泥岩地质隧道大变形施工控制技术
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由于泥岩的强度比较低,而且具有膨胀性,遇到水就会软化,所以如果在泥岩地质条件下进行地下隧道的工程施工,就会容易发生隧道变形,例如拱顶下沉、水平收敛等,这很容易破坏隧道的初期支护。具体表现为钢架扭曲、初期支护喷射的混凝土表面脱落等。最后就会导致刚性支护前隧道的性能遭到破坏。我国目前在铁路隧道施工过程中广泛使用的是CRD和CD方法,技术已经成熟,能够对围岩的大变形进行有力的控制,保证隧道施工的安全进行。
1工程概况
宜万铁路红瓦屋隧道是矿山法施工的电气化铁路隧道,总长3507m,起止里程是DK90+910～DK94+417,因为要满足线路多功能的要求,在区间设置了非绝缘下锚段、余长电缆腔和变压器室等,隧道的结构尺寸是(跨度×高度)11.14×8.97m,洞顶处最小覆土厚度是24.0m。
2地质概况
宜万铁路红瓦屋隧道位于湖北省宜昌市长阳县榔坪镇社坪村境内,是大山山脉到方斗山山脉的北西翼,项目工程区属于构造剥蚀,地形起伏比较大。沿线的地层都是三叠系中上统,区域的构造应力相对比较集中。隧道围岩分为四个级别,分别是灰和深灰色泥质的灰岩夹页岩,地下水都是基岩裂隙水,水量比较大。隧道的左侧围岩存有顺层软弱面,极易发生滑落、坍塌,对洞身产生侧面挤压形成变形,给施工带来了特别大的困难。
3隧道变形的主要原因分析
3.1 不良地质引起初期支护变形
根据统计资料显示,红瓦屋隧道变形的地段都是泥岩、粘土、页岩、块石土等软质岩,或者是破碎的灰岩和薄层砂岩等。
调查的结果表明:宜万铁路隧道的初期支护变形受到构造影响的为4处,占总比例19%;受到高地应力影响而发生变形的8处,所占比例是38.1%;由于地下水影响发生变形的是6处,占总比例的28.6%;受隐伏岩影响的3处,占总比例的14.3%。各个原因发生的比例都没有达到50%,所以,高地应力、构造、隐伏岩、地下水只是造成隧道的初期支护变形侵限的原因,只要在施工过程中给予充分的重视,严格规范施工操作,是可以避免的。
3.2 设计原因引起的变形
根据对宜万铁路隧道变形情况统计的结果来看,对于个别双线跨度比较大的软岩隧道,因为受到各种因素的影响,设计施工的方法是短台阶法,从现场的施工情况分析,采取这种短台阶方法进行施工很难避免出现初期的支护变形侵限,所以,针对一些双线大跨度的软岩隧道,应该加强对于施工方法或者辅助工法的设计。
3.3 施工原因引起的变形
本工程中,除了对于高地应力的认识水平有限之外,其它的情况均和施工有关,主要原因在于施工方法、监控测量、初期支护闭合三个方面。所以,在施工过程中加强对于施工方法的控制、及时加强初期支护闭合、加强监控测量是避免初期支护变形侵限的一个主要手段,在施工过程中,要严格要求,及时检查,一旦发现问题立即修改。
4泥岩隧道施工中的注意事项
(1)上下台阶之间不能拉的过长,通常情况下,在20m～30m之间最为适宜。
(2)开挖施工不能由于人为的因素延长时间,要具有时效性。
(3)超前支护施工一定要按照设计的方案进行操作,每一步都力求到位。
(4)初期支护工作在完成5m～10m之后,为了有效控制隧道的偏压变形,要及时对软岩处进行壁后注浆处理。
(5)二次衬砌和仰拱一定要紧跟掌子面,通常二次衬砌应该控制在150m的范围之内,仰拱控制在100m范围之内。
5泥岩地质变形控制措施
5.1 上台阶临时封闭仰拱法
笔者通过对现场围岩测量的资料进行分析发现:在开挖下台阶之前,上台阶的围岩情况已经基本稳定,拱角的周围以0.15mm/d的速度收敛,拱底也以0.1的速率下沉。为了防止由于下台阶的开挖而导致上层台阶的变形,在施工的过程中可以采用临时封闭仰拱的方法。
上台阶临时封闭仰拱法工艺流程。
(1)用弱爆破的方式开挖上台阶,在上台阶附近做临时支护以及初期支护的施工,初喷4cm厚的混凝土,然后铺设钢筋网,在上台阶的初期支护上安装锁脚锚杆和拱架,在钻设径向锚杆之后再按照设计要求再次喷混凝土。
(2)监测上台阶围岩的情况。
(3)安装临时的仰拱钢架。
(4)用弱爆破的方式开挖下台阶,在下台阶附近做临时支护以及初期支护的施工,初喷4cm厚的混凝土,然后铺设钢筋网,在下台阶的初期支护上安装锁脚锚杆和拱架,在钻设径向锚杆之后再按照设计要求再次喷混凝土。
(5)在下台阶开挖10m之后,开挖第三个台阶,下台阶喷混凝土。
(6)分析上台阶的监控测量结果,等初期支护收敛之后把仰拱钢架拆除,做下台阶仰拱施工。
5.2 上台阶扇形临时支撑
在开挖下台阶之前,上台阶围岩还不能保持稳定状态,拱脚周边的水平收敛速度是0.6mm/d,拱顶沉降速率是0.3。在下台阶开挖的过程中,为了尽量减缓上台阶的变形,施工的时候可以使用临时的扇形支撑,也就是把环向钢架补加在已经施工完成的初期支护钢架的里面,以增强初期支护的强度和刚度,进而达到抗力要求。
上台阶扇形临时支撑法的施工流程。
(1)用弱爆破的方式开挖上台阶,在上台阶附近做临时支护以及初期支护的施工,初喷4cm厚的混凝土,然后铺设钢筋网,在上台阶的初期支护上安装锁脚锚杆和拱架,在钻设径向锚杆之后再按照设计要求再次喷混凝土。
(2)监测上台阶围岩的情况。
(3)安装临时的仰拱钢架,加设扇形支撑。
(4)用弱爆破的方式开挖下台阶,在下台阶附近喷厚度为4cm的混凝土,然后铺设钢筋网,把钢架接长,加锁脚锚杆,在钻设径向锚杆之后再按照设计要求再次喷混凝土。
(5)在下台阶开挖10m之后,开挖第三个台阶,下台阶喷混凝土。
(6)分析上台阶的监控测量结果,等初期支护收敛之后把仰拱钢架拆除,做下台阶仰拱施工。
5.3 二次衬砌
在仰拱施工结束之后,如果隧道支护与围岩的变形仍然在继续的话,就可以采用二次衬砌的方法来加强支护的抗力能力。通过分析围岩的测量结果可以看出,如果初期的支护变形一直在继续,变形的速率也没有明显的下降趋势的话,就应该尽快进行二次衬砌。通常衬砌采用钢模台车整体式的施工方法,这种方法施工工艺以及方法都比较简单,为了达到安全稳定的效果,可以适当增加衬砌的厚度及配筋率。
6结语
根据实际经验说明,上台阶临时封闭仰拱法和上台阶扇形临时支撑法工序简单,操作方便,进度也比较快,但是如果其刚性结构支护抗力较早的话,就不能彻底的释放围岩的压力,这样对控制变形很不利。在泥岩地质条件下修筑隧道,做围岩变形控制的时候,采用上台阶临时封闭仰拱法和上台阶扇形临时支撑法就能使泥岩变形得到有效的控制,所以在实际的施工过程中,要慎重选择施工方法,从而取得良好的施工效果。
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