建造技术J I A N Z H A O J I S H U刘文军:齐岳山隧道高地应力地段施工技术研究876年第23卷第6期收稿日期:2009 09 22;修改日期:2009 10 21作者简介:刘文军(1979-),男,安徽广德人,硕士,中铁十五局集团有限公司工程师.齐岳山隧道高地应力地段施工技术研究刘文军(中铁十五局集团有限公司,河南洛阳 471013)摘 要:针对宜万铁路齐岳山隧道高地应力地段的施工技术难题,在分析隧道高地应力表现特征及原位测试结果的基础上,详细阐述了该地段所采取的预先释放应变能,!钢架、锚、网、喷∀综合支护及时紧跟的施工技术,成功应用了!先放后抗,先柔后刚∀,有效控制了拱顶岩层松弛、脱落,确保了隧道的施工安全,为在类似地质环境条件下隧道工程施工积累了经验。
关键词:隧道;高地应力;施工技术中图分类号:U 459.1;U455 文献标识码:A 文章编号:1673 5781(2009)06 0876 03随着我国隧道施工技术的迅速进步,隧道已经向长大、深埋方向发展,在深埋隧道开挖施工过程中,围岩应力产生重新分布,在高地应力作用下,岩体被拉裂、松弛后从拱顶及拱脚部位脱离母体而坠落,直接威胁着施工人员、设备的安全,影响施工进度,通过分析、研究高地应力特征,介绍施工技术,为解决类似难题积累经验[1 6]。
1 工程概况宜(昌)万(州)铁路齐岳山特长隧道,位于湖北省利川县谋道镇境内,全长10.528km,地处鄂西构造溶蚀侵蚀中高山区,地质极为复杂,集溶洞、暗河、高压富水断层破碎带、瓦斯、煤层、高地应力和石膏岩地层等多种不良地质于一身,是全线8座I 级风险隧道之一,出口段穿越箭竹沟向斜,主要地层为三叠系须家河组、侏罗系珍珠冲组、自流井组、新田沟组、上沙溪庙组、下沙溪庙组等碎屑岩。
主要岩性为泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩及少量生物碎屑灰岩。
隧道与山脊凹线呈大角度相交,山坡陡峻,坡面侵蚀严重,大小沟谷发育。
2 隧道高地应力特征隧道正洞掘进至371km +046m ~+096m 段、平导掘进至370km+878m~371km +125m 段时,开挖后1~18h,岩体内部发出!吭吭∀的闷响声,随后围岩表面出现裂缝,岩体自母体剥落,剥落面较平整。
一般发生在距离掌子面12m 范围内,以拱部为主,发展一定时间后,拱顶形成倒!V ∀形凹坑或梯形凹坑,主要呈板状和片状,最大块达160cm #110cm #60cm 。
在距掌子面近30m 已喷射混凝土处,亦能听到!吭吭∀的岩体内部闷响声。
上述两段隧道埋深360~450m,围岩为侏罗系中上沙溪庙组紫红色泥岩,岩层产状近水平,薄-中厚层状,层间结合较好,节理裂隙不发育,无地下水出露。
为掌握隧道高地应力特征,采用钻孔应力解除法(孔径变形法)在隧道平行导坑线路左侧边墙布置2组测点进行测试,测试结果如表1所列。
表1 隧道高地应力测试结果测点号测点位置围岩项目1 2 3应力/M Pa14.057.0 4.98S1371km +090m泥岩方向/(∃)N51.55E N39.15W N48.21E 倾角/(∃)+27.31+1.36-62.64应力/M Pa13.0210.28 5.24S2370km +940m泥岩方向/(∃)N66.57E N52.17W N18.06W 倾角/(∃)+13.11+64.16-21.84注:主应力方向为主应力投影方向;倾角中!+∀为仰角,!-∀为俯角。
建造技术J I A N Z H A O J I S H U刘文军:齐岳山隧道高地应力地段施工技术研究工程与建设 2009年第23卷第6期877S1测点取样试验,岩石单轴抗压强度R c=39.3M Pa,S2测点取样试验,岩石单轴抗压强度R c=42.2M Pa 。
根据规范[7,8]规定,采用强度比一值作为地应力的划分指标:R c / 1=4~7为高地应力,R c / 1<4为极高地应力。
S1测点R c / 1=39.3/14.05=2.79<4,S2测点R c / 1=42.2/13.02=3.24<4,都属于极高应力地段[1]。
根据上述测试结果,隧道所在区域岩石原始应力在绝对值上不是很高,属中等应力,但与相对应的岩体强度而言,属极高应力[7]。
3 处理高地应力的原则(1)早发现,便于及时作出对应措施和准备工作。
在开挖面上钻设超前密集小孔,或从开挖面内向内钻孔和在一定深度内爆破,在一定范围内形成破碎带,降低洞室四周围岩的应力,释放能量。
(2)临时性和永久性防护措施,在一定程度上对施工人员进行隔离。
设计支护结构,宜采用柔性支护。
(3)设计中采取应力降低措施:切割应力释放槽,尽量避免因开挖引起应力集中。
4 高地应力地段施工技术4.1 超前地质预报(1)超前探孔。
在隧道掌子面开挖地面以上1.5m 位置,左右两侧各钻一孔,孔深5~6m,每2个循环交替钻进,通过钻探探明前方围岩地质表现,可以帮助推断高顶应力的情况。
(2)地质素描。
在开挖后对掌子面、左右边墙揭示的围岩产状、岩性等进行描述绘制上图,分析判断前方10~20m 范围的围岩情况,每一个开挖循环都作地质素描,确保分析判断的连续性。
4.2 超前支护加固针对围岩为水平岩层易产生坍塌,拱部120∃范围设置 22砂浆超前锚杆,长度3.5m ,环向间距20cm,纵向间距2.5m,水平搭接长度不小于1.0m,外插角10∃。
超前锚杆配合钢架使用,超前锚杆置于钢架腹部与钢架共同受力,可有效遏制拱顶坍塌。
4.3 高地应力地段开挖开挖采用短进尺,弱爆破,选用!三台阶五部开挖法∀[2],上台阶3~5m,中台阶6~8m ,下台阶6~8m,中下台阶开挖时左右错开1~2m,三台阶总长度控制在15~20m 。
根据围岩类别,%级围岩每循环进尺控制在1.5~ 1.8m,&级围岩每循环进尺控制在2~2.2m 。
开挖采用减振光面爆破,严格控制装药量,以控制爆破振速,减小对周边围岩的扰动和破坏[3]。
根据围岩情况和爆破效果及时调整爆破参数,减小炮眼间距和装药量,平均装药量单耗控制在0.55~0.65kg/m 3,确保爆破效果。
周边眼采用间隔不耦合装药结构,不耦合系数不小于2.0,采用小药卷( 25)2#岩石硝铵炸药间隔装药,周边眼环向间距控制在25~30cm ,导爆索起爆。
在条件允许的情况下,先行开挖小导坑提前释放应力,断面3.0m #2.5m,位置在开挖掌子面中上部,并预留光爆层,可有效控制对围岩的扰动。
开挖后及时在掌子面和洞壁喷水,或向超前钻孔内注水,提前释放弹性应变能,降低岩体强度,降低岩体储存弹性应变能的能力。
4.4 系统支护加固初期支护采用!钢架、锚、网、喷∀综合支护,使径向锚杆、钢架、网喷混凝土形成一个系统支护体系,固结围岩,增强支护效果[4]。
(1)初喷混凝土:开挖后,岩体要经过1h 左右方产生坍塌掉块,为充分发挥围岩未坍塌前的自稳能力,钻爆完毕后,立即进行找顶排险,及时初喷4cm 厚C20混凝土封闭围岩,增强围岩的自稳能力,既能保证出碴过程中的施工安全,又在一定程度上减少了拱部掉块。
(2)锚杆、钢筋网:出碴完毕及时施作初期支护,拱部、边墙均设置 22砂浆锚杆,长2.5m,间距1.0m #0.6m(环向#纵向)。
同时安装 8钢筋网片,网格间距20cm #20cm ,钢筋网片密贴初喷混凝土面,并用定位锚杆进行固定。
径向锚杆与超前水平锚杆、钢筋网有机结合连为一体,有效的控制了围岩的崩落和掉块。
(3)钢架:全环安装I18工字钢架,间距由1m/榀调整为0.5m/榀。
安装钢架前清除底脚虚碴及杂物,超挖部分必须采用同等级混凝土回填,及早封闭成环。
在施作过程中,工字钢钢架刚性支护比格栅钢架初期支护作用明显加强,有效遏制了围岩的变形。
钢架架设完毕,及时进行复喷20cm 厚C20混凝土。
4.5 高地应力地段围岩量测施工中加强围岩量测工作,每5m 设置一个量测断面,每个断面在轨面以上1.5m 、5m 位置各设建造技术J I A N Z H A O J I S H U刘文军:齐岳山隧道高地应力地段施工技术研究878年第23卷第6期一条水平测线、拱顶设一个测点,开挖时及时将量测桩埋好,做好拱顶下沉和水平收敛量测,尽早取得初始量测资料,真正起到指导施工的作用。
如实记录开挖面和初期支护量测数据,根据围岩量测结果不断调整、优化施工方案,确保顺利通过高地应力地段。
4.6 应用效果施工中,总体上按照!加固围岩、改善变形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、底部加强∀的原则进行,通过采取上述施工措施,隧道高地应力地段拱顶岩层松弛、脱落得到有效控制,没有造成初期支护开裂、侵限情况的发生,应用效果良好。
5 结 论(1)在掌子面和洞壁喷水,可在一定程度上降低表层围岩强度,通过超前钻孔向岩体内注水,提前释放弹性应变能,软化、降低岩体强度,降低岩体储存弹性应变能的能力。
(2)采用台阶法、短进尺、小药量,提高光面爆破效果,减小对周边围岩的扰动,减少应力集中,使岩体应力降低,在开挖前岩体能量得到提前释放。
每循环进尺控制在1.5~2m,根据钻爆实际情况,及时调整钻爆设计,提高光面爆破的效果,改善隧道洞壁围岩应力条件。
(3)优化初期支护参数,对围岩采取加固措施。
采用径向锚杆、挂网及在岩爆破坏严重地段架设钢架的方法。
径向锚杆采用密锚方法,间距为1m #0.6m 的梅花型分布,比其他地段系统锚杆密度大,垫板增大到25cm #25cm 。
挂网采取整体式网的形式,即在径向锚杆端头,紧贴岩面加焊 22mm 的粗钢筋,并辅以 10mm 的细钢筋交错成网状,适当增加钢架支撑,对防治中度岩爆掉块起到了有效的作用。
(4)加大预留变形量,保证洞身有一定的变形量,边支边防,以柔克刚。
改善隧道自身受力结构,优化隧道断面形式,调整仰拱曲率,加大边墙曲率,加大仰拱拱度及配筋。
先柔后刚,先放后抗,边抗边退。
(5)提高二次衬砌的刚度,加大二次衬砌、仰拱加厚,提高衬砌材料的强度和弹性模量,增加受力钢筋数量,增强二衬对高顶应力的抵抗能力。
∋参考文献([1] 徐林生,唐伯明,慕长春,等.高地应力与岩爆有关问题的研究现状[J].公路交通技术,2002(4):48-51.[2] 黄鸿健.堡镇隧道高地应力软弱围岩段施工大变形数值模拟预测研究[J].铁道标准设计,2009(3):93-95.[3] 陈 松,曹西高.拉西瓦水电站高地应力区特大地下厂房开挖施工技术[J].水力发电,2007,33(11):74-76.[4] 毛东晖.高地应力下特大隧洞开挖支护形式及其参数研究[J].铁道建筑,2009(2):28-30.[5] 姚明会.高地应力下大断面隧洞进口段施工技术研究[J].铁道建筑,2009(2):31-33.[6] 关宝树.隧道工程施工要点集[M ].北京:人民交通出版社,2003.[7] T B 10003-2005,铁路隧道设计规范[S].[8] GB 50021-2001,岩土工程勘察规范[S].(上接第839页)3.5 路基状况指数SCI所有抽查路段路基整体养护情况较好(表4),但也存在共同问题:)部分路段边沟积水较多,主要原因为河塘倒灌。
