膨胀土泥岩开挖技术措施原

膨胀土泥岩开挖技术措施原1、工程简述公哇岭隧道为一座两车道分离式中隧道（左洞长906m，右洞长984m），设计时速80Km/h。隧道穿越5种岩土体工程地质层，分别为黄状土、含角砾粘土、淤泥质粉土、乱石土、全分化泥岩互层粉砂质泥岩。隧道具体情况见下表：衬砌结构均采用复合式衬砌，其初期支护以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架为主要支护手段，级围岩等软弱围岩地段辅以超前管棚、超前小导管等预支护措施；二次衬砌均采用C30模筑钢筋混凝土，整体式模板台车浇筑。该工程隧道全部为级围岩，主要工程地质问题为季节性冻土、软质岩变形、地应力、隧道涌水。隧道施工期间可能出现的安全风险如下：1）隧道出口段浅埋段偏压，施工期间可能出现地面开裂，初期支护开裂或变形较大。2）级围岩可能出现局部坍塌，初期支护变形过大或支护结构开裂。3）黄土或卵石围岩遇水软化，隧道可能出现整体沉降、地表开裂。4）隧道区构造应力较低，应力场以自重应力为主。隧道开挖施工中，洞壁有因卸荷引起的围岩坍塌、掉块现象。2、洞身段围岩地质条件及稳定性隧道穿越地层为中-强风化泥岩，粉砂质泥岩，极软岩，岩体极破碎，呈土状，最大厚度8.0m，Vp=960-1520m/s（岩体纵波波速），围岩基本质量指标修正值BQ=81，围岩稳定性差，围岩易坍塌，变形；且隧道开挖时一般出现滴水或线状流水现象，处理不当会出现大面积坍塌甚至冒顶，侧壁经常小坍塌。2.1、隧道岩渣性能试验设计描述及开挖揭露显示隧道洞身段为粉砂质泥岩，自稳性差。为明确岩土性质，指导施工，对洞身段岩体取样试验。试验结果显示：隧址区内泥岩自由膨胀率45%95，平均65%，属于中等膨胀土及强膨胀土范围，天然含水量12%，液限26.3，塑性指数4.4，属低液限黏土，CBR为94区3.3.围岩自稳性差，易坍塌，变形。2.2、隧道围岩变形机理根据试验数据及设计描述，洞身段地质属于膨胀土，隧道开挖后，临空面自重应力释放，土体膨胀，开挖断面收敛，极易引发初期支护挤压变形。此外，洞壁应力降低区的形成促使少量水分从高应力区向洞壁转移，洞壁岩体中的粘土等亲水矿物吸水也是围岩膨胀的主要原因，造成洞室顶部软质围岩的软化以及夹层的泥化，在重力作用下易发生坍塌现象。3、隧道开挖方法及支护施工工艺技术3.1浅埋段采用单侧壁导坑法浅埋段穿越的主要岩层为泥岩，粉砂质泥岩，属于软岩、膨胀岩，遇水易软化和崩解。在隧道开挖后的应力调整过程中，新暴露出的砂质泥岩、泥岩在13小时后，则会因应力释放和风化而逐渐出现拱部不稳定块体沿软弱结构面或夹层的剪切错位、拉裂坠落现象，致使拱顶围岩断裂失稳。再加上该地区全风化泥岩互层粉砂质泥岩结构属于典型的水平层理，两种岩层呈不等厚状相互交错；在施工中极易产生掉块、坍塌现象。由于软质砂泥岩的以上特性，结合围岩结构层及变形等特点，遵循软岩隧道施工短进尺、弱爆破、勤量测、强支护、早封闭的原则，以在施工中尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿，及时跟进支护及衬砌为准则，宜采用弱爆破掘进、人工、机械刷帮相配合的单侧壁导坑法施工。施工工序见：单侧壁导坑法衬砌施工步序图.（1）临时中壁：采用12cm厚C20喷射混凝土，内设I16工字钢，间距0.6m，纵向采用22钢筋连接，连接钢筋环向间距为100cm，6钢筋网间距20cm20cm。临时锚杆采用1.5m长22砂浆锚杆，环项间距2.0m，纵向间距0.6m。锁脚锚杆每环钢支撑每台阶设置2根3m长22砂浆锚杆。（2）开挖步骤：左侧上导坑开挖左侧上导坑施做初期支护左侧下导坑开挖左侧下导坑施做初期支护右侧上导坑开挖右侧上导坑施做初期支护右侧下导坑开挖右侧下导坑施做初期支护临时中壁拆除及仰拱衬砌施做拱墙二衬混凝土施工。（3）施工注意事项a.开挖施工前必须施工超前支护。开挖后，尽快施作喷射混凝土封闭岩面，初喷厚度不小于40mm，然后打设锚杆、挂钢筋网、施作钢架。当围岩较差时及时施作仰拱封闭成环。b.由于围岩自稳性较差，为减少施工扰动，浅埋段采用以机械开挖为主，辅以人工开挖，开挖完成后立即进行减少围岩在开挖过程中暴露过久而发生崩塌。每个循环进尺为0.6m。c.导坑法施工过程中，导坑长度不宜大于15m，步与步之间的开挖掌子面应间隔15m以上的间距。二次衬砌与掌子面的距离不宜大于60m。d.中隔壁拆除应在全断面封闭成环后，各部位位移充分稳定后，方可拆除。中隔壁拆除安全参数：拱顶下沉量：7d的增量小于2mm；净空收敛值：7d的增量小于4mm（拱顶下沉的2倍）。单侧壁导坑法衬砌施工步序图留核心土法衬砌施工步序图3.2深埋段采用环形开挖留核心土法深埋段围岩岩性主要为中强风化泥岩，局部呈强风化碎裂状，抗压强度较低，属于较软岩，节理裂隙较发育，裂面多粗糙，呈微张张开状，结构面较密集，围岩破碎度较高，易发生掉块现象。围岩多呈镶嵌破裂状结构，完整性一般，自稳性较差；地下水轻微发育，局部潮湿。深埋段围岩岩性逐步转好，机械开挖越发困难，采用单侧壁导坑法效率较低，成本较高。为提高效率，降低成本，采用钻爆法开挖。光面爆破有利于加快施工速度，但由于隧道深埋段围岩岩性主要为中强风化泥岩，局部呈强风化碎裂状，抗压强度较低，属于较软岩，对周边眼爆破震动敏感，采用常规爆破对开挖轮廓周边围岩扰动过大，超挖量过高。经多次试验改良，最终确定采用改进型弱爆破施工法。弱爆破采用光面爆破，为减少爆破振动对围岩的破坏，爆破只采用掏槽眼及辅助眼，不设周边眼。掏槽眼最先起爆，为围岩增加临空面；辅助眼爆破轮廓线内围岩，减少大块，利用内部炮眼对周边泥岩的震动破坏，人工、机械用风镐凿出开挖轮廓的施工方法，控制隧道超挖。施工注意事项：a.每道开挖工序施工前，必须先施作相应部位的超前小导管支护。b.根据围岩情况，延设计开挖轮廓线向内3050cm布置掏槽眼，本着多打眼、少装药的原则，合理设计起爆顺序，增加毫秒延时雷管的数量，减少一次起爆药量，控制质点震动速度在2cm/s以内。c深埋段围岩为粉砂质低液限黏土，开挖后围岩风干脱水或浸水，都将引起围岩体积变化，产生胀缩效应，危机施工安全。为防止开挖后围岩暴漏面遇风加速风化，开挖后立即进行喷射混凝土施工封闭岩面。d.重点增强拱部围岩支护，减少拱部围岩的扰动，尽快施作仰拱快速封闭成环。3.3监控量测根据围岩地质状况制定科学合理监控量测方案。a.洞口端地表沉降点观测设置2个断面，间距10米；洞内监测点断面间距为10米。b.浸水软泥岩段及流砂层段、或位移下沉量及速度较大时，适当增加量测断面及量测频率。c.在监测过程中，若发现净空位移量过大或收敛速度无稳定趋势时，对结构应采取补强措施：1）增加喷射混凝土厚度，或加长加密锚杆，或加挂更密更粗的钢筋网。2）提前施作二次衬砌，要通过反分析校核二次衬砌强度。3）提前施作仰拱。d.若发现净空位移收敛速度具有稳定趋势时，应据此求出隧道结构初期支护及二次衬砌上的最终荷载，以便对结构的安全度做出正确的判断。3.4技术控制要点（1）每道开挖工序施工前，必须先施作相应部位的超前小导管支护。在开挖过程中，通过超前小导管的锚固力和小导管体良好的抗拉、抗剪性能，增大了岩层结构面的摩擦，同时注浆浆液对周围岩体的凝结硬化作用加强了围岩自身的稳定，从而有效地控制了层理间的滑动破坏，有效的减少围岩变形量。（2）开挖后立即喷射混凝土封闭岩面，防止岩面长时间暴漏，风化严重。尽快施作仰拱，初期支护封闭成环，整体受力。（3）施工过程中应特别注意防排水。洞内出露的地下水应及时归入沟、管、槽，并引排至洞内排水沟。应顺坡施工排水，并设置防渗漏排水沟槽。严禁直接排放。反坡施工排水必须采用设备完好、系统完善的抽排水设施，严禁水渗流至开挖工作面。（4）制定科学合理的监控量测方案。由于膨胀土本身遇水膨胀、失水收缩的特性对施工安全极为不利，特别是地下水发育段、流砂层段围岩特性极不稳定，拱顶下沉及收敛位移较大，采取科学合理的监控量测方案，为后续二次衬砌施工提供科学依据。4、结束语通过对公哇岭隧道实际施工，针对粉砂质泥岩开挖工艺研究，取得一定成果。1.确保了开挖施工安全，提高了工作效率，增加了经济收入。2.隧道开挖初支最大变形量变形量得到有效控制，周边位移最大值12.3mm，拱顶下沉最大值24.8mm；初支预留沉降量由最初的20cm，经过一步步调整，最终固定为8cm。参考文献:1交通运输部发布.公路隧道施工技术规范。上海:人民交通出版社,20092工程地质手册编委会.工程地质手册.北京:中国建筑工业出版社,20073杨林德.公路施工手册-隧道。上海:人民交通出版社,2011