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木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖地段大變形控制技術(shù)

2016-10-12 09:09:39王瑛楠肖本利
西部探礦工程 2016年10期
關(guān)鍵詞:拱架施作工法

王瑛楠,肖本利

(中國(guó)中鐵隧道股份有限公司,河南鄭州475001)

木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖地段大變形控制技術(shù)

王瑛楠*,肖本利

(中國(guó)中鐵隧道股份有限公司,河南鄭州475001)

由于蘭渝鐵路木寨嶺隧道受高地應(yīng)力軟弱圍巖及斷層帶地質(zhì)的影響,施工過(guò)程中圍巖擠壓變形顯著,空間移位較大,變形周期長(zhǎng)。為杜絕變形帶來(lái)的有害因素,確保隧道長(zhǎng)久安全性,迫切需要對(duì)高地應(yīng)力軟巖地段大變形控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述,并形成有效控變形理念。通過(guò)借助以往軟弱圍巖隧道施工控變形成功經(jīng)驗(yàn),以蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工變形情況為例,采用新奧法施工原則,并按小工作面施工法、先柔后剛、應(yīng)力釋放、分階段加強(qiáng)支護(hù)、多層支護(hù)等設(shè)計(jì)理念有效的控制了圍巖大變形。

高地應(yīng)力軟弱圍巖;大變形;新奧法施工;控變形理念

隨著國(guó)內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)鐵路行業(yè)也在突飛猛進(jìn),鐵路隧道施工更是日新月異,針對(duì)不同地質(zhì)情況下的重難點(diǎn)隧道我們都在努力去克服,特別是對(duì)于一些軟弱圍巖隧道的施工,經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐,各方面也都取得了巨大的成就,已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)和理論方法,逐漸形成了具有中國(guó)特色的軟弱圍巖隧道施工方法體系,并在推廣和應(yīng)用中,先后在烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道[1]、蘭渝鐵路毛羽山隧道[2]、宜萬(wàn)線堡鎮(zhèn)隧道[3]等施工過(guò)程中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,成功地控制了圍巖大變形。但因軟弱圍巖隧道的施工千變不一,各有特色,想一塵不變的使用某種工法并不是可行。

通過(guò)總結(jié)和學(xué)習(xí)我國(guó)軟弱圍巖隧道施工技術(shù)的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本文將以木寨嶺隧道3#、4#斜井管轄段施工為例,對(duì)高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道控變形技術(shù)做詳細(xì)論述,根據(jù)實(shí)例找到既能達(dá)到控變形效果保證工程質(zhì)量,又能提高工程進(jìn)度的施工工法及相關(guān)控制措施。

1 木寨嶺隧道工程概況

木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處,為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道,全長(zhǎng)19.02km,洞身地質(zhì)條件非常復(fù)雜,隧道洞身共發(fā)育11個(gè)斷裂帶,穿過(guò)3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造,屬高地應(yīng)力區(qū),極易變形。隧道洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū),占全隧的46.53%,總計(jì)各類軟巖段長(zhǎng)約16.1km,占隧道長(zhǎng)度84.47%,極易發(fā)生圍巖滑坍,施工難度很高。

2 木寨嶺隧道圍巖及變形情況

2.1開(kāi)挖揭示圍巖情況

大部分圍巖開(kāi)挖揭示地層巖性為二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖,圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,節(jié)理極發(fā)育,巖體極破碎,層間結(jié)合差,整體穩(wěn)定性差。

2.2變形情況

受圍巖地質(zhì)的影響,自隧道施工至F14-1斷層帶時(shí)圍巖極其破碎,現(xiàn)場(chǎng)每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于0.7m,采用人工進(jìn)行開(kāi)挖,1d只能施作1循環(huán);當(dāng)初期支護(hù)完成后經(jīng)常出現(xiàn)噴射混凝土開(kāi)裂、掉塊、拱架扭曲變形等情況,量測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉速率平均能達(dá)到90mm/d,累計(jì)平均能達(dá)到800mm,收斂速率平均能達(dá)到160mm/d,單側(cè)收斂累計(jì)值能達(dá)到1800mm;當(dāng)二次襯砌施作后,部分地方還出現(xiàn)開(kāi)裂、甚至出現(xiàn)砼脫落、鋼筋扭曲等現(xiàn)象。

(1)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖極不穩(wěn)定,且受變形影響,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯,初期支護(hù)出現(xiàn)侵限,二次襯砌出現(xiàn)開(kāi)裂。見(jiàn)圖1、圖2。

(2)初期支護(hù)量測(cè)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖3、圖4。

3 木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖控變形理念

根據(jù)軟弱圍巖變形情況,并依據(jù)控變形成功理念和國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù),逐步確定了木寨嶺隧道施工控變形的理念。在新奧法施工的基礎(chǔ)上,采用了小工作面施工法、先柔后剛、應(yīng)力釋放、分階段加強(qiáng)支護(hù)、多層支護(hù)等措施,有效地控制了圍巖大變形。

3.1新奧法組織施工原則

自我國(guó)隧道行業(yè)引入新奧法施工以后,效率在提高,科技在創(chuàng)新。因此對(duì)于軟弱圍巖的施工來(lái)說(shuō)第一步必須做好的就是按新奧法的原則組織施工。

圖1 初期支護(hù)收斂變形圖

圖2 襯砌開(kāi)裂圖

圖3 水平收斂縱向曲線圖

圖4 收斂速率時(shí)間曲線圖

(1)堅(jiān)持短進(jìn)尺、少擾動(dòng);

(2)早封閉,減少圍巖松動(dòng)造成的空間位移;

(3)關(guān)鍵部位支護(hù)加強(qiáng),增加應(yīng)力抵抗與圍巖應(yīng)力相吻合,達(dá)到有效的承載體。

3.2小工作面施工工法

通過(guò)上述介紹來(lái)說(shuō),受高地應(yīng)力影響后的軟弱圍巖穩(wěn)定性極差,在開(kāi)挖方法的選擇上必須合理,按新奧法理論來(lái)說(shuō)采用大面積開(kāi)挖可適當(dāng)減少圍巖的擾動(dòng),但對(duì)于木寨嶺隧道凈空9m(寬)×11m(高),當(dāng)一次開(kāi)挖斷面較大時(shí),暴露圍巖就會(huì)較多,自穩(wěn)能力極低,發(fā)生坍塌現(xiàn)象就會(huì)增多。

圍巖坍塌后不僅安全質(zhì)量得不到保障、變形得不到控制,還會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度,一般坍塌現(xiàn)象發(fā)生后,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員須及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng),渣體穩(wěn)定后進(jìn)行封閉,緊接著采取相應(yīng)加固措施穩(wěn)定后,處理塌方體,處理完塌方體后方可恢復(fù)掌子面施工。

3.3“先柔后剛、先放后抗”思想

“先柔后剛”是指支護(hù)結(jié)構(gòu)為柔性支護(hù),由鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼架及錨桿構(gòu)成;二襯鋼筋混凝土面板為剛性支護(hù),以承受殘余的地層荷載?!跋确藕罂埂笔侵赋跗谥ёo(hù)完成后允許發(fā)生一定程度的變形,達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留變形量后再施作二次模筑。

3.4高地應(yīng)力釋放設(shè)計(jì)理念

(1)根據(jù)“先柔后剛、先放后抗”的指導(dǎo)思想,我們必須要將圍巖本身蘊(yùn)藏的高地應(yīng)力進(jìn)行釋放,可怎么釋放,釋放到何種程度,是關(guān)鍵所在。目前有2種理論的施工,國(guó)內(nèi)外都獲得了比較成功的案例,一種是先行釋放理論,意思就是采用先行導(dǎo)坑法釋放部分圍巖應(yīng)力,釋放穩(wěn)定后擴(kuò)挖成型,進(jìn)行抵抗;另外一種就是邊放邊抗理論,意思就是預(yù)留適當(dāng)預(yù)留變形量,讓圍巖應(yīng)力得到相應(yīng)釋放,但在釋放一定程度時(shí),即預(yù)留變形量可控范圍之內(nèi),開(kāi)始加強(qiáng)支護(hù),抵抗剩余圍巖應(yīng)力,使支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于平衡。2種理念代表方法:

①先行導(dǎo)坑法:即先掘進(jìn)比較長(zhǎng)的導(dǎo)坑,通過(guò)位移釋放一部分初始地壓,可減輕作用在擴(kuò)挖的支護(hù)構(gòu)件中的應(yīng)力。概念上是通過(guò)導(dǎo)坑發(fā)生先行位移,結(jié)果是推遲了支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置時(shí)間,從而減輕了作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的地壓。采用此方法時(shí),導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在保證安全質(zhì)量可靠的情況下進(jìn)行減弱,因?yàn)橥ㄟ^(guò)應(yīng)力釋放后須重新擴(kuò)挖進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工,這樣的話支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力明顯減小,才能達(dá)到控變形效果。

②加大預(yù)留變形量,采用邊放邊抗的理論:當(dāng)圍巖應(yīng)力重新組合時(shí),必定要釋放一定地應(yīng)力并重新組合,加大預(yù)留變形量就是為了預(yù)留釋放地應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的位移空間,但釋放的同時(shí)應(yīng)力在重新組合,為了充分發(fā)揮圍巖自身的承載性,就必須在釋放的同時(shí)加強(qiáng)柔性支護(hù),使支護(hù)與圍巖形成一體,形成穩(wěn)定的橢圓形軸比。該方法實(shí)施過(guò)程中應(yīng)采用邊放邊抗的原則,必須加強(qiáng)支護(hù),并實(shí)時(shí)分階段增加補(bǔ)救措施。保證在二次襯砌施作前支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定,并不侵入二次襯砌凈空,達(dá)到控變形效果。

(2)2種工法如何選用:因2種工法都有統(tǒng)一的目標(biāo),那就是釋放圍巖應(yīng)力,但因工法不同各具特色、各有制約。

①加大預(yù)留變形量并加強(qiáng)支護(hù)措施,通過(guò)邊放邊抗的原則施工,一般是圍巖應(yīng)力較大,在釋放到一定程度上可以采用多重支護(hù)加強(qiáng)措施進(jìn)行抵抗,使之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采用。但該工法必須要求圍巖應(yīng)力釋放到一定程度,并且施作后能達(dá)到穩(wěn)定才行。

②超前導(dǎo)坑法施工,則是當(dāng)圍巖應(yīng)力相當(dāng)大,采用上述增大預(yù)留變形量并加強(qiáng)支護(hù)措施已不能完全抵抗圍巖開(kāi)挖后的較大應(yīng)力時(shí),現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采用。但該工法必須在保證安全、經(jīng)濟(jì)的條件下,盡最大程度上去釋放地應(yīng)力,釋放一定程度后繼續(xù)采用上述邊放邊抗的方法,通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu),抵抗殘余圍巖應(yīng)力,使柔性支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)上述2種方法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果:

①以DK181+365-345段初期支護(hù)為例,現(xiàn)場(chǎng)采用加大90cm的預(yù)留變形量+雙層支護(hù)的方法,量測(cè)情況顯示DK181+350處上臺(tái)階未施作雙層支護(hù)前變形速率平均35mm/d,采用雙層支護(hù)后變形速率明顯減小至10mm/d以下,且襯砌施作前已減小至0.2mm/d,支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這說(shuō)明該段采用該工法,圍巖應(yīng)力得到釋放,變形得到控制。

②以DK181+275~255段初期支護(hù)為例,在上述工法的基礎(chǔ)上采用先行導(dǎo)坑法釋放部分地應(yīng)力,實(shí)施后,擴(kuò)挖的初期支護(hù)變形明顯減小,且能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5分階段加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu),控制有害變形

受高地應(yīng)力軟弱圍巖的影響,山體蘊(yùn)藏的地應(yīng)力不論是采用哪種工法來(lái)釋放,釋放的都只是一部分,殘留的仍須加強(qiáng)柔性支護(hù)來(lái)抵抗。施工過(guò)程中的柔性支護(hù)是分階段施工,并非一次成型,存在的薄弱環(huán)節(jié)較多。為了在時(shí)間和空間上將圍巖應(yīng)力盡可能的釋放,就必須分階段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),減少有害變形,通過(guò)逐級(jí)消弱圍巖應(yīng)力的方法使柔性支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)木寨嶺隧道變形情況分析,我們分階段采取了如下措施,并獲得了較為顯著的效果。

3.5.1全環(huán)采用H175型鋼拱架,并減小間距

通過(guò)增加拱架強(qiáng)度、減小拱架間距后,初期支護(hù)變形有所減小,得到了部分抵抗。

3.5.2增設(shè)錨桿支護(hù)

通過(guò)增設(shè)錨桿,現(xiàn)場(chǎng)拱架連接處變形有所減小,起到了削弱圍巖應(yīng)力的作用。

3.5.3徑向注漿加固

當(dāng)圍巖坍塌、松動(dòng),或初支變形較大時(shí),采用拱墻徑向注漿加固措施,初支變形有所改善,適用于這種軟弱圍巖施工,但因單獨(dú)注漿會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工,須將該作業(yè)納入正常工序中。

3.5.4橫撐支護(hù)

臺(tái)階薄弱處有害變形得到有效抑制。

3.5.5采用控變形拱架

采用異形控變形拱架后,拱架基本能保證順接,未出現(xiàn)薄弱地段外凸現(xiàn)象,控變形有所改善,作用明顯。

3.6采用多重支護(hù)確保柔性支護(hù)穩(wěn)定

為了達(dá)到柔性支護(hù)的穩(wěn)定,當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放到一定程度后,現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)上述階段性的加強(qiáng)措施,一定程度上削弱了圍巖應(yīng)力,但因剛度不夠,上述理念也只能是暫時(shí)性,迫切需要施作多重支護(hù)來(lái)抵抗這種殘留的較大圍巖應(yīng)力。相比之下多重支護(hù)也是階段性的加強(qiáng)支護(hù),只是階段性不同。本方法的概念是一次支護(hù)發(fā)生屈服,但因設(shè)置二次支護(hù),地壓和支護(hù)反力得到平衡。3.6.1已有的技術(shù)理論

①董方庭提出圍巖松動(dòng)圈理論,其基本觀點(diǎn)是:松動(dòng)圈越大,收斂變形越大,支護(hù)越困難,因此,支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過(guò)程中的有害變形。②何滿潮提出關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論,認(rèn)為:復(fù)雜巷道支護(hù)要分為2次支護(hù),第一次是柔性的面支護(hù),第二次是關(guān)鍵部位的點(diǎn)支護(hù)。

3.6.2柔性支護(hù)穩(wěn)定情況對(duì)比

(1)以DyK181+930處為例,該處采用單層初期支護(hù),剛性支護(hù)未施作前,初期支護(hù)變形不穩(wěn)定,速率大于5mm/d,且已侵入剛性支護(hù)凈空,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了拆換拱施工,拆換拱后支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定時(shí),進(jìn)行了二次襯砌施作。

(2)以DK181+430為例,該處采用雙層初期支護(hù),剛性支護(hù)施作前,初期支護(hù)已趨于穩(wěn)定,變形速率小于0.2mm/d,且未侵入剛性支護(hù)設(shè)計(jì)凈空,未出現(xiàn)拆換拱施工。

3.6.3剛性支護(hù)穩(wěn)定情況對(duì)比

(1)單層初期支護(hù),在穩(wěn)定后施作二次襯砌,二次襯砌內(nèi)埋設(shè)接觸壓力計(jì),進(jìn)行壓力測(cè)定。

(2)雙層初期支護(hù)段,二次襯砌內(nèi)埋設(shè)接觸壓力計(jì),進(jìn)行壓力測(cè)定,數(shù)值明顯減小,與單層支護(hù)相比縮小將近10倍。

圖5 二次襯砌接觸壓力測(cè)定(DyK181+930)

根據(jù)上述對(duì)比情況來(lái)看,增強(qiáng)柔性支護(hù)后,一方面控制了有害變形的發(fā)生,穩(wěn)固了支護(hù)體,杜絕了拆換拱施工;另一方面減弱了后期釋放的圍巖應(yīng)力,為后期剛性支護(hù)提供安全防護(hù)。

3.6.4雙層支護(hù)施作時(shí)機(jī)

雖然雙層支護(hù)控變形效果較好,但施作時(shí)機(jī)卻尤為重要,根據(jù)圍巖應(yīng)力釋放所需時(shí)間和空間的影響,雙層支護(hù)須在滯后下臺(tái)階3~5榀拱架整體施作,且應(yīng)在開(kāi)挖15d后進(jìn)行。

3.7支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉成環(huán),形成穩(wěn)定封閉體

按上述控變形理論來(lái)說(shuō)圍巖應(yīng)力釋放的同時(shí)需要加強(qiáng)柔性支護(hù)的剛度,為的就是穩(wěn)固圍巖,減少支護(hù)的繼續(xù)變形。按新奧法施工理念以及于學(xué)馥等人(1981年)提出的“軸變理論”和“系優(yōu)開(kāi)挖控制理論”,該理論認(rèn)為:應(yīng)力均勻分布的軸比是巷道最穩(wěn)定的軸比,其形狀為橢圓形。所以圍巖早封閉、支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉成環(huán)可以減小變形,及早形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。針對(duì)軟弱圍巖可以做好以下幾點(diǎn):

(1)圍巖變形大多分布在比較薄弱處,而拱架連接處是臺(tái)階法施工的薄弱環(huán)節(jié),及時(shí)對(duì)拱架做接腿處理可以避免薄弱處的有害變形。

(2)施作臨時(shí)仰拱,既能抵抗有害變形還能提前形成臨時(shí)穩(wěn)定圈,達(dá)到控變形目的。

3.8剛性支護(hù)加強(qiáng)

通過(guò)上述變形情況說(shuō)明,高地應(yīng)力釋放是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,如果柔性支護(hù)措施不強(qiáng),二次襯砌的壓力就會(huì)加大,很容易導(dǎo)致開(kāi)裂變形情況,因此提高剛性支撐的強(qiáng)度可以避免這種情況的發(fā)生。剛性支護(hù)加強(qiáng)可以表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)加大柔性支護(hù)強(qiáng)度,當(dāng)采用多重柔性支護(hù)實(shí)際上就加大了剛性支撐;

(2)加強(qiáng)襯砌模筑砼的強(qiáng)度,增加襯砌厚度,加密鋼筋,采用高強(qiáng)度鋼材;

(3)預(yù)留襯砌補(bǔ)強(qiáng)空間,當(dāng)已施作的二次襯砌開(kāi)裂后,可以繼續(xù)通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)空間進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)蘭渝鐵路木寨嶺軟弱圍巖隧道控變形施工技術(shù)的研究,可以得出以下結(jié)論和建議:

(1)堅(jiān)持新奧法施工原則組織施工。

(2)為保障軟弱圍巖隧道的施工安全性,現(xiàn)場(chǎng)須采用小工作面施工法,這樣可以減少圍巖極不穩(wěn)定造成的坍塌現(xiàn)象,達(dá)到了控變形和保安全的目的。

(3)受高地應(yīng)力影響下的軟弱圍巖,蘊(yùn)藏著較大地應(yīng)力,支護(hù)后需要進(jìn)行一定程度上的釋放,現(xiàn)場(chǎng)可采用加大預(yù)留空間和超前小導(dǎo)洞的方法來(lái)完成。

(4)針對(duì)軟弱圍巖來(lái)說(shuō)必須加強(qiáng)柔性支護(hù)的強(qiáng)度,才能充分發(fā)揮圍巖自身的承載力,從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),起到控變形和安全保障的效果。

(5)為控制柔性支護(hù)變形和剛性支護(hù)開(kāi)裂的情況發(fā)生,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)論采取何種工法都必須保證在剛性支護(hù)施作前柔性支護(hù)能夠穩(wěn)定。因此,針對(duì)高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道的施工,控變形工作歸根結(jié)底就在釋放圍巖應(yīng)力和抵抗圍巖應(yīng)力2個(gè)方面。通過(guò)分階段加強(qiáng)支護(hù)、多重支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、早封閉支護(hù)等措施控變形,就是遵循了抵抗圍巖應(yīng)力的原則。

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U455.49

A

1004-5716(2016)10-0175-04

2015-10-30

2015-11-04

王瑛楠(1984-),男(漢族),吉林吉林人,工程師,現(xiàn)從事隧道工程方面施工管理工作。

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