木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术
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第30卷第2期 2010年4月 隧道建设 Tunnel Construction V01.30 No.2 Apr. 2010 木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术 叶康慨 (中铁隧道股份有限公司,郑州450003) 摘要:兰渝铁路木寨岭隧道大坪有轨斜井,穿越地质为炭质板岩和炭质页岩,且存在高地应力,由于主要受地质因素影响,施工中 出现较大收敛变形,通过介绍兰渝铁路木寨岭隧道大坪有轨斜井施工遇到的炭质板岩高地应力段大变形的处理,简要分析变形的 原因、变形段的施工原则及处理技术。 关键词:隧道;有轨斜井;炭质板岩;高地应力;大变形 中图分类号:U 455.7 文献标志码:B 文章编号:1672—741X(2010)02—0190—05 Case Study on Control of Large Deformation of Daping Inclined Shaft of Muzhailing Tunnel YE Kangkai (China Railway Tunnel Stock Co.,Lid.,Zhengzhou 450003,China)’ Abstract:Daping inclined shaft of Muzhailing tunnel on Lanzhou・Chongqing railway passes through carbonaceous slate and carbonaceous shale ground with high ground stress.Due to the geological reasons,large convergence deformation OC— curs during the construction of the inclined shaft.The control of the large deformation occurring during the constuction rof Daping inclined shaft in carbonaceous slate ground is presented and the reasons for the deformation,the construction principles in the sections with large deformation and the deformation control technology are analyzed in the paper. Key words:tunnel;inclined shaft;carbonaceous slate;high ground stress;large deformation O 引言 在埋深大、地应力高、地下水丰富、断层发育、岩体 软弱破碎地段进行隧道施工时,经常会产生强烈变形。 以往处理隧道大变形时,通常采取选择合理的断面形 状、预留合理变形量、多重支护、适当提高衬砌刚度的 柔性结构设计,短台阶或超短台阶快开挖、快支护、快 封闭和衬砌适时施作等措施¨ 本文通过分析新 入川,经嘉陵江流域到达重庆。兰渝铁路夏(官营)至 广(元)段LYS一3标工程,位于甘肃省定西市。线路 经过地区地质构造复杂,且处于地震区或地震区影响 带内,不良地质发育,山体滑坡、泥石流、岩堆、危岩落 石及人为坑洞等不同程度存在,断层破碎带数量较多 且宽度大(最宽约1 km)。木寨岭隧道为双洞单线特 长隧道(木寨岭左线19 040 m、右线19 080 m)是本标 段最长的铁路单线隧道,隧道洞身穿越炭质板岩和炭 建兰州至重庆铁路(官营)至广(元)段LYS一3标木 寨岭隧道大坪有轨斜井施工过程中大变形产生的原 因,提出与传统的“先放后抗”思想不同的“先强后优 质页岩,该岩石遇水易崩解软化,且可能存在极高地应 力,铁道部相关部门将其界定为极高风险隧道,木寨岭 隧道是兰渝铁路能否按时通车的关键。 木寨岭隧道设8座斜井作为辅助施工坑道,其中 有2座大陡坡有轨运输斜井,大坪斜井为有轨斜井之 一化”、“以抗为主”等观点,以期控制隧道变形,保证支 护结构安全。 l 工程概况 1.1木寨岭隧道概况 。具体如图1所示。 新建兰州至重庆铁路白兰州枢纽兰州东站引出, 溯宛川河谷经金崖、杨家川,跨渭河经渭源至大草滩, 以隧道群穿越渭河与洮河分水岭;经岷县穿越黄河与 1.2 大坪有轨斜井概况 1.2.1 基本情况 大坪有轨斜井设主、副井2井,均为双车道有轨运 长江分水岭,基本上沿目前212国道,穿过白龙江流域 收稿日期:2009一ll一11;修回日期:2010—04—14 输斜井,线路纵坡分别为44%和43.7%,主井(水平) 作者简介:叶康慨(1971一),男,陕西西安人,1995年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业,本科,高级工程师,从事隧道工程现场技术管理工作。 第2期 叶康慨: 木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术 1 91 一 出。 右线进口 蹄n”删 :喜 s58s5, 一 2 9 5m 一一。 m 5 m 。 。m 。 m 。m ’。 m 。。 喜囊 22240 右线出口 ”。 长度为810.23 m,副井长度为809.39 m,长度合计 为1 619.62 m,其中Ⅳ级围岩999.08 m,V级围岩 心土,采用人工风镐开挖,局部采用小药量松动爆破。 台阶长度根据岩石的好坏进行确定,一般为3~5 m, 620.54 m。斜井位于兰渝铁路左线左侧,主井与左 线线路中线相交里程为DK180+215,副井与左线 线路中线相交里程为DK180+200,斜井与线路中线相 交夹角为53。,主副井线间距为30 m,进入正洞后计划承 担DK179+420~DK181+350段,共1 930 m的施工任 务。 开挖循环进尺为1 m,初期支护紧跟开挖工作面,PC60 反铲挖掘机装碴,绞车牵引侧卸式矿车提升运输。 1.2.3变形情况 大坪有轨斜井2009年4月18日开始施工。其 中: 1)斜6+89~+59段30 m,按照设计参数施 工,6月26 13发生变形,表现为拱墙大面积喷混凝 大坪有轨斜井洞身标准断面开挖尺寸如图2 所示,斜井洞身通过地段基本为板岩和炭质板岩, 洞口段需下穿212国道,地质基本为炭质泥岩,含 水量达21.8%,基本处于饱和状态,自稳能力差, 土开裂、掉块,钢拱架整体往洞身方向径向变形开 裂。量测数据显示变形主要为收敛变形较大,同时 伴随拱顶下沉,且收敛速度较快,斜6+60处2 d内 收敛变形达636.9 mm,其他位置在2~3 d内收敛 205~450 mm。 对施工影响较大。 为抑制变形进一步扩大,先加设200 mm钢管横 撑,然后增设I 16型钢拱架护拱和锚网喷混凝土,仰 拱采用I 16型钢拱架喷混凝土及时封闭,并增设径向 注浆。增设护拱后此段收敛变形为5~43 mm,后趋于 稳定。 2)斜6+59~5+90变形段69 m,变更了支护参 数,采用I 16型钢,喷混凝土增厚。8月22日此段变 形突然加剧,且速度极快,在1 d内,拱墙初支混凝土 出现大范围开裂、掉块现象,斜6+30~+15段拱顶偏 左位置大部分拱架扭曲变形严重,斜6+22位置拱架 图2有轨斜井断面标准尺寸图 Fig.2 Standard cross—section of inclined shaft with track trans— portation system 断裂,变形段图片见图3—5,且本段的底部仰拱大面 积鼓起,仰拱鼓起高度最大达1.2 m。已封闭的斜6+ 56处仰拱最大收敛达910mm,靠近掌子面的斜6+49 处收敛达1 321 mm,拱顶下沉最大达299 mm。 为避免出现坍塌,全段加设200 mill钢管横撑和竖 1.2.2 施工情况 大坪有轨斜井主井洞口段斜7+45~5十03段,设 计为V级围岩,初始设计的施工支护参数:拱墙架设I 12.6型钢,纵向间距1.0 m;锚杆采用 22全螺纹砂 撑。由于变形已严重侵入净空,采取换拱处理,具体措 施主要是:加大断面曲率,采用全圆形断面,采用I 20 工字钢拱架全圆支护,喷混凝土增厚至27 cm,拱架间 浆锚杆,纵环向间距1 m x 1 m;网片采用西8钢筋,网 格间距20 cm×20 cm;C25喷射混凝土厚24 cm;拱部 设3.5 m长 42超前小导管辅助超前支护,环向问距 0.5m。 距调到0.8 m/榀,双层钢筋网片和5 m深孔注浆锚杆 及径向注浆。换拱后图片见图6,经过逐榀更换支护 后,收敛变形7~23 mm,后趋于稳定。各里程变形收 敛情况见图7。 斜井V级围岩段采用微台阶法开挖,中间预留核 隧道建设 第3O卷 ⅢⅢⅢⅢⅢ哪ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ图5拱架(非连接板处)断裂 Fig.5 Cracking of steel ribs at non—connection positions 图3初期支护混凝土大范围开裂、掉块 Fig.3 Cracking and spalling of shotcrete of primary reinforce— ment structure 图4型钢拱架扭曲变形 图6变形段换拱全貌 Fig.4 Twisting deformation of steel ribs Fig.6 Arch replacement in sections with deformation 黑 警 毯 06-30 07-1,07-26 08—08 00-21 09-03 09-16 09-29 1O-12 10-25 11-07 11-20 12—O3 12-16 l2—29 Ol一11 01-24 02"06 02一I9 03—O4 03—17 03—30 日期 图7 2009--2010年各里程收敛变形情况 Fig.7 Curves of convergence from 2009 to 2010 2 变形原因分析 角越小,变形越大。地质调查资料显示,大变形段大部 变形发生后,国内隧道设计与施工专家进行了原 分地段岩层走向与隧道轴线夹角均相对较小,结合变 因分析,认为变形原因主要有以下几个方面。 形规律分析认为,夹角较小,岩层膨胀后所产生侧压相 对较大,越易于产生侧向水平大变形。 2.1地质因素 2)围岩节理与变形的关系。据地质素描图分析, 据初步分析,地质因素为大变形主因,大变形段所 在岩层产状相差不大的情况下,节理越发育,隧道收敛 揭示围岩大多为炭质板岩和断层破碎带,但产状各异。 变形越大。 炭质板岩具膨胀性,属变质岩,遇水易崩解。 3)大坪有轨斜井主井结构收敛变形的同时还伴 1)岩层走向与隧道轴线夹角与变形的关系。夹 随着拱顶沉降及底拱隆起,且变形速率较大,呈整体性 第2期 叶康慨: 木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术 193 结构变形。 2.2高地应力 每米竖、横向各设一根。 2)变形段已严重侵占净空,无法采取套拱措施加 固,拆除原有的拱架(含仰拱),剥离侵占净空的混凝 土,重新扩大开挖至设计断面,并采用以下支护方式: 采用I 20工字钢重新进行支护,拱架间距80 cm;全环 设中空注浆锚杆,L=5.0m,环纵间距0.8 m×0.8 m; 采用双层咖8钢筋网片,网格间距20 cm×20 cm,网片 分别设于拱架的内外侧;拱架问设(b 22纵向连接筋, 斜井洞身通过地段基本为板岩和炭质板岩。存在 的主要构造体系是山字型构造体系,属地应力集中区, 原始地应力难以释放。 大坪有轨斜井处于F14断层,受断层带和褶曲构 造带影响,结构内力较大,围岩为压碎岩夹强风化炭质 板岩,遇水有一定膨胀性,节理发育、岩层破碎,自稳能 力差。围岩在地下水作用下,应力释放增大,同时受斜 井较大坡度影响,斜井支护结构整体受结构内力和重 力双重作用,支护参数则相对较弱,原支护结构沿纵 向、横向及基底出现较大开裂变形及隆起,并整体沿斜 井向掌子面滑移。 2.3 收敛变形为徐变,前期对产生变形认识不足 由于受炭质板岩结构的影响,隧道变形不是当 时开挖支护时产生的变形,而是支护过后半个月到1 个月才开始变形,属于徐变,且表现出一旦发生变 形,支护结构受到破坏,其变形速率较快的特点。前 期没有发生过,因此,对此地质条件下发生徐变认识 不足。 2.4支护参数 初期支护参数采用I 12.6工字钢,且只有拱墙拱 架,没有设计封闭仰拱,支护参数较弱,支护结构不能 有效抑制松动圈的进一步扩大,不能有效利用围岩的 成拱作用,由于炭质板岩泥化夹层的进一步塑变和流 变,使松动圈进一步扩大,对支护结构产生更大的压 力。 2.5断面结构 初期断面曲率较小,在地应力作用下易产生变形, 最后采用接近圆形断面并调整支护参数后,变形相对 减少。 2.6 开挖方法导致初支成环相对不及时 斜井坡度大,采用“L”形开挖法,导致初支成环相 对不及时。 2.7坡度大,受重力作用影响 有轨斜井坡度为44%,由于重力作用,随着井深 增长,边墙和仰拱受挤压也是造成变形开裂和仰拱上 鼓的原因。 3 处理方案 针对变形发生的主要原因,根据不同地段的变形 情况分别采取有针对性措施。 3.1变形段处理措施 1)斜6+59~斜5+90变形段初期支护结构已严 重破坏,立即采用竖、横向f临时支撑,确保施工安全, 竖、横向支撑均采用咖200 mm钢管进行,沿隧道纵向 环向间距1 m; 3)仰拱按照边墙支护参数进行支护; 4)变形段拱墙及仰拱喷射混凝土采用C25混凝 土,厚度27 enl。 3.2 剩余V级围岩段施工 主、副井均出现大面积变形,为保证施工安全与施 工进度,剩余V级围岩段采取如下措施: 1)优化斜井施工断面。进一步加大边墙与仰拱 的曲率,斜井的开挖断面优化后如图8所示。 2)仰拱尽可能提前,初期支护尽早封闭成环。 3)采用I 20型钢进行支护,拱架间距80 cm,内外 侧均设 22纵向连接筋,环向间距均为1 m;采用中空 注浆锚杆,L=5.0 m,环纵间距0.8 m×0.8 m;仰拱按 照边墙支护参数进行支护;变形段拱墙及仰拱喷射混 凝土采用C25混凝土,厚度28 cm,超前小导管维持原 设计不变。 4)开挖时预留30 cm变形量,以备变形时能及时 立套拱,抑制变形。 图8优化后的斜井断面尺寸图 Fig.8 Optimized CROSS—section of inclined shaft 4 施工效果 斜6+80~+17段,采取措施处理后,又重新埋设 量测点进行变形观测,其收敛速率较小,收敛值为1.6 ~43 mm,且已经稳定。详见表1。量测结果证明了所 采取的措施得当,所修改的支护参数能够抵抗围岩应 力变形,保证支护结构安全。 窿篷建谨 第3O卷 表1 变形地段采取措施前后变形监测统计对比表 Table 1 Comparison and contrast of monitoring results in sections with deformation 支护后应及时进行径向注浆,固结松动圈,利用围岩自 身的成拱作用受力,减少变形的发生。 参考文献 刘高,张帆字,李新召,等.木寨岭隧道大变形特征及机理 分析[J].岩石力学与工程学报,2005(Z2):249—254. 朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控 [2] 李国良,制技术[J].铁道工程学报,2008(3):56—61. [3] 张新曙.乌鞘岭隧道f7断层大变形处理措施[J].铁道 标准设计,2006(4):73—75. [4] 孙春森.隧道软弱围岩初期支护大变形的处理[J].西部 探矿工程,2006(11):152—153. 5 几点体会 1)对于高地应力段支护参数应坚持“先强后优 化”的原则,支护一次到位,利用强支护及时封闭围 岩,抑制松动圈扩大,避免大变形发生。 2)对于软弱围岩大变形段要“以抗为主”,不要 “先放后抗”,否则,一旦变形加大,必须再次加强,反 [5] 刘新荣,钟祖良,黄林伟,等.桃树垭隧道初期支护大变 形分析与工程处理[J].水文地质工程地质,2008(4):90 —93. [6] 王毅东.木寨岭隧道高地应力大变形施工技术[J].现代 隧道技术,2004(Z3):250—253. [7] 谷帕森.特殊地质条件下隧道围岩大变形的应对策略一 共和隧道特殊围岩结构设计方案[J].铁道标准设计, 2007(11):80—83. 复支护难以形成整体受力。由于对变形大小难以估 计,造成反复的套拱或者换拱,施工安全也难以保证。 3)加大隧道断面曲率,对控制变形有利,也就是 说断面形状越接近圆形,受力越有利。 4)应尽量减少对围岩的扰动,减少开挖扰动次 [8] 蔡景献,张继奎,方俊波.高地应力千枚岩大变形隧道支 护参数试验研究[J].隧道建设,2005,25(6):24—27,34. [9] 杨会军.大断面公路隧道围岩变形地质因素分析[J].隧 道建设,2007,27(s2):65—71. 数,及时进行围岩封闭,严格控制初期支护闭合时间, 并尽早施作仰拱,必要时采取加强仰拱的方式。 5)大变形地段尽量采用长锚杆,有效利用锚杆的 [10] 周乾刚,方俊波.乌鞘岭隧道岭背段控制千枚岩变形快 速施工[J].隧道建设,2007,27(4):43—47. 王水善.堡镇隧道软岩高地应力底层大变形控制关键技 术[J].隧道建设,2009,29(2):227—231. [12] 张倚逾.泰井碧溪隧道大变形段设计施工技术[J].隧道 建设,2006,26(3):48—50. 悬拉作用,减少松动圈的进一步扩大。 6)由于受板岩结构的影响,板与板之间黏结力较 小,存在空隙,应力释放后松动圈会进一步扩大:因此, (上接172页) 参考文献: 甚至会引发隧道坍塌等较为严重的安全质量事 故。 [1] 姜云,李永林,李天斌,等.隧道工程围岩大变形类型与机 制研究[J].地质灾害与环境保护,2004(4),46—51. [2] 王科.家竹箐隧道地质条件及地应力特征[J].世界隧道, 1998(1):11—16. 根据木寨岭隧道大坪斜井以上变形规律、原 因分析及采取处理措施后的效果情况,基本可以 认定:在炭质软岩大变形地段的施工过程中提前对发 [3] 罗学东,陈建平.火车岭隧道围岩大变形问题及治理[J]. 煤田地质与勘探2006(34):49—53. 生大变形的可能性作出预测,并尽早采取合理有效的 [4] 靳晓光,李晓红.高地应力区深埋隧道软弱围岩支护结构 力学特性研究[J].公路交通科技,2008(2):101—104. [5]孙广忠.岩体结构力学[M].北京:科学出版社,1983. [6] 李国良,朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控 施工措施,可以在一定程度上抑制大变形的发生和发 展。目前由于时间和条件等因素的,对围岩发生 大变形可能性的准确分析和判断还存在很多难题,科 研手段也有其局限性,还需要在今后的施工实践过程 和科研中进一步深入探索,改进科学探测和判断的手 段,及时发现大变形的趋势,控制好隧道大变形的发 牛 制技术[J].铁路工程学报,2008(3):54—59. [7] 中铁隧道集团有限公司,中铁一局,中铁五局.乌鞘岭隧 道施工总结[R].洛阳:中铁隧道集团有限公司,2006. [8] 徐永杰,郭伟,崔金福,等.喷射混凝土在隧道支护中的应 用[J].筑路机械与施工机械化,2005(8):46—48.