软弱围岩接触带高压大涌水隧道开挖技术研究

时间：2023-03-13 11:26:20 工程力学毕业论文我要投稿

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　　摘要： 软弱围岩接触带地下水复杂、拱顶易坍塌、边墙易收敛、围岩变形大、监控量测难。为了解决这些问题，保证安全施工，对围岩接触带高压大涌水隧道开挖支护施工技术进行研究，并将其应用在实际施工中，不仅保证了施工质量和工期，圆满完成了施工任务，而且有一项专利技术已授权，对同类工程施工具有借鉴意义，也具有广泛的推广应用价值。

软弱围岩接触带高压大涌水隧道开挖技术研究

　　关键词：软弱围岩;施工技术;高压大涌水

　　引言

　　围岩接触带属于典型的不良工程地质，构造发育，岩体破碎，风化严重，大多含有丰富的地下水，水头压力大，给隧道施工带来巨大的安全风险。新建东北东部铁路通灌段工程双岭隧道围岩接触带构造发育，裂隙贯通，日涌水量超过23000m3，如何保证工程质量和施工安全，解决高压大涌水，预防坍塌，快速掘进是工程建设中的难题。为了克服这一难题，笔者针对软岩高压大涌水的现象及成因展开分析，提出运用隧道开挖施工技术对软岩巷道进行有效支护，提高围岩的稳定性，保证安全施工。其中一项关键技术《隧道围岩监测自动报警系统》已获实用新型专利授权，专利号：ZL 2011 2 0529270。

　　1、主要施工方案

　　1.1 地下水探测

　　根据碘化钾溶于水并随水流动，碘化钾溶液加入溴水反应生成的单质碘遇到淀粉变蓝色的化学原理，施工前在隧道洞顶探坑及多处小溪中依次投放碘化钾，然后在隧道内提取水样进行化学检测，探测围岩接触带复杂的地下水情况，分析测算地下水水量及水头压力。

　　1.2 选择性帷幕注浆堵水

　　双岭隧道围岩接触带构造发育，裂隙贯通，日涌水量超过23000m3，为了给掘进施工创造工作面，同时防止水头压力传递给围岩导致围岩坍塌，现场根据涌水股流位置采取选择性注浆堵水，即对水流小的部位先注浆，逐步将地下水围堵至单侧下台阶的预留泄水管集中排放。

　　1.3 上台阶交错开挖，增设临时斜撑

　　双岭隧道围岩接触带已风化成泥土状，极其松软，拱部极易坍塌，施工过程中将上台阶从中线分成左右两半，前后错开两个循环分步开挖支护，随挖随支，半边拱架支护时增设临时斜撑，围岩暴露面积小、时间短，所增设临时斜撑施工简单，拆除方便，有效防止拱顶坍塌。详见图1。

　　1.4 围岩自动监测

　　根据新奥法施工原理，由于双岭隧道围岩接触带围岩已风化成泥土状，加之地下水压力巨大，围岩监控量测难度较大。现场采用“围岩量测自动报警系统”(已取得专利，专利号：ZL 2011 2 0529270.3)进行围岩监控量测，时刻监控拱顶下沉及边墙收敛情况，保证人员安全，指导现场施工。

　　2、施工工艺流程及施工方法

　　2.1 施工工艺流程

　　围岩接触带极软围岩高压大涌水隧道开挖支护施工工艺流程如图2所示。

　　2.2 操作要点

　　2.2.1 复杂地下水探测

　　①地下水流示踪剂的选择。

　　根据碘化钾溶于水并随水流动，碘化钾溶液加入溴水反应生成的单质碘遇到淀粉变蓝色的化学原理，现场选择碘化钾作为地下水流示踪剂，进行围岩接触带地下水流探测。

　　②地下水流示踪剂的投放。

　　施工前在隧道洞顶测量围岩接触带里程位置，并结合地表情况、岩层走向开挖多个探坑，待探坑出现地下水后分批投放碘化钾，另外选取多处地表径流或小溪，依次投放碘化钾，分别跟踪各路地下水及地表水的流向。

　　③示踪剂的收集和检测。

　　自投放示踪剂后每两小时在隧道掌子面各涌水口分别汲取水样，标记存放，统一送检。检验时在水样中先后滴入溴水和淀粉溶液，出现蓝色的即为检出示踪剂，证明投放示踪剂的地下水或地表水已经流入隧道掌子面。

　　④地下水流速分析。

　　根据投放示踪剂到隧道水样中出现示踪剂的时间和投放地高程与隧道掌子面高程差，可估算地下水流速和水头压力，为雨季对隧道涌水的影响提供参考。

　　⑤地下水流量分析。

　　由于掌子面涌水空隙不规则，难以测定涌水流量，现在在距离掌子面50m处砌筑宽度1m的矩形水沟，将掌子面涌水全部汇至矩形水沟中，根据矩形沟中流水深度和水流速度可计算出掌子面日涌水量。

　　2.2.2 选择性帷幕注浆堵水

　　①注浆液选择。

　　双岭隧道围岩接触带构造发育，裂隙贯通，根据探测，地下水在裂隙中上下贯通，水头压力巨大，水量补给充沛，日涌水量超过23000立方米，现场采取连续停工7天泄水，但涌水量和水头压力并未明显减少，现场施工选用水泥-水玻璃双液浆堵水。

　　②注浆部位选择。

　　如果采取传统的帷幕注浆堵水，水头压力随着裂隙中水位升高而变得更大，压力直接传递给围岩，导致围岩变形和坍塌失稳。为了给掘进施工创造工作面，同时防止水头压力传递给围岩导致围岩坍塌，根据现场观察，隧道掌子面右侧涌水股流较大，数量较多，左侧相对较少，采取左侧水流小的部位先注浆，按从左至右，从上至下的顺序逐步将地下水围堵至右侧下台阶的预留泄水管集中排放。按照选择性注浆堵水，将大部分掌子面涌水封堵，为掘进提供作业面，同时避免地下水压力增加导致围岩坍塌。

　　③注浆管布置。

　　选择性帷幕注浆采用双排?准42无缝钢管，长度为6m，外插角分别为30°和10°。注浆导管在构件加工厂制作，前端做成尖锥形，尾部焊接?准8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔150mm交错钻?准8溢浆孔。注浆导管加工见图3。

　　④选择性注水泥-水玻璃双液浆。

　　注浆前先喷射混凝土5～10cm封闭掌子面作止浆墙，注浆压力一般为0.8MPa，施工中根据现场试验确定合理的注浆参数。注浆作业中认真填写注浆记录，随时分析和改进作业，并注意观察工作面围岩和地下水的状态。注浆操作见图4。

　　2.2.3 上台阶分步开挖及支护

　　①左半台阶开挖。

　　双岭隧道围岩接触带已风化成泥土状，极其松软，拱部极易坍塌。传统的台阶法施工上台阶左右侧同时开挖并立拱架，对于软弱围岩增设临时仰拱，缺点是单循环工作时间较长，围岩暴露较多，增设的临时仰拱拆除较困难。

　　双岭隧道围岩接触带施工过程中将上台阶从中线分成左右两半，根据选择性注浆堵水的顺序，左半台阶先开挖，右半台阶暂不开挖，利用原状土支承右半台阶。如图5所示。

　　②左半台阶支护。

　　左半台阶开挖一榀拱架的距离后立即进行支护，在拱架拱脚和拱顶部位均打锁脚锚管进行固定，纵向采用?准22螺纹钢筋进行连接，同时在左半台阶拱架距离拱顶1/4处增设槽钢临时斜撑，然后喷射混凝土，打设中空锚杆并注浆。如图6所示。

　　③右半台阶开挖支护。

　　待左半台阶开挖超前5m时，右半台阶开始开挖支护，开挖支护方法参照左半台阶施工。如图7所示。

　　④临时斜撑拆除。

　　右半台阶拱架和左半台阶拱架在拱顶采用螺栓连接，待喷射混凝土强度达到5MPa后，拆除临时斜撑，用于下一循环施工。

　　前后错开两个循环分步开挖支护，随挖随支，半边拱架支护时增设临时斜撑，优点是单次施工工程量及工作时间减半，围岩暴露面积小、时间短，所增设临时斜撑施工简单，拆除方便，有效防止拱顶坍塌。

　　2.2.4 围岩监控量测

　　①围岩监控量测方案选择。

　　根据新奥法施工原理，软弱围岩初期支护预留一定变形量，待围岩应力重新分配基本稳定，变形趋缓后再进行二次衬砌施工。由于双岭隧道围岩接触带围岩已风化成泥土状，加之地下水压力巨大，围岩监控量测难度较大。现场采用围岩量测自动报警系统进行围岩监控量测，时刻监控拱顶下沉及边墙收敛情况，保证人员安全，指导现场施工。

　　②监控量测点位选择。

　　只完成围岩量测自动报警系统安装点位如图8所示。

　　3、产生的效益

　　3.1 经济效益

　　采用的综合地质超前预报、采用碘化钾为示踪剂探测地下水、选择性帷幕注浆堵水、上台阶左右侧分步开挖、增加临时斜撑，及时支护，加强量测，科学组织，采用三台阶五掌子面交错施工，流水作业，节约工期，降低了综合成本，增加了经济效益。详见表1。

　　3.2 社会效益

　　项目在实施过程中，施工控制措施到位，管理严谨，环保水保符合规定，无安全、质量事故发生，对隧道质量和安全控制良好，建设单位多次组织设计、监理和其他施工单位到现场观摩学习，并给予了高度评价。2009年度、2010年度施工单位中铁十二局集团有限公司东北东部铁路新建通化至灌水段工程项目经理部连续两年荣获“沈阳铁路局质量安全信用评价第一名”称号，创造了良好的社会效益。

　　4、结束语

　　针对围岩接触带极软围岩高压大涌水隧道地下水复杂、拱顶易坍塌、边墙易收敛、围岩变形大、监控量测难等特点，采用碘化钾为示踪剂探测地下水，围岩监测自动报警系统及增加临时斜撑等有效措施，安全的完成了施工任务，保证了施工质量和工期，对同类工程施工具有借鉴意义，并有广泛的推广应用价值。

　　参考文献：

　　[1]陈达才.龙祖山隧道右线进口端浅埋软岩地段施工技术[J].公路交通技术，2006(04).

　　[2]孙钧.山岭隧道工程的技术进步[J].西部探矿工程，2000(01).

　　[3]汪德志.复杂地质环境下隧道施工技术[D].西南交通大学， 2011.

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