Ⅷ烈度震区震后一级场地极软岩隧道施工技术可行性研究报告

Ⅷ烈度震区震后一级场地极软岩隧道施工技术研究可行性研究报告汶马高速C7合同段项目部二〇一五年四月十五日第一章总论1.项目概要1.1基本概况由中铁十四局集团第四工程有限责任公司汶马C7合同段承建的汶马高速薛城1号隧道，位于四川省阿坝州理县薛城镇。薛城1号隧道是四川省汶马高速公路重点控制工程，设计为双洞双线分离式隧道。隧道单线全长6669m，隧道洞身埋深在30～459m不等。围岩由绢云石英千枚岩、千枚岩及含炭质千枚岩等组成，属软岩-极软岩，岩体片里面发育，层间结合较差，受构造影响较强烈，节理裂隙极发育，岩体破碎，稳定性较差。地下水类型主要为基岩孔隙裂隙水，呈点滴状、线状渗出为主。隧址区域山体起伏较大，谷深坡陡。隧道进出口自然斜坡坡度约50-60°，位于15m高的崖壁上，坡表植被贫瘠，多为震后岩堆、滑坡堆积体等，局部夹大块石，岩体受地震、卸荷和构造等影响，岩体破碎。针对以上情况，为了保证施工安全，并为后续类似工程提供数据参考，项目部对Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力对软岩隧道大变形产生的危害进行立项研究。1.2课题投资情况课题研究总投资金额120万元人民币，主要用于课题的咨询、设计、监控量测、试验以及相应材料的购置等。1.3课题技术、设备投入课题主要技术人员投入见表1：表1主要研究人员姓名性别年龄单位职称/职务专业陈登玉男50中铁十四局集团四公司教高/公司总工土木工程李涛男38中铁十四局集团四公司高工/公司工程部长土木工程邹彦男38中铁十四局集团四公司高级工程师/项目经理桥梁工程王力男33中铁十四局集团四公司工程师/总工程师土木工程靳国柱男30中铁十四局集团四公司工程师/公司工程部员土木工程金鲁予男32中铁十四局集团四公司工程师/副经理土木工程徐刚男31中铁十四局集团四公司工程师/副经理土木工程王征男45中铁十四局集团四公司工程师/测量主管道路与桥梁宋成军男33中铁十四局集团四公司工程师/工程部长土木工程张健男38中铁十四局集团四公司工程师/测量工程师土木工程姚友臣男44中铁十四局集团四公司工程师/技术员土木工程陈卫男29中铁十四局集团四公司工程师/试验室主任材料物理岳刚谱男29中铁十四局集团四公司助理工程师/安质部长环境工程课题主要设备投入见表2：表2主要研究人员序号工程设备单位数量1钻孔套心应力测试仪套42隧道地质超前预报TGP206测试仪套13尼康全站仪台14激光断面仪台15收敛仪台16水准仪台17数码相机台28笔记本电脑台19注浆机台210取芯机台211风枪把1512抗渗仪台12.课题提出的背景2.1汶川地震后地质结构发生的变化汶川地震前后，薛城1号隧道区域地应力场结构发生了复杂的变化。以汶川地震前后实测地应力资料为依据，分析汶川地震对极震区浅表地应力场的改造特征，得到极震区地震前后浅表地应力场特征及演化规律。地应力是直接作用在隧道围岩上的荷载，是影响隧道围岩稳定性的主要因素之一，分析地应力场，对确定工程区域稳定性和岩体稳定性具有重要意义。根据张培耀《四川汶川8级地震地应力异常-来自压磁频率应力测量系统的记录》地质学报，利用压磁频率应力测量系统记录了汶川地震前后的应力状态，受力原件应力值分别为633.5Pa，1512Pa，4561.4Pa，表明地震前后剧烈形变的力量加强过程。2.2地质现状薛城1号隧道进出口地表植被贫瘠，地表出露为崩坡积的块、碎石土，局部夹大块石，下伏为绢云石英千枚岩，坡体中上部存在危岩及危石，且风化严重，抗雨水冲刷能力差。下层岩石大部分为强风化千枚板岩，岩体极破碎，裂隙极发育，属于极软岩。隧道洞口段轴线与构造线小角度相交，对围岩稳定不利，隧道开挖后围岩自稳能力较低，顶部及侧壁支护不及时易产生坍塌现象，难以形成平衡拱效应。在距进洞口174.5m处隧道下穿一泥石流冲沟堆积体，此处洞身埋深仅有30m，洞身及拱顶为泥石流堆积层，开挖极易垮塌、冒顶。同时雨季进口段冲沟内可能出现暂时性沟水下渗进入洞身内，可产生临时性的股状涌水。其中含炭质千枚岩段岩质极软，为Ⅴ级围岩，岩石遇水极易软化，围岩遇水易发生较大变形，容易引发塌方、冒顶等事故。2.3课题的必要性鉴于地下工程的复杂性以及勘察手段的局限性，目前还无法准确查明隧道洞身每一段的详细地质情况，施工此类Ⅷ烈度震区震后一级场地极软岩隧道，采用传统的施工方案或对该类特殊地场应力隧道认识不足就贸然施工时，就会遇到传统技术无法克服的困难，比如大变形、侵限、收敛沉降过快、支护开裂坍塌、底板起鼓等隧道施工病害，这就需要对Ⅷ烈度震区震后一级地场的施工有系统的认识和行之有效的施工方法。尤其注意进洞施工时崩坡积块石、残积千枚岩整体牵引式下滑现象以及洞口的易变性、易坍塌等病害的发生。2.4课题单位介绍中铁十四局集团第四工程有限责任公司为国家一级建筑施工企业，拥有公路工程，市政公用工程施工2个总承包一级资质，铁路工程施工总承包一级、矿山工程施工总承包二级和桥梁工程、隧道工程、公路路基工程、公路路面工程、机场场道工程5个专业承包一级资质，爆破作业单位许可证（营业性）三级专项资质。在全国20多个省、市、自治州和阿富汗、阿尔及利亚等海内外市场承担工程任务。公司施工经验丰富、资金雄厚。2.5编制依据（1）《汶川至马尔康高速公路两阶段施工图设计文件》；（2）《中铁十四局四公司技术开发计划项目可行性研究报告编写提纲》；（3）《四川省汶川至马尔康高速公路项目路基土建工程施工招标文件》；（4）国家及四川省有关政策、法律、法规；（5）公司提供的有关材料及相关数据；（6）国家公布的相关设备及施工标准。第二章国内外现状、市场调查和需求预测1.国内外现状概述近年来随着我国西部地区高速公路建设的快速发展，不可避免的遇到具有特殊地质和地形的隧道工程，尤其是作为Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力千枚岩地质的隧道工程。由于薛城1号隧道地处汶川震区震后一级场地，隧址区域山体起伏较大，谷深坡陡。隧道进出口自然斜坡坡度约50-60°，施工此类地应力复杂软岩隧道时，采用传统的施工方案或对该类特殊地质隧道认识不足就贸然施工时，就会遇到传统技术无法克服的困难，比如大变形、侵限、收敛沉降过快、支护开裂坍塌、底板起鼓等，这就需要对Ⅷ烈度震区震后一级场地千枚岩隧道的施工有系统的认识和行之有效的施工方法。此次以汶马高速公路薛城1号隧道工程施工为研究对象，对Ⅷ烈度震区震后一级场地极软岩隧道作技术分析，形成快速安全施工的施工工艺。2.课题研究的促进作用通过对Ⅷ烈度震区震后一级场地隧道区域复杂地应力监控量测数据回归分析、超前地质预报围岩情况并结合千枚岩特性、隧道地形地层走向以及现场实践，对Ⅷ烈度震区震后一级场地千枚岩地质下的不同围岩发育情况的隧道爆破参数以及根据围岩走向、倾向安全快速的开挖工艺进行预判断和研究，并反馈到设计施工中，对隧道同类施工工艺进行完善和指导。第三章技术可行性分析1.课题研究与开发论述1.1研究与开发内容（1）Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力对软岩隧道大变形等危害。（2）Ⅷ烈度震区震后一级地场施工地质编录。（3）仰拱底鼓破坏机理分析及处置措施。（4）软岩千枚岩隧道开挖工法的转换及爆破工艺。1.2课题技术关键（1）Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力测试分析。（2）Ⅷ烈度震区震后一级地场施工地质编录。（3）仰拱底鼓破坏机理分析及处置措施。（4）隧道监控量测数据回归线性分析。（5）千枚岩地质下根据围岩走向、倾向隧道开挖工法的转换。（6）千枚岩地质下不同围岩发育情况下的爆破参数。1.3课题主要创新点（1）Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力测试分析。（2）Ⅷ烈度震区震后一级地场施工地质编录。（3）千枚岩地质下不同围岩发育情况下的爆破参数。1.4技术经济指标为了避免隧道附属设施对指标的影响，根据《公路隧道通风照明设计规范》表1、表2给出了长度为100m的复合式衬砌隧道各级围岩的经济指标及指标比。2目前，本合同段隧道经济指标约为9.7万元/m，该指标低于国内隧道围岩经济指标的平均值。通过现场的实际施工，以及生产经营技术水平的提升，管理水平的提高，工艺流程的优化，技术装备的改进，力争形成一套适应本工程的技术方案和技术措施，使课题实施前后，经济技术指标符合公司的效益要求，并能准确指导现场施工。2.课题技术基础及技术准备2.1技术基础（1）、Ⅷ烈度震区震后一级场地复杂地应力对软岩隧道大变形等危害采用应力解除法对大变形段进行地应力现场实测，根据测试结果，科学合理判断大变形等级及规模。钻孔应力解除法是发展时间最长，技术上比较成熟的一种地应力实测方法。使用钻孔变形计测定测试小孔的孔径变形，通过三个互相不平行钻孔的孔径变形测试，求得岩体中三维应力的大小和方向。（2）、Ⅷ烈度震区震后一级地场施工地质编录编录的主要对象为每个开挖循环的岩面，包括掌子面、边墙、拱顶、底板。编录的内容如下：掌子面全部岩层层位、层序、岩层组合以及各层岩石的岩性、厚度、产状；断层及其破碎带类型、产状、宽度、含水情况及与隧道轴线的空间关系；岩体节理裂隙调查统计；掌子面出水情况，水量水压等。对重大不良地质及具有代表性的地质现象进行摄像或录像。结合施工及支护情况，绘制完整的隧道地质纵断面图及掌子面素描图，以备为以后同类地质情况的隧道施工提供数据资料记录。（3）、仰拱底鼓破坏机理分析及处置措施隧道仰拱底鼓隆起是一个极其复杂的物理、力学过程，它与隧道围岩性质、应力状态及维护方式密切相关。就软弱千枚岩隧道而言，隧道地下水发育，排水严重不畅致使隧道仰拱底部围岩长期受水浸泡软化，使岩体强度降低，在隧道开挖时，隧道浅部一定范围的围岩破坏形成塑性圈。在地下水软化围岩情况下，围岩塑性圈半径不断扩大，围岩变形破坏逐渐从浅部向深部发展，隧道水平侧压力及竖向荷载作用下，仰拱填充混凝土应力达到极限强度，从最薄弱部位开始发生断裂、破坏及错动，从而使隧道仰拱发生整体隆起变形，在仰拱失效情况下，二次衬砌发生向内收敛变形和整体下沉，使混凝土产生较大的拉应力和剪应力，超过混凝土极限强度后使二次衬砌发生开裂剥落等病害。（4）、软岩千枚岩隧道开挖工法的转换及爆破工艺根据此类Ⅷ烈度震区震后一级场地极软岩隧道，为此，适应不同段落开挖工法的频繁转换，爆破参数的随时调整则较为困难，如何在台阶法、三台阶法、CD法、预留核心土法等各种工法中选择合适工艺，应根据实际开挖、支护参数以及稳定指数做出合理判断。根据洞内、洞顶沉降观测点以及周边收敛数据进行线性回归分析，对隧道开挖采用的工法做出快速判断，以得出该工法是否适合此段围岩的结论，如数据较差，则及时对开挖工法以及爆破参数进行调整。2.2技术准备全面熟悉设计文件，仔细进行现场核对，并做好以下工作：（1）掌握工程的重点和难点，了解隧道方案的选定及设计经过；（2）重点复查对隧道施工和环境保护影响较大的地形、地貌、工程地质及水文地质条件是否符合实际，保护措施是否恰当；（3）核对隧道平面、纵断面设计，了解隧道与所在区段的总平面、纵断面设计的关系。（4）核对洞门位置、式样、衬砌类型是否与洞口周围环境相适应。（5）核对设计文件中确定的施工方法、技术措施与施工实际条件是否相符合。（6）核对洞外排水系统和设施的布置是否与地形、地貌、水文、气象等条件相适应。（7）复查测量控制点、施工测量用的基准点及水准点，并定期进行复核。第四章实施课题所需条件及解决措施1.条件需要论述1.1人员本课题所需主要研究、论证和实施人员均已到位，满足本课题研究的基本需求。1.2资金本课题研究与现场施工同步进行，故资金主要来源于业主计量款，目前研究所需款项均已到位并满足研究需要。1.3仪器设备本课题研究所需仪器设备由公司统一购买和调配，主要设备见详表2。1.4其它资源及原辅材料其它资源及材料，采取项目部统一招标的方式进行购买。2.具备条件及欠缺条件解决措施2.1人员本课题前所需主要研究、论证和实施人员均已到位，后期所需人员项目部已上报公司进行调配，保证研究高峰阶段配备充足的技术人员，指导现场施工，做好课题研究的各项记录。2.2资金本课题研究所需资金已到位并满足研究需要。2.3仪器设备本课题研究所需仪器设备由公司统一购买和调配，主要