隧道涌水塌方双侧壁导坑施工工法关键技术实用教案

1、一、背景(bijng) 1.前言 塌方是公路隧道施工过程中常见的工程地质灾害之一，一旦发生往往造成重大经济损失和人员伤亡。如果在塌方段施工技术选择应用不当，往往导致塌方范围进一步扩大，不仅延误工期，而且会大幅度提高工程费用。 xx路桥集团有限公司xx项目部在xx省道xxxx隧道工程隧道塌方段施工过程中成功运用了双侧壁导坑施工技术，安全快速，在确保工程质量的前提(qint)下，极大地节省了人力和物力。 第1页/共19页第一页，共19页。2.塌方情况及原因(yunyn)分析 2011年5月19日10点50分爆破出渣完后，发现一股较大流水从掌子面DK99+ 353右侧中偏下部岩层裂隙间喷出，流水口径

2、约250mm400mm；正在准备初支的拱顶及周边围岩地下水呈现淋雨状渗出。正当施工作业班组安装初支钢拱架时，拱顶发生塌方(t fng)。顶部坍出一个大空腔，塌方(t fng)长度为8米，宽度约6米，高度约为10米，塌方(t fng)数量近500m。图2 xx隧道(sudo)塌方情况隧道坍塌空腔第2页/共19页第二页，共19页。 经现场调查和分析，认为引起本次塌方的主要原因如下: 由于岩体破碎,节理发育,致使岩层的层间结合力差,加上地下裂隙水的作用,围岩极易软化成 泥 , 并 具 弱 膨 胀 性 , 引 起 右 侧 边 墙 失 稳 、 坍 塌(tnt)。 属于级围岩,掌子面处于洞口偏压薄弱危险段

3、,开挖进尺太大,支护不及时,且超前小导管没注浆。 右侧边墙中下部地下裂隙水较大,排堵措施不当,直接引发围岩局部失稳。图3钻孔(zun kn)涌水情况第3页/共19页第三页，共19页。 3. 3.国内外现状 目前国内外对于隧道塌方问题的研究，多集中在隧道塌方的原因分析和处治技术方面。处治技术主要包括管棚、超前小导管、地表注浆等工程措施。但是，这些辅助工法只有配合合理的施工工法才能发挥较好作用，才能保证工程的施工质量和安全。目前，对穿越隧道塌体的施工技术的优化分析研究还比较少，特别是在有涌水情况下的研究、分析和总结。 4. 4.拟解决的主要问题 隧道塌体多为软弱破碎岩土体，宜选用分步开挖工法施工。

4、分布开挖工法有很多种，如台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD CD 法、CRDCRD法等。采用不同的施工工法在隧道塌方段施工时，对其稳定性影响是不同的，因此，需要解决的主要问题就是对各施工工法进行比较，选取最优方案，方案实施过程(guchng)(guchng)中的质量控制以及后期的监控量测。第4页/共19页第四页，共19页。二、工作(gngzu)情况 1.主要研究过程及方法 （1）主要研究过程：组织专家作现场勘察，而后集中开会经过研究讨论； （2）主要研究方法：结合xx隧道塌方(t fng)具体情形与数据，运用大型有限元计算程序 ANSYS，采用现场实测参数，模拟施工方法，进行数值仿真分析

5、； 图4 专家(zhunji)和技术人员一起研究、论证图5 有限元计算模型（双侧壁导坑法）第5页/共19页第五页，共19页。2.2.主要(zhyo)(zhyo)研究成果 （1）在隧道施工中，塌体多为软弱破碎岩土体，宜选用分步开挖工法施工。分布开挖工法有多种，如台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD 法、CRD法等。其中上弧形导坑作为台阶法、CD法、CRD法的代表(dibio)与双侧壁导坑法成为典型的两种施工方法。我们关于隧道塌体处理施工的研究就基于这两种施工方法 a. CRD隧道施工法隧道中心线临 时 钢 架横 撑横 撑系 统 径 向 锚 杆 （ L=4m） 42超 前 小 导 管 （ L=

6、3.5m） 42超 前 小 导 管 （ L=3.5m）约400约600 22定 位 锚 杆 （ L=2m） 22定 位 锚 杆 （ L=2m）123456锁 脚 锚 杆 L=4m图图6 CRD6 CRD法施工法施工(sh gng)(sh gng)工序横断面工序横断面第6页/共19页第六页，共19页。 b.双侧壁导坑(dokng)法图图 7 7 双侧壁导坑施工双侧壁导坑施工(sh gng)(sh gng)顺序示意图顺序示意图第7页/共19页第七页，共19页。c.上弧形导坑法初始初始(ch sh)(ch sh)应力场计算；应力场计算；拱部超前支护施作；弧形导坑开挖(ki w)，拱部初期支护施作；核

7、心(hxn)土开挖；下半断面中槽开挖，仰拱初期支护施作；下半断面中槽开挖，仰拱初期支护施作；右侧边墙开挖，右侧边墙初期支护施作；右侧边墙开挖，右侧边墙初期支护施作；左侧边墙开挖，左侧边墙初期支护施作；左侧边墙开挖，左侧边墙初期支护施作；施作二次衬砌。施作二次衬砌。图8上弧形导坑施工顺序示意图第8页/共19页第八页，共19页。 （2 2）两种施工方法隧道拱顶和拱底的位移分析 隧道拱顶和拱底的沉降随施工步而变化（如图9 9所示）。由图可知，上弧形导坑法引起(ynq)(ynq)的拱顶下沉要大于双侧壁导坑法。上弧形导坑法在弧形导坑开挖后引起(ynq)(ynq)的拱顶下沉最大；双侧壁导坑法在主洞上半断面

8、开挖后引起(ynq)(ynq)的拱顶下沉最大。在隧道开挖过程中，隧道都有一定的底鼓。且施工过程中，上弧形导坑法隆起量始终大于双侧壁导坑法。通过上面分析可知，双侧壁导坑法较上弧形导坑法对围岩的位移具有较好地控制效果，上弧形导坑施工方案会引起(ynq)(ynq)过大的拱顶下沉和底鼓，易造成松散岩土体的进一步坍塌。 图图9 9 特征特征(tzhng)(tzhng)点沉降随施工步变点沉降随施工步变化曲线化曲线第9页/共19页第九页，共19页。 （3）地表沉降分析 图 11 为两种施工方案施工完毕后地表的沉降曲线。从图中可以看出，隧道中心线方向沉降量最大，往两侧逐渐减小，与 Peck 理论沉降曲相符。上

9、弧形导坑法引起(ynq)的最大地表累积沉降量为 4.06 cm，与双侧壁导坑法（3.85 cm）相比，偏高 5.2%，说明双侧壁导坑法对于控制地表沉降更为有利。图图 11 11 地表沉降曲线地表沉降曲线(qxin)(qxin)对比对比第10页/共19页第十页，共19页。 （4 4）围岩破坏区对比分析 图12 12 为采用两种不同施工方案时最终的围岩破坏区分布情况从图中可以看出，上弧形导坑法围岩破坏区的范围比双侧壁导坑法稍大。前者破坏区主要集中在边墙和拱脚部位(bwi)(bwi)，后者主要出现在拱底。a. a. 上弧形导坑法破坏上弧形导坑法破坏(phui)(phui)区区(b) (b) 双侧壁导

10、坑双侧壁导坑(dokng)(dokng)法破坏区法破坏区图图12 12 围岩破坏区对比图围岩破坏区对比图第11页/共19页第十一页，共19页。 （5 5）初期支护结果分析 图 13 13、14 14 分别为采用两种不同方案得到的初期支护弯矩图和轴力图(lt)(lt)。采用上弧形导坑法，可以使初期支护所受的轴向压力减小，但却大大增加了轴向拉力，这对于抗压能力远大于抗拉能力的初期支护结构是不利的。而采用双侧壁导坑法相对来说是减小了轴向拉力。(a) (a) 上弧形导坑法弯矩上弧形导坑法弯矩(b) (b) 双侧壁导坑双侧壁导坑(dokng)(dokng)法弯矩法弯矩图图 13 13 初期支护初期支护(

11、zh h)(zh h)弯矩图（单位弯矩图（单位: Nm: Nm）第12页/共19页第十二页，共19页。(a) (a) 上弧形导坑法轴力上弧形导坑法轴力(b) (b) 双侧壁导坑双侧壁导坑(dokng)(dokng)法轴力法轴力图图 14 14 初期支护轴力图初期支护轴力图(lt)(lt)（单位（单位: Nm: Nm）（6 6）结论）结论(jiln)(jiln) 从上述分析可知，无论从控制围岩变形、改善围岩的从上述分析可知，无论从控制围岩变形、改善围岩的受力特征、减小支护结构的受力，双侧壁导坑法都要优受力特征、减小支护结构的受力，双侧壁导坑法都要优于上弧形导坑法。于上弧形导坑法。第13页/共19

12、页第十三页，共19页。三、关键技术及创新(chungxn)点 1. 1.关键技术 （1 1）在隧道塌方段处理施工过程中，按双侧壁导坑法施工步骤，开挖时加强支护，严格控制开挖进尺，每循环进尺 0.5 0.51.0 m1.0 m。为保证开挖过程中塌体的稳定。超前支护采用大管棚配合小导管注浆预先加固围岩，采用偏向钻具扩孔同步带进钢管的钻进技术安装大管棚，管棚分节长度为2 23m3m一节, ,管棚间设联接管，管棚规格108 mm108 mm6 mm6 mm，环向间距(jin j)0.4 m(jin j)0.4 m，共4949根，管棚仰角为 6 61010; ;小导管采用42 mm42 mm4 mm 4

13、 mm 钢管，与大管棚间隔布置长为 3.5 m 3.5 m，搭接长度为 1.5 m 1.5 m，每 2.0 m 2.0 m 施作一环。根据实际情况采用塌体喷混凝土和掌子面局部注浆，及时封闭工作面，从而保证掌子面的稳定。图图15 15 小导管小导管(dogun)(dogun)钻进钻进图图1616导坑支护间距导坑支护间距第14页/共19页第十四页，共19页。 （2）坍塌高度小于5 m的塌方段 对于拱顶最高坍塌高度小于5 m的塌方段,采用对塌腔面初喷C20混凝土35 cm,然后在塌腔面安设3 m长的25 mm中空注浆锚杆,锚杆间距1 m1 m,在坍塌面铺8的钢筋网,钢筋网间距15 cm15 cm,洞

14、身双侧壁导坑开挖并支护,预留回填(hutin)注浆管, 用C15泵送混凝土填充密实,见图18。 （3）坍塌高度大于5 m的塌方段 a、坍腔壁稳固：首先对坍塌面喷射C20混凝土510 cm,在坍腔内出水点处凿槽并用排水管将水引流至隧道内。后对塌腔面用“钢格栅+锚杆+钢筋网片+喷射混凝土”进行支护。 b、塌方段开挖与支护:先掏拱架环型槽,立拱架,拱架立完之后,沿着隧道轮廓线,在塌腔底部打一层混凝土护拱,厚度为1 m。在护拱安全掩护下,双侧壁导坑开挖，严格遵守“预支护、短开挖、强支护”原则。 c、坍腔回填(hutin):在护拱上做结构缓冲层,厚度1 m,上部空腔用轻型材料回填(hutin)。图图17

15、 17 导坑导坑(dokng)(dokng)支护支护图图18 18 塌方塌方(t fng)(t fng)段处理段处理示意图示意图第15页/共19页第十五页，共19页。2.创新(chungxn)点 （ 1 ） 隧 道 塌 方 段 施 工 采 用 双 侧 壁 导 坑 法 开 挖 ， 并 配 合 管 棚 、 超 前 小 导 管 、 注 浆 等 工 程 措 施 。 采 用 非 线 性 有 限 元 分 析 计 算 方 法 ， 对 不 同 施 工 技 术 采 用 现 场 数 据 进 行 模 拟 分析 。 计 算 结 果 表 明 ， 双 侧 壁 导 坑 施 工 方 案 相 对 于 其 他 施 工 方 案 ，

16、 能 够 更 好 地 控 制 围 岩 位 移 、 改 善 其 受 力 状 况 、 减 小 初 期 支 护 受 力 ， 且 围 岩 破 坏 区 范 围 较 小 。 利 用 本 技 术 进 行x x 隧 道 塌 方 施 工 后 ， 现 场 监 控 量 测 分 析 ， 隧 道 断 面 净 空 收 敛 变 形 和 拱 顶 下 沉 稳 定 速 度 较 快 ， 最 终 变 形 值 较 小 ， 隧 道 主 体 ( z h t ) 稳 固 ， 没 有 任 何 变 形 ， 说 明 本 技 术 抑 制 隧 道塌 方 段 效 果 良 好 ， 特 别 是 存 在 涌 水 的 情 况 下 。 （ 2 ） 对 松 散 坍

17、 渣 进 行 注 浆 加 固 ， 注 浆 充 填 系 数 1 0 % 。 若 坍 腔 渗 水 量 较 小 则 注 浆 材 料 采 用 纯 水 泥 浆 ( 水 灰 比 0 . 6 0 . 8 ： 1 ) ， 水 量 较 大 则 采 用 水 泥 - 水 玻 璃 双 液 浆 （ 4 2 . 5 水 泥 ，水 灰 比 0 . 8 ： 1 ； 模 数 为 2 . 8 ， 浓 度 为 3 5 B e 的 水 玻 璃 ） ， 每 方 双 液 浆 用 水 泥 4 9 5 k g ， 用 水 玻 璃 0 . 4 4 m 3 ， C : S = 1 : 0 . 8 （ 体 积 比 ） 。 （ 3 ） 涌 水 的

18、处 理 以 排 为 主 。 在 超 前 支 护 施 工 完 ， 坍 渣 清 除 后 ， 在 掌 子 面 中 下 部 施 作 超 前 钻 孔 。 只 要 发 现 岩 体 有 潜 水 , 就 要 抓 紧 对 地 表 水 进 行 引 导 疏 排 , 尽 可 能 将 渗 入 地 层 的水 源 切 断 , 或 强 化 支 护 , 以 确 保 隧 道 顺 利 通 过 易 发 生 塌 方 地 段 。第16页/共19页第十六页，共19页。四、经济(jngj)、社会效益分析 1.采用喷射混凝土及注浆加固塌体,大管棚、超前注浆小导管联合超前加固,双侧壁导坑分部开挖支护(zh h)的塌体处理方法,有效地控制了塌方继续发展的局面,保证了施工顺利、安全。该塌方处理施工方法对机具材料要求低,工艺简单,费用较低,且遇情况时便于采取支护(zh h)加固措施。 2.隧道涌水塌方双侧壁导坑法施工的主要目的是把隧道塌方造成的损失降到最低，同时加快施工进度。还有重要的