谈破石头沟膨胀性围岩段引水隧洞施工.pdf

'I工程建设与设计lComtnu：tlon&DesignF~Project谈破石头沟膨胀性围岩段引水隧洞施工WaterTunnelConstructioninthePoshitou．diversionofExpansiveMudstone罗发欣，袁平，刘石桥(1．重钢西昌矿业公司，四川西昌615041；2．中冶长天国际工程有限公司，长沙410007)LUOFa—xing，YUANPin，L1UShi-qiao(1．ChongqingXichangMiningCo．m．，Xichang615041，China；2．ZhongyeChangtianInternationalEng"meeringCo．Ltd．，Chungsha410007，China)【摘要】阐述了膨胀性土及膨胀性泥岩的基本特性及支护要求，并结合重钢西昌矿业有限公司破石头改道工程大型引水隧洞施工中膨胀性泥岩隧洞段的开挖支护经验，提出针对该类围岩隧洞的施工应坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测的施工理念，尽可能缩短开挖围岩的暴露时间，从而有效减少此类围岩的失稳垮塌。实践经验农明，文中介绍的施工工艺对于大断面膨胀性泥岩隧洞施工而言是合理可行的。【Abstract]Thispaperdescribesthebasicpropertiesandthesupportingrequirementsoftheexpansivesoilandexpansivemudstone．CombinedwiththeexcavationandsupportexperienceoftheprojectinPoshitou-diversioninChongqingXichangMiningCo．Ltd．withexpansivemudstonetunnelconstructionoflarge·scalewatertunnel，conceptof‘shortfootage，weakblasting，s~ongsupport，earlyclosing，frequentmeasure’hadbeputforwardforthiskindofsurroundingrockoftuunelconstruction．Inthemeantime，shortentheexposuretimeofexcavationasmuchaspossibletoefeaive~reducethecollapseofsuchunstablesurroundingrock．Practicalexperienceshowsthattheconstructiontechnologydescribinginthispaperisreasonableandfeasibleforsuchlargesectionofexpansivemudstonetunne1．【关键词】膨胀性泥岩；隧道施工工艺；联合支护【Keywords】expansivemudstone；constructiontechnologyoftutmel；combinedsupporting【中图分类号】tb554【文献标志码IB【文章编号】1007．9467(2013)09．0124．04工程建筑遭受膨胀土的严重破坏，由于土的膨胀特性引起路1引言面波状起伏、护坡及挡土墙等位移滑动、地下洞室坍塌等等。膨胀土及膨胀性岩石是现代工程地质学和土力学研究中极具特殊性质的研究领域。膨胀土系指土中黏土矿物成分主2膨胀性围岩的基本特性要由亲水I生矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收在膨胀性地层中开挖隧道、巷道或地下洞室，常常可以见缩硬裂的特性，且具有湿涨干缩往复变形的高塑陛黏土。决定到围岩因开挖掘进后而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风膨胀性的亲水矿物主要是伊利石和蒙脱石黏土矿物。化而开裂等现象，使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部隆起，我国是世界上分布面积最广的国家之一，现已发现有膨随着时间的增长导致围岩失稳，初期支护和二次衬砌被破坏。胀土发育的地区达2O余个省、市、自治区，遍及西南、西北、东这些常见的现象说明膨胀陛围岩性质是极其复杂的。其基本北、长江和黄河中下游及东南沿海地区。在我国每年都有大量特征归纳起来表现在以下三个方面：1)围岩的应力比高。即吼，P0为地应力，风为围岩的抗【作者简介】罗发欣(1966)，男，四¨l绵阳人，工程师，国家注册一压强度。由于膨胀性围岩是有原始地层的超固结特性，使围岩级建造师，注册安全工程师，从事矿山技术与安全管理等研究，(电子中储存有较高的初始应力，当隧道或地下洞室开掘后，引起围信箱)yuanping9181@163．com。岩应力释放，强度降低，产生卸载膨胀，因此围岩常常具有明124 工程施工技术lConawactionTechnolosyl显的塑性流变特征，开掘后将产生较大的塑性变形。成后至开挖马口的这段时间，由于围岩和膨胀压力，常常产生2)膨胀性围岩中发育有各种形态的裂隙，形成土体的多拱脚内移，同时发生不均匀沉降，拱脚支撑受力大，发生扭曲、裂隙性。膨胀性围岩实际上是岩块与各种裂隙和结构面相互变形或折断。拱顶受挤压下沉，拱顶外缘经常出现纵向贯穿拉组合形成的。由于膨胀性围岩在原始状态下具有高强度性，隧裂缝，而拱顶内缘出现挤裂、脱皮、掉块现象。在拱腰部位出现道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱纵向裂缝，这些裂缝有时可发展到张开、错台。当采用直墙时，水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减。因此，隧道施工边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台，少数曲墙也有出开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。现水平裂缝的情况。当底部未做仰拱或仅做—般铺底时，有时3)膨胀性围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，岩体干湿循环会出现底部鼓起，底板被破坏。产生胀缩效应。一是使围岩体结构破坏，由块间联结变为裂隙4膨胀性围岩隧道的施工要点介绍结合，甚至成为散结构，强度完全丧失，导致围岩压力增大；二施工地处膨胀性围岩段的隧道时，必须认真实施设计文是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩应力，都将破坏围件所提出的技术要求，除此之外，应对围岩压力及其流变隋况岩的稳定性，特别是膨胀产生的膨胀压力将对增大围岩压力进行充分的调查，分析其变化规律。对地下水亦应探明分布范起叠加作用。围及规律，了解地下水对施工的影响程度，以便根据围岩动态3膨胀性围岩对隧洞施工的影响采取相应的施工措施。如原设计难以适应现场实际情况，也可由于膨胀性围岩的特殊工程地质特I生，致使处于膨胀陛据实作适当修正。围岩段的隧道普遍具有开裂、内挤、坍塌和底鼓等变形现象。4．1合理选择施工方法其变形具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难等特膨胀性围岩压力的涨缩效应，是导致隧道变形病害的主点。施工中常见的几种情况，简述如下：要原因。采取合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要1)围岩裂缝。隧道开挖后，由于开挖面上岩体原始应力的作用。因此，在施工时应尽量减少对围岩产生扰动和防止水释放产生胀裂；另外由于表层岩体风干而脱水，产生收缩裂的浸湿为原则，宜采用无爆破掘进法，如采用挖掘机、风镐、液缝。同时，两种因素都可以使岩体中原始隐裂隙张开扩大。沿压镐等。在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬围岩周边产生裂缝，尤其在拱部围岩容易产生张拉裂缝与上砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少述裂缝贯穿，形成局部变形区。围岩膨胀变形。2)坑道下沉。由于坑道下部岩体承载力较低，加之上部4．2防止围岩湿度变化围岩压力过大，而产生坑道下沉变形。由此易造成支护变形、隧道开挖后，膨胀性围岩风干脱水或浸水都将引起围岩体失效，进而引起坍塌等现象。积变化，产生涨缩效应。因此开挖后，应及时素喷混凝土，封闭3)围岩膨胀突出和坍塌。膨胀性围岩开挖过程中或开和支护围岩。在有地下水渗流的隧道，应采取切断水源并加强挖后，围岩产生胀缩变形，周边岩体向内膨胀突出，开挖断面洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩浸湿等。如局缩小。在岩体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力部渗流，可采用注浆堵水防止地下水进入坑道或浸湿围岩。和膨胀压力的综合作用，使岩体产生局部破坏，由裂缝发展到4．3合理进行围岩支护出现滑塌，最后形成坍塌。膨J张Jl生围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。在施工时应4)底鼓。在隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解充分注意以下几点：除，而又无及时支护体约束的条件下，由于应力释放，洞底围1)喷锚支护，稳定围岩。喷锚支护作为开挖膨胀性围岩岩产生卸载膨胀；加之部分隧道有水，使洞底围岩产生浸水膨的施工支护，可以加强围岩的自承能力，允许有一定的变形而胀。从而造成隧道底部隆起等底鼓现象。又不失稳定。采用喷锚支护，应紧跟开挖必要时在喷射混凝土5)衬砌变形和破坏。在先拱后墙法施工中，拱部衬砌完的同时，采用钢筋网。也可采用钢纤维混凝土提高喷层的抗拉 I工程建设与设计lConstntction&枷肺ec#和抗剪能力。当嘭胀压力很大时，可采用喷锚及钢架或格栅联结构的受力状况，隧道净宽增加了，对施工和工程进度较为有合支护，在隧道底部打设锚杆，也可以在隧道顶部打入超前锚利。破石头沟引水隧洞开挖毛断面面积为51．56m2，其中过水杆或小导管支护。膨胀性围岩隧道的支护，尽可能使其在开挖断面为31．6m2。面周壁上迅速闭合。如果是台阶开挖，可在上半部开挖后尽快设计根据工程现场反馈的实际围岩地质条件，针对该类做出半部闭合，使围岩尽早受到约束。总之，无论采取哪一种膨胀陛泥岩的特点，最终确定该类型围岩段的隧洞支护方式类型的支护，都必须根据工程实际情况及围岩变形状态而定。如下图1所示。2)衬砌结构及早闭合。膨胀性围岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生的，所以施工时，要求隧道衬砌及早封闭。从理论上讲，拱部、边墙及仰拱宜整体一次性完成，其受力条件最好。但受施工条件的限制往往难以实现。因此，在浇筑拱部时，应在上台阶底部先设置临时混凝土仰拱或喷射混凝土作临时仰拱，以使拱部在边墙、仰拱未完成前，自身形成临时封闭结构。然后当进行下部台阶施工时，再拆除临时仰拱，并尽陕浇筑永久研眭块。5破石头隧洞膨胀性围岩施工实践图1破石头沟引水隧洞支护结构图本文以破石头沟改道引水隧洞工程施工实践为例，进一5．2膨胀性泥岩段施工破坏情况步深入探讨膨胀性围岩特性和工程处理措施。引水隧洞出口段在施工至zh1+425时，掌子面围岩出现5．1工程概况了变化，围岩开始变成黄色的泥岩(经后证实为强膨胀性泥破石头改道工程是重钢西昌矿业公司采选扩建项目的控岩)。由于地勘资料中并未提及该条隧洞有膨胀性岩石，因此对制性工程，该工程直接关系到采场的扩建进度和投产时间。该围岩的力学指标、地质特征、崩解特性和自由膨胀率都不得破石头沟改道工程项目位于四川省西昌市，地处牦牛山而知。施工单位—开始仍按照原设计参数进行施工，并未针对山脉东麓边缘地带，属念青唐古拉山脉横断山系，构造剥蚀地此种围岩的特点采取特殊加强措施，施工一段距离后，发现后貌类型。地势西高东低，隧洞通过区海拔标高1560~1870m，续初支边墙连续出现开裂，并产生向内挤压变形的现象，最大相对高差约310m。根据地质调查、钻探、物探及岩石矿物鉴定变形处高达1．Sin，由于初期支护已采取了强支护措施，初支拱等成果，隧洞场地地层主要有：耕土(Q)，人工填土(Q)，第顶并未出现明显的裂纹。四系全新统滑坡堆积物(Q)，第四系全新统洪积层(Q州)，5．3成因分析第四系全新统坡积粉质黏土(Q)，第四系中上更新统冰水沉膨胀性围岩质软、强度低；其中亲水性矿物遇水、空气后积层(Q尊)，第四系中上更新统冰渍层(Q)，第三系上新统表面水膜增厚，颗粒间距增大，自由膨胀率高；膨胀性围岩具昔格达组地层(N)，下三叠系沉积岩地层(T1)，海西期花岗岩有原始地层的超固结特性，使围岩中储存有较高的初始应力，(r)，海西期辉长岩(v)，工程地质条件十分复杂，其中有约当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸载膨胀，225m隧洞段为膨胀性围岩段，本文重点讨论的就是该段围岩因此围岩常常具有明显的塑性流变特征，开挖后将产生较大隧道的施工问题。的塑性变形；且岩石具有吸水膨胀，失水收缩，岩体干湿循环引水隧洞设计总长度2895m，设计断面为城门洞形，水会产生涨缩效应，致使岩体机构破坏并改变或加大围岩应力力学模型试验推荐的隧道净断面为宽4．5rex高7．5m，后经过变化，特别是膨胀所产生的膨胀压力会对增大围岩压力起叠多方论证优化断面修改为宽5．5mx高6．35m。通过优化设计加作用。该段围岩隧洞施工正处于施工所在地雨季时节，且雨后，在保证过水面积不变的前提下，隧洞直墙缩短了，改善了季特征明显，降雨量非常丰富，而该隧洞山体裂隙极度发育，126 工程施工技术j(m“∞Technolo~ll加大了雨水的浸透作用，膨胀性泥岩受到水体的侵蚀而达到的施工作业，得到了业主和业内的一致好评，为在膨胀f生围岩饱和状态，从而出现膨胀，强大的膨胀压力加之岩石内部应力地段建设大断面引水隧道积累了一定的经验，也为其他类似增大并反复作用在隧洞初期支护上。的工程项目提供了一个很好的工程实例。5．4应急处理措施针对该段隧洞初期支护发生的变形破坏情况，设计、施工及建设单位马上研究制定了一套应急加固处理方案：对于已经变形的部位，采取置换初支拱架，在置换之前先封闭注浆，注浆完毕逐榀更换变形拱架，重新施作初期支护，初期支护置换后后续二衬及时浇筑以保证安全。图2注浆示意图从上述的初期支护变形看出，对于在膨胀性围岩段新掘6结论及建议进施工隧道时，—个关键点就在于开挖完成后，施作的初期支1)从设计角度来说，除特殊要求外，宜尽可能使隧道断面护如何能在二次衬砌浇筑完毕这段时间内保持其稳定。经过接近圆形，这种断面形式对各种地应力以及支护结构都是十多次试验和磋商，得出一个重要结论，必须通过加强初期支分有利的基础条件。护，来抵抗围岩膨胀力，保证其在二次衬砌浇筑完毕前保持稳2)膨胀性围岩的膨胀需要一定时间，所以对膨胀性围岩定状态，同时，在初期支护变形稳定后应及时施作二次衬砌。的施工，应采用“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的破石头沟隧洞膨胀性泥岩段施工措施和技术要点如下：施工方法，尽量缩短围岩的暴露时间是行之有效的方法。1埋寺“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则3)膨胀性泥岩的特殊地质施工，应尽量避免积水浸泡基进行施工，开挖完成岳及时素喷封闭掌子面。岩，对地层结构水及施工用水采取引、排措施。2)加强初期支护，拱架采用Ib22型钢拱架，拱架间距控4)解决膨胀性泥岩施工问题，应着重从影响围岩变化的制在40~Ocm，系统锚杆采用~25mm螺纹钢@lO00mmx内因和外因人手，结合现场实际，制定切实有效的施工方案、600mm布置，长度L=3．5m。性，建议施工措施，才能保证施工的安全、质量，加快施工进度。钢筋网采用~b8mm@2OOmmx2OOmm双层布置。连接筋应适5)膨胀性围岩隧洞须尽可能一次支护成型，变形破坏后当加强，采用~25mm螺纹钢，间距600ram布置，建议对已完再处理将更加困难。支护结构遭破坏后，围岩因变形量大而松成的初支，以5m为一个单位，在内侧用l6槽钢进行连接，以弛，此时拆除支护结构可能导致大面积坍塌，松动圈加大，降形成十字形工字钢联合支护效应。超前支护仍采用~b42mm低了围岩的自承能力，松弛围岩的自重应力加大，支护结构的超前注浆小导管，小导管长工=4．Om，间距400mm，每隔2．4m受力增大，为有效阻止围岩进一步变形必须采取加强措施，这打吾环。拱架架立完毕后进行喷浆，及早封闭保证下部作业种处理成本是非常高的。安全。6)加强结构变形的施工售官收集，便工方案及3)在初期支护完成之后，应进行周边径向注浆加固四周围时进行调整，为设-i,~o呆施工质量为前提，保证洞注室结构的安全陡及施工进度，避免安全、质量事故的发生曲浆示蕺蔓豳2，具工参故吲勖衄习蛾际情况而定。【参考文献】4)膨胀性围岩段施工隧道，是一个跟时间赛跑的比赛，当【I】SL279--2002水工隧洞设计规范．超前支护、开挖、初期支护完成有一模台车的距离，立即封闭【2】关宝树．隧道工程施工要点集口】．北京：人民交通出版社，2003．掌子面，停止掘进，并将该段二次衬砌浇筑，之后再进行下一【3】张京．隧道施工新技术分册【M】．武汉：长江出版社"2O03．循环施工。【4】戴永浩，陈卫忠，等．大坂膨胀性泥岩引水隧洞长期稳定性分析[J】．破石头沟引水隧洞膨胀围岩段长达225m，施工单位按照岩石力学与工程学报，2010，9(增1)：3227．3234．该种施工方案，按部就班，稳扎稳打，顺利地实施完成了该段【收稿日期]2012．10．30'