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        重載鐵路隧道高膨脹泥灰?guī)r施工技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-03-19 01:27:20王天西
        四川建筑 2021年6期
        關(guān)鍵詞:隧底泥灰?guī)r方山

        文章依托浩吉鐵路土建工程18標(biāo)段方山1號(hào)隧道,對(duì)在重載鐵路隧道施工中遇到的特殊地質(zhì)——高膨脹泥灰?guī)r進(jìn)行了泥質(zhì)灰?guī)r性能試驗(yàn)研究,對(duì)發(fā)生的主要病害進(jìn)行原因分析,總結(jié)不同工況下隧道泥灰?guī)r治理技術(shù),特別是在高膨脹泥灰?guī)r出水治理、確保擴(kuò)挖換拱安全方面提出了新的解決方案,為隧道高膨脹泥灰?guī)r施工提供技術(shù)支持。

        重載鐵路; 隧道; 高膨脹; 泥灰?guī)r; 施工技術(shù)

        U455.49B

        [定稿日期]2021-07-06

        [作者簡(jiǎn)介]王天西(1985~),男,本科,工程師,從事鐵路工程施工技術(shù)管理工作。

        1 工程概述

        本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標(biāo)段方山1號(hào)隧道工程。浩吉鐵路是中國邁入高鐵時(shí)代修建的唯一一條國家干線的重載貨運(yùn)通道鐵路,設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h以上,全長(zhǎng)1 837 km,設(shè)計(jì)年輸送能力2×108 t以上。浩吉鐵路方山1號(hào)隧道全長(zhǎng)1 135 m,單洞雙線,無砟軌道。隧道洞身下伏白云巖、局部夾泥質(zhì)白云巖,淺灰色,巖質(zhì)較硬,強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化,巖體較破碎—較完整,巖層產(chǎn)狀為:314~46 °∠47~83 °,地下水不發(fā)育,隧道多巖溶發(fā)育帶。

        2016年7月至10月為南陽地區(qū)雨季,降雨充沛,地下水補(bǔ)給充足。在方山1號(hào)隧道施工過程中,隧道初期支護(hù)表面出現(xiàn)多處滲水,局部出現(xiàn)了線狀流水。受到巖溶地質(zhì)影響,每次連續(xù)降雨或者強(qiáng)降雨后,隧道到的滲水現(xiàn)象尤為明顯。存在滲滴水的區(qū)域內(nèi),先后有多處出現(xiàn)了初期支護(hù)開裂。9月份之后,初期支護(hù)開裂開始加劇,監(jiān)控量測(cè)的水平收斂、拱頂下沉數(shù)據(jù)急劇增大,先后發(fā)生多次黃色預(yù)警、紅色預(yù)警,隧道險(xiǎn)情的出現(xiàn),引起各參建單位的高度關(guān)注。

        為了探明隧道險(xiǎn)情發(fā)生的主要原因,預(yù)防更大險(xiǎn)情的出現(xiàn),項(xiàng)目對(duì)隧道進(jìn)行了全面排查,主要采取以下兩種手段:

        (1)對(duì)已開挖、仰拱未施工段落,采用鉆探的方式進(jìn)行地質(zhì)探測(cè),對(duì)初支開裂情況進(jìn)行破檢。

        (2)對(duì)已施做仰拱和拱墻二襯的段落,結(jié)合開挖期間揭示圍巖情況,對(duì)二襯開裂情況進(jìn)行破檢。

        排查發(fā)現(xiàn),方山1號(hào)隧道揭示5段(共長(zhǎng)285 m)與出現(xiàn)險(xiǎn)情部位圍巖類似,為灰綠色圍巖,遇水易崩解,其中二襯已施工的3段(共長(zhǎng)124.5 m),仰拱已施工、二襯未施工1段(長(zhǎng)15.5 m),仰拱未施工2段(共長(zhǎng)145 m)。

        為了排除隧道出現(xiàn)的險(xiǎn)情,制定合理的除險(xiǎn)加固方案,確保隧道施工安全和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定,項(xiàng)目首先開展了對(duì)隧該灰綠色圍巖的試驗(yàn)研究。

        2 隧道不良地質(zhì)圍巖的調(diào)查及試驗(yàn)研究情況

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證隧道不良地質(zhì)洞段灰綠色圍巖的特性,進(jìn)行了巖石泡水試驗(yàn)、成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)。

        2.1 巖石泡水試驗(yàn)

        在方山1號(hào)隧道不良地質(zhì)圍巖洞段取巖石樣品,加工成長(zhǎng)×寬×高為5 cm×5 cm×5 cm的正方形試樣,進(jìn)行室內(nèi)泡水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖1所示。

        試驗(yàn)結(jié)果表明,泥灰?guī)r在天然狀態(tài)下,巖質(zhì)堅(jiān)硬,遇水后體積變大,逐步崩解。

        2.2 巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)

        在現(xiàn)場(chǎng)取兩組試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),第一組為邊墻裂縫處,第二組為下臺(tái)階處。

        第一組巖樣(邊墻裂縫處):灰綠色巖樣,磨片鑒定為泥灰?guī)r,其中方解石含量60 %~65 %,黏土礦物及絹云母(風(fēng)化變質(zhì)產(chǎn)物)含量約30 %~35 %。為遇水易軟化的硬巖。

        第二組巖樣(下臺(tái)階處):鑒于現(xiàn)場(chǎng)泥灰?guī)r軟硬不均,且長(zhǎng)期泡水后巖體軟化明顯,強(qiáng)度降低,現(xiàn)場(chǎng)局部泥質(zhì)含量較高的巖樣泡水在30 min內(nèi)發(fā)生崩解。提取該處巖樣,取其0.5 mm以下顆粒做土的膨脹性試驗(yàn)TB10102-2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》、TB10103-2008《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》),結(jié)果為:自由膨脹率30 %,判定為膨脹巖。

        巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)成果見表1。

        根據(jù)兩次取樣化驗(yàn)、膨脹性試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)論如下:

        (1)該隧道不良地質(zhì)圍巖鑒定為泥灰?guī)r,泥灰?guī)r具有一定的膨脹性,遇水易崩解。

        (2)隧道不同部位的泥灰?guī)r性質(zhì)差異較大,泥質(zhì)含量越高的泥灰?guī)r的膨脹性越高。

        3 隧道泥灰?guī)r主要病害分析及施工難點(diǎn)

        經(jīng)過巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn),隧道不良地質(zhì)圍巖確定為泥灰?guī)r。結(jié)合前期的排查情況,泥灰?guī)r是隧道施工安全及結(jié)構(gòu)的主要病害。由于方山1號(hào)隧道泥灰?guī)r被定性時(shí),初期支護(hù)已經(jīng)施工160.5 m,二襯已施工124.5 m,雖然前期已經(jīng)采取了部分措施,但是處理措施不準(zhǔn)確,處理效果較差。對(duì)于方山1號(hào)隧道泥灰?guī)r已經(jīng)造成初支開裂、局部嚴(yán)重侵限、二襯開裂等病害必須采取行之有效的處治理方案和施工方法,保證泥灰?guī)r隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

        從國內(nèi)外研究情況來看,關(guān)于泥灰?guī)r地質(zhì)隧道研究較少,可拱參考施工技術(shù)資料極少,為了有效地治理泥灰?guī)r的病害,亟待解決四個(gè)方面的施工問題:

        (1)如何系統(tǒng)治理隧道滲水問題,防止泥灰?guī)r遇水膨脹變形。

        (2)如何治理初期支護(hù)已施工段泥灰?guī)r造成的開裂(局部嚴(yán)重侵限)問題。

        (3)如何治理仰拱未施工段泥灰?guī)r造成的隧底承載力不足的問題。

        (4)如何治理二襯已施工段泥灰?guī)r造成的二襯開裂問題。

        4 初支開裂成因分析及治理

        4.1 初支開裂案例

        方山1號(hào)隧道某洞段監(jiān)控量測(cè)顯示某測(cè)點(diǎn)(水平收斂)日變化量為2 mm,同時(shí)在臨近位置線路左邊墻初支變形并沿環(huán)向開裂,裂縫寬度4 mm、長(zhǎng)度3 m。鑿孔發(fā)現(xiàn)初支背后圍巖遇水軟化崩解,且監(jiān)控量測(cè)斷面水平收斂值持續(xù)增大(圖2、圖3)。

        4.2 初支開裂成因分析

        開挖、支護(hù)成型后,初期支護(hù)在降雨期出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象,初支背后泥質(zhì)灰?guī)r遇水膨脹,導(dǎo)致初支出現(xiàn)多處開裂,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利。

        4.3 隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置的應(yīng)用

        在初期支護(hù)施工后,由于泥灰?guī)r遇水膨脹是造成初期支護(hù)及二襯開裂主因,因此,在隧道泥灰?guī)r地質(zhì)洞段,做好泥灰?guī)r的排水設(shè)計(jì)尤為重要。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),常規(guī)的排水孔,泥灰?guī)r遇水崩解后,排水孔易被崩解的巖屑堵塞,嚴(yán)重的順著排水通道流入隧道縱向排水管,影響隧道的系統(tǒng)排水。為了有效治理泥灰?guī)r段初期支護(hù)滲水,發(fā)明了一種隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置,裝置主體為鋼管,分為自由排水端和固定端(圖4)。

        裝置自由排水端設(shè)置排水孔,排水孔按照梅花形布置,鋼管外包土工布,每1 m采用外繞方式固定,水經(jīng)土工布滲入排水管內(nèi),而崩解的巖屑被隔離在土工布外側(cè),既保證了排水,又可以避免崩解的巖屑堵塞排水管。

        固定端使用藥包固定,主要考慮泥灰?guī)r遇水膨脹后會(huì)對(duì)排水管形成擠壓應(yīng)力,不僅起到了排水作用,同時(shí)可以支撐圍巖、加固圍巖的作用。

        最終排水裝置與隧道的整體土工布、防水板、縱向排水盲管等排水結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)排水,引排至隧道側(cè)溝內(nèi)。

        4.4 治理效果

        在方山1號(hào)隧道泥灰?guī)r段初支開裂洞段系統(tǒng)布置了排水孔,全部安裝了排水裝置,同時(shí)加密排水板布置,與系統(tǒng)排水連接后引排至側(cè)溝內(nèi)。安裝了排水裝置的部位初期支護(hù)未再次發(fā)生開裂,監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示變形穩(wěn)定,二襯施工后,整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

        5 初支嚴(yán)重侵限的成因分析及治理

        5.1 初支嚴(yán)重侵限案例

        方山1號(hào)隧道某段圍巖襯砌類型由Ⅲa 、IVa級(jí)調(diào)整為Ⅴc級(jí), 初支拱墻采用I22工字鋼,間距0.6 m/榀,初支厚度拱墻30 cm,二襯厚度55 cm。其中小里程側(cè)前期按照采用Ⅳa復(fù)合式襯砌施工,初期支護(hù)發(fā)生嚴(yán)重變形,凈空不能滿足二襯要求,需要進(jìn)行換拱處理。

        5.2 初支嚴(yán)重侵限成因分析

        初期支護(hù)背后泥質(zhì)灰?guī)r在受到強(qiáng)降雨影響,地下水補(bǔ)給充足,大面積遇水膨脹,導(dǎo)致已經(jīng)施做的初期支護(hù)嚴(yán)重變形,侵入二襯施工界限,對(duì)侵限嚴(yán)重部位,必須采取工字鋼套拱等多種措施加強(qiáng),保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

        5.3 隧道膨脹巖段擴(kuò)挖換拱施工方法應(yīng)用

        以往Ⅳ級(jí)圍巖應(yīng)急處理后常采用的換拱方法,對(duì)于膨脹巖段施工該換拱方法具有一定的局限性,格柵鋼架間距1.2 m,工字鋼架加固間距1.2 m,由于膨脹巖遇水膨脹的特性,中間間隔的部分膨脹開裂情況嚴(yán)重,為了治理初支嚴(yán)重變形,總結(jié)了一種隧道膨脹巖段擴(kuò)挖換拱施工方法(圖5)。

        在膨脹巖段增設(shè)徑向注漿、超前小導(dǎo)管等加固措施;拆除工字鋼架,鑿除兩既有鋼架中部的混凝土,鑿除寬度為1.0 m,噴射混凝土拆除按“先拱后墻”的原則進(jìn)行,最后拆除變形嚴(yán)重的邊墻混凝土;擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面后,進(jìn)行初噴支護(hù),然后安裝新拱架,連接兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片,噴射混凝土;后續(xù)鋼架重復(fù)上述步驟。

        5.4 治理效果

        在浩吉鐵路方山1號(hào)隧道、紅土嶺隧道多洞段推廣應(yīng)用了改隧道泥灰?guī)r換拱擴(kuò)挖施工方法,解決了膨脹巖段換拱施工的安全問題,有效控制了圍巖變形。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示,處理過程未發(fā)生超限情況,該擴(kuò)挖換拱工藝方法操作簡(jiǎn)便、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

        6 隧底承載力不足成因分析及治理

        6.1 隧底承載力不足

        方山1號(hào)隧道某洞段圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí),襯砌類型為Ⅲa型,由于長(zhǎng)期降雨影響,初支面出現(xiàn)裂縫,裂縫部位有滲水現(xiàn)象,初支后背圍巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r。仰拱施工至該段后,已開挖段揭示隧底為軟基,強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化,局部為泥質(zhì)灰?guī)r,承載力不滿足設(shè)計(jì)要求,鉆孔檢查深度3~3.5 m,推測(cè)尚未開挖前方地質(zhì)情況類似。

        6.2 地基承載力試驗(yàn)

        2016年12月中旬,現(xiàn)場(chǎng)開展動(dòng)力觸探試驗(yàn),探測(cè)深度為1~1.9 m,實(shí)測(cè)地基承載力為100~150 kPa,不滿足承載力要求(200 kPa)。

        6.3 隧底承載力不足成因分析

        泥灰?guī)r段隧底承載力不足主要有兩個(gè)方面原因:

        (1)泥灰?guī)r遇水或者遇到潮濕空氣崩解。

        (2)泥灰?guī)r在受到重型機(jī)械碾壓后破碎。

        崩解和破碎后隧底的承載力達(dá)不到重載鐵路隧道底承載力200 kPa的要求。

        6.4 隧底承載力不足治理

        目前主要有兩種方法進(jìn)行治理:

        (1)采用樁基增加地基的承載能力(適用于隧道明挖段)。

        (2)采用換填仰拱同等級(jí)混凝土進(jìn)行處理(適用于隧道暗挖段)。

        在方山1號(hào)隧道采取了隧底1~2 m范圍換填C20的混凝土的方式進(jìn)行治理。

        6.5 治理效果

        方山1號(hào)隧道該洞段治理后,隧底承載力(不低于200 kPa)滿足設(shè)計(jì)要求,二襯仰拱及仰拱填充施工后,未發(fā)生沉降、錯(cuò)臺(tái)、開裂等質(zhì)量問題,處理效果良好。

        7 二襯開裂成因分析及治理

        7.1 二襯開裂情況

        方山1號(hào)隧道某洞段原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖、襯砌類型為Ⅲa。施工期間已變更為Ⅳ級(jí)圍巖,其中該段落小里程襯砌類型為Ⅳa、大里程襯砌類型為Ⅳb+。二襯施工后,經(jīng)過一段時(shí)間沉降,在該段落中間位置已施工拱墻二襯的部位出現(xiàn)一條環(huán)向裂縫,裂縫貫穿整個(gè)二襯拱墻和仰拱。據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,縫寬1~3 mm,頂拱部位縫面兩側(cè)錯(cuò)位約3.5 mm,邊墻及仰拱暫無錯(cuò)臺(tái)。

        7.2 二襯開裂成因分析

        在考慮二襯施工縫分縫時(shí),未考到泥灰?guī)r與凝灰?guī)r、白云巖互層,泥灰?guī)r產(chǎn)生不均勻沉降是導(dǎo)致二襯開裂的主要原因。

        7.3 二襯開裂治理

        目前能用于治理泥灰?guī)r段二襯開裂的技術(shù)較少,開裂較輕的洞段加強(qiáng)本段及相鄰段二襯觀測(cè),沉降穩(wěn)定后對(duì)裂縫進(jìn)行封堵加固處理,嚴(yán)重裂縫部位拆除二襯后,調(diào)整支護(hù)類型后重新施做二襯。在后續(xù)的施工中,遇圍巖軟硬互層時(shí),建議在圍巖分界位置設(shè)置施工縫。

        7.4 治理效果

        浩吉鐵路泥灰?guī)r病害發(fā)現(xiàn)較早,二襯尚未全面施做,僅有部分二襯造成病害,建議在揭示泥灰?guī)r地質(zhì)時(shí),應(yīng)在二襯施工前治理完成,避免對(duì)二襯造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

        8 結(jié)束語

        本文就隧道高膨脹泥灰?guī)r治理問題,試驗(yàn)研究了泥灰?guī)r的性質(zhì),對(duì)隧道泥灰?guī)r段選擇復(fù)合式襯砌類型提供地質(zhì)依據(jù)。研制了一種隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置,解決了隧道泥灰?guī)r段的排水問題,降低了泥灰?guī)r遇水膨脹后對(duì)隧道的危害??偨Y(jié)了一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工方法(自由膨脹率最高65 %),解決了膨脹巖應(yīng)急處理時(shí)拱頂嚴(yán)重變形侵限的問題,確保了膨脹巖洞段換拱施工時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。

        本文技術(shù)成果成功應(yīng)用于浩吉鐵路方山1號(hào)隧道、紅土嶺隧道等工程,專項(xiàng)技術(shù)為所在工程應(yīng)急加固洞段排除險(xiǎn)情5次,節(jié)約施工成本120余萬元。形成的高膨脹泥灰?guī)r施工技術(shù)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了鐵路、公路等隧道工程特殊地質(zhì)施工技術(shù),對(duì)今后類似工程施工具有參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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        3001501908217

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