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        炭質板巖地層隧道施工要點及變形防治措施探討

        2017-01-19 10:27:03傅璇
        中華建設 2017年12期
        關鍵詞:炭質板巖巖體

        傅璇

        炭質板巖地層隧道施工要點及變形防治措施探討

        傅璇

        一、工程概況

        蒼稼嶺隧道位于湖南省邵陽市洞口縣境內,進出口分別位于月溪鄉(xiāng)大涼山村和長塘鄉(xiāng)長塘村,是懷邵衡鐵路控制性工程之一,隧道設計為單洞雙線隧道,全長7976m,最大埋深為540m。隧道進口里程為DK76+343,出口里程為DK84+319。該隧道設計一座斗山?jīng)_斜井,長1437m,雙車道施工,出口橫洞一座,長330m。蒼稼嶺隧道屬I級風險隧道,地質各系、組接觸帶交叉頻繁,發(fā)育多條斷層,有頁巖氣、高地應力、斷層破碎帶等不良地質。另外,隧址區(qū)地表水和地下水具有酸性侵蝕和氯鹽侵蝕性,成為懷邵衡鐵路全線中的施工重點、難點工程。

        二、炭質板隧道施工中存在的問題

        1.存在的問題

        炭質板巖地從外觀上看一般以灰褐色和黑褐色為主,構造為薄-中層狀,重結晶不明顯,主要由泥質、砂質、炭質、鈣質等成分構成,炭質板巖地含有石英細顆粒,遇水后容易軟化,炭質板巖地是區(qū)域變質作用的低級產物,均向壓力和溫度都不是很高,主要受到應力作用的影響。Ⅳ級是軟石,堅固系數(shù)1.0~1.5,Ⅲ級是硬土,堅固系數(shù)為0.81~1.0。板巖的力學特征和其結構面的破壞有著直接關系,比如板巖結構面受力之后,極易發(fā)生順層理面滑移和剪切破壞等現(xiàn)象,進而導致炭質板巖容易浸水,一般情況下,浸水軟化后強度會降低50%左右。另外, 蒼稼嶺隧道存在游離頁巖氣,其是一種非常規(guī)天然氣資源,賦存于有機質泥質頁巖及其夾層中,以吸附及游離狀態(tài)為主要存在方式,成分以甲烷(CH4)為主(占比85%以上)附帶少量的乙烷(C2H6)、丙烷丁烷(C3H8),外觀特征無色無味,與空氣混合臨界點9.1%時極易產生爆炸。成因以生物作用,瀝青裂解及綜合幾方面因素。

        在板巖地層隧道爆破作業(yè)結束后,掌子面成型鋸齒狀明顯。隨著巖體在空氣中暴露時間的變長,風化使得隧道的開挖面巖體出現(xiàn)掉塊的情況,進而導致坍塌。在坍塌附近若富含裂隙水,會使得坍塌規(guī)模變大,坍塌情況加劇,造成施工中掌子面輪廓線成形差。在隧道開挖過程中,炭質板巖不能與水接觸浸泡,如果長時間遇水,會導致圍巖出現(xiàn)膨脹軟化呈泥糊狀的現(xiàn)象,使其強度大幅度降低。在有水地帶進行開挖作業(yè),容易使圍巖掉塊的情況持續(xù)變長,隨著掉塊的增加會導致隧道頂部的圍巖出現(xiàn)更大的松動范圍,會造成掌子面及其周邊產生大規(guī)模的塌方。

        2.原因分析

        根據(jù)爆破的巖層可以看出,炭質板巖一般為0~30cm的薄層狀,圍巖破碎,節(jié)理發(fā)育。在隧道爆破作業(yè)后,巖體的應力重新分布,從而形成松動圈,降低了巖體阻力;另外,在重力和地應力的相互作用下,會出現(xiàn)開挖面表層巖塊掉落的情況,巖塊的下落會使得巖體的應力再次重新分布,形成松動圈繼續(xù)擴大的趨勢,最終引發(fā)大的塌落。直到巖體整體的應力重新達到平衡,坍塌掉塊才會停止,圍巖巖層應力會重新處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        炭質板巖的巖性為軟質巖,主要構成成分包括鈣質以及石英細粒和炭質等。遇水后會使其整體強度大幅度下降,從而對其穩(wěn)定性產生影響,導致整個巖面出現(xiàn)坍塌的情況。炭質板巖在高地應力的作用下,會導致變形持續(xù)的時間增長,變形量增多。

        三、炭質板巖地層隧道施工要點及大變形防治措施

        1.隧道施工要點

        在對炭質板巖地層隧道施工的過程中,為了能夠更好地降低安全風險,使施工作業(yè)安全得到保證,應注意對隧道開挖、支護等施工要點進行掌握。

        第一,隧道開挖階段的施工要點包括施工前和施工中兩大部分。施工前期對拱部進行超前小導管支護作業(yè),采用直徑為Φ42*3.5mm的超前小導管,為拱部巖體提供向上的支撐作用,并進行注漿將巖體內裂隙充填固結,進而減少爆破作業(yè)后巖體掉落的情況,同時也避免松動圈擴大趨勢等。隧道開挖采用的是三步臺階法開挖和光面爆破工藝,這種方法工藝能盡可能地降低爆破作業(yè)時對周邊巖體的擾動,從而增強巖體結構本身的承重力和自穩(wěn)定性能;此外,加強對頁巖氣層的超前地質預測預報、頁巖氣濃度監(jiān)測等,避免因頁巖氣積聚而引起重大災害,保障隧道施工安全。

        第二,隧道支護施工要點。隧道初期支護作業(yè)是在隧道開挖結束后進行的,采用型鋼鋼架與鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護方式。支護是使還未被整體破壞的巖體得到徑向抗力,并將局部應力狀態(tài)進行轉化至拱架,進而增加巖體的承重能力。

        第三,受高地應力影響的炭質板巖地層隧道施工,與普通的隧道施工存在不同,其施工要點如下:

        (1)受高地應力的影響,炭質板巖存在變形量大、持續(xù)時間長等特點。在隧道開挖后,采用型鋼鋼架與鋼筋網(wǎng)錨噴的支護方式,其中初噴層的厚度為5cm;巖層應力釋放達到平衡狀態(tài),當隧道變形速率降低后進行復噴,復噴厚度保持在20cm以上。

        (2)為了對個別變形較大的地段,提高其支護承重能力,應采用在上臺階底部設臨時鋼拱架封閉成環(huán)受力的方式,使變形得到盡早控制和對下一工序施工提供安全保證。

        (3)對于洞身富水的地帶,在掌子面前的巖體處,施做止?jié){墻,采取超前周邊注漿止水的方式,將基巖裂隙的水徑流方向加以改變,從而使掌子面的前方巖體的10~30m范圍內無水,有效地避免了炭質板巖遇水及擾動軟化成泥,引發(fā)大面積坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。

        (4)加強對開挖初期隧道變形速度和位移的監(jiān)控量測,將量測結果及時反饋到相關負責人。及時分析并采取措施,掌握巖體的變化規(guī)律,進而確定炭質板巖的預留變形量空間,指導掌子面施工。炭質板巖地層隧道的變形量通常在10~40cm之間,開挖作業(yè)時按照實際測量的預留情況適量放大開挖斷面的尺寸,避免隧道支護變形后侵限,后期換拱安全風險極大。

        (5)隧道斷面優(yōu)化要點。對于隧道變形較大的地帶,采用圓弧形的臨時仰拱支護形式,解決上臺階支護結構受力較大、變形不均勻的問題,將變形盡可能地縮小,從而避免風險事故的發(fā)生。

        2.變形防治措施

        (1)初期支護及加固

        在洞身變形控制中,變形較大的地段需要臺階底部挖出仰拱溝槽和墻角,在這基礎上增設臨時仰拱,期間嚴禁使用機械對全幅仰拱拆除,否則容易使墻腳懸空并引發(fā)隧道塌方,對炭質板巖進行加固時,需要沿著洞身的縱軸線方向進行連接筋加固,并噴射混凝土封閉,使底部支撐形成網(wǎng)格狀分散受力。

        當洞身的變形速率過大使得其變形超出限值位移時,就會導致支護施工的表層出現(xiàn)崩殼、開裂等情況,這就需要采用豎向支撐臨時加固方式,在臨時仰拱左右拱腰部位進行豎向加固,加固使用的材料首選鋼管,豎向受力較工字鋼好。

        (2)徑向小導管注漿加固

        在變形階段的初期支護表面,在拱部呈梅花形設置小導管注漿,使其加固初期支護背后松散巖層,形成巖體加固圈。在對其注漿前需用噴混凝土將巖體裂縫進行封閉。然后自下而上進行隔孔注漿作業(yè),當注漿壓力達到0.5MPa或出漿量緩慢時,停止注漿施工。

        (3)長錨桿加固

        在注漿結束后,在沿拱墻范圍呈梅花狀布置補打長度不小于5m的中空錨桿,并進行注漿固結。

        四、結語

        綜上所述,根據(jù)對懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道施工中,高地應力炭質板巖變形的問題及成因進行分析。炭質板巖大變形的主要原因是開挖施工中,巖層應力重新分布影響了原地層結構的穩(wěn)定性,進而產生變形。文章對炭質板巖地層隧道的變形采取強支護、拱部導管徑向注漿、長錨桿加固等措施,達到對板巖地層變形控制的目的。但是,我們應在炭質板巖變形防治方面進行更深入的探索、實踐,為今后類似隧道炭質板巖地層隧道變形提供更科學、更合理的技術參考。

        中鐵二十局集團第二工程有限公司)

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