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砂质板岩水平岩层隧道快速施工技术

1· 概述
    由中铁隧道集团四处有限公司承建的同马山隧道，设计全长13 931 m。2 #斜井工区承担隧道中间段DK177 + 400 ～DK181 + 000( 3． 6 km) 及2#斜井施工任务。隧道净空12． 2 m( 宽) × 8． 68 m( 高) ，线间距4． 8 m，复合式衬砌结构，隧道防水等级不＜ P10。2#斜井长度1 222 m，纵坡11%，直墙断面型式，单车道无轨运输出碴; 设计斜井净空断面4． 7 m( 宽) × 6 m( 高) 。2#斜井与正洞相交于DK180 + 400，为正洞施工段唯一的通道。
    2#斜井工区承建段落均为砂质板岩地段，地表沟壑纵横、水系发达，隧道穿越地区岩性单一，均呈水平层产状。砂质板岩水平岩层在开挖过后，拱部岩层水平产状就暴露出来，在自重和围岩应力释放的双重作用下，岩层会出现纵向宽度约为3 mm左右的裂隙，很容易失稳发生坍塌掉块; 加上隧道埋深较大，存在较高地应力，同时在穿越不良地质地段时遇到富水裂隙，就会使得隧道施工安全风险陡然增高，严重影响隧道快速施工，使工程进度大大受阻。
    2· 地质特征
    隧道穿越山脉山脊呈北东向延伸，山脊为齿状、台状; 最高峰乌扫坡高1 536 m，洞身段最大埋深约700 m; 地质构造是属于剥蚀构造中低型山地，地貌多山起伏，坡体沟壑纵横多呈“V”型沟，切割较深。隧道范围内覆土主要有: 第四系全新统坡残积( Q［4］( dl + el) ) 粉质黏土、碎石土; 全新崩积层( Q［4］( col) ) 块石土，洞顶沟溪中覆盖有全新统冲洪积( Q［4］( al +pl) ) 卵石土、漂石土，层薄，对隧道工程影响不大; 下伏基岩元古界前震旦系上板溪群清水江组( Ptbnb( q) ) 砂质板岩、绢云母板岩夹凝灰质板岩、变质粉细砂岩。
    3· 砂质板岩水平岩层快速施工技术分析
    3． 1 选定开挖支护方式
    3． 1． 1 选定开挖方法
    本隧道开挖洞径B = 13． 86 m，洞高H = 11． 6 m( 预留仰拱部分开挖高度为9． 7 m) ，属典型的单洞双线铁路大断面、大跨径隧道，结合围岩实际情况拟定采用台阶法施工。
    台阶法共分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种: 长台阶法上下台阶距离较远，一般上台阶超前50 m 以上或＞ 5 倍洞径，施工中虽然上下台阶可平行作业，施工干扰少，但下台阶开挖距离上台阶时间较长，上台阶支护围岩变形基本稳定后再开挖下台阶会存在二次扰动问题，对周边稳定性影响较大; 短台阶法上台阶长度在1 ～ 1． 5 倍洞径之间，可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件，但上台阶施工干扰较大，严重影响施工速度; 微台阶法上台阶仅超前3 ～ 5 m ( 即一个循环) ，全断面闭合较快，围岩收缩变形较快，可以通过快速支护封闭以保证施工安全; 同时微台阶法上、下台阶可以同时施钻爆破开挖，上下台阶施工不受干扰。( 微台阶作业示意图如图1所示)

微台阶法效果分析: 通过对两组量测点的连续监测，用监测数据分析微台阶开挖后围岩变形情况，分析微台阶开挖对周边围岩的稳定性影响。
监测数据如图2、图3 所示。根据监测数据可以明显看出，微台阶开挖拱顶下沉速率在第10 d 时出现波动，随后逐渐减小并呈稳定趋势，累计下沉值为8． 21 mm。周边收敛速率同样是在第10 d 时出现波动，随后逐渐趋于稳定，累计收敛值为12． 52 mm。累计下沉值和收敛值均满足围岩稳定性要求。由此可见，在砂质板岩水平岩层施工中采用微台阶法开挖稳定性满足要求，特别注意的是变化速率的波动，这就需要利用初期支护来补强，达到控制变形速率的目的。

    另根据以往类似隧道采取的有限元法数值分析可以得出，当隧道采用台阶法开挖时，围岩周边塑性区范围随着台阶长度缩短而呈大幅度减少的趋势，所以针对砂质板岩水平岩层快速施工最优选择是采用短台阶法。但综合施工工序作业优势，采取微台阶法开挖最为适宜。
    3. 1. 2 优化支护参数
    本隧道设计支护参数为: 拱部Φ25 mm 中空注浆锚杆，边墙Φ22 mm 砂浆锚杆，锚杆长3．5 m，间距1．5 m( 环向) × 1．0m( 纵向) ，拱部Φ6．5 mm 钢筋网片，网格尺寸1．5 cm × 1．0 cm，喷射砼厚12 cm，二次衬砌为C35 抗渗混凝土，厚35 cm。一般隧道围岩支护过后会出现拱腰内敛、拱脚外敛的情况，在拱脚部位的锚杆承受轴向压力，因而其作用不是很大。而在水平岩层中，拱部所受的竖向弯矩最大，当岩层层厚较小时，容易出现纵向裂隙，拱腰位置内敛较为明显，除拱脚位置锚杆作用不大外，拱部锚杆施做时会对水平岩层造成二次扰动。因此，在设计的支护参数基础上将锚杆支护进行优化，加强拱腰位置锚杆数量，并用Φ22 mm 螺纹钢环向连接，使拱腰两侧锚杆形成联合支护体，减小拱部水平岩层下坠开裂的自重力。其他参数严格依据设计执行。具体施作示意如图4 所示。

    3． 2 辅助施工措施
    3． 2． 1 采用地质综合预报系统
    结合隧道的地质情况，对区域内有多条断层破碎带、软岩地质等不良地质，施工地质超前预报拟以防突涌预报为重点，查明掌子面前方地质条件，以便采取有效的施工措施，避免施工突发灾害的发生。采用综合超前地质预报方法和程序进行超前地质预测。
    1) 在断层破碎带及岩溶富水区，采用地震波探测仪对掌子面前方30 ～ 150 m 范围不良地质体的位置、规模、性质作详细预报，粗略预报围岩级别和地下水情况，每100 m 施作一次，异常情况下适当加密。
    2) 在地震波探测的基础上进行超前探测验证。对掌子面前方30 m 范围的地质情况作更准确的预报，先进行红外超前探测( 每掘进循环一次) ，然后每个断面布设5 个超前钻探探测孔( 其中一孔取芯) ，对掌子面前方地下水、地温及围岩情况进行探测，探测孔25 m 一个循环，单孔长度约30 m，相邻探测孔间搭搠距离为5 m，当有异常情况时，结合探则结果适当加密钻孔或加深爆破孔，钻孔布置视物探异常进行调整。
    3) 对多种探测手段获得的探测资料进行综合分析与评判，相互印证，并结合掌子面揭示的地质条件、发展规律与趋势进行预测预报，根据预测预报结果，及时调整措施，确保施工与结构安全。
    4) 预测预报范围: 一般地段采用常规地质素描，隧道重点区段的预测预报方法与探测范围见表1。

    3． 2． 2 及时施作仰拱、二衬混凝土
    从仰拱开挖到灌筑砼之间，隧道受力是处于最不稳定状态，根据情况开挖仰拱会产生边墙挤出和下沉，围岩条件差时，迅速灌筑砼，用仰拱闭合断面。在比较良好的围岩中，没有必要急于断面闭合时，可在不妨碍掌子面开挖作业的距离上，施作仰拱。仰拱施工前，先将隧底虚碴、杂物、积水等清除干净。施工前先复核仰拱断面尺寸，不允许出现欠挖，超挖部分采用同级砼回填。
    通过对支护过后的拱顶沉降和周边收敛情况可知，在围岩开挖与一次支护完成后，隧道周边相对位移值符合规范要求，围岩开挖与初支完成后可达到稳定的状态。二衬后，衬砌进一步控制了围岩的变形，这也充分说明二次衬砌作为结构的安全储备的作用。
    在砂质板岩水平岩层的围岩封闭过程中，仰拱超前施工，衬砌紧跟，仰拱封闭成环，距离掌子面的距离≤35 m、二衬距离掌子面不＞ 70 m。仰拱和二次衬砌的混凝土浇灌成形全部要求一次性成功形成封闭结构，保证其承载力。每道工序都需要进行严格的监理和检测，确保完全合格之后，方可进行下一道工序。涉及的每一个过程都需要及时形成规范的书面资料，用以传递和存档。砂质板岩水平岩层采用微台阶拱腰加强锚固法施工，仰拱和二衬混凝土紧跟掌子面，及时封闭形成一个承载圈，可有效地控制围岩的变形，尤其是对控制拱顶下沉是极其有效的，既能确保工程的进度、又能保证安全。

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点击次数：更新时间：2015-7-3 14:26:08 【打印此页】【关闭】

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