薄层陡倾千枚岩隧道挤压性大变形控制技术.docx

          薄层陡倾千枚岩隧道挤压性大变形控制技术          Error! Cannot read or display file.          中铁五局集团成都工程有限责任公司四川成都610073摘要：成兰铁路穿越60条褶皱，75条断裂，地质复杂多变，约70%段落的岩体为极软岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，在施工中易发生大变形，施工难度大、风险极高本文以杨家坪隧道薄层陡倾千枚岩大变形施工控制为案列，从薄层陡倾千枚岩隧道挤压性变形原因、变形机理等方面进行了深入的研究分析，总结了一套有效的薄层陡倾千枚岩隧道挤压性大变形控制技术对类似地质大变形隧道施工有一定的借鉴意义关键词：薄层陡倾千枚岩挤压变形控制技术1.工程概况成兰铁路杨家坪隧道位于高川～茂县区间，长12815m，其中：进口1500m为双洞分修隧道，出口190m为三线车站大跨隧道，其余为双线合修隧道隧道位于龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间，区内发育有与隧道基本平行的千佛山斜冲断层（F10-1）、杨家坪背斜及杨家坪向斜，构造条件复杂围岩以志留系中上统茂县群绢云千枚岩、绿泥千枚岩为主，夹炭质千枚岩、泥质灰岩，石英脉发育，产状陡倾，倾角72～90°，走向与线路小角度相交0～20°，岩层呈薄片状，节理裂隙发育，岩体破碎，石质软弱，遇水易软化，围岩稳定性差。

地下水较丰富，主要为基岩裂隙水，隧道最大埋深约745m，地应力高图1围岩情况2.大变形设计情况杨家坪隧道施工进入正洞薄片陡倾千枚岩时，发生了严重和中等大变形，不同程度出现初支表面开裂、剥落、钢架扭曲破坏及侵限等变形现象，最大变形量达106cm，造成换拱，对施工安全和质量产生了巨大影响根据杨家坪隧道围岩地质力学测试结果，地应力场主要以水平构造应力为主导，最大主应力为21.86Mpa，最小主应力11.51Mpa，围岩岩体原位强度平均值为27.16Mpa，为高地应力区如图2所示图2围岩变形与钢架扭曲情况根据实际变形和围岩情况重新统计：杨家坪隧道严重大变形段1294.363m，中等大变形段5485m，轻微大变形段4910m，可能发生大变形段落有1000m，合计12689.363m，占隧道长度的88.7%具体见图3所示3变形原因及机理分析3.1变形原因（1）复杂的地质构造条件隧道处于龙门山断裂带之龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间，大地构造条件极其复杂附近发育杨家坪背斜、向斜及千佛山斜冲断层线路与构造线基本平行，岩层走向与线路夹角小于10°，岩层倾角陡倾约65～85°2）高地应力条件围岩受千佛山断层等区域构造影响严重，构造应力复杂。

现场实测最大水平地应力SH=21Mpa，方向N44°～61°W，与洞轴线夹角9°～26°3）软弱破碎的地层岩性条件围岩以志留系中上统茂县群绿泥石千枚岩为主，夹灰岩、炭质千枚岩等地层，岩质较软，弱风化，薄片状结构，千枚状构造，层面光滑，层间胶结结合较差，岩体较破碎，岩层产状较陡，稳定性较差4）不利的结构产状岩层走向、构造轴线基本与线路平行，岩层走向与隧道夹角小揭示岩层产状近于直立、陡倾，呈薄片状，褶曲构造明显因此不利的结构面和隧道结构组合，顺层结构，交角小于20°，易于两侧岩层挤压变形破坏；不利的岩层产状组合，为陡倾薄片状结构，隧道开挖后侧边墙挤压严重，在围岩地应力重分布情况下，易于出现弯折压馈变形综上所知，隧道区域复杂的地质构造和地应力条件及软弱破碎的岩性条件为大变形客观成因，而岩层结构面与洞轴向的不利组合等为大变形诱发因素，其大变形的力学机制可以归纳为高应力结构型变形3.2机理分析高地应力结构型大变形隧道具有明显的各向异性或层（节）理发育，变形力学机制主要是受结构面影响而非对称挤压性变形力学机制其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特性，但整个工程岩体在隧道和隧道工程力的作用下则发生显著的变形，呈现出软岩的特性，其塑性变形机理是在工程力作用下，结构面发生挤压性变形。

4施工控制技术结合工程实际与变形原因，针对薄层陡倾千枚岩挤压性大变形特性，对隧道大变形段落支护结构、施工工法、施工工艺和施工管理等方面优化控制措施，有效预防和控制大变形4.1支护结构调整（1）优化正洞衬砌断面采用“鸡蛋”型断面设计理念，同时通过加深仰拱、拱墙与仰拱顺接等方式，改善结构受力状态，提高结构整体抵抗变形的能力2）合理预留沉降量采用“柔性支护控制理念”中放、抗结合的方法，合理预留沉降量，在安全的前提下允许围岩变形；合理设置多重支护，在经济性前提下控制围岩产生有害变形，防止围岩过渡松弛3）加强衬砌支护参数严重大变形采用全环双层HW175型钢初支，中等大变形采用全环单层HW175型钢初支，轻微大变形采用全环单层I20型钢初支；同时结合变形程度等级设置6～10m长φ25～32中空注浆锚杆进行组合加强控制，且调整衬砌厚度调整4.2施工工法优化（1）优化施工工法施工工法结合开挖断面大小、围岩地质条件及施工机械设备情况，采用两台阶带仰拱法或微台阶法施工，减少对围岩的多次扰动，使大变形地段实现快速施工，快速封闭成环，控制变形发展2）工法施工要求满足上台阶开挖矢跨比大于0.3，单线上台阶不应小于3.5m，双线上台阶不小于4.0m，下台阶两侧对称同时开挖、仰拱与下台阶同步开挖，上下台阶保持一定步距同步施工。

杨家坪隧道双线采用两台阶带仰拱法，上台阶8.5m、下台阶带仰拱开挖高度4.5m，上台阶长（即掌子面至仰拱初支处距离）15～18m，下台阶至仰拱填充端头约50m，仰拱填充至二衬24～36m；单线采用微台阶法，上台阶5.4m、下台阶开挖高度4.4m，上台阶长（即掌子面至仰拱初支处距离）3～5m，下台阶至仰拱填充端头约50m，仰拱填充至二衬24～36m图4二台阶带仰拱施工工法4.3施工工艺优化4.3.1爆破工艺（1）爆破工艺应该根据断面大小、地质条件、施工机械设备、结构物相互影响等因素合理选择，减少对围岩的扰动，控制其爆破松动圈及塑性变形范围比如杨家坪隧道小净距大变形段先行洞采用预裂控制爆破法，爆破振速控制在小于10cm/s，后行洞采用铣挖机机械开挖，减少对先行结构的损伤；其他大变形地段均采用控制爆破法图4悬臂掘进机非爆开挖法（2）爆破作业推广水压爆破、导爆索起爆、炮泥封堵等措施，提高光面爆破效果，保证开挖轮廓线的圆顺，提高围岩自稳能力及减少应力集中，控制初期变形发展4.3.2锚杆工艺针对杨家坪隧道岩层结构面与洞轴向的不利组合结构，采用锚杆加固围岩能有效提高围岩的稳定性和承载能力，尤其是拱腰及边墙部位的效果更为明显，能以较小的代价取得较好抑制变形的效果。

大变形地段锚杆施工要保证及时做、质量好、浆饱满图5长锚杆施工（1）大变形地段锚杆应采用“长短结合、先短后长”的原则，短锚杆施作便捷快速，采用先打法，用于初期变形控制，为长锚杆后打赢得施作时机，同时长短结合形成群锚效应；后打锚杆滞后掌子面一个台车位施工2）大变形地段后打长锚杆应选择合适设备施工，保证锚杆孔成孔快速、精准度高、工艺简单、操作方便比如锚杆台车、多臂台车，适用于10～15m深孔，360度全角度钻孔3）大变形地段后打长锚杆应选择快凝早强型注浆材料，保证锚杆锚固质量，有效快速的阻止围岩变形杨家坪隧道采用的一种快凝早强注浆料，水：快凝早强注浆料=0.3～0.5：1，终凝时间可控制在5min51s～15min37s，半小时强度可达10.8MPa、1d强度可达55.7MPa（水泥浆10.2MPa），基本无收缩率（水泥浆25%），1d抗拔力可达245KN（水泥浆28d只达167KN）；对比水泥砂浆具有早期强度高、受力早、无收缩率、抗拔力强的特点能有效阻止围岩变形、变形较小，有利于软岩大变形段落的快速施工和快速稳定图5长锚杆施工效果（4）大变形地段锚杆施作方向应结合揭示围岩结构面进行调整所有锚杆应尽可能径向施作或与岩体主要结构面垂直，保证锚杆的最佳支护效果。

4.3.3初支封闭成环通过监控量测数据表明，薄层陡倾千枚岩隧道初支封闭成环后，变形明显减少且逐渐开始收敛，因此成环的初支系统对变形控制有着较好的效果，更应严格控制初支成环步距与成环时间，尽早施作及时成环，达到较高的初支支护能力经过施工经验数据统计表明，大变形地段初支成环距掌子面不大于30m，且开挖后成环时间不超过18d5施工管控要点5.1严格按照隧道流程施工薄层陡倾千枚岩大变形隧道施工应严格按照“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、快封闭、勤测量”的原则，减少对围岩的施工扰动，提高围岩的整体自稳性和承载力，提高结构自身抵抗变形的能力，及时支护和监控监测，严格操作规程，确保施工安全5.2严格控制锚杆施工质量长短锚杆对薄层陡倾千枚岩隧道变形控制起着显著的效果，锚杆施工时应做到施作及时、确保施工质量及注浆质量；同时在钻孔时应采用干式钻孔，且采用高压风洗孔，防止水软化围岩；最后锚杆施作完成后，应采用岩锚多功能检测仪对长度、黏结材料的饱满度等进行检测，保证锚杆质量完全达标5.3保证钢架施工质量大变形地段支护以受压为主，钢架以压扭破坏为主，应选择抗扭能力强的H型钢；钢架设计时尽量减少接头等薄弱环节，安装时接头螺栓拧紧、接头板密贴；安装时钢架与围岩间应使用楔子楔紧，确保钢架与围岩整体受力；分步开挖时，钢架脚应设置纵向托梁将钢架纵向连成整体，应将拱架脚喷砼密实，确保钢架拱脚不失稳下沉；钢架安装时预留注浆管且背后注浆饱满，保证钢架与围岩密贴。

5.4加强超前地质预报施工阶段应通过超前钻孔取芯、地质雷达法、地震波法、岩块取样测试、水压致裂法、红外探水法等预报手段，对地质岩性、围岩物理力学性能及完整性、地应力、地下水等指标进行预测预报，为大变形判断提供相应依据，为提前采取工程措施提供支撑5.5认真开展监控量测大变形隧道应开展拱顶下沉、净空变化等位移监测和围岩压力、喷射混凝土应力、钢架应力、初支二衬接触压力、锚杆轴力等结构受力监测，反映施工段围岩变形特征，支护结构受力特征，确保施工安全以及结构的长期稳定性，并通过对监控量测数据的及时分析为调整支护参数和施工方法提供依据5.6辅助施工措施大变形隧道通常采用超前小导管+超前管棚等措施对前方围岩进行预加固，提高围岩整体自稳性及抵抗变形能力；同时可采用径向钢花管注浆对已施工未稳定段落进行加固，当支护变形严重时，可采用锚杆或锚管进行补强，或采取钢套拱进行多层支护，控制变形进一步发展6结束语（1）通过杨家坪隧道薄层陡倾千枚岩挤压性大变形控制技术的实践，优化强化支护参数、采用早封闭开挖支护工法、采用长短结合快凝早强注浆材料、非爆开挖施工工法是非常有效的措施2）大变形原因很多，应具体围岩具体分析，采取相应控制措施。

值得注意的是大变形隧道施工应重在提前预防，特别是支护措施应先试验再推广，应重在预防，尽量减少和避免换拱3）切实开展超前地质预报和监控量测的前提下，现场采取设计措施强化、施工措施优化、管理措施加强，通过细化施工工艺、严控工艺流程、科学合理施工组织等手段，有效的控制了隧道变形的发展，并总结了“管超前、满注浆、弱爆破、短进尺、强支护、长锚杆、快封闭、勤测量、二衬适时紧跟”的施工原则4）挤压性大变形隧道施工应优先采用科学、先进、简便、适用的工装设备和新材料、新技术、新工艺，推广“以工装保工艺、以工艺保质量、以质量保安全”的理念，更有利于大变形隧道变形的控制与快速施工参考文献：[1].张绪和.高地应力软岩隧道变形特征与控制技术研究[J].山西建筑.2013，39（13）：165-167[2].李传富.浅埋富水卵石土层大断面隧道加强双侧壁导坑施工技。