不良地质隧道洞口段的施工技术

不良地质隧道洞口段的施工技术中铁二局内昆指挥部文天平杨黎明提要 山区铁路隧道洞口段偏压、岩堆、浅埋软弱围岩等不良地质明显。以往不良地质的洞口段施工，从施工准备到洞口段建成，常需3〜6个月时间，主要原因是对地质情况认识不清，施工方法不当，支护不及时、不到位，以致造成洞口段坍方，进洞困难。本文以内昆线几座隧道为实例，对几种不良地质洞口的进洞和洞口段的施工提出了切实可行的施工技术方案。关键词浅埋岩堆偏压洞口施工一、 前言在以前甚至几年前我国多数铁路隧道洞口段都是采用上导坑进洞，木支撑支护，先拱后墙的施工方法。这种施工方法有几大缺陷，首先是拱圈易下沉开裂或受侧压开裂，其次是为了让拱圈自然下沉需提高开挖15〜20cm，第三是围岩变形大，不利于隧道稳定。而现在隧道施工利用新奥法原理采取对地表预加固措施，增强洞口段围岩自稳能力，洞口段开挖后加强施工支护控制围岩变形，采用先墙后拱的衬砌方法避免衬砌下沉并有效抵抗侧压力，以使不良地质的隧道洞口段能够稳定、安全、优质地建成。二、 工程概况内昆铁路水富至盐津段属低山河谷地貌，地形陡峻，河谷成U形或深切成V形，基岩大多裸露，地层出露较多，地表覆盖较差，分别为砂粘土，块、碎石土。自然坡度在20〜80°之间，而且多数坡度已达极限，很不稳定，每年雨季（5月〜9月降雨量1000mm~1200mm）都有落石、崩塌、泥石流的出现。线路逆横江而上并多次跨越横江。地震基本烈度为VII度。内昆铁路工程地质较差，不良地质现象较多，主要有断层、溶洞、古滑坡、煤系地层及采空区等。洞口段不良地质主要是：危岩落石、偏压、滑坡堆积体、顺层滑移、浅埋等。内昆铁路水富至盐津段隧道总长34549m，占该段线路总长的42%，可以说内昆线施工成败的关键就是隧道施工的成功与否，且线下工期仅两年，开工时又正逢雨季，隧道洞口边仰坡及围岩自稳能力极差，这种情况下，如何迅速、安全地进洞，搞好洞口段施工，防止坍塌，就成为了内昆铁路水富至盐津段隧道施工的一大课题。三、 浅埋隧道洞口段的施工在浅埋隧道施工中应尽量少或不刷坡，超前支护后进洞，尽量采用人工开挖，施工支护采用格栅钢架、锚杆、钢筋网、喷砼组合的支护方式，先墙后拱进行衬砌。由于浅埋隧道覆盖层很薄，隧道上方的岩土很难形成自承体系，而且围岩早期压力大，变形快，如果对隧道变形控制不当，围岩会很快松弛，产生张裂破坏，将导致直达地表面的塌陷。所以浅埋隧道开挖时应强调围岩变形的控制而不应强调围岩变形的释放，支护必须采用强度较高和刚度较大的初期支护，限制土体变形，以免破坏土体结构。对需要控制地表下沉的隧道，为有效地减少围岩变形，二次衬砌应及时施作，不应等到围岩变形速率<0.2mm/d或变形量达到允许变形量的80%以后。而对于采用正台阶法开挖，自下往上进行衬砌的隧道，如何及时进行二次衬砌呢？我们的办法是施作套拱，就是略为加大开挖断面，初期支护后在设计衬砌断面外施作厚度25cm的砼支护，这样就既保证了支护的刚度和及时性，控制了土体变形，又不必采用先拱后墙的影响衬砌结构的施工方法。在燕子坡隧道进口，我们就是采用的这种施工方法。1、地质地理概况燕子坡隧道进口覆盖层为砂粘土、块石土，草树丛生。进洞15m以后逐渐进入基岩为灰褐色泥岩夹砂岩，风化颇重。隧道洞口0〜20m长度范围内埋深为2〜4.5m，在12〜20m处下穿213国道（山区公路，泥结片石路面），埋深为4.5m。其平纵面位置如图1所示：2、施工方案和措施除去地表的杂草后进行喷锚支护，然后在拱部衬砌轮廓外水平打入两排寸42小导管，间距40cm，长度4m,环向间距30cm，纵向3m一环，钢管上钻孔以进行注浆固结围岩，再开挖进洞。隧道开挖采用台阶法，分拱部、中层、下层三部分，采用小导管超前支护，格栅钢架0.5m/棉，径向锚杆采用WTD25和普通砂浆锚杆两种，长度3m，环向间距1m，纵向间距0.5m，并挂网喷砼20cm。每完成6个循环(3.0m)后施作套拱，即刚度较大的砼支护，开挖时已预加大断面25cm，使砼支护不致侵入衬砌断面。下部开挖时为避免围岩暴露面过大，造成坍塌，分上下两层台阶开挖。开挖后依然设格栅钢架、锚喷支护及砼支护，支护参数同拱部，各层间格栅钢架必须焊接牢固。衬砌紧跟掌子面，直到安全通过公路后施作仰拱，形成衬砌环，再进行拱部开挖。3、对地表下沉的监测213国道就在拱顶上4.5m，隧道开挖将会引起地表下沉，可能造成公路的开裂或塌陷，一旦公路坍塌，后果不堪设想。所以在燕子坡隧道进口的施工中，还有一个要相当注意的问题就是地表下沉和拱顶位移。对于浅埋隧道，其稳定性应该由拱顶的垂直位移和地表的下沉值来判断，通常用以下条件作为它的稳定性判据:在初期支护以后拱顶和地表下沉速率应该明显下降。最终支护后速率应趋近于零。根据围岩类别的不同，拱顶和地表下沉值与跨度之比的允许值应该在0.1%〜0.6%之间。支护表面无大量的明显的裂缝，允许出现的收缩裂缝无发展趋势。燕子坡隧道进口的地表下沉监测网布置见图2：图2监测情况见表1： 表1测点号对应洞口距离(m)测量时间衬砌前下沉速率(mm/d)总下沉量(mm)下沉值与跨度比值(%)18.78.22〜10.140.1316122148.30〜10.140.131351.73168.30〜10.140971.24188.30〜10.140650.85208.30〜10.1401161.5下沉时志曲线图见图3：图3表1中所列的五个点为线路中线上的测点，从下沉速率和时志曲线来看，衬砌前隧道已趋于稳定，支护和公路表面也未发现裂缝，说明所采用的施工方法和措施是安全、妥当的。但从总下沉量可以看出围岩开挖暴露后刚性支护不够及时，管棚和喷锚支护不能完全抵抗围岩及来自公路上车辆通行产生的压力，以致围岩变形和下沉值较大，且地表下沉量绝大部分发生在该对应里程开挖后10天内，在施作砼套拱支护后，下沉量立即减小，也说明了唯有及时施作刚度较大的支护才能有效地控制围岩变形和地表下沉。该段施工工序流程图如下：四、岩堆洞口段的施工岩堆是岩体风化后由重力搬运到坡脚的，其内部多为较大碎石、块石乱叠而成，细颗粒的泥砂较少，碎屑物间无胶结，结构松散，处于“一触即溃”的极不稳定状态，而且坡度一般与堆积物的休止角大致接近，易坍塌。岩堆大多分布在近期构造运动强烈上升、物理风化盛行地区，我国西南地区正处在这种地带，而且岩堆大都处于发展增长阶段。横江两岸坡脚岩堆接连分布，斜坡上时有岩块滚落，尤其是雨季遭受雨水浸泡、冲刷后，堆积物的内摩擦角减小，更容易发生坍塌.隧道洞口段通过岩堆时，施工中除了要加强施工支护以外，还要特别注意拦截地表水，排除岩堆体内地下水，并采用砼支护来抵抗巨大的侧压力。手扒岩隧道出口和黄莲坡隧道出口都是典型的堆积体洞口。1、手扒岩隧道出口手扒岩隧道出口90m均位于滑坡堆积体上，堆积物为砂页岩的碎屑物，粒径小于5cm，夹有孤石，下伏基岩为页岩夹砂岩，风化颇重，倾角较大。堆积体虽已稳定，但地下水较发育，洞口段40m地形又为偏压，侧压力很大。而且基底软弱，不能承受拱墙重力。根据该洞口的地质情况，我们认为施工时首要注意的是加固围岩、加强支护。具体施工方案如下：做好天沟排水系统后对边仰坡刷方，进行钢筋网喷砼支护，网格间距20X20cm，喷砼厚5cm。在隧道靠山侧衬砌外缘1m采用3排中76钢花管进行地表注浆加固，注浆深度在基岩下1m。钢管长13m，间距1m，梅花型布置。如图4所示：图4洞口段40m开挖前采用中42小导管注浆超前支护，小导管长5m，环向间距0.3m，纵向4m/环，外插角3°和10°，两种不同外插角的小导管间隔设置；洞口40m至90m范围不属偏压，拱部采用中42小导管注浆超前支护，小导管长5m，环向间距0.4m，纵向4m/环，外插角2°。隧道开挖分拱部、中层、下部三层台阶开挖，拱部开挖进尺0.8m，设格栅，锚网喷，并加设25cm厚的砼支护，下部开挖后要把格栅以焊接方式与拱部格栅连接成环。及时施作仰拱，形成全环封闭结构。该段施工完毕一段时间后发现隧道衬砌靠山侧40m范围有纵、斜向裂缝产生，我们对裂缝和衬砌位移情况进行了观测，发现衬砌并无位移，裂缝在雨季后也停止发展，但裂缝最宽处已达6mm。根据分析，裂缝成因是由于衬砌未置放在基岩上，边墙基底承载力不足，在雨季堆积体顺基岩面向下滑移，使钢筋砼衬砌受挤压发生开裂。此隧道衬砌的开裂证明由于未采取措施控制堆积体的滑移，即使支护到位，也不能保证隧道安全。根据裂缝成因，我们的处理措施是在衬砌靠山侧增设锚固桩，控制山体位移，减轻衬砌单侧受挤压，并在衬砌基底注水泥-水玻璃双液浆加固围岩，增强承载力。然后继续观察，确认裂缝已停止发展，洞口段安全有了保障。该段施工工序流程图如下：2、黄莲坡隧道出口黄莲坡隧道出口拱部进洞开挖时除去表皮土后即为岩石，让人以为已进入基岩，实际下部开挖时发现该岩石实为山上滑下来的两层厚层砂岩，覆盖了整个拱部和靠河侧墙部（如图5），岩石倾角45°，层间为泥砂，裂隙水较丰富，开挖截断后容易发生顺层滑移，对支护和衬砌产生很大的单侧压力，造成破坏性开裂，很难处理。图5砂岩下为堆积体块石土，而且富含地下水，侧压力极大，一旦开挖，泥夹石就发生坍滑。直到进洞60m以后才完全进入基岩。针对这种情况，为确保洞口段稳定，施工中一定要加强支护，尤其是靠山侧的支护要加强，我们采用以下施工方案：进洞前对洞顶上方自然沟进行浆砌铺砌，防止地表水下渗。边仰坡用WTD25中空注浆锚杆加固坡面，锚杆长4m，间距2m，梅花型布置，加设中8,40X40cm钢筋网，喷砼10cm进行防护。再沿拱部轮廓线外缘40cm打入中95、L=15m、环向间距0.5m的大管棚进行预注浆加固后开挖进洞。下部开挖分上下两层台阶以减少围岩暴露时间和暴露面积。上层开挖一次性爆破成形，下层则分左右两部开挖，让靠河侧先行，为靠山侧开挖提供临空面，减少靠山侧开挖时对围岩的振动。开挖步骤如图6：图6支护参数：采用格栅钢架支撑，钢架0.8m/棉，靠河侧①22锚杆，锚杆长4m，间距1m，钢筋网中10，网格20X20cm，喷砼12cm支护。靠山侧循环进尺1m，格栅钢架0.8m/棉，与中层格栅焊接牢固，锚杆用6〜9m①22超长锚杆，间距0.8m，并安装好垫板，挂双层钢筋网，钢筋网中10，网格间距10X10cm，喷砼20cm支护。并作25cm厚的砼刚性支护以抵抗山体压力。仰拱先行。支护完成后，以3m的循环进尺及时完成仰拱开挖、衬砌，形成全环封闭结构。该洞口段60m施工完成后我们担心隧道衬砌因靠山侧岩石和堆积体的滑移而滑移或开裂，于是布点进行了观测，随时准备采取加强措施。在经过一个雨季的观测后，隧道没有发生任何变形问题，证明所采用的施工方法和支护手段是安全、可靠的。该段施工工序流程图如下：五、偏压洞口段的施工偏压隧道是指承受显著不对称荷载的隧道，形成原因有地形原因、地质原因或坍方造成的等原因。洞口段的偏压一般由地形原因造成，当洞顶覆盖层较薄、地面横坡较陡、围岩类别较低时，隧道将承受偏压，多见于傍山隧道。也就是隧道拱肩外侧围岩覆盖厚度t小于表2所列数值时，将引起洞顶上方岩体下沉，在岩体内形成两个非对称滑动面，使隧道承受显著不对称荷载，开挖时易坍塌，衬砌后易开裂。表2 单位：米t值围岩类别地面横坡（单线隧道）1:11:1.51:21:2.5III石544III土10865.5II土18161210所以在偏压洞口段施工，要注意尽早将支护和衬砌形成环以抵抗靠山侧较大的土压力，有可能的情况下应在靠河侧加设辅助措施增强其抗压能力。飘水岩隧道进口为褐色砂岩夹页岩，节理发育，风化严重，洞顶横坡约为1:1，拱肩覆盖层厚度1〜2m，洞口8m右侧（靠河）几乎成陡坎，从墙脚到拱肩覆盖层厚度为0.5〜1.5m，如不采取特别措施，一旦开挖进洞，右侧必坍无疑。为确保顺利进洞，我们制定了以下方案：1、 做好天沟排水设施。2、刷边仰坡，增设①22锚杆，长3.5m，间距1.5m，梅花型布置，挂20X20cm钢筋网，喷砼8cm进行地表加固。3、 在右侧施作钢筋砼挡墙护坡，挡墙厚1m，置于稳定地基上，高于拱顶2m。挡墙与边坡面用锚杆连接，锚杆长1m，间距1.2m，梅花型布置。如图7所示：图74、 进洞前沿拱部开挖轮廓线设2排中42超前小导管注浆，间距0.4m，小导管长4m，环向间距0.3m。5、 拱部开挖分左右两部进行，左侧采用炸药爆破，右侧用风镐辅助人工开挖成形，循环进尺控制在0.8m以内，及时支护。该洞口施工难点是山体的偏压和靠河侧的覆盖层特别薄，进洞易坍塌，但在施作了钢筋砼挡墙护坡后进洞，围岩没有发生坍塌，支护也未无开裂，说明该挡墙对抵抗偏压和稳定围岩起了关键性的作用，是成功进洞的重要措施。该段施工工序流程图如下：六、结束语现代隧道施工已有上百年的历史了，但由于地质地形的千变万化，对隧道受力分析没有一套统一的计算方法，尤其对不良地质、软弱围岩，更不可能有“包治百病”的施工方法，只有认清地质情况，并根据实际情况采取相应的施工措施才可能获得成功。在浅埋、岩堆、偏压隧道洞口段，我们认为施工时首要的是强调对围岩变形的控制而不是围岩变形的释放。具体做法就是：①初期支护必须要有一定的刚度，不能强调其柔性；②二次模注要及时施作，不必拘泥于某些技术规程中关于施作二次模注时围岩变形速率必须小于0.1mm/d的规定。经过在内昆线多座隧道的实践也证明了我们应用的施工原则和采用的施工方法是完全正确的、妥当的。AbstractDuringconstructionofentrancesectionofrailwaytunnelwithextremely-weaksurrou