桑树湾隧道Ⅲ级围岩水平岩层防塌施工技术

曹康俊

1 工程概况

包西铁路通道桑树湾隧道位于陕西省洛川线西侧约12 km,起讫里程为DK598+359～DK603+525(在 DK603+100处有一长链,长11.98 m),全长5 177.98 m。隧道区地貌上属黄土台塬区,进出口均位于洛河左岸基岩裸露的斜坡地带,隧道洞身最大埋深200 m,主要通过三叠系页岩夹砂岩、砂岩夹泥岩,节理发育,有裂隙水渗出,围岩软硬相间,岩层近水平,倾角 2°～7°。隧道设计为双线隧道,隧道断面有效面积(轨面以上)为80 m2。隧道围岩以Ⅲ级为主,占隧道全长的93%。

2 隧道塌方的预防

2.1 发生塌方的原因

2.1.1 地质因素

1)水平岩层。本段线路在地质构造上属中朝准地台的二级构造单元——陕甘宁台坳,构造作用主要表现为自中生代晚期开始大面积的缓慢抬升为主,这是隧道拱部稳定性较差的物质因素。2)垂直节理。本区岩体主要发育东西向和南北向两组构造垂直节理,如果隧道遇到该两组隐性节理,对岩体切割,隧道应力调整大、时间长,易产生塌方。3)软硬相间。本区发育的岩层中,泥岩及页岩一般以砂质为主,岩质相对较软,砂岩以钙质为主,岩质相对较硬,岩性软硬相间,岩体风化不均,层间结合相对较差,开挖后围岩应力调整时间较长,是拱部塌方滞后的原因之一。4)隧道初期支护施工后慢慢渗水并增大。隧道刚开挖时干燥无水,节理裂隙水沿爆破后形成的纵向裂隙慢慢下渗,首先雨水渗入黄土增大了隧道拱顶的荷载,其次下渗到隧道周边,对隧道拱部的页岩和泥岩夹层将起到软化作用,已施工的隧道初期支护受到这两种不利影响,造成拱部局部坍塌。5)拱顶覆盖的水平岩层厚度较薄。如果实际的拱顶页岩、泥岩厚度较薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很难形成自然拱,在其上部较厚的黄土荷载压力下,已经施工的隧道初期支护难以承受,造成拱部局部坍塌。

2.1.2 施工因素

1)开挖爆破震动。早期掌子面爆破震动大,拱部岩石慢慢剥落。喷射混凝土临近掌子面,受爆破震动大,喷混凝土早期强度受到很大影响。后期仰拱开挖,拱部岩石、初期支护再次受到振动。故拱部先出现掉块,慢慢发展成坍塌。2)原设计Ⅲ级围岩支护措施过于薄弱。3)个别段落围岩量测不可能预见所有塌方的发生。

2.2 水平岩层塌方的特点

一般拱部局部坍塌滞后隧道掌子面开挖里程2倍～3倍洞径,约为30 m～50 m,该段初期支护施工已完成,并且分次逐步坍塌,开始小,慢慢牵引临近地段,塌方段落长,影响范围大,最长的约有35 m,一般拱部坍塌宽度约为5 m～8 m,高度约为2 m～3 m。

2.3 塌方前的预兆

1)水文地质条件的变化。如干燥围岩突然出水、地下水突然增多、涌水量增大、水质由清变浊等都是即将发生塌方的前兆。2)拱顶不断掉下小石块,甚至较大的石块相继掉落,预示着围岩即将发生塌方。3)围岩节理面裂缝逐步扩大,很可能要发生塌方。4)支护结构变形,甚至发出声响,有坍塌的可能。5)围岩或支护结构拱脚附近的水平收敛率大于0.2 mm/d或拱顶下沉量大于0.1 mm/d,并继续增大时,说明围岩仍在发生变形,处于不稳定的状态,有可能出现失稳塌方。

3 预防塌方的施工措施

3.1 超前地质预报

对地质条件复杂地段,要在地质的基础上,进行物探超前地质预报,一般以TSP202,TSP203为主;对地下水发育的地段,要采用红外探水对掌子面前方的地下水进行预报。对规模较大的区域性断层、物探超前预报异常的地段,在地质编录和物探超前预报的基础上,要通过超前水平钻探进一步确定掌子面前方的地质情况。对于地质超前预报揭示的不良地质或特殊岩土地段要高度重视,及时向有关单位和人员汇报,并采取必要的控制预防措施,制定得当的施工方案,避免工程灾害事故的发生。

3.2 控制好开挖进尺及采用合理的爆破方案

1)为了减小对围岩不必要的破坏,要注意同一段的共同作用装药量不能超过计算的最大单级允许装药量。2)靠近周边眼的内圈炮眼应与周边眼有相同的斜率倾角。3)周边眼应严格按照设计位置布置,断面拐角处应布置炮眼。4)炮眼一定要用黄泥进行封堵,以提高炮眼的效率。5)装药时一定要按光面爆破的起爆顺序进行装药,避免混装。6)为了取得较好的炮眼质量及提高钻眼速度,要做到“四不钻”,即不钻残眼、不钻破碎层、不钻石缝、不钻软夹层。7)每循环进尺严格控制在2.4 m左右(2榀钢格栅间距),爆破后尽早封闭岩面,减少围岩暴露时间。

3.3 拱部设置格栅拱架

1)砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),薄层状。a.如果隧道拱部围岩为近水平砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),薄层状,节理发育,岩体完整性较差,层间结合差,多有分离现象;边墙稳定性较好。基岩裂隙水不发育,局部偶有渗水,采用拱部 150°钢格栅的措施,见图 1。b.如果隧道拱部围岩为近水平砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),薄层状,节理发育,岩体完整性较差,层间结合差,多有分离现象;边墙稳定性较好。基岩裂隙水不发育,局部偶有渗水,在150°钢架拱脚处围岩破碎,则将拱脚下移,采用拱部180°钢架的措施,见图2。

2)砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),或砂泥岩、砂页岩互层,薄层状。如果隧道拱部围岩为近水平砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),或砂泥岩、砂页岩互层,薄层状,节理发育,岩体完整性较差,层间结合差,多有分离现象;边墙由于软岩有风化现象,稳定性相对较差。基岩裂隙水较发育,局部偶有滴水,采用拱墙钢格栅的措施,见图3。

3)采用调整围岩级别的加强措施。为了施工和运营安全,必要时采用调整围岩级别的加强措施。如Ⅲ级水平成层围岩临近断层及影响带时,或拱部岩层厚度较小、地下水很大时,采用调整围岩级别的加强措施以确保施工安全。

3.4 喷锚支护施工工艺

1)系统锚杆。隧道系统锚杆采用全长粘结φ 22 mm砂浆锚杆。锚杆打入方向一般应接近于隧道径向,但在层状围岩中,锚杆的方向宜尽量与围岩面大角度相交,在页岩或砂岩的水平岩层地段,边墙锚杆局部设置,其余改按等数量的拱部超前锚杆。2)格栅钢架。格栅钢架在洞外钢构件厂钢板作业平台上,先按设计钢格栅放出大样图,然后沿放出的大样焊接短钢筋,制作出格栅加工大样,再将已弯制好的钢筋放入格栅加工大样焊接成钢格栅。钢架加工的焊接不得有假焊,焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。每榀钢架加工完成后放在水泥地面上试拼,周边拼装允许误差为±3 cm,平面翘曲小于2 cm。钢架在开挖或喷混凝土后及时架设。

4 掌子面附近的掉块现象

这种情况往往发生在爆破后6 h～8 h,正好是出完渣,用架子车立格栅钢架的时间。开挖后围岩应力重新分布,初期支护还未施工完成,页岩在自重作用下从中间断裂,发生掉块现象。隧道每开挖循环在2.4 m左右,上一循环的初期支护施工完成,和围岩共同受力,所以掌子面附近不会发生大塌方,但掉块现象不可避免。掌子面附近又是作业人员比较集中的地方,很容易发生安全事故,这就要求我们在出渣排险时,工作一定要细致,尽可能用挖机把拱顶危石排除;作业人员上架后用钻杆敲击拱顶页岩,从声音可以判断页岩和上一层是否已经剥离,从而采取相应防护措施;作业架上要有专人观察拱顶情况,及时发出预警。

5 结语

桑树湾隧道2008年8月～10月间连续发生三次塌方,长度均在30 m左右。后来在水平岩层地段采取拱部设置格栅钢架的处理措施,收到显著效果。隧道进出口再未发生过拱部坍塌,月进尺都保持在150 m左右。在隧道的施工尤其是长大隧道的施工过程中,应该做到心中有数,把预防隧道塌方作为重点,将隧道塌方列入成本控制中,在隧道施工中树立起“不塌方就是效益,塌方就是责任事故”的指导思想。

[1]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[J].铁道标准设计,2007(sup):1.

[2]李新皇.浅谈大窝山隧道进口段软弱围岩短台阶施工[J].山西建筑,2008,34(33):327-328.