高地應(yīng)力施工

1、高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工技術(shù)中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司石貞峰摘 要：堡鎮(zhèn)隧道為宜萬(wàn)鐵路第二長(zhǎng)隧、七大控制工程之一，也是全線施工難度最大的隧道 之一。堡鎮(zhèn)隧道圍巖屬于高地應(yīng)力軟巖，在施工中發(fā)生高地應(yīng)力軟巖大變形。結(jié)合 軟巖的巖性分析情況，采用科研引導(dǎo)、穩(wěn)扎穩(wěn)打的方針，制定了詳細(xì)的施工方案， 在施工過(guò)程中探索、研究出了控制軟巖大變形的施工技術(shù)。關(guān)鍵詞：堡鎮(zhèn)隧道 高地應(yīng)力 軟巖大變形 施工技術(shù)1工程概況堡鎮(zhèn)隧道左線全長(zhǎng)11565m,右線全長(zhǎng)11599m,線間距30m,右線初期設(shè)計(jì)為平導(dǎo)，作 為左線輔助施工通道，后期再將平導(dǎo)擴(kuò)挖形成右線隧道。是宜萬(wàn)鐵路第二長(zhǎng)隧、七大控制工 程之一，也是全線唯一的

2、高地應(yīng)力軟巖長(zhǎng)隧。十四局承擔(dān)左線進(jìn)口段5641m、右線進(jìn)口段 5622m的施工任務(wù)。隧道穿越巖層主要為粉砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖，呈灰黑色，多軟弱泥質(zhì)夾層帶，白色云母 夾層，強(qiáng)度極低。大部分頁(yè)巖呈薄層狀，層厚310cm，分層清晰，產(chǎn)狀扭曲，擠壓現(xiàn)象明 顯，巖體破碎，強(qiáng)度很低，手捏呈粉末狀，遇水膨脹；順層發(fā)育，有光滑順層面，層間多夾 軟泥質(zhì)夾層，節(jié)理、層理發(fā)育、切割嚴(yán)重，圍巖整體性很差，隧道左邊拱存在順層軟弱面， 右側(cè)邊墻有楔形掉塊，爆破后滑坍、掉塊嚴(yán)重。根據(jù)國(guó)標(biāo)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)屬高 應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生大的位移和變形。洞內(nèi)初期支護(hù)局部開(kāi)裂，順層坍塌，節(jié)理發(fā)育，軟巖變形等， 凡專家預(yù)測(cè)的復(fù)雜地質(zhì)均已出現(xiàn)

3、。在施工中發(fā)生多次高地應(yīng)力作用下較大變形中，僅8#橫 通道處拱頂沉降最大就達(dá)15cm，收斂32.5cm，超過(guò)預(yù)留變形量，并侵入二次襯砌。2施工方案針對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形的特點(diǎn)，我們制定了“超前支護(hù)、初支加強(qiáng)、合理變形、先放 后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時(shí)封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報(bào)”的整治原則和總 體方案，配合平導(dǎo)超前等輔助方案較好的解決了此項(xiàng)難題。2.1總體方案介紹采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，開(kāi)挖后及時(shí)封閉圍巖；加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度，采用型鋼拱架 封閉成環(huán)；為達(dá)到穩(wěn)固圍巖的目的，系統(tǒng)錨桿采用中空注漿錨桿加固地層，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)稍大 于塑性區(qū)的厚度。加大預(yù)留變形量。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空

4、，開(kāi)挖時(shí)即加大預(yù)留變 形量，另外采取了不均衡預(yù)留變形量技術(shù)。施工支護(hù)采用“先柔后剛，先放后抗、剛?cè)岵?jì)”原則，使初期支護(hù)能適應(yīng)大變形 的特點(diǎn)。及時(shí)封閉仰拱、特別是仰拱初支，是減小變形、提高圍巖穩(wěn)定性的措施之一；另外 加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力狀況。改善隧道結(jié)構(gòu)形狀，加大邊墻曲率，根據(jù)圍巖實(shí)際和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，采用受力結(jié)構(gòu) 最為合理的“鴨蛋”型斷面；改善結(jié)構(gòu)另一措施是提高二次襯砌的剛度，即加大二次襯砌厚 度，增加受力鋼筋數(shù)量，提高襯砌材料的強(qiáng)度和彈性模量。根據(jù)隧道存在始終存在順層偏壓的特點(diǎn)和順層巖層施工力學(xué)行為分析，確定地質(zhì)順 層情況下巖石傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，采取了不均衡預(yù)留

5、變形量技術(shù)，不對(duì)稱支護(hù)措施， 間隔空眼、微差爆破技術(shù)，以及左右側(cè)不均衡裝藥爆破技術(shù)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。全過(guò)程實(shí)施施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。2.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法堡鎮(zhèn)隧道采用以監(jiān)控量測(cè)、地質(zhì)素描為主，結(jié)合科研測(cè)試的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。綜合超 前地質(zhì)預(yù)報(bào)包括以下方法：掌子面地質(zhì)素描，監(jiān)控量測(cè)，應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試以及常規(guī)地質(zhì)綜合分 析等。通過(guò)掌子面素描確定節(jié)理面的走向和傾向，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反分析地應(yīng)力值，從而 判定圍巖的地質(zhì)狀況。同時(shí)，利用右線平導(dǎo)開(kāi)挖揭露的圍巖地質(zhì)情況，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)左線隧道相應(yīng)地段的工程地 質(zhì)及水文地質(zhì)條件，在施工過(guò)程中采用相應(yīng)的處理措施，確保施工安全。超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的

6、重點(diǎn)根據(jù)隧道地質(zhì)資料，堡鎮(zhèn)隧道的超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是針對(duì)高地應(yīng)力順層條件下的軟弱圍巖 的力學(xué)性能。在施工時(shí)采取強(qiáng)有力的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入施工工序。 2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)確定地質(zhì)條件及支護(hù)參數(shù)8#橫通道至標(biāo)段終點(diǎn)均處于高地應(yīng)力區(qū)，覆蓋層厚度400m600m，地表植被茂盛，上 覆坡殘積土、洪積土松散，下臥粉砂質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)頁(yè)巖，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。通過(guò)8#橫 通道施工堡鎮(zhèn)隧道左線已開(kāi)挖支護(hù)。該段原設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用工16型鋼鋼架，間距1棉/m； 拱部中空注漿錨桿，邊墻砂漿錨桿，L=3.0m，間距1.2mX1.0m；網(wǎng)噴混凝土厚15cm；預(yù)留 變形量15cm。施工情況該段按三臺(tái)階五部開(kāi)挖法施工。

7、由于高地應(yīng)力軟巖變形，導(dǎo)致初期支護(hù)開(kāi)裂，裂縫寬度 在36cm左右，以右側(cè)邊墻最嚴(yán)重。噴射混凝土發(fā)生翹起、空鼓現(xiàn)象，型鋼鋼架扭曲。拱 頂沉降最大15cm，收斂最大32.5cm，超過(guò)預(yù)留變形量，并侵入二次襯砌。另外，11#橫通道DK74+580Dk74+620段施工中發(fā)生了較大變形，拱頂沉降最大34.5cm， 收斂最大70.2cm。設(shè)計(jì)優(yōu)化由于施工變形較大，超過(guò)預(yù)留變形量，并侵入二次襯砌，為此必須制定合理的支護(hù)參數(shù) 和施工方案、工藝方法。并對(duì)變形較大和侵限部位進(jìn)行加固和處理。根據(jù)圍巖實(shí)際和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化采用受力結(jié)構(gòu)更為合理的“鴨蛋”型斷面，并考慮 預(yù)留變形量2030cm，二次襯砌拱部、邊墻、仰

8、拱為C30鋼筋砼，水溝身、電纜槽及隧底 填充為C25，初期支護(hù)采用噴射砼，0.50.75m 一棉I18或I20鋼架，同時(shí)采用22.25m 一環(huán)超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，其中采用的結(jié)構(gòu)之一如圖1所示。2.4開(kāi)挖施工工藝高地應(yīng)力順層偏壓軟巖隧道施工采用“三臺(tái)階五部開(kāi)挖同時(shí)起爆法”。其特點(diǎn)是：適用 于各種地質(zhì)條件和地下水條件，根據(jù)圍巖變化可通過(guò)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留沉降量等措施，有效控制拱頂沉降、凈空收斂；通過(guò)合理臺(tái)階高度劃分，簡(jiǎn)易鉆孔臺(tái)架搭、拆方便、 快速減少工序時(shí)間；三臺(tái)階順序施工，出碴、錨桿施做、鋼拱架架立等工序可平行作業(yè)，及 時(shí)支護(hù)保證結(jié)構(gòu)安全同時(shí)減少循環(huán)作業(yè)時(shí)間；適合各種斷面形式，變化斷面高

9、度靈活。如圖 2所示。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空，開(kāi)挖時(shí)即加大預(yù)留變形量；根據(jù)隧道存在始 終存在順層偏壓的特點(diǎn)，進(jìn)行順層巖層施工力學(xué)行為研究，采取了不均衡預(yù)留變形量技術(shù)。高地應(yīng)力地段施工支護(hù)遵循“先柔后剛，先放后抗、剛?cè)岵?jì)”原則，初期支護(hù)能適應(yīng) 大變形的特點(diǎn)。根據(jù)隧道存在始終存在順層偏壓的特點(diǎn)，采取不對(duì)稱支護(hù)措施，在嚴(yán)格按設(shè)圖1高地應(yīng)力段T1圖1高地應(yīng)力段T1斷面結(jié)構(gòu)圖圖2三臺(tái)階五部開(kāi)挖法施工順序示意圖計(jì)施做支護(hù)措施的基礎(chǔ)上，依據(jù)順層巖層施工力學(xué)行為分析，對(duì)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜部位進(jìn)行初期 支護(hù)的加強(qiáng)，加設(shè)長(zhǎng)導(dǎo)管注漿、加密鋼架縱向連接筋、設(shè)置多排雙側(cè)鎖角錨管、加大噴射砼 厚度等。根據(jù)圍巖巖

10、性，確定光面爆破周邊眼間距、最小抵抗線、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、 堵塞長(zhǎng)度等爆破參數(shù)，確定主爆孔特別是掏槽眼的爆破參數(shù)。周邊眼采用搭接法鉆孔和間隔 裝藥結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺及周邊眼間距，周邊眼間距控制在2025cm之間。五分部 同時(shí)起爆，采用毫秒雷管微差控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制段裝藥量和段延期時(shí)間，達(dá)到控制爆 破振速的目的，最大限度的減小對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)和破壞。根據(jù)隧道存在始終存在順層偏壓的特點(diǎn)，進(jìn)行順層巖層施工力學(xué)行為研究和高地應(yīng)力順 層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為研究，確定高地應(yīng)力、地質(zhì)順層情況下巖石傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性 的影響，從而確定不同傾角情況下、不同地應(yīng)力條件下隧道的施工方法和施工關(guān)鍵

11、控制技術(shù)。 根據(jù)不同傾角下不同部位的受力狀況，對(duì)不穩(wěn)定或最不利部位采取間隔空眼、微差爆破技術(shù)， 并采用了左右側(cè)不均衡裝藥爆破技術(shù)，進(jìn)行調(diào)整藥量、鉆孔深度、起爆順序、動(dòng)態(tài)最小抵抗 線設(shè)置等，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。上臺(tái)階開(kāi)挖開(kāi)挖一棉鋼拱架、支護(hù)一棉；地質(zhì)變化時(shí)，必須減少每循環(huán)的掘進(jìn)進(jìn)尺；掌 子面開(kāi)挖（三臺(tái)階五部開(kāi)挖方法）嚴(yán)禁左右側(cè)對(duì)開(kāi)，必須按照施工規(guī)范施工，兩側(cè)交錯(cuò)施工距 離控制在23米范圍內(nèi)，臺(tái)階馬口長(zhǎng)度原則上按照一棉一支一噴，最大長(zhǎng)度不超過(guò)3米， 并根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整增大錯(cuò)開(kāi)距離；縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，控制在5米左右范圍。高地應(yīng)力地段根據(jù)圍巖及監(jiān)控量測(cè)情況，及時(shí)施做仰拱及矮邊墻，以早日閉合。按照設(shè)計(jì)

12、施作初期支護(hù)，做好圍巖監(jiān)控量測(cè)工作，隨時(shí)掌握隧道圍巖的穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn) 問(wèn)題及時(shí)上報(bào)和解決，堅(jiān)決杜絕安全、質(zhì)量事故發(fā)生；為控制變形，必要時(shí)上臺(tái)階施工時(shí)設(shè)臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱由I18鋼架與15cm厚C20噴 混凝土組成，其縱向連接采用022鋼筋，環(huán)向間距1m。2.5二次襯砌一般情況下在圍巖量測(cè)穩(wěn)定后施做二次襯砌，但軟巖高地應(yīng)力大變形是一個(gè)緩慢的蠕變 過(guò)程，即便量測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但地應(yīng)力仍緩慢不斷向支護(hù)施加，因此除了加大初期支護(hù)的剛度、 強(qiáng)度和厚度外，還應(yīng)適當(dāng)加大二次襯砌的強(qiáng)度和厚度，采取鋼筋砼施工。根據(jù)量測(cè)和工程實(shí) 際，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常，必要時(shí)及時(shí)施做二次襯砌。2.6仰拱施工高地應(yīng)力地段根據(jù)圍巖及監(jiān)控量測(cè)情

13、況，及時(shí)施做仰拱及矮邊墻，以早日形成閉合環(huán)。 仰拱混凝土施工開(kāi)發(fā)利用了 “支墩式棧橋抗干擾仰拱施工法”，做到了仰拱全斷面施做，避 免了縱向施工縫，保證了仰拱的整體性。仰拱施作應(yīng)優(yōu)先選擇各段一次成形，避免分部灌筑，對(duì)軟巖大變形或者有其他地質(zhì)災(zāi)害 地段，這一條則顯得非常必要。應(yīng)該說(shuō)，全幅仰拱施工，將會(huì)成為鐵路隧道施工的一個(gè)趨勢(shì)， 是根治隧道運(yùn)營(yíng)病害的關(guān)鍵。為此，堡鎮(zhèn)隧道在無(wú)軌、有軌兩種運(yùn)輸條件下，進(jìn)行仰拱全幅施工，且能保證運(yùn)輸?shù)缆?暢通，采用以下方法：對(duì)于無(wú)軌運(yùn)輸，采用單跨鋼便梁式仰拱棧橋施工，在仰拱施工區(qū)段搭 設(shè)仰拱棧橋，使洞內(nèi)出碴運(yùn)輸和仰拱施工互不影響；對(duì)于有軌運(yùn)輸，采用多跨支墩軌道式仰 拱棧

14、橋“支墩式棧橋抗干擾仰拱施工法”施工，先將軌道撥向一側(cè)，開(kāi)挖另一側(cè)仰拱，每隔35m澆筑一砼支墩，長(zhǎng)度不超過(guò)25m,并在支墩上扣軌架設(shè)加強(qiáng)軌道，然后再開(kāi)挖另外一 側(cè)，最后全幅灌注仰拱。（1）無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工如圖3,仰拱棧橋全長(zhǎng)810m,仰拱橋每移動(dòng)一次，澆注仰拱長(zhǎng)度為 68m。每跨棧橋由兩根便梁組成，每根便梁主體由四根I30工字鋼并排焊接。根據(jù)鋼便梁 加工數(shù)量，可以多副跳做施工。仰拱開(kāi)挖時(shí)需要斷掉交通，但影響時(shí)間較短，開(kāi)挖結(jié)束邊可 架設(shè)鋼便梁棧橋，恢復(fù)交通。由于每次施做長(zhǎng)度較短，橫向施工縫增多，每處施工縫防水需 做好。G 22螺紋鋼I30工字鋼00-圖I伽拱檢橋？而G 22螺紋鋼

15、I30工字鋼00-圖I伽拱檢橋？而示意圖（也位，詞柬Z怦拱棧棚值11示迥革位;nnjS3仰拱橋-模斷岫小意圖禪位：M材料規(guī)格單位數(shù)量總量總重工字鋼I308x864m(kg)螺紋鋼22根Xm80 x1.296m合計(jì)i：春材樸用也表說(shuō)明：仰拱橋在已澆注仰拱部分的搭接長(zhǎng)度為100cm。為了保證汽車順利通過(guò)仰拱棧橋，在四根并排 焊接的工字鋼上面間隔焊接中22螺紋鋼。為了保持填充面頂部與仰拱橋底面有一定間距， 在仰拱橋兩端安設(shè)5cm厚的墊塊。圖3無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工示意圖挖掘機(jī)開(kāi)挖裝碴清理圖3無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工示意圖挖掘機(jī)開(kāi)挖裝碴清理（68m）,121.5h欠挖處理與移動(dòng)架設(shè)人工清底-仰拱橋 J3 40.5h

16、2.0h灌注砼1.0h立端頭模板合格845h報(bào)檢立架綁扎鋼筋 灌注砼1.0h立端頭模板合格845h報(bào)檢立架綁扎鋼筋 T,525h進(jìn)入下養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)A 0_24h1圖4仰拱檢橋施丁植W網(wǎng)珞荃說(shuō)明：共用時(shí)為3539小時(shí)，按2天48小時(shí)完成仰拱施工一個(gè)循環(huán)6m，月均完成90m。兩座仰拱橋同時(shí)施工，則月進(jìn)度180m。圖4無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工工序示意圖先開(kāi)挖一側(cè)仰拱，用挖掘機(jī)挖到輪廓線上1020 cm，再用人工修整至設(shè)計(jì)標(biāo)高，保證開(kāi)挖輪廓線圓順。挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，處理好基面，將虛碴、積水清理干凈；機(jī)械移動(dòng)鋼便梁 到位，恢復(fù)交通運(yùn)輸；立模板，進(jìn)行仰拱鋼筋綁扎、混凝土澆筑、仰拱填充混凝土澆筑施工， 砼強(qiáng)度達(dá)到要求后，

17、進(jìn)入下一循環(huán)施工。無(wú)軌運(yùn)輸仰拱施工工藝流程受施工現(xiàn)場(chǎng)影響，基本是單工序作業(yè)，見(jiàn)圖4。有軌運(yùn)輸仰拱施工如圖5,采用多跨支墩軌道式仰拱棧橋進(jìn)行全幅仰拱施工，開(kāi)挖時(shí)左右分幅，不影響洞 內(nèi)軌道交通，一次性施工仰拱25m，設(shè)置支墩6個(gè)，支墩與支墩間距為4.16米。仰拱支墩 每施工一循環(huán)，澆注仰拱長(zhǎng)度為25m。支墩棧橋由混凝土支墩、軌排、枕木及P43鋼軌組成， 軌排由三根P43鋼軌扣接而成，并在其上鋪設(shè)枕木及行車軌道。為受力均勻，鋼軌鋪于正中 間。其強(qiáng)度、剛度能滿足最不利荷載需要。仰拱砼澆注為全幅澆注，滿足設(shè)計(jì)要求，不設(shè)縱 縫，保證了仰拱整體質(zhì)量。根據(jù)隧道圍巖級(jí)別情況和軌道鋼軌單根長(zhǎng)度，可以調(diào)整每次仰拱

18、施做長(zhǎng)度，堡鎮(zhèn)隧道實(shí)際仰拱施工中，采取了 12.5m、25m等形式。每次仰拱作業(yè)循環(huán)時(shí)間 與單跨鋼便梁式仰拱棧橋法相比稍長(zhǎng)。支墩施工時(shí)防水及與后澆仰拱的聯(lián)結(jié)需加強(qiáng)處理。有 軌運(yùn)輸仰拱施工工藝流程受施工現(xiàn)場(chǎng)影響，工序作業(yè)見(jiàn)圖6。無(wú)軌運(yùn)輸時(shí)，采用仰拱棧橋的長(zhǎng)度為8m比較合適，這是綜合現(xiàn)場(chǎng)所需要的搭接長(zhǎng)度兼 顧挖掘機(jī)拖動(dòng)、移位的能力而定。而汽車運(yùn)輸?shù)男熊嚶肪€較靈活，故兩單片仰拱棧橋之間未 設(shè)置連接桿件。已澆|注J仰拱支墩間距：4160一次施工仰拱長(zhǎng)度：25000一次施工仰拱長(zhǎng)度：25000說(shuō)明：扣軌在已澆注仰拱部分的搭接長(zhǎng)度為50cm。為了保持填充面頂部與仰拱橋底面有一定間距，在支墩處安設(shè)已澆|注J

19、仰拱支墩間距：4160一次施工仰拱長(zhǎng)度：25000一次施工仰拱長(zhǎng)度：25000說(shuō)明：扣軌在已澆注仰拱部分的搭接長(zhǎng)度為50cm。為了保持填充面頂部與仰拱橋底面有一定間距，在支墩處安設(shè)5cm厚的墊塊。圖5有軌運(yùn)輸支墩式棧橋仰拱施工示意圖挖掘機(jī)裝碴欠挖處 裝藥連線撥軌2.0h挖掘機(jī)清理局部風(fēng)鎬整理開(kāi)挖進(jìn)入 下一 循環(huán)挖掘機(jī)裝碴清理（左側(cè)25m）支墩灌注砼.撥軌至支墩.挖掘機(jī)裝碴欠挖處 裝藥連線撥軌2.0h挖掘機(jī)清理局部風(fēng)鎬整理開(kāi)挖進(jìn)入 下一 循環(huán)挖掘機(jī)裝碴清理（左側(cè)25m）支墩灌注砼.撥軌至支墩.養(yǎng)護(hù)等強(qiáng) .（6個(gè)）.105.0h924h8 4h 75hi欠挖處裝藥連線挖掘機(jī)清理鉆眼卜 起爆裝 局部風(fēng)鎬整理開(kāi)挖z、112.0h12 1.0h132.0h支墩立模寸1h24h22h養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)灌注砼（25m）.鋼筋綁扎-廠.立模、預(yù)留水溝一,、1