长大隧道独头掘进高地应力施工技术研究

2015-04-09王伟

四川水泥 2015年5期

关键词：长大锚杆围岩

王伟

(身份证号：130402198512031215；中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000)

长大隧道独头掘进高地应力施工技术研究

王伟

(身份证号：130402198512031215；中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000)

本文首先对长大隧道独头掘进高地应力施工中需要主要的问题进行了介绍，然后介绍了长大隧道独头掘进高地应力施工技术。

长大隧道独头掘进高地应力施工技术

1.前言

高速公路上长大隧道是控制工期的重点工程，隧道掘进工序的快慢直接影响着工程的总工期，因此，选择合适的施工技术是保障施工进度的前提。

2.工程概况

中铁十四局集团潮惠高速TJ17标承建的莲花山2号隧道位于广东省境内，起于汕尾市海丰县赤石镇，止于惠州市惠东县多祝镇。起讫桩号为左线ZK200+365～ZK205+505，右线K200+337～K205+445。左线长5140米，右线长5108米，隧道双线全长10248m，为全线控制性工程，隧道最大高差约578m，隧洞洞身段岩体处于高地应力区，岩体应力水平为中等～高应力水平。

3.长大隧道独头掘进高地应力施工中需要主要的问题

3.1 开挖运输作业线

3.1.1开挖机械

隧道断面净空大，运距长，经过详细论证，认为采用2台AtlasCopco三臂台车进行全断面开挖施工是合理的。该设备采用电力作为动力，由液压动力机组驱动，配有先进的电子控制系统；台车工作高度12m，工作宽度14m，一次可覆盖面积168m2，钻孔速度在普通岩层中可达2.5m/min，硬质花岗岩中可达2.0m/min，最大钻深5.24m，在潮湿、多尘的环境下均可正常工作。项目部采用全断面光面爆破，现场实际统计平均线性超挖均能控制在10cm以内。同时凿岩台车兼顾施钻系统锚杆眼孔的任务，提高了初期支护的施工效率和质量。

3.1.2装碴设备

装碴机械的选择应使之能在开挖断面内高效作业，并和运输机械相匹配，灵活方便，污染小，维修费用低。隧道运输有3种方式：无轨运输、有轨运输、皮带运输。本工程经研究决定采用有轨运输方式。配备数量N根据需装出的石碴数量V和循环时间要求的装碴时间T及现场实际装载生产率A确定，同时考虑备用量，一般为一台。N=V/AT+n’。一次爆破循环的装碴量V应考虑松散系数、超挖量。装载设备的现场实际生产率A除考虑装碴设备的本身能力外，还应考虑运输车辆的外运能力。配备数量还受作业时工作面尺寸的限制。

莲花山2号隧道进口用1台斗容量1m3的PC220-6小松挖掘机进行装碴，配合3台梭式搭接有轨运输矿车，1台ZLC40B型侧卸式装载机在弃碴场平整，4～6h可出完废碴，进行下一个掘进循环。初衬支撑完后，进行仰拱施工仍然使用该挖掘机装碴。

3.2 锚喷支护作业线

3.2.1锚喷机械

锚杆孔采用台车钻眼，多功能作业台架挂网，挤压式注浆泵注浆。喷射混凝土采用长沙科达KC30湿喷机械手，该设备可通过操作有线“遥控器”来控制喷射头进行喷混凝土作业，喷料速度4～24m3/h，喷射头上安装有摆动马达（可240°摆动）和回转马达（可360°回转），且机械手的大臂、小臂均能通过液压驱动后灵活的转动，喷射范围较大，施工中喷头与喷射面之间的角度能够始终保持在最佳角度。长沙科达KC30湿喷机采用液态添加剂计量输送装置，能够精确地控制速凝剂用量，喷头安装红外线距离感应器，保证了喷头到喷射面始终控制在0.8米，有效保证了喷射混凝土质量，减少喷射混凝土回弹量，混凝土的施工质量也因此得以保证，成本也得以大幅度降低。

3.2.2仰拱施工机械

莲花山2号隧道进口采用液压移动仰拱栈桥，主桥38m，支点间跨度23m，一个循环最大施工长度20m，可横向移动和纵向移动，施工方便。该栈桥主梁和桥面采用桁架式结构，减少了自重和结构高度，满足了通行和桥下作业净空要求，实现了仰拱全断面作业。移动就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移动就位仅需1小时，提高了仰拱混凝土的施工速度。

4.长大隧道独头掘进高地应力施工技术

4.1 提高支护系统刚度与整体受力性能

4.1.1调整支护参数，提高支护系统刚度

原设计初期支护采用钢架型号I16@1.0m（不成环），钢架严重扭曲，拱部喷射混凝土产生裂缝并大面积掉落，初期支护发生结构性破坏，无法保证施工安全。后调整到成环I18@@0.6m，以提高支护刚度和强度，减小围岩变形。

4.1.2根据新奥法原理，提高支护体系整体受力能力

隧道大变形支护系统是指支护结构和周边围岩的结合体,不仅指钢架、喷混凝土等支护结构本身，还包括锚杆、注浆等方式加强支护结构与周边围岩的联系，从而使支护结构与围岩形成整体支护体系，抵抗开挖后地层应力作用。具体措施主要有加强超前预支护（Φ42超前注浆小导管，长度4m）、钢架间设置双层连接钢筋（Φ22螺纹钢筋，内外双层布置，环向间距1.0m）、双层钢筋网（Φ8双层钢筋网）、锚杆采用中空注浆锚杆、初期支护后回填灌浆等。对于施工完毕未施作二衬处，发生大变形，通过设置套拱和拆换拱架提高支护强度，但对成本和进度有很大影响。

4.2 采用超短台阶法施工，初期支护快速封闭成环

大变形隧道在满足施工开挖要求和台阶稳定的情况下，尽可能缩短上台阶长度，可以尽快使支护结构形式闭合成环，控制围岩变形。

国内外著名的大变形隧道工程实践表明，长锚杆是控制软岩大变形的重要手段之一。设计改进后，将原来3.5m系统锚杆加长，采用4.5m长，D25中空锚杆，以穿透软弱围岩塑性区，达到对围岩加固的目的。D25中空锚在施工中要严格控制锚杆长度、角度、注浆压力等工艺。

一方面随着锚杆长度的增加，长锚杆施工难度大，对工艺要求严格，在具体实施过程中有许多技术要求和要点必须进行控制，否则难以达到预期效果；另一方面从工程造价角度讲也是不科学的。因此，长锚杆控制变形是有很大作用的，但是不能一味的采用增加锚杆长度的办法来控制洞室变形。针对不同的地质条件，到底采用多长的系统锚杆才算是合理，既能有效控制大变形，又能达到经济合理是要解决的问题。

4.3 适时进行二次衬砌，是大变形控制的关键

对于大变形围岩隧道，变形量大，收敛速度慢，远未达到规范要求的的收敛变形速率时初期支护就已失稳破坏，因此，确定合理的的二次衬砌施作时机对于大变形围岩隧道至关重要。根据现场变形检测规律分析，莲花山2号隧道软岩地段变形速率小于1～2mm/d时，应施作45cm厚的钢筋混凝土二次衬砌，距离掌子面70～80m左右，可有效控制大变形发展。这是软岩大变形控制中“先放后抗”的原侧。

以上措施在现场进行了实践，根据监控量测反馈的信息，对于变形控制较为有效，但仍需通过现场的不断总结优化，进一步提高其经济性和高效性。

4.4 监控量测与信息化施工

加强现场监控量测、重视地质超前预报、动态控制软弱围岩大变形是隧道施工中的重要环节。莲花山2号隧道施工过程中，采用TSP203plus地质超前预报、地质雷达、超前钻孔等多种手段进行了综合超前地质预报，起到了及时掌握掌子面前方地质情况，为提供相应的应对控制措施提供了依据。施工过程中对隧道拱顶下沉，周边收敛进行连续监控量测与数据分析，对围岩压力、钢架应力、二次衬砌接触压力和混凝土应力等项目进行了系统的监控量测，并对监控数据统计分析，通过及时调整支护参数、预留变形量等，在保证预留得到有效控制的同时，避免或减小换拱对施工造成的不利影响，并指导下一步施工，达到信息化施工、动态控制的目的。