隧道膨胀岩地段施工技术及质量控制

摘要:膨胀岩抗压强度低,是我国交通土建工程施工中经常遇到的不良地质地段,可能造成工程的工期延长、质量下降、工程造价剧增,还可能出现安全事故。文章介绍了膨胀岩地段的施工开挖方法、支护措施、工序衔接、循环进尺、施工质量控制,以及膨胀岩施工中出现的初期支护变形问题的处理方法,以确保隧道结构和施工安全。

关键词:铁路隧道;膨胀岩;施工技术;质量控制

中图分类号:U445文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0158-02

膨胀岩是指土中黏土矿物成分主要由亲水性矿物组成,同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性,是湿胀干缩往复变形的高塑性黏性土。它属于软质岩石,抗压强度低,是我国交通土建工程施工中经常遇到的不良地质地段,将造成工程的工期延长、质量下降、工程造价剧增,还可能出现大的安全事故,导致人员伤亡、设备损坏等,因此有必要对膨胀岩地段的施工技术进行全面、系统的研究和总结。

一、膨胀岩的基本特性

1.超固结性。膨胀岩含量高的隧道在开挖时会产生较大的塑性变形,并会引起围岩的应力释放,导致强度降低而产生的现象。这都是因为膨胀岩大多具有原始地层的超固结特性,有较高的初始应力存在于土体中。

2.多裂隙性。基于膨胀岩的本身特性,随着时间的积累,中间就会形成很多种裂隙,并最终具有了各式各样的裂隙性。

3.湿涨干缩性。膨胀岩含有较多强亲水性黏土矿物,因此会因吸水而膨胀,失水而收缩,破坏围岩的稳定性,特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。

二、施工顺序及施工工艺

膨胀岩地段施工顺序为:拱部小导管注浆超前支护一上半断面开挖支护一左、右错开开挖下半断面马口、施作下部支护一下半断面中间开挖一施作仰拱、填充,及时成环一施作拱墙二次衬砌。

1.超前支护。拱部采用Φ42小导管注浆超前支护,小导管纵向间距2m,环向间距40cm,每环20根,每根长3.5m,外插角5°~10°,管壁四周按间距15cm,梅花形布设幅Φ8mm注浆孔。小导管采用YT28凿岩机钻孔、推进,小导管以紧靠开挖面的格栅钢架为支点,小导管打入后即进行注浆,形成管栅支护环。超前小导管采用水泥一水玻璃双液注浆,水泥和水玻璃浆液比一般为1∶1～1∶0.6,浆液浓度为1∶1.25～1∶0.8,水玻璃采用35Be',缓凝剂采用磷酸氢二钠,掺量为2%～2.5%,浆液扩散半径50cm。双液注浆泵注浆,注浆压力一般为0.5MPa～1.0MPa。

2.上半断面开挖与支护。上半断面开挖高度为5.3m,即最大跨度以下0.44m,采用钻爆法施工,YT28风动凿岩机钻孔,光面爆破,每循环进尺2.0m。每次开挖后立即进行初期支护。支护形式采用Φ22砂浆锚杆,每根长3m,环向与纵向间距分别为0.8m,1.0m;全环格栅钢架,每米1榀,外设Φ8钢筋网(25cm×25cm);喷射混凝土厚20cm。

Φ22砂浆锚杆采用风动锚杆钻机或风钻,利用多功能台架钻孔,钻至设计深度后,用高压风吹孔,用注浆泵向孔内灌人孔深2/3的砂浆,打入锚杆,孔口不满部分用砂浆泵补灌,再用砂浆将孔口抹平,安装垫板螺栓。

格栅钢架以Φ22螺纹钢筋作为四支主骨架,按设计轮廓放样焊制。钢架各单元间以螺栓连接牢固,接头板焊接,纵向插人钢筋连接。

3.下半断面开挖与支护。下半断面与上半断面水平距离为10～30m,采取先下挖马口施作初期支护,后挖中间土的方式施工。下挖马口采取左右错开,隔四挖二的开挖方式,以人工配合挖掘机开挖。开挖后,立即按上台阶格栅钢架布置施作下台阶格栅钢架,施作径向锚杆,湿喷混凝土初期支护,中间土采用振动锤破碎岩层,挖掘机出碴。

开挖马口的先后顺序和时间安排尤其重要。开挖马口和上半断面的施工方面在时间的先后顺序上不相干扰,下半断面中间土开挖和上半断面钻孔同时间进行,相互之间也不会形成影响。这样既保证了施工的安全,又保障了施工的快速。

4.仰拱。为了不影响掌子面的掘进与支护施工,仰拱在掌子面钻孔时进行开挖。采用振动锤配合挖掘机跳槽开挖,每6m一循环,上铺两条0.6m宽的行车钢便桥,以满足正常通车需要,最后浇筑仰拱混凝土。因为在仰拱实施过程中采用了积极合理的方式,很好的完成了断面、下断面、仰拱三道工序同时施工,相辅相成互不影响,达到了预期的配合效果。施工安全项和工作进度预期同时得到有效的保证。同时,隧道内碴、进料在紧张运输时,在安全、工作量、效率上明显得到提高。

5.二次衬砌。有时候根据隧道内监控设备采取的检测数据为了确保隧道结构和施工期的安全推移,判定在围岩和初期支护变形发展速度减慢或者趋于稳定后,可以进行二次衬砌施工。相反,当围岩变形发展速度变快速而看不出有稳定的趋向时最好不要进行二次衬砌施工或者要采取二次衬砌紧跟、加快二次衬砌的处理方式。二次衬砌采用整体模板台车,混凝土采用拌合站集中拌和,混凝土输送车运输,泵送入模。

6.排水。鉴于膨胀岩在吸水的情况下即会膨胀、失水即会收缩的特点,在项目中尤其要注意排水,还要注意小缝隙,漏洞等漏水而对膨胀岩带来的不利影响。根据多年的项目经验知道,很小的疏忽可能会造成不可预计的影响。

7.监控量测。现场监控量测是判断围岩的稳定性状态、保证施工安全、指导制定施工方案、进行施工管理、保证高效、快速施工的重要控制手段,在膨胀岩施工中尤为重要。通过监控量测,可以动态地掌握支护结构的稳定性,了解支护构件的作用效果,及时将监控量测数据的分析结果,反馈到设计、监理单位和施工现场,重新验算修正围岩的各项物理参数,进一步优化设计,调整施工方案和工艺流程,使其更加符合实际情况,在保证安全的前提下,加快隧道膨胀岩地段的施工进度。

三、常见变形的处理措施

1.锁脚锚杆。在拱、墙脚以上0.5m,1.0m,1.5m处,特别是钢架C、D单元接头薄弱环节处,设锁脚锚杆,并与格栅钢架焊接。锁脚锚杆采用自进式锚杆(L=3m～6m)或Φ42小导管(L=4.0m)注浆,控制围岩收敛变形,阻止下沉。

2.临时卡口梁。当围岩或支护收敛变形较大或开挖软弱地段下部时,在起拱线或地面以下50cm处增设Ι16型钢卡口梁,局部地段在地面以下施作钢筋混凝土卡口梁。

3.套拱。施作套拱也是限制围岩变形的措施之一。当围岩或支护收敛变形较大或增长加快时,沿初期支护内缘套设Ι16工字钢钢架,并在拱墙脚打锁脚锚杆,与其焊接在一起。

4.加快二次衬砌施工。在开挖时发生坍塌或围岩支护变形很大,长期不能趋于稳定情况下,征得设计同意,采取加快二次衬砌施工以确保隧道结构安全。

5.调整施工方法。施工前方施工方法调整为超短台阶法,台阶长度3～5m;全环架设格栅钢架。上台阶高度调整到钢架B、C单元连接处,原C、D单元合成整体一次完成,不留接头,并仰拱及时跟进,初期支护迅速成环。

6.加强监控量测及数据分析,适时调整预留变形量。当实测变形量已达到预留变形量的2/3时,及时补强初期支护。

四、结语

1.鉴于膨胀岩破坏力巨大的特点,从安全方面考虑大致可以分为几点防范:首先,搞清这种膨胀岩的内在膨胀因素和外在膨胀因素。其次,有效利用膨胀岩的力学性质来达到施工快速和安全的目的。其实膨胀岩的一个很大的作用是在旧隧道的施工过程中大量使用膨胀岩,并表现出了很好的效果。

2.但是这样岩石用在工程项目中,当其出现问题比如变形时,基本不会出现裂纹、调块等现象出现。所以在膨胀岩使用较多地段尤其注意监测和了解施工情况,这样就为完全有效的施工做好了保障和铺垫。

3.鉴于膨胀岩只有在碰到水的情况下才会出现膨胀的情况,在施工过程中尤其是在隧道施工、设计中尤其注意排水工作,将排水工作摆在首要位置。

参考文献

[1]周治勇,付迎春.象山隧道特殊地质段施工方案分析[J].山西建筑,2007,33(35).

作者简介:杨建华(1973-),男,广东广州人,中铁二十五局集团有限公司工程师,研究方向:工程试验。