資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。峽口高地應(yīng)力軟巖隧道施工技術(shù)作者李曉燕(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司,重慶,401121)摘要:高地應(yīng)力隧道施工技術(shù)是當(dāng)前該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題,結(jié)合峽口復(fù)雜地質(zhì)隧道高應(yīng)力地段的施工實(shí)踐,針對(duì)砂質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、炭泥巖等軟巖地層,在高應(yīng)力作用下的變形特征,采用綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)、環(huán)向臺(tái)階法開挖、微振控制爆破技術(shù)以及多種支護(hù)技術(shù)組合,摸索出一套相對(duì)有效的應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)高應(yīng)力隧道施工技術(shù)措施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本工程高地應(yīng)力隧道設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性,這對(duì)類似條件的隧道施工具有一定的參考借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞:高地應(yīng)力;圍巖穩(wěn)定;超前預(yù)報(bào);施工技術(shù)措施;監(jiān)控量測(cè)StudyonconstructiontechnologyofhighstresssoftrockforXiakoutunnelAbstract:ConstructiontechnologyofHighstresstunnelisahotanddifficultprobleminthisfieldatpresent.CombinedwiththeconstructionpracticeofcomplexgeologicalforXiakoutunneinhighstresssection,Accordingtothedeformationcharacteristicsofsandysiltyshale,carbonaceousshale,mudstone,sandymudstone,carboninsoftrockstrataundertheactionofhighstrainandusedIntegratedadvanceforecastingtechniques,thehoopstepmethodexcavation,frettingtheControlledBlastingtechnologyandavarietyofsupportingtechnologyportfoliotoexploreasetofrelativelyeffectivetechnicalmeasurestodealwiththecomplexgeologicalhighstresstunnelconstruction.Basedonthetestresultsofieldmonitoringmeasurementverifythathedesignoftunnewithhighstressinthisengineeringisrationable,whichhascertainreferencevalueforsimilarconditionoftunnelconstruction.Keyword:highgroundstress;stabilityofsurroundingrock;advancedprediction;constructiontechnology;monitoringandmeasurement0引言隨著中國(guó)鐵路公路建設(shè)的不斷發(fā)展,隧道工程已向長(zhǎng)大深埋方向發(fā)展,特別是穿越高地應(yīng)力區(qū)且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖,施工極易出現(xiàn)松弛大變形[1]。在山嶺深埋隧道施工設(shè)計(jì)中,一般只考慮了與埋深無關(guān)的松弛壓力,但在高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖還需考慮”蠕變壓力”作用[2],此狀態(tài)下軟弱圍巖自穩(wěn)能力差,成洞后易發(fā)生擠壓大變形,嚴(yán)重破壞隧道支護(hù)體系,特別在深埋或地下水等因素影響下,常規(guī)支護(hù)方法及工藝無法有效遏制其變形發(fā)展,需開展非常規(guī)的、特殊的開挖和支護(hù)方法研究[3]。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外尚未建立高地應(yīng)力軟巖地質(zhì)條件下的隧道控制軟弱圍巖大變形機(jī)理及處理對(duì)策的理論研究和施工處理體系[1]。本文經(jīng)過對(duì)峽口隧道施工技術(shù)系統(tǒng)研究,采取噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、可伸縮性U型鋼架、仰拱、二次襯砌等初期組合支護(hù)措施,采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖監(jiān)控測(cè)量及超前支護(hù)等綜合技術(shù)手段,有效控制了高地應(yīng)力段中、高烈度巖爆和軟巖擠壓大變形,對(duì)國(guó)內(nèi)外同類工程施工具有較強(qiáng)的理論意義和借鑒價(jià)值。1工程概況峽口隧道是宜巴高速公路重點(diǎn)控制性工程,位于湖北省興山縣,具有”高地應(yīng)力、順層、軟巖、斷層、深埋、大變形”等特點(diǎn),地層巖性主要為砂質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、碳質(zhì)頁巖,巖體較破碎、拱頂易順層片落。地下水以基巖裂隙水為主,偶有線狀滲水現(xiàn)象,隧道最大埋深1480m,圍巖內(nèi)部地應(yīng)力較大。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94),場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力等級(jí)為高、極高地應(yīng)力,主要結(jié)果如表1:表1不同巖體地應(yīng)力等級(jí)的劃分名稱飽和抗壓強(qiáng)度/MPaRc/σmax備注灰?guī)r54.84.20高應(yīng)力砂巖31.42.40極高應(yīng)力頁巖41.03.14極高應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)試結(jié)果[4]顯示,洞身最大水平應(yīng)力為13.06MPa,橫斷面最大初始應(yīng)力σmax為12.37MPa,對(duì)應(yīng)巖體(炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖)的單軸抗壓強(qiáng)度為Rc為2.5~8.7MPa,Rc/σmax為0.2~0.7,屬高應(yīng)力區(qū),隧道極易產(chǎn)生大變形。2綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外超前預(yù)報(bào)主要采用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、圍巖地質(zhì)素描和超前水平鉆孔[5]等方式。在峽口隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中主要采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),包含隧道主要不良地質(zhì)和施工地質(zhì)災(zāi)害宏觀預(yù)報(bào)、隧道洞身主要不良地質(zhì)體中長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探和圍巖地質(zhì)素描,具體工作流程見圖1:圖1峽口隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程3高應(yīng)力段主要施工措施3.1超前支護(hù)因圍巖破碎,地應(yīng)力高,圍巖開挖后不能自穩(wěn),在掌子面掘進(jìn)前采用Φ42mm小導(dǎo)管注漿預(yù)加固。小導(dǎo)管采用外徑42mm、壁厚3.5mm熱軋無縫鋼管制作,前端成尖錐狀,以減少入孔的阻力,注漿壓力0.5~1.0Mpa。小導(dǎo)管2.9m范圍內(nèi)管壁四周鉆6mm壓漿孔,梅花型布置。間距15m,尾部有1m不設(shè)壓漿孔,焊上Φ6的箍筋。經(jīng)過小導(dǎo)管將水泥漿強(qiáng)制注入至拱部巖石裂隙內(nèi),極大的提高開挖安全性,有效的防止了塌方。3.2隧道開挖方法及鉆爆技術(shù)峽口隧道的開挖實(shí)踐證明高地應(yīng)力軟巖段采用環(huán)向臺(tái)階法開挖是可行的。此方法可減少一次性開挖面積,各部分均錯(cuò)開開挖有利于減少掌子面高度,增強(qiáng)其穩(wěn)定性,同時(shí)能夠縮短開挖和支護(hù)的時(shí)間間隔,減少每次支護(hù)量,縮短每部分支護(hù)的工作時(shí)間,使開挖部分能及時(shí)支護(hù)。具體的開挖順序和臺(tái)階長(zhǎng)度如圖2所示:圖2環(huán)形臺(tái)階開挖法采用微振控制爆破技術(shù),嚴(yán)格控制裝藥量和延期時(shí)差,達(dá)到控制爆破振速的目的,最大限度地減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)和破壞。峽口隧道高地應(yīng)力段主要是IV級(jí)圍巖,IV級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺控制在2-2.4m,周邊眼線裝藥密度控制在0.075~0.1kg/m,平均裝藥量單耗控制在0.55~0.65kg/m,周邊眼環(huán)向間距控制在25~30cm,外插角控制在1.5~2o。3.3初期支護(hù)初期支護(hù)采用錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu),按初噴混凝土、立U型鋼架、打錨桿、掛網(wǎng)、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度的順序緊跟開挖面進(jìn)行施工。本隧道高地應(yīng)力段采用的初期支護(hù)參數(shù)為:噴射砼26cm,Φ8鋼筋網(wǎng)(間距25×25cm)全斷面布置,鋼架采用U29型鋼,間距1.2m,型鋼間采用Φ22縱向連接筋連接成整體,錨桿采用Φ22砂漿錨桿,長(zhǎng)4m,縱環(huán)向間距120×120cm圖3初期支護(hù)安裝圖3.3.1噴射混凝土峽口隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工中,噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,噴射厚度為26cm,施工時(shí)分為初噴和復(fù)噴兩個(gè)階段,初噴4cm,復(fù)噴22cm。初噴混凝土作為圍巖的第一層支護(hù),能夠有效的防止新出露的洞壁圍巖風(fēng)化、崩落,從而最大限度的減少圍巖自承力的降低;能夠填平圍巖開挖輪廓的不平順,能夠減少或者消除局部應(yīng)力集中,從而提高圍巖的穩(wěn)定性;經(jīng)過封閉圍巖,能夠提高下一步施工工作的安全性。初噴完后,立即施工系統(tǒng)錨桿,鋼筋網(wǎng)和型鋼鋼架,并及時(shí)進(jìn)行復(fù)噴混凝土施工。復(fù)噴完后,才允許進(jìn)行下一循環(huán)開挖施工。噴射混凝土早期強(qiáng)度高(速凝劑的作用),與圍巖黏結(jié)較牢固,能在短時(shí)間內(nèi)與圍巖形成一個(gè)拱形整體,共同承受荷載,從而起到加固圍巖、提高圍巖的自承能力和穩(wěn)定性的作用。3.3.2錨桿施工在初噴混凝土后進(jìn)行。錨桿桿體采用Φ22mm,螺紋鋼,單根長(zhǎng)度４ｍ,環(huán)向、縱向間距為1.2ｍ,梅花型布置,錨桿方向與巖面垂直。錨桿端頭設(shè)鐵墊板,施工時(shí)墊板用螺母擰緊,使之緊貼巖面。錨桿桿體插入孔內(nèi)長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的９５％,外露長(zhǎng)度不大于噴射混凝土厚度。3.3.3鋼筋網(wǎng)采用Φ８ｍｍ鋼筋焊接而成,網(wǎng)格間距２5ｃｍ。為了提高施工速度,鋼筋網(wǎng)先在加工棚內(nèi)焊接成２.4ｍ×２.０ｍ片狀,現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行安裝、焊接。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),利用已施工的錨桿作為鋼筋網(wǎng)的支承點(diǎn),與鋼筋網(wǎng)焊接在一起。3.3.4可伸縮性U型鋼架是本隧道高地應(yīng)力段為抑制隧道變形而采用的加強(qiáng)支護(hù)措施,每榀骨架由5個(gè)基本構(gòu)件構(gòu)成,一根半徑為6.21m的拱頂弧形梁,兩根半徑為6.21m的拱腰弧形梁,兩根半徑為2.71m的立柱弧形梁,一根半徑為9.21m底部弧形梁,整個(gè)U型鋼鋼架形成一個(gè)三心拱,其中拱腰弧形梁與拱與立柱弧形梁、立柱弧形梁與底部弧形梁均采用摩擦連接,搭接長(zhǎng)度為50cm,該處使用兩個(gè)卡箍固定(每個(gè)卡箍包括一個(gè)U型螺桿和一塊U型墊板,兩個(gè)螺母),連接處采用兩根4.0鎖腳錨桿,可更好的抵抗圍巖應(yīng)力,其余部分連接采用180×180×16mm的鋼板作為連接板。安裝示意如圖4所示:圖4可伸縮性U型鋼架安裝圖骨架的可縮性是用卡箍的松緊程度來調(diào)節(jié)和控制的,骨架在圍巖的作用下,構(gòu)件開始變形,當(dāng)圍巖地應(yīng)力達(dá)到某一程度后,摩擦搭接部分開始產(chǎn)生微小的相對(duì)滑移,骨架下移,從而緩解圍巖對(duì)骨架的壓力,可縮性耗盡后鋼架成為鋼性支架承載。和其它鋼架相比,該骨架可縮性大,加工、制作、安裝簡(jiǎn)單,當(dāng)其成為鋼性支架時(shí),其抗壓、抗扭能力高于普通工字鋼骨架。3.3.5及時(shí)施工仰拱是高地應(yīng)力隧道施工的一項(xiàng)重要措施。高地應(yīng)力軟巖變形地段,仰拱緊跟開挖面。仰拱距開挖面下臺(tái)階長(zhǎng)度一般不超過15ｍ。每環(huán)仰拱開挖長(zhǎng)度不超過４ｍ,開挖后立即用U型鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土進(jìn)行支護(hù),使整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)封閉成環(huán),并及時(shí)施工仰拱混凝土,以利于整體受力。仰拱鋼架、鋼筋安裝如圖5所示:圖5仰拱鋼架、鋼筋安裝圖3.3為了保證隧道凈空,抵御巨大形變壓力,高地應(yīng)力段襯砌應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土最小厚度為45cm,施工時(shí)間在圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果收斂后進(jìn)行;對(duì)于部分地段圍巖長(zhǎng)時(shí)間不收斂的情況,為了保證施工安全,待其變形速度小于一定值時(shí),立即施工鋼筋混凝土襯砌。峽口隧道進(jìn)口段凈空測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,襯砌未出現(xiàn)侵限現(xiàn)象,襯砌表面也未出現(xiàn)高地應(yīng)力引起的裂縫。3.4圍巖監(jiān)控量測(cè)圍巖監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括應(yīng)力量測(cè)和凈空變形量測(cè)。3.4應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用埋設(shè)壓力盒和鋼筋應(yīng)力計(jì),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,選定某監(jiān)測(cè)斷面處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,該斷面隧洞埋深約1113m,初襯支護(hù)按Ⅳc設(shè)計(jì),采用U29型鋼支護(hù),榀間距1.2m;二襯設(shè)計(jì)為C25鋼筋混凝土,厚度45圖6監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅靼惭b示意圖對(duì)隧道左右側(cè)拱腳、拱腰及拱頂?shù)炔糠诌M(jìn)行了圍巖壓力測(cè)試,各測(cè)點(diǎn)圍巖隨時(shí)間變化曲線如圖7所示:圖7監(jiān)測(cè)斷面接觸應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖從圍巖接觸應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,掌子面開挖后,隨工作面向前推進(jìn),圍巖接觸應(yīng)力迅速增加,在第10-11天時(shí)達(dá)到峰值,隨后應(yīng)力增加緩慢。其中拱頂位置接觸應(yīng)力最大,最大值為146.10KPa,尚處于安全范圍。隧道左右側(cè)拱腳、拱腰及拱頂?shù)炔糠咒摷軕?yīng)力各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示:圖8監(jiān)測(cè)斷面U鋼應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖3.4包含拱頂下沉量測(cè)和水平收斂量測(cè)。拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)和掛鉤鋼尺量測(cè),并配以拱頂點(diǎn)掛鉤吊掛;水平收斂量測(cè)采用數(shù)顯式收斂計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),拱頂下沉和水平收斂量測(cè)布設(shè)在同一斷面,間距在Ⅲ級(jí)圍巖地段每20m設(shè)一個(gè)斷面,在Ⅳ級(jí)圍巖地段每10m設(shè)一個(gè)斷面,在Ⅴ級(jí)圍巖地段每5m設(shè)一個(gè)斷面。圖9監(jiān)測(cè)斷面時(shí)間--位移曲線圖如圖9所示,開挖近2個(gè)月的時(shí)間內(nèi),拱頂最大下沉變形量為10.52mm,墻腰水平收斂最大變形量為7.92mm,拱腰水平收斂最大變形量為8.34m