软岩隧道施工变形控制

2016-03-11张明龙

工业设计 2016年3期

关键词：掌子面锚杆围岩

张明龙

中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆，401121

软岩隧道施工变形控制

张明龙

中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆，401121

伴随现如今我们国家铁路网的完善，使得有关建设方面要求提高，尤其是高速铁路以及客运专线的大量修建，使得我国现如今对于隧道项目实施规模以及技术水平也有了新的突破。可是，软弱围岩隧道塌方以及有关工作人员伤亡等现象还经常出现，这就显示出了现如今对于隧道建设方面的安全管理工作仍然不能和当前形势所适应。因此，处理好现如今软弱围岩隧道建设时变形问题是非常重要的。针对该问题，下文主要对于软弱围岩变形控制技术展开深入论述，并且选择合理开挖方法以及支护措施，控制变形，让其变形控制在基准范围内，以此来确保围岩以及隧道结构长久稳定。

软岩隧道；施工变形；控制

随着社会的发展进步，人们对于自身的生活质量有了很大的提高，也就对于自身的出行交通有了更高的要求，为了能够更好的服务于人们大众，所以本文将会对软岩隧道施工变形控制进行深入的探讨。

1 工程概况以及工程地质

1.1 工程概况

广通至大理铁路扩能改造项目是国家I级双线铁路，整个项目全长174.45公里，我单位所承建的祥和隧道地处云南高原和横断山脉的交接地区，呈现侵蚀高中山峡谷地貌，并且其地表沟谷纵横，地形起伏非常大。因为隧道本身处于可溶岩和非可溶岩地层，所以在项目实施时一定会遇到涌水以及坍塌等现象，这里面以小范围坍塌以及涌水最为普遍。尤其是在隧道建设穿过可溶岩和非可溶岩、不同岩性组合段以及侵入岩蚀变带时，出现塌方导致涌水的危险情况也会更多。

1.2 工程地质等情况

项目在实施时最主要难点就是地质因素非常复杂，隧道主要不良地质就是岩溶和断层。隧道正洞包含有，III级围岩设计一千九百五十四米，IV级围岩四千三百四十米，V级围岩三千九百二十六米，IV级V级围岩占到了百分之八十左右。隧道处在川滇南北向构造带以及青藏滇缅带子形构造带之间，因此断裂密集发育，并且因为受区域性活动断裂红河深大断裂及宾川-程海断裂断裂影响强烈，使得其有关岩体稳定性非常不好。特殊岩土主要有软土及膨胀土特殊岩土具体包含有软土和膨胀土。受区域地质构造影响测区内发育上泥哨断裂、荞麦地-马鞍山断裂、水茂村断裂以及柳冲箐断层和上迎风村断裂等几个断裂构造，这其中岩体节理以及裂隙发育。隧道预计正常涌水量是92800m3/d，而雨季项目实施的最大涌水量是111360m3/d。

2 隧道软弱围岩变形控制方法

依照围岩变形的空间分布规律，可以把围岩变形分成掌子面前方变形、掌子面挤出变形以及掌子面后方变型这3类。下面将对这3种情况变形控制方法进行论述。

2.1 控制掌子面前方变形方法

因为祥和隧道的软弱围岩稳定性不好，所以在对于掌子面进行挖掘以后，因为其自我稳定时间非常短，所以如果初期对其不做实施，那么围岩变形将会超过它能承受的范围，这时候就应当选择超前支护方法，来避免开挖之后将会出现的荷载，通过初期支护技术来将后期所释放的荷载减小，因此这时候二者共同承担了开挖时将会释放出的所有荷载。

合理使用超前支护技术，让开挖时所释放出的荷载可以控制在初期支护能力范围内是现如今控制掌子面前方变形技术的重要所在。只有将变形控制在要求范围内，才可以确保初期支护工作顺利进行，并且让其和超前支护一起承担围岩释放的所有荷载。而对于掌子面超前变形，主要是通过利用超前支护技术来进行的，而这一技术从总体上能够分成两类，并且都是依照构造来进行分类的，首先是通过利用隧道纵向刚性的梁构造来分类，其次是通过横向刚性的拱形构造进行分类。前者通常能够分成采用小导管以及管棚和注浆等方法进行施工。而后者都是选用初喷混凝土预支护技术进行实施。因为超前支护技术在使用时受到设备以及地质环境等要求很多，所以在选择支护技术时一定要依照具体地质条件以及周边状况等展开施工。依照隧道地质环境以及周边条件，选择下面的技术进行施工：

2.1.1 超前小导管

超前小导管技术是现如今经常会用到的预防拱顶塌落的支护技术。并且其一般都是在对安全要求很高的环境里使用，在对破碎围岩以及断层破碎带施工时经常会见到这一技术。它是在开挖前向掌子面前方的拱部,斜向打入4～6米的钢管,每次向前挖掘后打入。将其布设完毕之后依照围岩情况，还可以对其进行注浆，以此来加固周围土层。

2.1.2 超前大管棚

该技术通常是在对沉降有着很严格的要求的情况下使用，主要用于浅埋洞口以及断层破碎带地层。通常都是选用直径70毫米到159毫米的钢管，纵向长度为十米至一百米，依照具体情况进行设置。管棚刚性很大，并且它还有梁的作用，辅以注浆还可以很好的改良围岩，所以超前大管棚技术得到了非常好的效果。相比于超前锚杆以及小导管等技术来说，这技术主要是可以抑制超前位移以及挤出位移，以此来确定拱顶稳定。而注浆所用的材料可以依照具体情况来选择。并且这一方法相对于超前小导管支护技术不能应用的场地，可以发挥出很好的作用。

顺着开挖断面朝着掌子面前方的围岩，可以对其配置长度为二十米至三十米的管棚，以此来控制围岩的超前位移，并且还能够发挥出稳定掌子面以及控制地表面下沉的优势。这种方法适用于不连续面非常发育的围岩，以及强度小的软岩和河谷段等环境，并且还能应用于需要抑制地表面下沉的环境等。祥和隧道在实施时能够选用隧道地质钻机施作管棚，因为其所具有的安全性很高，所以能够提升工作效率，加快项目实施速度。

2.1.3 初喷混凝土预支护

初喷混凝土预支护技术也属于超前支护技术中的一种。其是通过喷射厚度二十厘米左右的喷射混凝土壳，以此来构成相对柔性的拱壳，并且还可以喷射厚度三十厘米左右的混凝土形成刚性相对较大的拱壳。前者主要用在稳定掌子面上，而后者主要用在控制地表下沉上。

2.1.4 管幕

该方法实际上是在隧道开挖前顺着其周边用钻机设置超前长钢管，并且在钢管里面填充水泥砂浆。所以这一方法是抑制洞口以及超前变形和保护周围环境的有效方法。通常其所选用的钢管要比常见的钢管直径更大，因此所取得的效果也会更好。通常用到的钢管直径大概是一百五十毫米以上，而长度大概在三十米以上。该方法经常会用在隧道正上方有铁路以及建筑物等作为避免地表面塌陷的方案里面。这一方法还需要设置反力壁等相对较大的临时装置，并且实施时速度也很慢，应当充分考虑项目实施环境以及所需时间来制定方案。并且这一方法当中钢管在实施中的下沉可能会比隧道在建时的下沉还大，所以对其进行施工时，一定要把对于围岩的控制降到最低。从目前隧道支护技术的发展趋势看,超前支护是一个很重要的领域。并且在对于许多隧道设计标准里面，早就规定了短、中以及长3种超前支护的基本参数。因此这对于超前支护技术的研究有着非常重要的意义。

2.2 控制掌子面挤出变形措施

2.2.1 留核心土

该方法实际是在掌子面不能够自稳的不良围岩里，通过挖掘将其中央部分保留，以此来确保掌子面稳定。并且还应当和后面所讲的掌子面喷射混凝土以及掌子面锚杆结合起来，使其能够更加稳定。对拱部进行开挖叫做拱弧形开挖，开挖时能够选择挖掘机进行实施，尤其是在自稳性能较差的围岩里，还应进一步地进行分割开挖。并在其之后立即喷射混凝土，完毕以后继续对相邻部分进行挖掘。

2.2.2 喷射混凝土

对于掌子面喷射混凝土封闭实际上是为了使其具有稳定性，因此在开挖之后对其喷射五至十厘米的混凝土。在不良围岩位置周边，应当让其多和核心土以及掌子面錨杆共同作用，这对于核心土的脚部作业以及在掌子面打设锚杆作业都非常重要。并且进行喷射混凝土封闭掌子面，是在开挖以后马上实施的，因此其能够很好的避免初支崩塌以及防止掌子面围岩松弛，所以一定要尽早的喷射混凝土。对于隧道当中的不良围岩，其掌子面自稳性特别的差，所以一定要用挖掘机以及喷射机共同使用，对于局部进行开挖以后马上进行喷射，使得其暴露的时间可以变得更少。

2.2.3 掌子面锚杆

该方法通常是对于掌子面流坍显著的地方应用。并且其中所用的锚杆通常长度是在六米以下的短杆以及六米以上的长杆。为了保证相关连续补强效果，将其全长一半残余长度当做搭接长度。钻孔和锚杆施作时也要用到水平钻机。通过采取这一方法，核心土长度能够缩短。如此就能够使初期支护中锚杆贴近掌子面进行实施。

2.3 控制掌子面后方变形措施

2.3.1 调整开挖荷载释放时机

调整开挖荷载释放时机实际上是通过调整开发方法以及实施工艺来达到目标的，并且不一样的方法它所释放核载的过程也不一样。即便是相同的方法，在对于核载量进行释放时也会因为其所选用的工艺不一样而产生差异。

开挖方法和隧道施工工艺的选择，不但会影响主要荷载的释放过程，并且也会影响隧道施工的速度、安全以及成本。所以，要充分考虑后再选择适宜的方法并且对于施工工艺进行优化。台阶法相对简单，并且操作起来难度也很低，这就使得其在实施时会有着很高的效率，而且也无复杂的临时支撑，所以成为隧道施工中最常用的工法，通过研究其荷载释放过程及其对围岩变形的影响，这样就能够得到最适宜的台阶高度以及长度。通过试验，采取上下台阶高度一样的办法所取得的效果最佳。

2.3.2 提升初期支护承载能力

高规格钢支撑,钢支撑是顺着隧道开挖面设置的拱形的型钢支护构件，由于在对其架设时就可以发挥出作用，所以可以把它用在喷射混凝土强度以及锚杆的锚固材料强度出现之前。

多重支护,多重支护控制变形技术实际上就是在隧道进行挖掘时控出足够的变形预留量，首先释放出一部分变形，展开第一次支护，然后继续释放变形，等到其到了极限之后，接着施作第二次支护，有时候还能够进行第三次支护，如此使得其最终能够控制在要求范围里。该方法的好处就是不用进行反复扩挖以及支护工作，也就是说没有了拆除顶替已经承载的支护构件以及对围岩展开多次扰动的问题。容许一次支护变形，减少其作用在第二次支护上的压力，而且能够在最内侧形成完整的壳体，让整个支护稳定。

改变辅助导坑初支断面,祥和隧道中平行导坑的初支断面设计是直墙式，在项目前期建设过程里，发现这一方式受力条件非常差，并且会使很多边墙出现不同程度的变形。通过和有关单位进行研究之后，可以把其改成曲墙式，如此就能过改善受力环境，进而控制变形。并且在后期的隧道施工中，对于平导初支变形也有了更好的控制。