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1、软弱围岩大变形隧道施工技术,2009年7月,目 录,一、工程概况 二、炭质片岩特征和大变形分析 三、施工方法 四、采取的其它主要措施 五、几点体会,一、工程概况 新蜀河隧道全长8989m（起讫里程为DzK222+201DzK231+190），是新建铁路襄渝二线胡安段的重点控制工程。该隧道设计采用带仰拱的曲墙复合式衬砌、除进出口39米为碎石道床外其余均铺设弹性整体道床。整个隧道设2座斜井和1座横洞，其中：渔王沟斜井长849.64米，与线路交于DZK225+870；险滩沟斜井长992.14米，与线路交于DZK227+150；沙沟横洞长263.16米，与线路交于DZK230+930。于2005年8月
2、3日开工。,隧道洞身通过地层主要以志留系下统云母片岩为主，洞顶局部山体坡面上及部分冲沟内分布有第四系全新统坡积粉质黏土和洪积碎石土，出口端有第四系全新统坡积角砾土、碎石土分布，进口端有第四系全新统坡积块土、黏土。受区域构造的影响，岩体中构造和小褶曲发育，岩体受应力和变质作用的影响，使区域范围产生大的褶区构造，而且使岩层自身形成了局部的褶曲、揉皱，造成产状的多变。施工后分别从进口DZK224+025和险滩沟DZK226+378开始大量出现炭质片岩地质及部分零散段落，共计全长2880m。炭质片岩岩体的抗剪强度低且对振动影响很敏感，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，岩体节理面光滑亮泽，往往夹杂有石英
3、岩脉侵入体，并伴有地下水渗流。施工过程中出现了不同程度的初期支护变形、侵限、拆换和危及施工安全现象。,掌子面DZK225+858,掌子面DZK226+012,掌子面DZK224+800,掌子面DZK226+315,设计参数：初期支护：42超前小导管，间距30cm，设22系统砂浆锚杆，长度3.0m，间距100100cm，挂设6.5、8钢筋网，网孔间距2020cm，架立2榀/m20型钢钢架。 二次衬砌：厚度5077cm，主筋25的钢筋砼。,二、炭质片岩特征和大变形分析 1、炭质片岩特征: 经过近四年的现场施工情况分析，新蜀河隧道炭质片岩是一种具有沿片理面蠕滑、软质岩流变和构造破碎综合特性的特殊劣质
4、岩。炭质片岩强度低、具有变形长时段发展的流变性质，在区域地质构造作用下，地层强烈扭曲揉皱，产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面，岩体的整体性遭到严重破坏，由于富含炭质滑膜的作用，岩体c、值极低，是导致初期支护开裂、变形、侵限的基本地质原因。该变形具有变形量大、持续时间长、分布不均匀和不对称性等特点，造成变形控制难度很大。,2、大变形分析： (1)围岩变形量大：施工过程中围岩变形大，工序转化时对围岩变形收敛影响大，比如掌子面爆破，下台阶落底及仰拱开挖时围岩均有明显的变形加剧现象，DZK224+780变形量达1260mm（见图224+780水平收敛量测数据分析）;DZK224+865最大变形量达225
5、0mm。,224+780中台阶水平收敛量测数据分析,仰拱施工完,仰拱开挖影响,下台阶落底影响,爆破震动形成突变,224+850下台阶水平收敛量测数据分析,(2)变形快且变形速率大：隧道开挖后，围岩正常日水平收敛达3050mm。一般随隧道的掘进，变形也随之加快， DZK224+865处10d水平收敛超过920mm，20天累计变形量超过1560mm，累计变形达2250 mm（见上图） (3)变形持续时间长：围岩变形持续时间较长，二衬之后依然存在变形。如：DZK225+260+286段4组衬砌拱顶和拱腰出现明显裂纹，渔王沟斜井DZK225+864+883交叉口套拱混凝土出现开裂，可见变形持续时间长。
6、,DZK225+868二衬边墙,DZK225+270左侧边墙,(4)变形分布不均匀和不对称。 隧道普遍存在左右侧变形不均匀和不对称现象，初期支护完成后，不同段落左右侧变形量不同，初期支护开裂掉块严重，侵占二衬空间，钢架扭曲，甚至被剪断。,DZK224+780处线路右侧初期支护变形1260mm,DZK225+762处线路右侧初期支护变形,拱顶下沉： 前期水平收敛明显大于拱顶下沉，后期又出现拱顶下沉明显增大现象。前期水平收敛的速度和累计变形值均明显大于拱顶下沉，拱顶下沉一般累计105mm左右，水平收敛累计变形一般大于500mm。近期出现拱顶下沉达500-600mm，每天达到20-30mm。 （5）
7、重复性：在隧道变形地段，由于变形造成侵限，而不得不拆换拱架，每次拆换后，变形依然很大。如DZK225+220+255、DZK225+730+800变形侵限拆换3次（见下图）。 （6）蠕变、突变现象：变形侵限初期支护拆换后，必须及时施做二衬砼，否则围岩发生突变，造成失稳坍塌。在施工仰拱时，易发生突变现象。,在DzK225+255+250段仰拱开挖过程中，DzK225+250段线路右侧拱部出现掉块开裂，既而发生塌方，塌方体很快充满整个洞体，塌方为碳质片岩，大部呈粉状，中夹杂颗粒状碳质片岩，无水。塌方体将停在该处的挖掘机填埋。,三、施工方法 针对软弱碳质片岩变形特征及特点，我们严格按照“短台阶、管超
8、前、强支护、早封闭、快成环”的原则组织施工，主要采用了三台阶和正台阶增设临时仰拱的施工方法。具体做法是： 1、三台阶法施工： 隧道上台阶开挖后，首先进行围岩封闭，接着进行上台阶翻碴、打设锚杆、挂设钢筋网、架立工20钢架和施做喷射砼，同时进行中、下台阶出碴工作；出碴结束后即进行施做中、下台阶的初期支护，同时上台阶进行打设超前小导管和隧道开挖工作。,小导管采用42，长3.5m，循环长度2.0m，环向间距30cm，外插角510，开挖时采用弱爆破和配合风镐修凿。初期支护采用20型钢拱架，间距2榀/米、钢架之间采用22螺纹钢纵向连接，拱脚采用42钢管（L=4m,4根/每榀每边）锁脚，系统锚杆为22注浆锚
9、杆，单层8钢筋网及喷射C20砼27cm； 中部和下部施工时，采用两侧错开开挖，纵向错开距离不小于5m，单侧开挖长度不大于2m； 正台阶增加临时仰拱采用20型钢拱架，并浇筑C20普通砼。 拆除作业采用弱爆破和人工风镐配合破除砼，气割型钢拱架。 二衬采用泵送砼，模板台车一次浇筑。 三台阶关键工序步长控制如下：A、上、中台阶长度在35m，循环进尺1m；B、仰拱施工一次不超过4.5m，仰拱距离下台阶不超过8mC、二次衬砌距上台阶掌子面不大于50m，仰拱紧跟下台阶等措施。,2、正台阶法施工： 采用长台阶增加临时仰拱施工方案。先对掌子面进行工序转换，进行上台阶施工（底部增设临时仰拱，掌子面初喷砼封闭，必要
10、时预留核心土），下台阶分左右断面错开，仰拱及二衬砼在根据步长控制要求穿插进行，及时跟进（仰拱完成地段横向临时支撑分段拆除）。 开挖采用弱爆破，上台阶出碴采用小型挖掘机、装载机配合小型运输机械出碴，下台阶采用装载机、挖掘机配合自卸汽车出碴。,上台阶开挖高度5.2m，台阶长50m（为了防止掌子面失稳，掌子面初喷砼封闭，必要时上台阶预留核心土）；下台阶开挖高度4.03m，分左右断面开挖，断面错开3m；仰拱开挖应超前临时仰拱拆除2.0m。上台阶开挖循环进尺1.0m，下台阶左右断面开挖循环进尺均不超过1.5m，仰拱开挖循环进尺不超过4.5m。 上台阶采用42超前小导管注浆超前支护；初期支护采用工20型钢
11、拱架、25中空锚杆，8钢筋网及C20喷射砼；临时仰拱采用工20型钢拱架，并浇筑C20普通砼。 临时仰拱拆除作业采用人工风镐破除砼，气割型钢拱架。 二衬采用泵送砼，模板台车一次浇筑。,3、施工方法及工艺： （1） 超前支护：开挖前，采用42超前小导管注浆对隧道拱部进行超前支护。钢管采用外径42mm，壁厚3.5mm，长3.5m，热轧无缝钢管；循环长度2.0m，环向间距30cm，纵向搭接长度0.5m；外插角510，全环36根。浆液采用水泥砂浆（加速凝剂）。小导管与钢拱架牢固焊接。 （2） 开挖：开挖严格控制打眼深度及装药量，尽量减少对围岩的扰动，根据围岩变化情况及时调整爆破参数。 （3）中台阶开挖后
12、，临时仰拱与初期支护同步施作。临时仰拱采用22螺纹钢纵向连接，间距50cm。钢架下设8单层钢筋网，20cm20cm，并与型钢点焊连接。人工现浇仰拱混凝土C20（加速凝剂），捣固密实。临时仰拱钢架必须采用横向脚板连接。,（4）初期支护型钢底部应支垫牢固，严禁悬空。上、中台阶钢架架立时要与岩面密贴，钢架连接板上下各2根锁脚锚杆，每侧4根，长度6m；下台阶一次落到仰拱顶部，每侧钢架底部设锁脚锚杆4根，长度6m。 （5）上、中台阶开挖每循环进尺1m，下台阶开挖每循环进尺2m。临时仰拱每循环拆除2m，正式仰拱循环进尺4m，临时仰拱拆除与正式仰拱施工错开2m。 (6)绑扎钢筋与铺设防水板及时跟进;二衬齐头
13、距离下台阶掌子面不大于15m。 （7）仰拱:采用弱爆破开挖，栈桥跨越。每次施作4.5m。 （8）临时仰拱拆除:采用人工风镐破除砼，气割型钢拱架。一次拆除长度4.5m。,四、采取的其它主要措施： .优化了施工工艺，对每个工序、工艺进行监控，确保工艺到位。 .严格控制工序步长。 .临时加固措施： A、部分地段对变形控制采用4.5m导管径向压浆加固。采用40的小导管进行注浆处理，间距8080cm。 B、针对软弱围岩处钢拱架连接处增加锁脚锚杆，并且对其连接板处集中加固和变形严重部位在采取措施之间，增加对口撑，对口撑采用工20a型钢。 C、针对三台阶法施工，在每步台阶底部采用钢架加锁脚锚杆，以补强拱脚的
14、稳定性，严格控制步长，在主要变形位置增设横撑（起拱线、大跨）。,D、正台阶施工，在起拱线部位增设临时仰拱，采用工20型钢按照钢拱架的间距设置，灌注C20砼厚度35cm。根据现场情况，最多时采取两层临时仰拱措施。 .针对隧道变形的特点,增加了预留变形量,由设计的15cm增加到30cm,根据右侧变形大的特点,又加大了右侧预留变形量到45cm 在局部采取了碴体反压措施和在拱脚部分设砼支墩措施。 为确保工期，在渔王沟斜井中部增设315米支洞，以缓解工期压力，起到较大的作用。,五、几点体会： 1、新蜀河隧道碳质片岩施工大变形问题得到各方面高度关注，各级专家组、院士、领导等多次亲临现场查勘并进行技术研讨，研究控制变形的措施和方案。尽管采取了很多好的措施，但变形依然没有得到有效抑制。 2、经过新蜀河隧道碳质片岩的施工，围岩大变形施工方案及方法仍然处于不断的认识阶段，目前依然没有一个成熟的施工方案和方法。 3、强化工序组织、快速成环，步序合理、工艺到位和采取的一系列措施对隧道变形具有抑制作用；以后部二衬施工控制开挖速度，是减少变形拆换的一个方法。,4、炭质片岩的大变形，造成初期支护侵限、拆换和危及施工安全，一直困扰着施工进度的加快。 5、合理施工方案、方法和施工进度的匹配与施工工期的矛盾的解决，才是有序施工的保证。,谢谢！,
