浅埋隧道软弱围岩管棚超前支护及监控量测技术研究

摘 要:本文基于笔者多年从事铁路隧道施工的相关工作经验,以铁路隧道软弱围岩隧道超前支护与深空注浆施工技术为研究对象,论文详细阐述了施工步骤与细节,论证了隧道开挖与监控量测的相关技术,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:浅埋偏压 隧道施工 软弱围岩 注浆

中图分类号:TB21文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)04(c)-0061-02

浅埋隧道与深埋隧道相比,主要是难以形成承载拱。浅埋隧道多数有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带、软弱围岩等对隧道开挖有很大影响的特殊地形、地质问题。在开挖过程中和开挖完成后会出现拱顶下沉急剧增大、隧道净空收缩、地表开裂等,有时也会出现掌子面失稳。浅埋偏压软弱围岩隧道施工一直是隧道施工过程中需要面临和解决的重要课题之一。

1 超前支护

对于围岩的自稳能力较差时,为了预防坍方,必须采用超前支护体系,主要的内容有超前锚杆、小导管注浆、管棚、全断面预注浆、深孔注浆、帷幕注浆以及在洞口浅埋段采用的地表注浆等。

在软弱破碎地质隧道施工中,虽然采用深孔注浆达到了止水固结的目的,但固结范围有限,加上地质及注浆有些不确定因素,为保障施工万无一失,一般在开挖前均采取超前支护,超前支护一般采用超前锚杆或超前小导管。对于地下水压较大的隧道,开挖前一般还要采取排水降压措施,主要采取钻孔排水,钻孔深度应超出注浆范围。

浅埋偏压软弱围岩隧道施工需要解决的问题是掌子面的稳定性和合理化施工(安全而快速的施工)两大问题。对掌子面稳定性起重要作用的超前支护,是确保掌子面前方稳定不可缺少的手段。从作用效果看,超前支护可有以下几方面作用:梁效果:超前支护的结构可视为一个沿隧道纵方向的梁结构,发挥一个刚性梁的效果;壳效果:超前支护可在掌子面前方形成一个壳结构,以其厚度和刚性来保证隧道掌子面及其周边围岩的稳定;改良效果:把隧道周边围岩的强度加以改善,这是注浆法的主要效果。

1.1 超前锚杆

在隧道周边,未开挖前先施作超前锚杆,起到预先加固的作用,其主要参数为:

全苗杆的直径φ=20mm～30mm;

长度1=3.0m～5.0m;

间距d=0.3m～0.5m;

外插角α=10＂～15＂。

锚杆一般采用普通砂浆锚杆,特殊情况下可采用药包锚杆或迈式锚杆。

1.2 小导管注桨

小导管超前注浆,是在地基灌浆法基础上发展起来的一项围岩加固止水技术,它同时具有超前支护作用,是不良地质隧道与地下工程施工常用的一种开挖辅助措施。

在隧道开挖掌子面上,沿设计开挖轮廓线以外0.2m～0.3m,钻孔安装小的钢花管,然后进行高压注浆加固,等浆液达到一定强度后再进行开挖。其主要参数为:

小导管的直径φ=40mm～60mm;

长度1=3.0m～5.0m;

间距d=0.3m～1.0m。

1.2.1 技术特点

超前支护体系,提高了岩体的稳定性,控制了围岩松弛变形,增强了施工的安全性。加固效果好,注浆质量易于控制。采用常规小型机械,无需配备专用设备,工艺操作简便。

1.2.2 适用范围

适用于风化很严重、节理很发育和碎石土、砾石土等各种软弱围岩条件下的隧道及地下工程地层加固,也可用于处理坍方主体。

1.2.3 主要技术措施

小导管水泥一水玻璃双液预注浆止水加固松散围岩。

1.3 管棚

当围岩十分软弱、破碎、变形量很大时,一般在V、VI级大变形的条件下,可采用长管棚的超前加固措施,其主要参数为:

管棚的直径φ＝108llum～180llun;

长度1=10m～40m;·

间距d=0.5m～1.0m;

注浆压力F=1.5MPa～3.0MPa。

管棚法的基本原理就是在开挖之前将一个伞形的金属保护棚架预先安放在隧道开挖轮廓线的外弧线上,该棚架由一定间距排列的大惯性矩的钢管构成,起到保护下部地层开挖的作用,一般超前长度在5m～30m,有短管棚、长管棚。先用钻机打一定深度的钻孔,然后插入金属钢管,再用注浆机压入水泥砂浆或混合浆液,待其凝固后就可以开挖。在法国马赛地铁2号工程、日本第一福田尾隧道、成渝高速公路中梁山隧道工程、北京第三使馆区的供热管线工程的暗挖隧道等都使用了该工法。

1.4 超前支护辅助方法

下面就国内外各种超前支护辅助施工方法作详细介绍。

(l)压缩空气法或气压室法。

被开挖地层的稳定性往往取决于地层是否充分排水,在地层透水性差时水对开挖影响不大,但在地层透水性好时如砂层,水就会对开挖产生较大的影响,这时一般用排水井和压缩空气控制地下水。后者利用压缩空气的压力(0.1MPa左右)来抑制地下水不流出,并对开挖面产生支护作用,减小地面沉降,这是压缩空气法或气压室法的主要原理,在慕尼黑和维也纳的地铁工程已经取得了成功应用。

(2)冷冻法(冻结施工法)。

冷冻法一般适用于地下水比较丰富、或地下水压比较大的地层中,它是采用冷冻机和循环泵将氟利昂(CaC12)或低温液化气通过冷冻管注入隧道前方地层中使地层孔隙水冻结而得到强化,一般按30m一段进行土木工程施工,但要考虑解冻后的地面下沉。

2 深孔注浆

浅埋偏压软弱围岩隧道的显著特点就是地下水对施工的影响。这类隧道地下水发育,除裂隙水外,往往与地表水串通,形成补给通道,使施工长期处于地下水干扰之中。并且软弱破碎地层地下水一般不能形成集中水流往往以散水形式从坑道周壁或隧底流出,施工处理更加困难。为了防止或减轻地下水对施工特别是对开挖的影响,必须对地下水进行处理。近年来,在浅埋偏压软弱围岩隧道施工中探索出许多行之有效的办法,使这些隧道的施工得以正常进行,并加快了施工进度,提高了工程质量,保障了施工安全。

浅埋偏压软弱围岩隧道处理地下水原则一般是以堵截为主,排引为辅。堵截地下水的方法主要有两类:一类是整段进行注浆止水,并加固松散岩体,这种办法是将整段岩层结构通过高压注浆进行调整,相当于提高围岩等级,使围岩在原有基础上整个综合指标得以改善,主要措施有深孔劈裂、挤压注浆。另一类是对隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆,形成止水帷幕,防止或减小地下水进入开挖工作面,这种办法并不能改变开挖段的岩体结构。主要措施有浅孔注浆、管棚注浆、小导管注浆、中空锚杆注浆以及目前正处于研究阶段的水平旋喷注浆技术等。排水辅助措施有导坑、钻孔排水等方法,目的是排水降压。下面主要介绍深孔注浆。

深孔注浆适用于断层破碎带、软弱破碎围岩,地下水特别发育,易形成涌水以及因地下水而造成特大坍方的隧道。深孔注浆分为深孔充填注浆和深孔劈裂注浆。

2.1 准备工作

主要是对工程地质进行分析,收集分析钻孔的排碴;记录分析钻孔的推进压力,钻速以及钻进不同长度时出水量的大小,推断开挖面前方的地质构造、岩性、水源位置及水量大小。

2.2 止浆墙

由于开挖面围岩软弱,注浆时有较高的压力,易引起开挖面垮坍,严重影响注浆效果和施工安全,因此开挖面必须设置止浆墙。对于未坍原始岩体,一般采用挂钢筋网、喷射混凝土作止浆墙。具体作法是:先在开挖面钻孔,埋设注浆用孔口管(孔口管一般用φ150mm～200mm,长1.5cm～2.0cm钢管制作),钢筋网焊在孔口管上,钢筋网网格间距30cm,再喷射15cm～20cm厚的C20级混凝土,这样网喷混凝土与开挖面岩体共同形成止浆岩盘。如在坍方地段,则应设置加厚混凝土止浆墙。一般灌注100cm～150cm厚C20级混凝土作止浆墙。

2.3 钻孔作业

孔口管作为钻孔导向管,在注浆设计中应加以布置,布置原则应根据注浆段长度、加固扩散范围等参数决定。钻机作业机具可采用液压凿岩车、地质钻机、锚杆钻机等。

2.4 注浆材料

通过注浆加固岩层、止水,注浆使用的材料很多,大致可分为三类:无机类,如水泥(普通水泥、特种水泥)、水泥砂粉、水泥粘土、水泥-水玻璃;有机类及复合材料类。国内隧道施工一般使用无机材料,有机类及复合材料因费用高,劳动保护复杂而较少使用。

纯水泥浆液为颗粒性材料注浆,因扩散性较差,并且凝固时间较长,不能达到止水效果。而水泥-水玻璃浆液则为颗粒性与溶液性双相材料,扩散性相对较好,并且浆液凝固时间可以通过配合比来达到调节控制,从而较易通过向岩层压注达到止水及固结围岩目的。

2.5 注浆作业

将注浆混合器连接在孔口管上,试压洗孔,将孔眼内的石碴冲掉,保证注浆通道顺畅;注水约2min～3min,使围岩孔隙畅通:然后进行注浆,对于软弱、断层带的围岩体,先注纯水泥浆,注入一定量或达到一定压力后,并持续5min,再注双液浆(CS),如注纯水泥浆大量漏浆时,可先注双液浆(CS),再注纯水泥浆,最后再注双液浆。注浆过程应作好记录,记录注浆时间、注浆量,注浆压力变化,围岩、止浆墙以及已支护或衬砌地段的窜浆情况。注浆结束后,拆卸注浆部件,清洗干净对注浆机械进行检修保养,保证下循环注浆使用。一般采用推进式注浆,即分段累进注浆。当有的部位钻孔过程中出水量很小时,可一次钻到设计深度,然后进行全孔一次注浆。

3 隧道开挖

在软弱围岩地段,为了防止坍方,必须采取正确的开挖方法,如短台阶法、分部开挖法等。在隧道开挖过程中,突然遇到了较大的涌水、流沙、溶洞、断层及破碎带时,必须及时改变施工方法,增强支护参数,以及其他的必要的技术处理手段。为了尽量利用围岩的自承能力,减少对围岩的扰动,应尽可能地采用全断面的光面爆破技术,对于地质条件较差者,可采用半断面,同时采用弱爆破技术,对于大断面和特大断面,应采用分部开挖法进行,如侧壁导坑法、CD法,CRD法等。

4 监控量测

现场(监控)量测的首要部分是在隧道开挖过程中,对围岩-支护系统变形过程进行的量测,叫做围岩变形量测。只有施工中进行的围岩变形量测,才能获得有效地进行观测与控制围岩稳定性所需的关键性的宏观信息。因此,隧道工程最大限度地实现安全性和经济性统一的关键,就是以围岩变形监测为主的信息技术。隧道量测通常分为施工前和施工中两个阶段,隧道开挖前的量测主要是通过地质调查、直接剪切试验、现场实验等手段来掌握围岩的特征(构造、物理力学性质、初应力状态等)的。现场量测指的是施工中的量测,是在施工阶段进行的,其主要目的是监视施工状态(锚固效果、松弛范围等);控制变形并及时采取措施;修正设计,正确而经济地施工。施工中的量测系统包括的内容有:坑道周边位移的量测;围岩内松弛范围的量测;支护结构与围岩间的接触应力的量测;支护结构内应力的量测等。

参考文献

[1] 孙狂飙,邓文龙.隧道现场围岩级别判定方法探讨[J].科技资讯,2009(1).

[2]李德章.复杂环境下超浅埋地下通道施工技术研究[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2009(2).

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