高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施.pdf

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高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施1 高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施2 高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施3 高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施4 高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施5
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———文章编号:10094539(2018)增2013704・隧道/地下工程・高地应力软岩单线铁路隧道施工病害分析及其处理措施张贺伟(中铁十六局集团第三工程有限公司浙江湖州313000)摘要:深埋软岩隧道由于围岩流变的特殊性质,易引发一系列工程问题。结合建设中的丽香铁路工程,就高地应①②力软岩单线铁路隧道在薄片状炭质板岩中遇到的病害进行分析,主要包括:系统锚杆拉力很小或出现压力;拱③④⑤⑥顶掉块、边墙侵限;上台阶掌子面不稳定;喷射混凝土高粉尘、低强度;钢架扭曲变形;顺层偏压。对这些病害进行机理分析与研究,最后提出了利用高地应力软岩流变性质的锚注网喷联合支护措施,效果良好。关键词:软岩高地应力施工病害联合支护中图分类号:U457+.2文献标识码:A—DOI:10.3969/j.issn.10094539.2018.S2.036AnalysisandTreatmentMeasuresforConstructionDiseaseofSingleLineRailwayTunnel稍thmghCrustalStressandSoftRockZhangHewei(ChinaRailway16山BureauGroup3一EngineeringCo.1ad.,HuzhouZhqiang313000,China)Abstract:DuetothespecialnatureofthedI耐ogicalsurroundingrock,seriesofengmee血gproblemsWE'I'eeasilyencounteredintheconstructionof—deepburiedsoftrocktunnel.CombinedwiththetunnelsconstructionontheLi-xiangRailwayline,theproblemscausedbyhighcrustalstressandslicedcarbonaceousshtewereanalyzed,mainlyincluding:firstly,smalltensionorcompressionofthesystemanchorbolt.Secondly,thevaultfalling,sidewallinvading.Thirdly,instabilityoftheworkingfacesatupperstage.Fourthly,hishdustandlowstrengthofshoterete.Fifthly,distortionofthesteelframe.Sixthly,unevenrockpressureoflayeredstrata.Atlast,thecombinedsupportmeasuI'eSofanchorage,shotcretingandgroutingwereputforwardtocontrolthelargedeformationofthetunnelintherheologicalrockunderhishcrustalstress.Keywords:softrock;highcrustalstress;constructiondisease;combinedsupperting1引言近年来随着铁路项目建设的提速,隧道工程越来越多,施工中受地质因素影响导致初支变形现象也越发严重。深埋隧道由于存在高地应力,软岩大变形引起的破坏严重,已经成为困扰隧道施工的重…大难题之一。软岩强度低,对工程活动敏感,其变形除了弹——收稿日期:20180305作者简介:张贺伟(1982一),男,工程师,主要从事桥梁、路基及隧道工程施工与管理工作。铁道建翁技术RA『LWAyCO ̄S丁开L,C丁『CWTECHNOLOGY塑性变形外,还具有长期的流变性质,同时围岩发生断裂、损伤、挤出和膨胀破坏往往同时发生。高地应力作用下,其变形具有量级大、发展迅速、时间长、松动圈大、压力分布不均和破坏类型复杂的特点。丽香铁路是滇藏铁路的重要组成部分,正线全长139.666km。线路多个隧道出现高地应力软岩大变形现象,其中长坪隧道正线全长9523m,最大埋深1155m,围岩以薄层状炭质板岩、千枚岩为主,褶皱发育,岩体极破碎,产状紊乱,见风见水易软化,属于极软岩,为V级围岩(见图1)。地应力以水平构造应力为最大主应力(与隧道轴线大角度相2018l增2l137万方数据・隧道/地下工程・交),最高水平地应力25.09MPa。现场测试揭示围岩黏聚力为215kPa左右,内摩擦角为17。左右。一图1掌子面地质情况长坪隧道与国外的陶恩隧道、阿尔贝格隧道,国内的家竹箐隧道、乌鞘岭隧道、大梁隧道和木寨岭隧道等,均属于以挤压变形为主的高地应力软岩隧道。该隧道采用微台阶法施工,能够实现初期支护尽早封闭成环。但施工过程中仍然出现如支护侵限、喷层开裂脱落、钢架扭曲、掌子面坍塌等病害。本文就上述施工病害进行研究,分析其机理并讨论相应的控制措施。图2为病害照片,图3为本标段大变形IIA型衬砌断面图(试验段).图2初期支护钢架扭曲失稳图3大变形IIA型衬砌断面(单位:cm)138铁道建筑技术2高地应力软岩隧道施工病害机理分析及其处理措施2.1系统锚杆拉力很小或出现压力系统锚杆的本质是锚杆与锚固区的围岩相互作∞用组成锚固体,形成完整协调的承载结构J。围岩破碎、强度低、黏聚力差,爆破后掌子面围岩松动圈有5—6m,而锚杆长度仅有3.5~4Ill,小于围岩松动圈,因此锚杆难形成有效锚固段。初期支护刚度高于围岩,因此,相对于围岩的收敛,锚杆受到初期支护的支撑,故锚杆会受到围岩收敛下的负摩阻力,因而锚杆拉力很小或出现受压,起不到应有的作用旧。4J。现场试验揭示:边墙处的锚杆轴力为较大的拉应力,拱部锚杆轴力很小或为压应力,两者受力有很大区别。∞根据相关研究J,软岩中可以利用锚杆注浆加固,提高围岩的内聚力,降低承载拱高度。单独的系统锚杆在拱部不发挥作用,建议取消或减少系统锚杆。我国规范目前主要采用工程类比法设计,传统上要采用大量的系统锚杆,一方面会造成浪费,另一方面破坏了原有围岩的整体性。拱部中空锚杆减少或取消,以利于初期支护及早闭合;上台阶锁脚锚管应加强,以减小上台阶初期支护脚部悬空而导致的下沉。上台阶锁脚锚管主要作用是作为下台阶开挖过程中的支撑,起着钢架支座的作用,承受上台阶钢架底部传来的荷载;而墙脚锁脚锚管主要是支护封闭之前,克服侧墙对钢架的挤压作用,以受拉为主。因此,上台阶锁脚锚管应向下倾斜30。一45。设置,并在锁脚部位强化围岩的抗压性能。锁脚锚管向下倾角为10。一200,加长至松动圈之外,日.做到强锚固,钢架用锚板或钢带锚固,避免使用L形钢筋焊接。施工中,应保持洞内地下水排水畅通,避免地下水汇集引起基础软化而导致支护结构变形失稳旧o。2.2拱顶掉块、边墙侵限(见图4)据既有监控量测成果数据分析,隧道洞内图4拱顶喷射混凝土挤压脱落RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018t增2l万方数据・隧道/地下工程・初期支护变形大多表现为水平收敛较大,拱部下沉量较小。水平地应力大,且与隧道轴线大角度相交,实际上等于作用在边墙上的水平压力大。隧道开挖后,洞室表面径向应力为零,切向应力高度集中,随后向围岩内部逐渐过渡到原始应力状态,洞室表面由初始的三向应力状态转化为二向应力状态,加之隧道跨高比小,隧道以边墙向内挤压变形为主,拱部沉降小,甚至可能隆起。虽然增大边墙曲率和加大钢架型号提高了支护结构的承载能力,但在极高水平地应力下,变形仍然难以控制在理想范围之内,如在上台阶和下台阶钢拱架连接处张开,则易导致边墙收敛侵限,混凝土开裂等病害(见图2),应依照软岩大变形处理的核心理念来提高围岩的自承载能力,采用中空注浆锚杆技术,在变形难以控制的地段形成封闭的承载圈,或者通过在边墙设置数道长锚杆(索)减小拱架的受力跨度。2.3上台阶掌子面不稳定掌子面及其前方核心土的稳定是软岩隧道大变形控制的重点。采用上、下台阶同步开挖和支护的微台阶法施工,很好地控制了整个掌子面的稳定,但由于围岩强度低、节理发育、遇水见风易软化,掌子面纵向水平地应力以及超前小导管施作对拱部围岩松动等原因,导致上台阶容易发生塌方失稳,影响到整个隧道围岩的稳定,因此上台阶掌子面稳定是关键控制点。加长拱部超前小导管的长度,对拱部超前小导管进行注浆,这样既减小了掌子面核心土的上覆荷载,又增强了拱顶围岩的承载力。如果超前小导管注浆控制不住上台阶掌子面稳定,可对上台阶掌子面正面超前预注浆或打设正面锚杆。应用超前钻探预报法掌握前方掌子面的情况,并钻孔将前方核心土中的裂隙水引出,在上台阶掌子面水平钻一个孔,在下台阶掌子面水平钻两个孔,呈三角形布置,孔深30m。2.4喷射混凝土施工刺鼻辣眼、粉尘高、强度低作为新奥法最基本也是最重要的技术,喷射混凝土能适应较广泛的地质范围。其最大特点是与开挖面密贴,具有施工快速、早强等优点,在提高围岩自承载力方面具有独特的优势,对减小围岩风化也有一定效果。尤其对于深埋软岩隧道,初期支护喷射混凝土的质量起着至关重要的作用。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY对喷射混凝土来说,后期强度随着速凝剂用量的增加而显著降低。目前,普遍存在速凝剂用量严重超标,导致喷射混凝土强度不足,且喷射混凝土过程中产生刺鼻辣眼的气味,其原因在于速凝剂生产的过程中工艺水平不高,往往需要加入氟化合物和乙醇胺等作助剂一。10|。长期反复接触二乙醇胺损害肝肾,短期内吸入氟化钠会引起呼吸道症状,长期吸人导致氟骨症。这些有毒化合物可以改善速凝剂的稳定性和使用效果,但严重污染环境,在喷射过程中产生刺激性有毒化合物进入空气中,影响到施工人员的健康和生命安全。因此,应引入低粉尘、低回弹、高强无毒的速凝剂。2.5钢架扭曲变形由图2看出,边墙钢架发生非常严重的扭曲变形,导致支护侵限。钢架扭曲变形是隧道围岩变形以及支护结构受力反应的一个外在表征,其变形机制及形成条件受多方面因素的影响。从围岩本身的性质来说,软岩的自身承载力低,且具有明显的流变特性,松弛压力和形变压力均较大。从支护手段上来看,初期支护主要采用125b工字钢加喷射混凝土,工字钢平面外刚度远小于平面内刚度,岩层为薄片状结构,且顺层偏压,导致爆破难以控制,超挖严重,喷射混凝土难以填塞钢架与围岩之间的空隙,未做到与围岩全面紧贴,存在局部受力不均的情形。钢架之间的喷射混凝土强度低,围岩变形时,先与钢架受力且破坏,失去了对钢架的平面外约束,加之钢架纵向仅仅以钢筋连接,易发生平面外扭曲失稳。此外,钢架连接不牢和安装偏心也是导致钢架扭曲失稳的一个重要原因,据既有监控量测数据分析,各隧道洞内初期支护变形速率突变多发生于工序变换时(开挖下台阶或仰拱),此时上台阶拱脚未能得到有效支撑及约束,在水平高地应力作用下,上部钢拱架发生向内挤压变形,往往导致钢架连接板无法有效连接。光面爆破技术在软弱围岩中的实施,尽管不能像硬岩中可以得到良好控制,但亦根据结构面发育特点,合理确定爆破参数,减轻爆破振动对围岩的扰动,光面爆破是控制软岩隧道超欠挖和减小爆破对围岩扰动影响的重要手段之一¨1I。因此应充分利用光面爆破新技术,积极开展光爆试验,达到控制超挖的目的。2018(J82)139万方数据・隧道/地下工程・喷射混凝土应先喷射钢架背面,再喷射钢架与钢架中间的区域,并采用分层分片施喷,在困难的部位设置垫块,确保钢架和围岩的密贴;增加钢架的纵向连接刚度,以增强钢架平面外稳定性;选用高性能速凝剂以提高喷射混凝土的强度,增强对钢架的平面外约束。2.6顺层偏压本项目地层存在典型的顺层偏压现象,且结构面倾斜角度多变。如图5所示的结构层面,在隧道开挖过程中,左侧拱肩频繁发生超挖以及小塌方现象。从图中可以看出,隧道表面,or。》矿,,在左拱肩,高度集中的or。遇到弱结构面,结构面有相对滑动的趋势。or,沿隧道径向逐渐增加,使抗弯强度极低的薄片状围岩发生弯曲破坏;在右侧,or。强化了结构面之间的结合,同时增加了结构面的承载力。所以在如图顺层偏压地质条件下,左侧拱肩容易出现超挖现象,应根据地质特点,调整施工工艺,采用非对称的开挖方法和支护措施。图5顺层偏压围岩受力示意3锚注网喷联合支护措施由于软弱围岩的流变性质,在隧道开挖后地应力初期释放,主要是表层塑性圈内的应力释放。初支封闭后地应力进一步释放,主要是深层塑性圈应力释放,并以形变压力为主。塑性圈的形成和扩展有时间和空间的效应,从掌子面前方的预收敛开始到围岩变形趋于稳定,逐渐加厚。软岩大变形控制的目的在于把变形控制在一定的范围内,既要达到部分的应力释放,又让支护措施的支护能力与围岩的稳定相耦合¨2J,为二次衬砌留下充足的安全储备。图6所示方案考虑到本项目掌子面裂隙水不发育,隧道断面小,通过微台阶开挖掌子面能基本稳定,结合监控量测信息和施工步序,分析围岩收敛的时空效应,在目前的实际施工(大变形HA及微台140铁道建筑技术阶法)的基础上,考虑新意法和新奥法的核心理念,综合运用锚注网喷技术形成。初步的目标是:从开挖到初支封闭过程收敛值控制在预留量的40%内。在初期支护封闭后通过径向注浆,形成封闭承载圈;通过设置长锚杆(索),控制应力释放,力争收敛值控制在预留量的70%内。围岩稳施作二一口●.陉向注浆形成承载圈超前小导管注浆、●●‘‘‘‘-。・..:………||袋l…{|Il麟长锁脚锚管(索卅嗍瓣封闭黼卡:锁脚锚管(索).川。ttttttttttt’‘’径向注浆形成承载匿.。:.图6锚注网喷支护措施示意关于高地应力单线铁路隧道锚注网喷联合支护措施的几点说明:(1)围岩大变形的原因多种多样,出现的部位复杂多变。因此,方案的选择不是固定不变的,需要分析大变形的原因和趋势,从结构和围岩两方面有针对性的采取措施。锚注网喷四项技术不是同时采用,也不是隧道所有部位全面使用,而是根据围岩变形及支护结构的功能特点灵活组合,做到支护结构和围岩变形之间相匹配。(2)对监控量测的结果进行分析,寻找收敛突变的时空效应,是综合支护措施的一个重要前提。(3)锁脚锚管对拱脚稳定的重要性不容置疑,锁脚锚管必须与地质条件适应并做到可靠锚固,拱脚应设置垫板或喷混稳定,上台阶锁脚与墙角处的锁脚受力特点不同,应分别施策。(4)本工程为单线铁路隧道,断面小,支护手段上除了传统的钢拱架喷混支护外,控制变形的重要手段是长锚杆(管、索、桩)和围岩注浆,因此需要配置小巧便捷的锚杆钻机和注浆设备。(5)高性能的喷射混凝土是高地应力软岩隧道变形控制的基础,在围岩初期变形控制中发挥核心作用,为采取锚注等其他措施提供空间和时间,应引起特别地重视。(下转第163页)RAlLWAYCONSTRUC丁『ONTECHNOLOGY2018I增21万方数据・隧道/地下工程・洞隧道口顺层滑坡影响施工近1个月工期;由于施工过程中采取了一系列技术创新措施,隧道施工一直进展较为顺利,目前该项技术应用在石黔项目其他隧道施工中。(1)运用数值模拟和现场测试等手段对软弱围岩的开挖方法进行对比研究,提出并实施在超前支护Ⅳ条件下级围岩全断面开挖方法,加快了施工进度。(2)通过对软弱围岩全断面开挖光面爆破参数的优化,获得了循环进尺3.1m、炮眼残留率达到85%以及最快进度达到140rn/月的显著成果。(3)提出并优化了更为方便施工节段格栅钢架施工技术,适用两侧分别拼接到位后向中间合龙,中间拱部一个接头,联接方便,加快拼装施工进度,获得了每榀钢架安装节约时间30min以及单循环钢架安装缩短时间90rain快速支护效果。(4)针对洞口顺层滑坡带施工难题,提出了灵活采用接长套拱加固技术,解决了处理洞口滑坡体影响正洞掘进施工的难题,保证了隧道施工安全和正常施工进度。参考文献[1]中国人民共和国交通运输部.公路隧道施工技术规范:(上接第140页)4结论论文结合丽香铁路高地应力软岩单线铁路隧道大变形施工中发生的若干病害,分析了病害的主要机理及其控制措施,提出了适合深埋软岩隧道大变形的支护措施,其核心思想是充分考虑岩体的流变性质,对隧道施工程中的变形进行充分地时空效应分析,以提高围岩的自承载力为出发点和落脚点,采取锚注网喷的联合支护措施。参考文献[1]邹狮,王超朋,张文新,等.兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究[J].隧道建设,2010,30—(2):120124.[2]刘健,仲奇,岳秀丽,等.隧道锚杆支护的力学性能分—析[J].铁道建筑技术,2017(9):1922.[3]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人铁道建簏技术PlAIIWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGYⅡG—F602009[S].北京:人民交通出版社,2009:13.[2]张雷.软岩隧道大断面施工方法[J].工程技术,2016—(58):140141.[3]史国庆.隧道开挖引起软岩地层位移变化规律研究—[J].市政技术,2014,32(3):8487.[4]杨家松.大断面软岩隧道钻爆法开挖技术分析[J].路—基工程,2013(4):158161.[5]李清龙,邓辉,杨秀程.缓倾岩层隧道塌方机理及围岩—稳定性分析[J].铁道建筑技术,2015(2):4750.[6]刘广民.软岩隧道变形特征及控制对策研究[D].北—京:中国地质大学,2013:101104.[7]隋广余.大断面光面爆破在软岩公路隧道施工中的应—用[J].山西建筑,2008(33):317318.[8]黄雄军.长大铁路隧道大断层注浆段控制爆破技术[J].铁道建筑技术,2017(7):111一114.[9]冯成军.大断面软岩隧道开挖支护施工技术[J].建筑与文化(学术版),2013(5):135.[10]钟祺,王小龙,何金宝.大断面软岩隧道双层初期支护—分部施工技术[J].施工技术,2016,45(1):9294.[11]薛兴伟.高地应力强膨胀性泥灰岩隧道多层拱架支护—施工应用研究[J].铁道建筑技术,2017(8):7779.[12]母元林.大跨度软岩隧道快速施工技术[J].现代隧道—技术,2011,48(5):125128.民交通出版社,2010.[4]陈建勋.黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用[J].中—国公路学报,2007,20(3):7175.[5]吴金刚,陈仁东,杨冰,等.公路隧道预设计中系统锚杆配—置范围的研究[J].土木工程学报,2012(2):147154.[6]万碧丰.滇西地区隧道软弱围岩施工技术[J].铁道建—筑技术,2017(10):7779.[7]杨力远,田俊涛,胡小峰,等.新型无碱液体速凝剂的制—备与性能研究[J].新型建筑材料,2017(5):2932.[8]赵强.铝酸盐液体速凝剂母液合成试验研究[J].科技资讯,2009(15):10一11.[9]张丰,蔡跃波,丁建彤,等.新型无碱液体速凝剂性能及作—用机理分析[J].水电能源科学2017,35(5):140144.[10]马强,张乐,李晓飞,等.ANS无碱液体速凝剂的研制—与应用[J].建筑技术开发,2012,39(11):3739.[11]黄福波.软弱及破碎围岩隧道光面爆破技术探讨[J].—铁道建筑,2006(9):3234.[12]王祖和,李海霞,修瑛昌,等.深部岩巷极破碎围岩成套—耦合支护技术[J].土木工程学报,2015(8):96101.2018l增2)163万方数据
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