高原隧道穿越断层破碎带施工技术
2013-09-05刘万生
刘万生
(中铁十六局集团 第一工程有限公司,北京 101300)
高原隧道穿越断层破碎带施工技术
刘万生
(中铁十六局集团 第一工程有限公司,北京 101300)
详细介绍了关角隧道穿越F2-1断层破碎带的施工技术,内容包括断层特征、施工难度、采取的措施(上下台阶、上台阶预留核心土、拱墙设置注浆导管等)、施工步骤以及关键工序控制。施工实践表明,所介绍的施工方案合理可行,效果较好,经济效益显著。
高原 隧道 断层 施工方案
1 工程概况
青藏铁路西格二线关角隧道为双线双洞隧道,全长32.645 km,采用钻爆法施工,隧道通过区属青藏高原亚寒带半干旱气候区,最大冻结深度299 cm,海拔高程3 400~4 500 m。
隧道洞身通过400 m的F2-1断层破碎带,组成物质为碎裂岩、压碎岩,原岩成分以志留系板岩、片岩为主,片层状构造,层厚1~2 cm,倾角陡倾且不规则,走向基本与线路一致,不规则夹有石英细脉;岩体受构造影响严重,挤压构造作用强烈,挤压揉皱明显,岩体破碎。开挖后渣体基本呈碎屑、碎片状,局部夹有断层泥,局部有渗水,拱顶掉块、坍塌严重,初期支护极易发生变形。在实际施工过程中,通过加强超前支护、加强初期支护等措施,取得的效果均较差。
2 施工技术措施
2.1 技术措施的主要思路
由于围岩破碎,施作长管棚钻孔难度较大,经过多方比选和施工软弱围岩隧道的经验,并根据现场试验检测数据分析结果,确定了以下施工工艺技术思路。
采取上下台阶、上台阶预留核心土环形导坑开挖,下台阶左右侧错开开挖。由于围岩主要为片岩,岩质较软,可采用机械和人工配合的方法进行环形导坑的开挖,不仅对围岩扰动小,并且减小了上台阶的开挖面积,及早施作了上台阶初期支护,较好地控制了围岩的变形。下台阶开挖对钢架应力影响明显,因此下台阶分左右侧开挖,可避免两侧钢架同时悬空,有利于控制钢架的整体沉降。
拱部120°范围内设置超前φ42径向注浆小导管,导管长度5 m,其余均设置φ42径向注浆小导管代替砂浆锚杆,导管长度4 m。目的是加固周边围岩,防止围岩自身不稳发生变形,确保开挖过程中围岩稳定,改善隧道围岩状况,预防了隧道塌方。
采用超短台阶法开挖,严格控制台阶长度,人工配合机械开挖,每循环进尺0.5 m,设置临时横向水平钢支撑控制边墙变形。由于断面初期支护受压不均匀,拱部及边墙处偏压较严重,为平衡洞内变形,设置I16临时横撑辅助施工。同时关角隧道地处高原,施工人员多从内地上场,高原缺氧条件下人员施工效率降低,采用超短台阶人工配合机械开挖,可以降低人员的劳动强度。
控制仰拱距掌子面距离不超过16 m,二衬距离掌子面不超过24 m,并加强监控量测。
2.2 施工工序及关键工序控制
2.2.1 施工工序
超前导管施作及注浆→上台阶开挖、支护→上台阶锁脚锚管施作并注浆→下台阶开挖、支护→下台阶锁脚锚管施作并注浆→下台阶拱脚增设临时水平支撑→拱墙施作径向注浆管并注浆→仰拱开挖及基底初期支护→仰拱填充及浇筑混凝土→施作防水板、浇拱圈混凝土。
2.2.2 超前导管支护
拱部120°范围内设置φ42小导管超前预支护,小导管长3.5 m,外插角5°~10°,环向间距40 cm,搭接长度≥1 m。由于围岩破碎,导管只在末端30 cm内设置孔眼,避免安装过程中破碎围岩碎屑及渗水大量进入导管,影响注浆效果。
2.2.3 开挖支护
采用上下台阶、上台阶预留核心土导坑开挖。上台阶长度不超过4 m,初期支护参数除拱部120°范围设超前导管注浆外,边墙采用φ42小导管预注水泥浆加固地层(图1),扩散半径1.5 m,小导管长4 m,外插角90°,环向间距100 cm,纵向间距100 cm,梅花形布设。全断面设2榀/m的I20型钢钢架,各台阶钢架底部设I16横撑,施工中进行倒用;拱墙设 φ8钢筋网,网格间距20 cm×20 cm;全断面喷混凝土厚30 cm。
图1 隧道断层破碎带径向注浆导管示意(单位:cm)
小导管施工采用风镐震动打入围岩,要严格控制环向间距和角度。开挖过程中每循环进尺0.5 m,要严格控制台阶长度,规范台阶法施工工艺,要预留核心土,即先开挖拱圈、边墙,支护完成后再开挖中间的核心土。钢拱架架设完成并喷射混凝土后及时架立水平横支撑,确保稳定。
2.2.4 仰拱及二衬施工
初期支护仰拱每循环开挖不超过3 m,架设栈桥平台保证前方掌子面正常施工,初期支护每循环闭合成环后及时拆除下台阶的临时水平横撑。
隧道衬砌应严格遵循“仰拱超前、拱墙整体衬砌”的原则。初期支护仰拱完成后,为有效地控制其变形,二衬仰拱尽量紧跟施工,即待初期支护仰拱完成6 m后,及时绑扎二衬仰拱钢筋、浇筑混凝土施作二衬仰拱,并进行全幅一次性施工。二衬仰拱施作完成后,利用多功能作业平台人工铺设防水板,绑扎钢筋,采用液压整体式衬砌台车施作拱墙二次衬砌,采用一次性整体灌筑施工。
2.2.5 监控量测
1)量测内容及频率
断层破碎带隧道监控量测包括水平收敛量测和拱顶下沉量测。
洞内观察分为开挖工作面观察和初期支护状况观察两部分。开挖工作面观察应在每次开挖后进行,地质情况基本无变化时,可每天进行一次。对初期支护的观察也应每天至少进行一次,观察内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状况。
净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的量测频率。量测频率根据测点距开挖面的距离及位移速度,按表1选择较高的一个量测频率。当下沉量大时,除量测拱顶下沉,尚应量测拱腰下沉及基底隆起量。
2)资料整理及效果分析
表1 监控量测频率
图2 F2-1断层破碎带区段拱顶沉降曲线
量测资料应及时整理,根据量测结果,绘制位移及位移速度随时间变化的曲线、位移及位移速度与开挖工作面距离的关系曲线,判断隧道围岩及初期支护的稳定性,检查支护效果,为施工提供信息,并根据量测反馈信息,及时修正支护参数。
由F2-1断层破碎带区段拱顶沉降曲线(图2)看出,采用原设计支护方案拱顶沉降在21 mm左右,在DYK283+940—DYK283+977段由于塌方影响,拱顶变形达到88 mm。采用加强支护参数后,沉降基本稳定在11.3 mm左右。说明采用加强支护参数后有效控制了洞室变形,且预防了塌方等地质灾害的发生。
3 结束语
在关角隧道穿越断层破碎带施工过程中,通过拱部120°范围内设置φ42超前注浆导管,拱墙设置 φ42径向注浆小导管,采用上下短台阶法开挖,上台阶预留核心土,严格控制台阶长度,设置临时横向水平钢支撑,并保证仰拱距掌子面距离不超过16 m,二衬距离掌子面不超过24 m的施工方法,保证了施工安全快速进行。目前施工已基本顺利通过断层破碎段,得到了青藏公司、监理及兄弟单位的一致好评。
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U455.49
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2013.04.23
1003-1995(2013)04-0074-03
2012-11-26;
2012-12-20
刘万生(1974— ),男,内蒙古赤峰人,工程师。
(责任审编 孟庆伶)