浅谈软岩隧道变形的原因及预控措施

-1-浅谈软岩隧道变形的原因及预控措施田仁东中铁十九局集团兰渝铁路四工区，辽宁省辽阳市，111000摘要：随着国家西北地区铁路建设的高速发展，行车速度的提高，对线路线形、半径等要求极高，所以目前在黄土及软岩地段出现了大量潜埋、软弱围岩隧道。近年来潜埋、软弱围岩隧道塌方、变形的事故时有发生，造成了较大的经济损失和人员伤亡，因此，提高认识、加强管理、科学施工，确保隧道施工安全十分必要。在这里结合我单位兰渝铁路所涉及到的一些软岩及黄土隧道中出现的问题，浅谈一下软弱围岩隧道防塌方、防变形施工措施。关键词：浅谈软岩隧道变形的原因预控措施引言内容：软弱围岩的概念为强度在30Mpa以下岩体视为软岩，强度在5Mpa以下视为极软岩。软质岩（如泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、片石岩），一般我们把断层、潜埋隧道也划入软弱围岩的范围。土质、软岩隧道地质复杂，在不同程度上存在穿越黄土、泥砂、粉砂、砂砾岩等软土底层的隧道，尤其在洞口尚存在较长段浅埋，极易塌方，给施工造成很大的困难；即使克服了困难通过这些段落，往往因对隧道的沉降变形认识不足，施工中方案不合理、监控量测流于形式、各工序质量控制不到位、应急措施不得力，进而造成围岩较大的沉降变形侵入衬砌界限。1．工程情况简介：胡麻岭隧道工程位于甘肃省境内榆中县与定西市，进口位于榆中县龙泉乡下郭家庄村，出口位于定西县苦河左岸，主要穿行于黄土高原的黄土梁、峁区。隧道全长13611m，设计为一座双线隧道，隧道断面面积约140m2，设计行车时速为200km/h。工程涉及地层主要为：第四系全新统冲积砂质黄土、细圆砾土；第四系上更新统风积砂质黄土、冲积粉质黏土、砂质黄土、黏质黄土、细砂、细圆砾土，中更新统风积砂质黄土及湖积粉质黏土；第三系泥岩、砂岩、砾岩；白垩系砾岩。2.软弱围岩隧道的工程特性软弱围岩强度低，隧道开挖后地应力发生重分布，围岩易受拉或受压产生塑性区，在隧道施工中围岩和支护易发生变形，若工程措施不当，很容易造成支护侵限、塌方等工程事故。根据软弱围岩自身特点，一般软弱围岩发生塌方或大变形的段落，不会发生在掌子面位置，通常发生在掌子面后方25～30m处。3．塌方（变形）的原因分析及预防措施3.1塌方（变形）的原因分析：引起隧道发生塌方的原因很多，归纳起来主要有：自然因素：即工程和水文地质条件及其变化；工程因素，由于施工的因素引起工程地质和水文地质条件的变化；人为因素：不合理、不适当的工程设计、施工中的诸多因素导致施工质量原因、管理措施等。施工安全敏感性不强、施工工法选择不当、工艺质量不到位、施工辅助措施不到位、工序衔接不当、设备不配套等也是造成塌方的重要因素。-2-隧道一经开挖，围岩应力释放、地下裂隙贯通、地下水导通，围岩在水的作用下，通常称作“围岩自承能力下降”。在此较为准确的说是：土质、软岩发生蠕动（蠕变指弹性材料在未达到最大屈服强度时发生变形）；用土力学原理解释为：围岩自承能力降低，由原来的静止土压力转变为主动土压力。尤其围岩节理、裂隙水发育加速围岩蠕变速度，作用在钢架、锚杆、钢筋网、喷射砼联合的初期支护体系上，在受力过程中锚杆、钢筋网、喷射砼支护体系给型钢拱架的力是面力与点力的关系，大面积围岩蠕变过程中，爆破的扰动效应更加快施工质量薄弱点的塑性变形，若洞身围岩自稳能力与初期支护不能形成一个平衡体系，在重新达到稳定的过程中将造成较大段落的围岩变形。3.2预防塌方（变形）的基本原则：精心勘测，准确掌握工程地质与水文地质情况；合理设计，技术措施适宜，并根据施工的具体情况及时变更；超前预报，采用适宜的超前地质预报措施，提前掌握前方地质情况；地层加固，必要时对不稳定地层进行加固；重视地下水处理，地下水的处理原则为在保证围岩稳定的前提下排堵结合；坚持监控量测，高度重视围岩监控量测工作并及时进行数据整理，为施工技术的改进起到指导作用。4．特殊地段防塌（变形）技术措施4.1洞口段防塌（变形）技术措施要点：隧道洞口地段，一般地质条件差，围岩破碎，埋深浅，有时还有偏压现象，同时地表水易渗入洞口段地层中，软化地层，开挖洞口边仰坡时，破坏了三体原有的平衡状态，洞口段也往往是软硬岩层交界的地方，所有这些因素都易引起塌方。①做好进洞施工方案及应急预案；②早进洞，晚出洞，尽量保持边仰坡的稳定；③提前做好天沟，及时做好洞顶和洞口排水系统；④根据地质条件选择合理的预加固和预支护方案；⑤采用钻爆法开挖时，采用短进尺、弱爆破的光面爆破或预裂爆破，进尺不宜超过1.5m；⑥采用台阶法进洞时，应采用短台阶，尽早封闭，并尽早施作衬砌；⑦地层较差时应采用“眼镜工法”或CRD工法进洞，采用强支护、快封闭、早衬砌的原则；⑧洞口有明洞时，应尽早做好明洞；⑨尽早完成洞门工程，增强洞口段的稳定性。4.2潜埋段防塌（变形）技术措施要点：浅埋隧道地层垂直压力大，施工开挖的影响波及地表，常常发生地表开裂、沉陷、地层整体下沉的现象，开挖支护后拱顶下沉较大。①采用超前预支护措施，一般情况下采用超前小导管，特殊地层或特殊条件采用大管棚或水平旋喷超前支护；②稳定掌子面，目前国内一般采用留核心土的方法稳定掌子面，人工结合机械开挖，国外大部分采用超前加固掌子面围岩，全断面机械开挖的方法；-3-③尽可能早的施作刚度较大的初期支护，控制地表和地中的位移，防止围岩的松弛；④初期支护尽早闭合成环；⑤处理好地表水和洞内水，采取措施防止地表水连续渗入洞内，对地下水应超前引排，必要时进行降水，洞内积水及时排放。4.3破碎、块状围岩防塌（变形）技术措施要点：①调查岩层走向与隧道的关系，水平岩层重点防止拱部超挖和坍塌，垂直岩层重点防止边墙的坍塌，倾斜逆向节理重点防止顺层滑动；②有泥岩等软弱夹层节理的岩层，重点防止沿软弱节理面的滑动和掉块；③破碎围岩应采取短进尺、弱爆破的原则，爆破进尺不超过2m，并根据围岩的具体情况及时调整爆破参数；④对于强度较低的软弱破碎围岩，必要时可采用非爆破法开挖；⑤对于破碎围岩其拱部应加强支护，并充分发挥锚杆的悬吊、加固作用。4.4断层段防塌（变形）技术措施要点①采用“有预案、超前探、预支护、强支护、早封闭、早衬砌”的总体施工原则。②开挖前必须采取有效措施对断层进行超前预报，正确判断断层的各种性质，如：断层范围，断层性质，断层与隧道相对位置关系，断层状态，地下水。③对已探明的断层（包括断层影响带）范围，应提前采取断层防塌措施，提前转换开挖与支护方法。④断层带支护宁强勿弱，采用高强度、大刚度的支护体系。⑤富水、涌水量大地段，在保证围岩稳定的条件下考虑“排、堵”结合。5.我单位施工时具体采取的施工措施为了预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用三台阶预留核心土法开挖，结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前管棚支护、钢拱支撑、挂网、打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实施短开挖，快循环来减少对土体的扰动，是黄土隧道施工的较完整的方法。5.1施工方法及工艺要点①根据工地实际情况，施打超前小管棚。钢管真径一般为ф42mm，长4m，间距40cm，外插角10～20°，首尾相接长度不少于1.5m。钢管内充填注浆。②上半断面人工用风镐开挖，每次不超过0.6m。③开挖后立即喷射砼封闭断面。喷射4cm厚的C25砼，封闭开挖断面。④立钢支撑及挂网。钢支撑规格为Ⅰ20b。拱架之间的间距按图纸设计间距加设，每榀钢拱纵向用ф22钢筋连接，钢筋间距1.0m。管棚尾端焊接于拱架腹部，以增强共同支护作用。ф8钢筋网格间距为20cm×20cm。⑤喷射砼填充钢支撑间空隙。拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用25号砼喷射填充密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。⑥按上述①－⑤的方式开挖5m左右后，开挖去除支撑掌子面的核心土。⑦在上半断面初期支护稳定的条件下，开始开挖下半断面：首先通过在上半断面的钢拱的拱脚打锁脚-4-锚管，以防止拱架及围岩变形与下沉。两侧以等间距各打4根。⑧开挖出碴完成后立即喷射砼封闭围岩，然后架钢拱支撑和挂网，经分层喷射砼直到设计厚度。再铺设土工布防水板，做二次衬砌。表1双线隧道复合式衬砌支护参数表围岩级别初期支护二次衬砌喷射砼锚杆钢筋网钢架拱墙仰拱厚度位置位置长度环、纵间距位置间距位置间距cmmmcmmcmCmⅣ23拱墙拱墙3.51.2×1.2φ620拱墙1.245500仰拱拱墙格栅Ⅳ加强25拱墙拱墙3.51.2×1.2φ620拱墙1.045*50*25仰拱拱墙I18Ⅴ27拱墙拱墙4.01.2×1.0φ820全断面0.850*55*25仰拱拱墙I20bⅤ加强27拱墙拱墙4.01.2×1.0φ820全断面0.650*55*25仰拱拱墙I20b5.2主要施工机械表2施工机械配置表序号机具及材料名称序号机具及材料名称1自卸汽车7风动凿岩机2装载机8管棚钻机3挖掘机9砼搅拌站4湿喷机10砼运输车5风镐11砼输送泵6电焊机12衬砌台车5.3质量控制要点①严格控制管棚角度②严格喷射砼工艺，按配合比拌制砼料，特别要严格控制外加剂掺量。新旧砼面要清洗至露出砼的本色，没有泥土或杂物。分层喷射，以保证喷射砼的质量。③保证立拱质量。注意螺栓松紧程度和连接筋的焊接质量。④确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会振动钢筋网，从而降低喷射砼质量。⑤保证核心土的高度和长度⑥清除拱脚积水与淤泥，通过打锁脚锚管或扩大拱脚法加固拱脚，加强纵向连接等，使初期支护与围岩形成完整体系。⑦双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空；控制落底长度，视围岩情况采用1-3m，不大于5m。-5-⑧减少上、下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环。⑨找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按标定时间进行控制，从而缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间。⑩及时监控量测围岩，观察拱顶，拱脚的收剑情况，据此调整初期支护参数。5.4安全及环保措施①首先做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。②在含有地下水的黄土层施工时，洞内外排水沟应进行铺砌，必要时应配合井点降水等将地下水位降至隧道衬砌底部以下，以保证施工顺利进行。③在干燥无水的黄土层中施工，应管理好施工用水，不使废水随意漫流侵泡拱脚。④如发现掌子面有失稳现象，应及时用喷砼封闭，加设小导管、架立二次套拱钢支撑、临时仰拱等加强支护措施。⑤在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，宜加设横梁顶紧。⑥若拱部位于砂层时，为防止喷砼层塌落，可用Ф4mm的密钢丝网紧贴开挖面作为固定初喷砼用。密网用两根Ф8mm，长35cm的锚钉加以固定；也可用2根Ф22mm的环向钢筋将钢丝网压紧在开挖面上，以防喷砼时钢丝网脱落。⑦钻锚杆孔时，宜采用干钻，锚杆采用药包式或早强砂浆式锚杆。⑧施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护。6.结束语在工程实践中，由于变形理论的研究不尽成熟，加之现场地质岩体状况复杂性，围岩变形至今亦未列入设计规范，并给施工处理造成了较大难度。现场必须以围岩量测作为指导施工的依据，及时反馈围岩变化信息，做出合理判断。针对软岩隧道的特殊情况，作出动态变换支护形式、施工方案。参考文献〔1〕左贵方堡镇隧道软岩大变形地段施工方案《西部探矿工程》2006年01期〔2〕王树栋长大隧道软弱围岩施工大变形智能预测方法《中国铁道科学》2008年第29卷第02期〔3〕闫常清软弱围岩隧道的施工技术《城市道桥与防洪》2007年第08期〔4〕冯靖田斌郭建客运专线大断面软弱围岩隧道塌方预防与整治技术《2007年铁路隧道建设安全与软岩隧道修建技术研讨会暨第五届铁路隧道年会》2008年作者简介：田仁东男1981年出生工程师总工程师毕业于石家庄铁道学院铁道工程专业中铁十九局集团第一工程有限公司手机：[phone]电子信箱：[e-mail]