新寨隧道进口浅埋偏压隧道施工技术-

1、刘玉清蒋俊峰邵大鹏曾友平郑云诚(中铁十三局集团有限公司兰渝铁路工程指挥部,甘肃宕昌748500新寨隧道进口浅埋偏压隧道施工技术摘要新寨隧道位于西秦岭褶皱系中,节理裂隙发育,岩体破碎。进口段位于滑坡左侧边缘,洞门左侧发育冲沟一条,最小埋深1318m ,在此偏压、浅埋、软弱围岩条件下安全进洞施工难度极大。论文以在建新寨隧道为依托,较详细地记录、分析、总结了施工全过程,得出一些处理类似问题的经验,在指导自身施工的同时,还对类似隧道的施工有着借鉴、指导意义,具有很大的经济效益和社会效益。关键词隧道工程浅埋偏压施工技术中图分类号:U455.4文献标识码:A文章编号:1009-6582(201102-00

2、87-07修改稿返回日期:2011-03-05作者简介:刘玉清(1969-,男,教授级高级工程师,从事铁道工程施工管理方面工作,E-mail :cr13g-lanyutielu.1概况新寨隧道位于甘肃省宕昌县境内,为兰渝线兰州至广元段一双线隧道,全长610m ,最大埋深122m ,最小埋深1318m 。隧道通过区位于西秦岭褶皱系中,岩体受区域构造影响严重,节理裂隙发育,岩体破碎,进口端山体纵向坡度40°50°,横向坡度40°50°,左侧发育一大冲沟,为偏压隧道。进口端位于滑坡体上,滑坡体物质松散,围岩稳定性差,工程地质条件差;围岩类别为V 级,属软弱围岩

3、。隧道进口50m 范围内埋深为1318m ,覆盖层厚度小于2.5倍洞跨径(35m ,属浅埋段。隧道进口位于滑坡坡体左侧边缘,为基岩滑坡,滑坡体长80m ,宽60m ,厚1015m ,主要为细角砾土,稍密密实,稍湿。滑坡体后壁高陡,平台明显;平台上有当地灌溉用水渠,常年流水,不适合明挖进洞。2施工方案2.1施工不利因素分析在各种不利条件中,偏压对隧道施工潜在的威胁最大。偏压会造成隧道的不平衡受力,轻则可使隧道拱圈变形,重则破坏隧道结构。新寨隧道的偏压来自左侧山体滑移挤压,洞口左侧冲沟发育,相对右侧边坡较高。由于隧道不适合明挖,为确保进洞施工安全,首先加固边坡及仰坡;其次在左侧增加、扩大基础挡墙,

4、减少山体侧向推力,并在挡墙后拱顶部位回填土,以增加结构重量,加强平衡稳定;再次进洞前施工超前长管棚注浆,以形成加固承载环,加强开挖面围岩稳定性。隧道浅埋段土层在施工扰动后很难形成稳定受力圈,地表先沉降,辅助施工处理不好很容易造成塌方事故。考虑新寨隧道进口岩体覆盖层主要为细角砾土,洞身为碳质千枚岩,属极软岩,自身稳定性差,采用地表注浆加固边仰坡;进洞时采用套拱法进洞,施做超前管棚并注浆,使破碎岩体粘结为整体,增强其自稳能力,防止塌方,提高安全系数。2.2专项施工方案2.2.1偏压治理结合实际地形及地质状况,采用下述方案解决偏压问题。(1加固边仰坡施做洞顶截水沟及水渠进行渗水处理洞口位于滑坡体上,

5、山体滑移,滑坡体后发育裂TECHNOLOGY缝,为减少岩体孔隙水量,防止地面水流下渗、增大地层压力、危害洞口安全,采取施做顶截水沟及水渠的渗水处理方案。截水沟采用人工开挖,浆砌石砌筑,单坡排水,将降水引至天然冲沟排至山下便道边沟。水渠内铺设防水卷材、防水板,水泥砂浆抹面;水渠外缘施做42小导管并注双液水泥浆防渗。小导管单根长4m,间距1m,梅花形布置。保护原始稳定坡脚由于洞口山体纵坡坡度大,岩体内部结合差,发育有顺层不利结构面,易于滑坡。为避免影响斜坡稳定,施工时应保护原始坡脚稳定,按照“早进晚出”的原则,提前进洞。修筑施工便道及洞口施工平台也不宜影响原始山体坡脚。锚喷注浆加固边仰坡施做边仰坡

6、,对边仰坡进行锚喷支护、小导管注浆。根据设计边、仰坡开挖线,机械与人工配合开挖、运碴,坡面修整、刷齐,迅速对坡面进行锚喷网加固, C25喷混凝土厚15cm,封闭加固松散破碎的岩面,最后进行打锚杆(管、注浆(11水泥浆,进行浅孔加固岩体。锚杆单根长4m;小导管单根长6m,间距1.0m,梅花布置;钢筋网采用820cm×20 cm;注浆压力不小于2MPa。预应力锚索加固洞口范围内山体新寨隧道洞口山(坡体为碳质千枚岩,极软,层间结合差,表层风化严重,风化层较厚,卸荷节理发育;坡体向凌空面倾倒、折断,形成顺层不利结构面;加之洞口开挖不可避免会在一定程度上损坏原始稳定坡脚,对山体稳定性造成一定影

7、响,在卸荷加剧的情况下,容易发生滑移的趋势。预应力锚索类似隧道洞身支护新奥法原理,充分利用岩土自身能量,同时实施支护措施(将受拉体植入边坡剪切面以下以增加剪切面上的摩阻力,同时直接产生抵抗边坡滑动的作用力,使两者共同作用,从而提高岩土的自身强度和自稳能力。根据新寨隧道进口的施工经验,此类情况采用预应力锚索加固效果好,节省材料。预应力锚索施工要点:a.搭设钻机工作平台由于山体纵坡坡度大,机械难以到达工作位置,不易搭设钻机工作平台,宜采用钢杆件沿坡体组装架子,并与山体连接固结稳定,在架子上搭设平台。b.钻机选择受地形影响,施工中机械配合困难,若选用钻机则因笨重移动将有很大难度,故宜选用重量轻的钻机

8、。钻机选用根据岩土确定,土体一般采用冲击式回旋钻成孔,岩石一般采用气动冲击钻机成孔。新寨隧道施工时利用一台改装的钻机架子,给施工带来不少便利。c.钻孔定位钻孔定位要考虑以下几个因素:上抬量在实际施工中,钻杆钻进过程中在重力作用下逐渐下垂,向下弯曲成孔,若不预先考虑一定的预留量,管棚会侵入隧道设计断面内,在开挖后锚索失去其作用。因此,除提高钻孔定位精度外,给以适当的上抬量和上台角度是防止侵入隧道开挖断面的一种有效办法。预留量视围岩不同而不同,新寨隧道洞口岩体岩质极软,应预留3040cm。上抬角度上抬角度的设置除考虑防止钻孔侵入隧道设计断面外,还必须充分考虑到管棚钻机工作平台的高度,以及钻孔长度而

9、定。放线定位充分考虑到上抬量和上抬角度后,正确算出各钻孔孔口位置,利用测量仪器定出钻孔的位置和倾角。为保证钻孔质量,首先试钻23个试验孔,从而找出适合本地层特点的可能孔深及其调整系数,并通过试验孔进行施工组织调整。d.施工中塌孔处理钻进过程若遇塌孔应停钻,进行注浆固结塌孔段岩土,待水泥浆凝固后重新钻进。对于容易塌孔的岩土,采用跟管钻进施工,能提高工效和质量。预应力锚索施工步骤:a.锚索杆体制作杆体制作场地应平整,离使用点近。锚索杆体为615.2钢绞线。根据锚索设计杆体长度采用机械切割下料,锚索下料长度比设计长度应长一些,新寨隧道加长1.5m。锚索锚固段扩展环与紧箍环按1m 间隔设置,紧箍环为内

10、径40mm普通钢管,长0.1 m,外用2.6mm铁丝绑扎,不少于两圈,应绑紧;扩展环采用5mm铺展板,直径90mm,扩张环孔直径16mm。自由段钢绞线涂防腐油外套金属波纹管,套管两端100200mm长度范围内用黄油充填,外绕工程胶布固定张拉后封堵;锚头设导向尖锥(图1。在锚固段与自由段交界处设止浆袋,止浆袋前端设排气管。b.钻孔按照设计部位,用全站仪进行测量定位。钻机按照设计参数,结合实地钻孔试验得出修正系数,确定孔位、倾角和方位,准确就位,全站仪跟踪检测,钻机导轨倾角误差不超过±1°,方位误差不超过±2°。钻进过程严禁向孔内冲水,防止浸泡软化岩体造成塌

11、孔;同时应控制钻进速度,防止钻孔偏斜。在钻进过程中做好施工记录,动态调整施工参数。孔径、孔深不得小于设计值,并超钻3050cm。c.清孔成孔后用高压风将孔中岩(土粉等杂物清出孔外,保证孔内清洁,一是避免安装锚索时堵孔,二是提高水泥浆渗透量和渗透范围,增加其粘结力。若遇钻孔中有水流出,待水压、水量变小后方可安装锚索。d.锚索安装锚索安放时,沿孔顺直伸入,应防止锚索扭曲、弯曲。锚索装入后用嘴吸排气管,检查是否排气,如不排气重新安装。锚索放好后,在空口设置无纺布制成的注浆塞。锚索就位后,不得随意敲击和悬挂重物。e.注浆新寨隧道采用一次性注浆工艺,浆液采用11水泥砂浆,强度不得低于35MPa,注浆压力

12、为2 MPa,自孔底向孔口返浆注浆。水泥砂浆与孔壁粘结强度取0.5MPa,钢绞线与砂浆间的粘结强度取3.4 MPa,其最大张拉吨位108.8t,锁定吨位118.8t。若锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且富水时,应采用二次高压劈裂注浆法来提高地层锚固力。f.锚索面板制作面板采用十字面板形式,C30钢筋混凝土制作,截面尺寸上口宽30cm,下口宽250cm,高40cm,如图2所示。挂网喷射混凝土护坡此施工工法适用于边坡岩体易于风化且未遭严重风化、坡面干燥、坡度不受限制、坡面面积大的地段。图2十字面板配筋、尺寸图(单位:cmFig.2Reinforcement and dimension of cros

13、s panela.清表、施做隔离带清除坡体表层松散风化层,使坡面大致平顺,然图1锚索结构及装配示意(单位:cm Fig.1Anchor rope structure and assemblingTECHNOLOGY后在顶部、两侧凿槽砌筑侧沟及护裙,其嵌入土体深度不小于10cm,与衔接坡面平顺,使防护坡面与未防护坡面衔接处隔离封闭。b.安装锚杆测量放线定位锚杆孔位,用49mm钻头钻锚杆孔,孔深2.2m,完成后高压风清孔;灌满13水泥浆,水灰比0.40.5;速凝剂掺量为水泥重量的2% 3%;插入并固定锚杆,锚杆采用1620mm圆钢,杆体长2.0m。安装完成后用扫帚及高压风清扫坡面浮土、碎石。c.安

14、装铁丝网砂浆强度达到70%后将铁丝网框条安装绑扎在锚杆上,焊接牢固,同时将铁丝网安装绑扎在框条上,铁丝网高于坡面1cm左右。铁丝网框条采用6mm圆钢筋,框格为200cm×200cm或250 cm×250cm;铁丝网采用2mm低镀锌机编铁丝,网格为20cm×20cm或25cm×25cm,视岩体风化程度定;扎丝用0.51mm 普通铁丝(图3。图3预制铁丝网框条及铁丝网示意(单位:cmFig.3Prefabricated wire meshesd.喷混凝土坡面稍干后喷射混凝土(厚8cm,沿框条方向每隔15m设伸缩缝一道,缝宽2cm,缝内填塞沥青麻筋(图4。喷浆

15、间歇超过半小时则应留有“毛边茬”,以便继续作业时衔接。e.养护喷射作业完成后用茅草或草袋覆盖,待混凝土初凝后洒水养护,保证养护频率,养护710天(图5。(2施做偏压挡墙偏压挡墙应在进洞前施做,施做时避开雨季。由于此处不适合采用减压法,因此在坡脚处施做混凝土挡墙,平衡部分山体侧压力。挡墙采用桩板墙,桩径1.5m、长16m,挡土板长4.4mm、高0.5m,桩及挡墙板采用C30钢筋混凝土(图6。图4锚杆、框条、伸缩缝布置示意(单位:cmFig.4Arrangement of anchor bolts,frame ribsand expansion joints图5锚喷网加预应力锚索施工Fig.5In

16、stallation of anchor bolts and shotcretewith pre-stressed anchor cables在挡墙顶部回填透水性较好的砂土,分层夯打密实,加高覆盖高度,挡墙墙身设置排水孔,背后设反滤层。2.2.2浅埋结合该处具体情况,采用套拱法进洞,大管棚及小导管注浆预加固及超前支护。管棚超前支护是在隧道开挖前施做超前预注浆加固,将开挖支护工作面预先形成牢固的棚状支护结构,是软弱围岩浅埋隧道有效的一种超前支护手段,安全可靠。它对于防止围岩坍塌和拱顶下沉有显著效果。新寨隧道采用大管棚进洞,采用热轧无缝钢管(108mm×6mm43根,单根长30m,管内穿

17、18钢筋笼增加刚度,灌注水泥砂浆填充密实,对于难以成孔部位采用跟管施工;开挖前采用42小导管超前注11水泥浆。(1管棚施工要点导向墙施工施做导向墙有两个目的,一是确保管棚钢管位置准确,二是起到护拱作用。导向墙以3榀I20b工字钢为骨架,安放、固定导向管,采用C25混凝土浇筑,墙厚100cm,长200cm。施做导向墙时根据测量定位,准确放置导向管并焊接牢固,浇筑混凝土振捣时严禁碰撞导向管,否则影响管棚位置。钻机定位安装钻机前先搭设钻机平台,合理安排钻孔顺序,提高效率。可从拱顶向两侧对称钻孔,然后逐层降低平台直至结束。钻机应安装平稳、牢固,防止施钻时钻机不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量,另钻机

18、机身与线路中线方向保持平行。管棚定位管棚定位要点与预应力锚索钻孔定位相同。(2管棚施工步骤(图7钻孔利用管棚钻机液压旋转推进钻孔到设计深度,每钻入一节续接下一节钻杆,直至钻孔到设计深度。钻机开孔时要低速,待成孔1.0m以上,可升高到正常压力,遇软岩或流塑软粘土,改用低压钻进。钻进图7管棚施工Fig.7Pipe-roofing时产生塌孔、卡钻者,必须补浆后再钻进。钻进过程中严格按操作要点施钻,控制好转速及进度,同时随钻进注意钻机的平稳状态及钻杆的铅直状态。发生异样应停机检查,及时对产生的钻孔偏差予以纠正,防止废孔。采取跳位钻孔法钻孔,并钻一孔安设一孔,以防坍孔。每孔均要进行终孔检查,孔位的偏差、

19、终孔端的偏移值不大于10cm,并不侵入开挖周边,对于弯曲、偏移过量孔的填充后重钻。清孔成孔后用高压风或水将孔内余碴清洗干净,防止插管时卡管,必须做到随钻、随清孔、随插管。校孔测定时拔出钻杆及钻头,在钢管内安光源装置并将钢管插入孔内,用仪器测定其偏移量。弯孔的修正图6桩板墙正面及侧面示意Fig.6Elevation and profile of pile sheet wall现 代 隧 道 技 术 MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY 新寨隧道进口浅埋偏压隧道施工技术 预留核心土，施做拱部初期支护。 第二、 三步： 开挖左右侧中台阶并施做初期支 护。 第四、 五步： 开挖左

20、右侧下台阶并施做初期支 护。 第六步：分别开挖上、中、下台阶核心土。 第七步： 开挖隧底并施做仰拱初期支护封闭成 环。 在弯曲部分填充比周围强度大的砂浆， 等其凝 固后从开始弯曲的起点重新钻孔。 装入钢管 钻孔检查合格后，将钢管接长装入孔内，注意保 持质量，防止开挖过程中接头断裂，引起坍塌。 钢管 连接用小径钢管插入大径钢管内后再焊接牢固。 钢筋笼 钢管安装完毕后穿入加工好的钢筋笼， 注意钢 筋笼接头焊接质量。 孔内灌注砂浆 现场配制砂浆，用砂浆泵注入，确保注浆压力。 2.3 洞内施工 软 弱 围 岩 一 般 采 用 CD 、CRD 法 或 三 台 阶 七 步 法开挖，考虑到施工进度及施工安全

21、等方面，本隧道 采用三台阶七步法开挖（图 8 ）。 以人工风镐配合挖 掘机开挖，开挖后钢拱架、锚喷支护、仰拱快速封闭。 图9 三台阶七步法施工 Fig.9 Construction of Tri-bench and seven-step 2.4 监控量测 隧道监控量测的目的 （1 ） 经过对量测 数据的分析 ，及时掌握地 表沉 陷、 围岩和支护结构的变化， 及时反馈指导施工作 业，进行施工预测，动态调整施工方案，以确保施工 安全和隧道的稳定。 （2 ） 将测量结果 进行分析，形 成此类不良 地质 施工成功案例存档，应用到类似工程中，作为今后设 计和施工的类比依据。 隧道监控量测的效果 新寨隧道

22、施 工时， 在 DK320+198DK320+205 段根据监控量测数据发现拱顶下沉及右侧边墙收敛 速度超标，检查后发现山体出现裂缝，洞内立即采用 图8 三台阶七步开挖法示意（单位：cm ） 大拱脚法（扩 大拱脚、临时 仰拱）施工（图 10 ），加大 支护预留量，并及时施做仰拱二次衬砌及填充，避免 了初期支护大面积侵限换拱， 保证了隧道施工质量 及施工进度。 Fig.8 Tri-bench and seven-step excavation 三台阶七步流水作业法开挖采用弱爆破或人工 开挖，局部爆破时严格控制炮眼深度及装药量。各部 开挖循环进尺不大于 0.5 m （钢架间距 0.5 m），预留

23、核心土 ，开 挖 后 及 时 对 围 岩 初 喷 C25 混 凝 土 ，然 后 架立钢架并设锁脚钢管、系统锚杆，最后复喷混凝土 至设计厚度。 三台阶七步开挖法施工说明（图 9 ）： 第一步：施做超前支护后，开挖拱部弧形导洞， 92 第 48 卷第 2 期 ( 总第 337 期 2011 年 4 月出版 3 总 结 通过新寨隧道的进洞施工过程分析总结， 得出 如下体会： （1 ） 大断面偏压浅埋段隧道施工中， 首先要处 理偏压问题，保证山体稳定，否则处理起来费时、费 力、费钱，且不能保证工程质量，造成施工、管理上的 Vol . 48 ， No . 2 ， Total . No . 337 Apr

24、 . 2011 现 代 隧 道 技 术 新寨隧道进口浅埋偏压隧道施工技术 MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY （5 ） 根据不同地质情况选择合适的开挖方法非 常重要，不仅确保工程质量 ，还提高了效率，降低了 成本，实现进度目标。 （6 ） 监控量测是 隧道施工的 “眼睛”，监 控 量 测 数据能有效指导施工， 能为优化施工方案提供有力 依据。 （7 ） 提高作业人员安全意识和职业技能， 对隧 道施工， 尤其是该类不良地质围岩隧道施工意义重 图 10 临时仰拱、大拱脚施工 大。 Fig.10 Temporary invert and large arch abutment

25、 4 失误。 （2 ） 遵守“早进晚出”的原则，稳扎稳打，全面考 虑，细致勘察，事先谋划。 （3 ） 预应力锚索及桩板墙等辅助施工方法处理 山体滑坡效果好，经济效益高。 （4 ） 长 管 棚 或 配 合 小 导 管 作 为 软 弱 地 层 大 跨 径、 浅埋地段隧道的超前支护技术， 对注浆加固地 层、仰制围岩变形、确保施工安全作用明显。 参考文献 结束语 新寨隧道进口端位于滑坡体上， 属于典型的偏 压、浅埋隧道。 慎重选择施工方案，能有效消除安全 隐患，实现质量、成本、进度控制目标。本文以在建新 寨隧道为依托，全过程记录、分析、总结了施工情况， 得出一些处理类似问题的经验， 在指导自身施工的

26、同时，还对类似隧道的施工有着借鉴、指导意义，具 有很大的经济效益和社会效益。 References 1 TZ204-2008 铁路隧道工程施工技术指南 S. 北京：中国铁道出版社，2008 TZ204-2008 Construction Technology Guidelines of Railway Tunnel Engineering S.Beijing: China Railway Publishing House, 2008 2 TB10121-2007 铁路隧道监控量测技术规程 S. 北京：中国铁道出版社，2007 TB10121-2007 Technical Code for Monitoring and Measurement of Railway Tunnel S. Beijing: China Railway Publishing House, 2007 Construction Techniques of Shallow and Uneven-pressured Xinzhai Tunnel Entrance Liu Yuqing Jiang Junfeng Shao Dapeng Zeng Yo