《山区隧道富水段围岩变形控制问题研究》5300字

山区隧道富水段围岩变形控制问题研究目录TOC\o"1-2"\h\u8263山区隧道富水段围岩变形控制问题研究 11984引言 110268一、工程概况 11184（一）隧道概况 112409（二）富水段围岩地质情况 214896二、山区隧道富水段围岩变形特征分析 216637（一）土层参数影响分析 27597（二）工艺变化对影响围岩变形特征分析 223939（三）降水加密对围岩变形的影响 324766（四）设计变更的控制效果 4389三、山区隧道富水段围岩变形控制技术分析 41973（一）控制要点和控制施工方案 417353（二）预防围岩大变形的控制措施 819220四、结束语 919536参考文献 9摘要：在山区的道路工程中会遇到很多施工难点，比如在富水条件下砂岩地层隧道开挖极易产生围岩的变形。本文以揭惠高速小北山一号隧道富水段围岩变形段为研究对象，首先介绍了该工程隧道的概况和围岩地质状况，通过数据模拟的方式，深度研究了富水段围岩变形的特征，提出了围岩变形控制的方案和控制重点，又针对围岩大变形提出了整治的措施。关键词：山区隧道；富水段；围岩；变形特征；控制技术；分析引言随着社会经济的发展和各项工程技术的不断成熟，在铁路、水利水电、公路、城市地下轨道工程等项目的建设中，对隧道的应用面积越来越大，而且以隧道方式穿越富水山体的案例越来越多。但由于富水地段隧道开挖时容易发生围岩的变形，给隧道工程带来诸多的施工困难，由此，富水围岩隧道施工技术的提升和创新是工程设计和施工部门绕不开的课题。本文结合揭惠高速小北山一号隧道富水段围岩的状况和处理情况，对隧道富水段围岩变化特征及施工控制进行分析。一、工程概况（一）隧道概况小北山一号为特长隧道，布设的方式隧道是左、右线分离的形式。隧道左线长3005米，起讫里程ZK14+390-ZK17+390，揭阳端洞门结构利用削竹式，洞口标高设计621.370米，惠来端洞门结构利用削竹式，洞口标高设计421.230米，坡度设定0.65%～-1.69%，隧道深埋最大处约279米。隧道右线长3008米，起讫里程ZK14+380-ZK17+388，揭阳端洞门结构利用削竹式，洞口标高设计621.216米，惠来端洞门结构利用削竹式，洞口标高设计42.181米，坡度0.66%-1.70%，最大隧道埋深约273米。（二）富水段围岩地质情况小北山一号隧道贯穿丘陵地带，大起伏的山体地形，发育良好的山体植被。其中，K16+150～K16+600位于龙潭峰～金坑水库一带，且ZK16+460左侧沿沟谷约300m处分布一口山塘。该处围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级，呈现花岗岩围岩，不同的风化程度，断裂破碎带发育，水源丰富，围岩稳定性差，易坠落、坍塌；雨季潮湿，裂隙发育部位滴水或淋雨状。对隧道开挖安全有一定的影响。二、山区隧道富水段围岩变形特征分析（一）土层参数影响分析拟定富水隧道事故段大变形发生前，已经对大变形段掌子面的主要土层实施了实验室物理学力学试验，试验内容涵盖颗粒密度、天然含水率、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等基本物理力学参数。治理后，要深度研究加密降水对土层参数的影响，实施了数据测定的实验，详细数据见表1所示。图1土层基本物理学参数类别天然含水率/%天然密度/（g·cm-3）初始空隙比黏聚力/kPa内摩擦角/(º)压缩模量/MPa大变形前20.031.7440.5602.58027.57348.92治理后14.122.142-18.0236.1178.31（二）工艺变化对影响围岩变形特征分析1、工艺变化数值的模拟（g·cm-3）试验的基准是隧道断面，模拟设定隧道净跨度12.6米、净高12.5米，该试验模型边界四周取三倍隧道跨度，上边界到地层按照现场具体埋深125米，前后设定50米的边界。大变形产生之前围岩物理基本参数详情见表1，数值模拟利用三台阶法。设置上、中、下台阶都的长度皆为是4米。大变形产生后进行变更设计，利用三台阶七步法施工。上台阶长度为3～4米，中台阶长度4～5米，下台阶长度为3～4米。本次模型计算选取台阶长度，上台阶3米、中台阶4米、下台阶4米。支护结构计算利用等效刚度法，把混凝土刚度与格栅钢架刚度进行等效[1]。2、变形特征分析掌子面挖掘到监测断面位置时，就要仔细观察断面位移情况，并进行准确记录，观察的重点是掌子面以及前后方一定距离断面处。模拟实践和相关数据显示，本文介绍的施工技术为三台阶七步法，掌骨面最大变形量和拱顶沉降量均小于三步法，对围岩也只是较小的扰动。对掌子面拱顶施工两种工法沉降最大值都有差异，三台阶法为18.69厘米，三台阶七步法为15.08厘米，两者的降低差距明显。通过模拟的数据可知：从拱肩到拱脚隧道水平收敛都在逐渐增大；三台阶法在二号监测点显示水平收敛最小值为5.34厘米，在九号监测点显现最小值为10.87厘米。三台阶七步法对围岩较小的扰动，二号监测点显示水平收敛最小值为4.26厘米，九号监测点显现最大值为10.86厘米。对水平收敛的控制三台阶七步法作用显著，收敛程度比较三台阶法可最大降低21.5%。实验模拟结果显示，挤出掌子面位移较大，并且中台阶为最大的挤出位移。这可以显示该地质层隧道掌子面不稳定，要求施工中予以考虑，喷桩可以采取超前水平旋进行。而选择三台阶七步法工艺，掌面移位可达15.28厘米，比三台阶法下降22.5%；各部位比较而言，变形量最大的部位是拱顶，隧道洞周变形最小值在中台阶附近达到，之后越往下会逐渐增大变形量，同时越往下逐渐变形量增大的还有隧道洞周变形最小值，并且拱底的位置隆起很大的位移。变形后呈现扁平状的断面。（三）降水加密对围岩变形的影响模拟大变形产生后，继续加密降水。降水加密后利用三台阶七步法施工，进一步加密降水。加密降水后采用三台阶七步法施工，通过改变加密降水后对围岩参数和设计参数的改变，进行变形特征的分析。分析了前后横断面拱顶的沉降和水平位移，分析结果显示，降水加密后拱顶最大沉降值为6.47厘米。比较降水加密前的14.86厘米的沉降缩减了56.24%；针对水平收敛值，降水加密后最大的水平收敛值为4.38厘米，比较降水加密前的11.10厘米缩减了60.08%。通过实施加密降水，显著抑制了围岩变形的产生，进一步缩小了水平收敛和拱顶沉降值。加密降水前后隧道中线周围的位移和变形收敛情况见图1，图中降水加密前施工隧道变形情况用实线表示，降水加密后则用虚线表示。从图1显示，降水后有效控制了掌子面移位，掌子面最大移位发生在中台阶处为9.03厘米，与降水加密前的14.23厘米相比，大约降低了37%；降水加密后呈现平稳的洞周变形，变化的形态比较贴近断面，没有显示变形量的超大和超小，显现整体圆滑性。图1隧道在降水加密前后的变化图（四）设计变更的控制效果通过分析变更降水设计和统计方式之前、之后拱脚、拱肩、拱腰收敛水平以及拱顶的沉降以及工作面挤压的最大值，不难看出，设计变更后变形量显著降低，降低程度为53%～69%。从局部上看，采用三台阶七步法进行作业，可降低21%的变形量；同时进行加密降水，洞周收敛要比加密降水前降低56%～61%，降低挤出位移35%。所以，加密降水与变更施工工艺进行比较，加密降水控制变形的效果更佳。也就是说，对围岩岩性实施改良，采用降水以及注浆加固等手段控制变形，要比变更工法效果更显著，并且完全符合实际工程要求。三、山区隧道富水段围岩变形控制技术分析（一）控制要点和控制施工方案1、围岩变形控制要点进行锁脚加肋，也就是将带孔钢板焊接拱架背后，锁脚锚管进行穿孔打设，以强化钢架加固的效果。可采用22A钢型做钢拱架，18钢型作为临时仰拱。冷弯成型后的拱架，根据设计要求和开挖方法，每个截面不超过4米，两端为焊接接头板，接头用螺栓连接。制造第一钢架，并且只有通过试验组装后才能批量生产。周围拼装产生的误差为进±3厘米，平面翘曲低于2毫米。设定台阶上端大拱脚为75～95厘米的规格，锁脚加肋的钢板规格为30厘米×50厘米。利用Ⅰ级φ10型号钢筋制作网片，网格间距200×200毫米，其偏差不能超过±10毫米。开挖前务必进行严格测量，先查看上榀拱架收敛情况，同时对钻爆法的控制点实施测量，包括大拱脚的保留变形和外倾角。2、围岩变形控制施工方案（1）三台阶临时仰拱法施工的开挖方式是人工配合机械进行，同时利用弱爆破技术辅助。三步台阶暂时仰拱法的关键措施是将工作面分成三个部分，以保证工作面的稳定性,即划分为上、中、下，如果围岩变形很大，在可以满足净空和安全的情况下，要及时封闭①②。如图2所示。施工顺序：进行①部的挖掘，进行初期支护①部的周边→①部临时钢框架（2-3榀i18）在后方5-10米处先拆除→然后在②部台阶周围采用初始支护→再在②部后方5-10米处开挖③部，同时在初始支护处错开2米，开挖④部两侧边墙初始支护→开挖④部的另外地方，利用3～4m冲击，及时进行初始支护环的开挖（安全距离≤37m)→研究监测数据，等到初始支护收敛绝对稳定，拆除②部临时支护→iv型倒拱，v型倒拱→有衬砌的vi型墙的二次衬砌。图2软弱围岩三台阶施工流程图（2）大拱脚施工安设钢拱架的作业要在完成初喷后及时进行，大拱脚施工同时开始。施工前已经在拱架拱脚处焊接。如果大拱脚施工的开挖空间不足，可以利用风镐将欠挖空间拓展到位。制作大拱脚的材料是16毫米厚的钢板和22A型钢，必修在焊接完成后的大拱脚上预留对接中导的螺栓孔位。钢拱架设定纵向间距为为60厘米，安装定位必须精准，满足净空规格的标准，安装时要准确定位，确保净空尺寸满足要求，利用钢楔或混凝土预制块沿钢框架外缘以2米的间隔楔入。为了保证钢骨架整体受力的完好，可采用φ22钢筋以一米的环向距离进行纵向连接。钢架拱脚务必坐落在稳固的基岩上，永久及临时支撑踏板须设置符合支撑规格的25a槽钢或木方，让受力面积增大，减轻钢支撑的沉降[2]。见图3.图3大拱脚现场照片（3）锚杆和钢筋网的施工在该系统锚杆安置的工序中，设计拱部使用的中空注浆锚杆规格为φ25毫米、长5米，设计边墙使用的砂浆锚杆规格φ22毫米、长5米，间距均为梅花形布设1.2（纵）×1.0（环）m。钢筋网要在锚杆施工完毕后及时安装，网片布设沿着钢支撑外的弧度进行，同时焊接工字钢。永久支护钢架布设完毕后，将I18临时仰拱架设在台阶底部，保持60厘米的纵向间距，永久拱架和临时拱架之间利用接点板螺栓进行连接。拱架外缘超过拱脚30厘米处焊接加肋钢板，设定间距20厘米，制作钢板厚度16毫米、规格分（60×30）毫米，牢固焊接拱架，在钢板上预留孔径，规格为60毫米。完成该作业后，可以利用加肋钢板上的预留孔制作锁脚锚管，便于围岩灌浆。（4）围岩灌浆施工水泥浆水灰比规定为三个等级：1：1.5、1：1、0、8：1，三个等级也是浆液从稀到稠地转换，首先是稀浆，逐步浓稠到0.8:1为止。要想达到注浆后马上开挖，最好将适量的氯化钠溶液与三乙醇胺融入到水泥中，水泥最好使用常规水泥，这样可以将初凝和终凝的时间缩短，既保证了强度又提升了浆液的可压注性。现场混凝土的配比要适当，既要有符合标准的强度又要确保围岩面牢固的粘结度。要围岩的喷混作业必须分片、分段、分层进行，要从拱脚下面向上进行，可以杜绝喷射到上部的料回弹后虚掩拱脚，先从凹处喷射，之后是凸处，确保墙体表面平整。（5）变形观测初期支护施工完毕后要马上进行监测，按照测量的数据调整支护的参数，要精准地确定临时支护拆除的时间以及二衬施工时间。避免将监测点焊接在钢架上，而是要在围岩中打孔单独安装。量测点是4厘米的等边三角形，利用φ8mm的圆钢制成，焊接在25厘米长的φ20毫米的螺纹钢筋端头上，进行标识保护。见图4.图4监控量测点埋设（二）预防围岩大变形的控制措施1、超前地质预报技术该预报技术包括五项内容：地质素描、地质雷达、TSP203、超前加深炮孔、红外探水技术。预报技术的核心是在地质综合分析判断的基础上，合理应用该预报手段，其中TSP203超前地质预报可以发挥长距离宏观控制性预报的优势；超前加深炮孔和地质钻孔具备验证性的功能；地质雷达、红外探水拥有短距离探水和形态探测预报的能力；而地质素描可以进行合理的补充。五项技术综合应用，为隧道围岩大变形的控制提供保障[3]。2、超前预加固技术以原有的小导管超前预加固工艺为基础，针对本文工程地下水丰富和围岩软弱的特点，在隧道的富水段施工中应用了袖阀管注浆预加固技术，在隧道开挖区域形成注浆加固圈，注浆加固圈形成于拱顶4米、拱墙外4米、倒拱最低点以下2米处，以有效降低地下透水系数，让围岩强度和自稳时间增强，强化了加固和堵水的能力，明显减轻了隧道拱顶围岩的松动和冒落。3、加强型初期支护技术隧道面开挖后围岩的变形控制除了依靠围岩的自稳定能力外，主要依靠平衡开挖后的初期支护来抵抗地应力，因此，合理有效的初期支护措施是确保隧道施工安全和控制围岩变形的重要手段。揭惠高速小北山一号隧道富水段施工时，在原方案的I22A工字钢架基础提出了优化方案，即提升工字钢的型号、将工字钢的间距加密，以此来确保每榀钢架之连接更牢固，并提出了具体的强型初期支护辅助建议：①提升钢架的密度；②基于增强地基承载力的需要添加拱脚钢垫板；③强化钢拱架纵向连接的能力；④通过强化锁脚锚管的手段保证质量；⑤添加临时仰拱。四、结束语综上所述，在富水山体隧道围岩施工中本文介绍的处理方案和控制措施，具有流水作业的特点，因为施工进度快，缩短了工期又节约了成本。揭惠高速小北山一号隧道富水段采取了上述描述的组合工艺作业，让初期支护经常发生的收敛变形问题得以解