对DKl28+828一+832已施作仰拱、拱墙初支未侵限段,实施拱墙初支背后围岩径向注浆加固,蝉2mm注浆小导管长L=3m,间距为1.0m(环向)×1.0m(纵向),梅花形布置。(3)换拱前对侵限段已施作的初支背后实施径向注浆加固,加固圈为3m。注浆加固完成后,对DKl28+832一+856段进行逐榀换拱,采用125a型钢,纵向间距为0.5m;设邮mm钢筋网,尺寸为20cmx20cm;钢架在拱腰、边墙节点处设[12.6纵向连接槽钢加强;钢架环向担2mm的纵向连接筋加密至50cm;C25网喷射混凝土厚32cm。拱脚、墙脚处设R51N自进式锁脚锚杆注浆加固。按双侧壁导坑法施作临时支护。(4)换拱段拱部超前支护采用巾89mm管棚进行注浆加固,管棚环向中对中间距为30cm,外插角5。一10。,每12m设置一环,纵向搭接长3m;拱部1800范围设L=5m长蝉2mm超前小导管进行补充注浆,与689mm环向管棚交错设置。(5)掌子面正面采用蝉2小导管进行超前注浆加固,小导管单根长4.0m,间距为1.0mx1.0m,梅花形布置。目前,隧道贯通已有2年有余,经半年多的运营融『LWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016f07J万方数据・隧道/地下工程・实践证明,该段隧道的处理措施是可行的,未发现衬砌开裂等病害问题。4.2上硬下软地层处理本隧道的洞身深埋地段,原设计地层岩性为石Ⅱ灰岩、泥灰岩,岩体结构完整,弱风化,为级围岩;设计采取了曲墙带钢筋混凝土底板结构。实际开挖揭示隧底为泥灰岩、石灰岩夹泥灰岩,石灰岩多溶蚀裂隙发育,且裂隙间多充填黏性土,如图6、7所示,泥灰岩在有水的情况下,手捏即碎,在载荷运输车辆的反复碾压作用下,基本呈泥状。●图6基底泥灰岩图7基底左右软硬不均鉴于本线为重载煤运铁路,为避免运营期间出现底板翻浆冒泥等病害,对所处该类地层段的隧道铺底进行了变更处理。对于隧道边墙以下出现类Ⅲ似地层情况的,进行了围岩级别变更处理,按级围岩衬砌施作隧道仰拱;对于实际开挖揭示上部大Ⅱ断面为级围岩、而轨面以下为泥灰岩、石灰岩夹Ⅱ泥或左右侧岩性不一的情况,将原设计级围岩钢筋混凝土底板结构调整为增设仰拱结构。4.3水平岩层的防塌处理朔州隧道洞身穿越岩层主要为沉积岩类,受沉积作用的影响,岩层厚薄分布不均,局部受岩溶溶蚀、构造应力影响,以及节理、裂隙等结构面的切割作用,如图8、9所示,隧道拱部顶板在开挖爆破后形成临空面,极易发生顶板断裂【I2|、坍塌现象。图8拱部水平薄层状岩体图9拱部节理裂隙岩体针对此类地层,设计贯彻了新奥法的设计理念,尽可能减少对围岩的扰动,建议施工实施光面爆破,对于拱部建议采取局部加密炮眼,不断试验、优化爆破设计参数。同时,支护充分利用锚杆的悬吊作用,尽可能将锚杆沿垂直岩面方向打人,优化边墙锚杆设置。5结束语准池铁路朔州隧道是本线最长的隧道,也是本线的重点控制性工程,工期问题贯穿了整个勘察设计阶段,从最初的3年半建设工期的3斜井方案,到要求22个月完成隧道贯通、具备铺轨条件的5斜井方案,并论证了隧道单双线方案、TBM掘进机方案。该隧道于2013年5月8日土建贯通,2014年底顺利开通运营,目前整体运营状况良好。施工期,在建设、设计、监理、施工单位的共同参与下,克服了一些难点、得到一些认识,以供参考。(1)黄土隧道的设计与施工应充分重视地表的冲沟、陷穴,尤其是浅埋黄土隧道,地表冲沟、陷穴造成隧道的不均衡受压极易使隧道出现初支大变形、甚至塌方冒顶;要重视对黄土物性的掌握,结合监控量测,有针对性地采取措施;黄土隧道施工应重视工法与支护措施的相结合,应认真贯彻新奥法的理念,充分保护、爱护围岩,此类地层中应认真、稳妥地做好每一步工序,不宜过度地追求进度,而忽视施工工法、忽视支护与工序的协调相关性。(2)对于深埋隧道受地质构造作用而形成的下半断面挤压破碎带、灰岩地段的岩溶溶洞及充泥、夹泥裂隙岩体以及上硬下软地层,考虑重载铁路的特点,为减少运营期的病害,有必要对基底进行加强设计处理,或结合断面范围围岩分布情况进行围岩降级处理。(3)水平岩层段,受岩层厚薄、节理裂隙切割等影响,顶板易坍塌,施工中通过严格控制爆破工艺,不断试验并优化拱部爆破设计参数,针对拱部岩体节理、裂隙的发育情况,及时给予拱部施作双层钢筋网、加大喷射混凝土厚度、施作拱部格栅钢铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(01)39万方数据・隧道/地下工程・架支护等措施,以确保施工快速、安全地通过此类[5]铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册:隧地层。—道[M].北京:中国铁道出版社,1999:1621...[6]铁道第二勘察设计院.TB—100032005铁路隧道设参考文献计规范[s].北京:中国铁道出版社,2005:83:93.[1]中铁第五勘察设计院集团有限公司.新建铁路大准至[7]于春.浅谈朔州隧道辅助坑道方案设计[J].铁道建筑朔黄铁路联络线施工图设计:朔州隧道[R].北京:中技术,2012(S2):144一147.—铁第五勘察设计院集团有限公司,2011:320.[8]中铁一局集团有限公司.TZ—2042008铁路隧道工程施[2]中铁第五勘察设计院集团有限公司.新建铁路大准至朔工技术指南[s].北京:中国铁道出版社,2009:23-35.黄铁路联络线补充定测:朔州隧道工程地质报告[R].北[9]赵勇,李国良,喻渝.黄土隧道工程[M].北京:中国铁—京:中铁第五勘察设计院集团有限公司,2010:215.—道出版社,2011:6090.[3]中铁第五勘察设计院集团有限公司.新建铁路大准至[10]许健赋.微地质构造与神延铁路黄土隧道塌方关系研朔黄铁路联络线:朔州隧道缩短工期方案研究报告究[J].铁道建筑技术,2009(5):43-53.[R].北京:中铁第五勘察设计院集团有限公司,[11]郭明亮.隧道塌方原因剖析及工程对策[J].铁道建筑—2010:220.—技术,2011(7):5659.[4]陈馈.TBM在铁路隧道施工中的应用前景[J].建筑机[12]粟斌.冒天山隧道水平岩层稳定性分析及施工措施—械,2006(8):1417.—[J].铁道建筑技术,2010(3):4952.‘’—‘’—’‘——‘—‘————————。卜。卜一_。卜一卜。卜一卜一卜-+-++一+一+一+一++一+・+一++一+-+一+一+-+一+-+一+一+-+一+-+一+一++一+-+一+一+一+一+++-++一+.(上接第16页)[9]规范编制委员会(AFNOR).NF/P—94074土壤勘察参考文献和试验:三轴试验[S].巴黎:法国道桥出版社,1994:13.—阿尔及利亚铁路运输局.SN.r!百/RT/Ch7.2.22005[10]规范编制委员会(AFNOR).NF/P——944101石物铁路技术规范第六卷:几何线型[S].阿尔及尔:阿尔理特性实验第一部分:岩石含水量的测定[s].巴黎:及利亚铁路运输局出版社,2005:5.法国道桥出版社,1994:7.阿尔及利亚公共工程部.DTR/RPOA一2008阿尔及[11]冯树仁,丰定详.边坡稳定性的三维极限平衡分析方利亚抗震规范[s].阿尔及尔:阿尔及利亚国家抗震研法及应用[J].岩土工程学报,1999(6):38.—究中心出版社,2008:1516.[12]赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求汤怀珍,李法昶,张增淮,等.铁路工程地质手册[M].边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002(3):20.北京:中国铁道出版社,1999:80.[13]廖红建,韩波,殷建华,等.人工开挖边坡的长期稳定—法国铁路运输局.SNCF/IN32782006高速铁路实性分析与土的强度参数确定[J].岩土工程学报,2002施技术指南土木工程第二卷:土方工程[s].巴黎:国(5):18.家铁道出版社,2006:88.[14]叶华成.水对边坡稳定性影响的研究[J].路基工程,—阿尔及利亚铁路运输局.SNTF/RT/Ch7.2.220052005(5):8.铁路技术规范第七卷:土方工程[s].阿尔及尔:阿尔[15]张力.预应力锚索结合全粘结锚杆在高边坡处理中应及利亚铁路运输局出版社,2005.用[J].铁道建筑技术,2014(4):2.叶啸敏.铁路高边坡防护与整治[J].铁道建筑技术,[16]规范编制委员会(AFNOR).NF/P94一拥土工地质计2012(9):1.—算:支档结构[s].巴黎:法国道桥出版社,2009:2122.法国道路与桥梁中心实验室.LCPC/RT/SR一2001岩[17]邹元红.岩质边坡可能的失稳判断方法[J].铁道建石的不稳定性[S].巴黎:法国道桥出版社,2001:65.—筑技术,2009(8):12.规范编制委员会(AFNOR).NF/P—94072土壤勘察[18]法国道路与桥梁中心实验室.LCPC/RT/SP一2001和试验:室内剪切试验[S].巴黎:法国道桥出版社,土钉墙防护工程调查与研究[s].巴黎:法国道桥出版1994:5-6.—社,2003:105108.铁道建筑技术/:1,4//_WAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(01)]]]]]jnvI二心口H陋∞口哺4万方数据
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