软弱破碎围岩隧道施工技术
摘要:随着我国铁路交通建设的迅速发展,沿线穿越云、贵、川、陕等多山岭地区的比例越来越大,隧道穿越破碎带的情况越来越普遍。文章首先论述了软弱围岩的分类及其力学性质,随后概述了软弱破碎围岩的加固与支护技术,最后从隧道洞口段开挖、施工方法及其选择、管棚支护下围岩的稳定性评判技术的两个方面重点论述了软弱破碎围岩段的部分施工技术。
关键词:软弱破碎围岩;隧道施工技术;加固与支护;管棚支护下围岩;稳定性评判技术
中图分类号:U455 文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)09-0144-03
随着我国铁路交通建设的迅速发展,沿线穿越云、贵、川、陕等多山岭地区的比例越来越大,隧道穿越破碎带的情况越来越普遍。加强对隧道洞身穿越软弱破碎围岩段的施工技术与方法的研究就显得尤为重要。
一、软弱围岩的分类及其力学性质
软弱围岩一般可以分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层;工程软岩则是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。地质软岩强调了软、弱、松、散的地质特点,而工程软岩强调软岩强度和工程力荷载的对立统一,揭示了软岩的相对实质,即取决于工程力和岩体强度的相互关系。当工程力一定时,对于不同岩体,强度高于工程力水平的表现为硬岩的力学性质,低于工程力水平表现为软岩特性。软弱破碎围岩的力学性质主要表现在以下方面:软弱破碎围岩由于裂隙发育,结构面相互交织,随机分布,没有明显的方向性,在一定程度上可以将其看作是各向均质连续体软弱破碎围岩整体抗压强度较低,洞室开挖后围岩稳定性差,极易失稳破坏。在将破碎岩体近似看作连续体的情况下,从岩体总体上将会表现为一定的弹塑性特征,这种弹塑性特征可以理解为岩体中的应力引起岩体破坏而产生滑移后,随着变形的发展保持一定的强度,并具有应变强化特性。
二、软弱破碎围岩的加固与支护技术
由于隧道开挖后,围岩不能自稳,所以在隧道开挖之前必须对隧道周边围岩进行预加固,以改善围岩的物理力学特性,提高围岩的稳定能力。根据预加固措施对周围地层的加固机理,可将预加固措施分为地层改良法和预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层的力学特性的方法。这种方法包括各种静压注浆加固法和排水固结法等。预支护法就是在隧道开挖前,沿隧道开挖轮廓形成预支护拱棚,在拱棚的保护下进行开挖。长期以来,在隧道工程中软弱破碎围岩的维护问题一直是一个难题。一般破碎围岩中隧道结构所受侧压力较大,且围岩裂隙发育,其强度受软弱结构面控制又比较低,表现为弹塑性变形。在伴有粘土类软弱物质时其受力还与变形速率有关而具有明显的时间依赖性,具有各种弱面的非连续岩体处于原始平衡状态,在开挖以后,这种平衡状态受到破坏,围岩发生应力重分布并产生变形,原有的围岩弱面进一步扩展,同时会产生若干新的裂隙,围岩发生应力重分布,洞周围岩进入塑性阶段并向深部扩展形成塑性区,必须及时支护以防塑性区继续发展造成塌方,而且支护形成后很长一段时间内围岩变形依然存在。
目前隧道界多数人认为,软弱破碎围隧道结构的二次衬砌不应作为安全储备,而是重要的承载结构。承受荷载是由于围岩和衬砌结构共同变形而作用在衬砌结构上。衬砌结构与围岩共同工作,使洞室保持稳定。根据新奥法理念,破碎围岩段隧道除衬砌结构需要加强外,还必须重视改善围岩的力学性质,提高围岩的自稳能力,充分发挥围岩潜在的自承能力,这是利用和开发围岩自身内部潜能的一条最有效、最根本的围岩维护途径。隧道开挖以前,沿隧道周边轮廓线设置一圈拱壳一样的结构体,使其加固掌子面前方的自然地层,同时对周围地层产生支护作用,保证地层的稳定,减少地表沉降量,控制围岩塑性区范围,形成一个超前的支护体系,即所谓的超前支护体系。这些预支护手段提高围岩的岩石力学指标,包括抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等。随着隧道修建技术的发展以及新奥法的提出,各种改善洞周围岩力学性能的预支护技术应运而生,在软弱破碎地层隧道进洞施工中发挥了重要作用,如超前锚杆预加固、小导管注浆预加固、大管棚超前支护、水平旋喷、机械预切槽、插板法等。
注浆加固是一种改善围岩胶结性质,提高围岩整体性和自承能力,降低支护厚度,提高支护效果的有效方法其原理是在一定的压力下,使浆液充填岩层裂隙和节理,将软弱、松散、破碎的岩块粘结成整体,从而使岩层具有较高的强度和整体性。注浆加固与其它支护形式结合起来使用,不仅改善围岩的岩性和应力分布,而且大大缩小围岩变形,减小支承承受的外荷载,改善受力状况。
大管棚支护技术近十几年来应用广泛,国内外对该项技术的研究应用己经比较成熟,它是隧道通过软弱松散土层、断层破碎带、流塑状粘土、回填杂土等不良土质地段时所采用的一种超前支护手段。大管棚施工时沿隧道开挖轮廓外,利用管棚钻机打入一排较大直径的钢管,并将钢管横向连接起来已形成整体。然后在管棚的保护作用下进行隧道开挖,施作初期支护。其支护原理:一是梁效应,即在掘进时先行埋设的钢管在掌子面和后方的支撑下,形成梁式结构,防止围岩的崩塌和松弛;二是加强效应,即钢管插入后,压注水泥浆,加强了钢管周边的围岩。大管棚超前支护优点是大管棚长度长、刚度大,支护效应好,可有效地控制围岩变形和地表下沉,增强围岩的稳定性,对不良地层的适应性较强。但施作大管棚所需的施工机械较多,造价较高。水平旋喷技术是近年来国内研究比较多的一种超前预支护方法。意大利公司首次将水平旋喷技术用于隧道预支护,该支护技术适用于松散土层,如淤泥、砂层、砂砾层、软的粘土层和含水土层。20世纪年80代中期,我国工程界对此开始关注。石家庄铁道学院经过近八年的努力研制出了一型多功能旋喷机并获国家专利,在沙哈拉如隧道洞口段、宋家坪隧道洞口段应用,取得了良好效果。此外,水平旋喷预支护也是处理松散塌方的有效办法之一。旋喷注浆还能将塌方体内松散土石固结成拱,再结合合适的初期支护,可得以顺利通过围岩破碎地段。预切槽技术是世纪年代在法国巴黎快速轨道系统的一个车站的建造工程中首先开发应用的。它是利用专业的切槽机械,沿隧道外轮廓切割一定深度的切槽,切槽方式有带锯式和排钻式两种。此项技术可以在整体性好、软弱破碎和中硬的围岩中开挖的铁路隧道和公路隧道中采用,也可用于建造地下仓库和停车场,且有减轻在硬石灰岩因爆破时振动扩展的作用,在敏感的周边环境,尤其在城市环境,可以有效控制爆破震动及噪声。
三、隧道洞口段开挖、施工方法及其选择
洞口段基本开挖方法:隧道洞口段基本开挖方法应根据施工条件、围岩类别、埋置深度、断面大小、坡面情况以及环境条件等,并考虑安全、经济、工期等要求进行选择。选择施工方法时,应以安全为前提,综合考虑隧道工程地质及水文条件、断面尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等决定。当因隧道施工对周围环境产生不利影响时,亦应把环境条件作为选择施工方法的因素之一。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性,以免造成工程失误和增加不必要的投资。隧道洞口段施工方法有很多,但归纳起来大体上有台阶法和分部开挖法两大类。
施工方法的选择应以地质条件为主要依据,结合工期、建筑物长度、断面尺寸、结构类型以及施工技术力量等综合考虑。同时要考虑在地质条件变化的情况下,变换施工方法的可能性。其指导思想可概括为:“不论何种施工方案都应确保施工的安全,并需制定相应的安全技术措施,以适应隧道施工环境差、不安全因素多的状况。选择施工方法应根据设计文件、施工调查情况、地质、围岩类别、隧道长度、断面、衬砌、工期要求以及施工队伍的技术水平等因素综合考虑,优先选用全断面或少分部的开挖方法,以减少施工工序,便于机械化作业,改善作业环境,利于施工安全、对地质变化较大的隧道施工环境,选择施工方法时要考虑地质变化的适应性,尽量避免变更施工方法打乱工序,影响进度和安全,尽量采用成熟的新技术、新工艺、新设备,积极开拓创新,提高综合施工水平。开挖后应尽快施作锚杆、喷射混凝土、敷设钢筋网或钢支撑。当采用复合式衬砌时,应加强初期支护的锚喷混凝土V级以上围岩应尽快施作衬砌,防止围岩出现松动。视地质条件,可配合采用超前小导管注浆、超前锚杆支护加固等辅助施工措施。”
综合以上的分析,选择合理的开挖方法和支护方法对隧道洞口段的施工是极为重要的,不但可以增加洞口段施工的安全性,并且可以有效的提高施工效率,减少投入,增加效益并且能够减少对原来地层的扰动,增强运营的地质灾害,降低运营的工务投入,美化洞口的环境。各种方法的比较如表1所示。通过以上分析,当隧道洞口段在浅埋、偏压和松散的地层中时,可采用以下施工方法:(1)对于围岩级别较好的单线隧道洞口,一般以短台阶法为主,特殊条件下可采用超短台阶法。一般不采用全断面开挖,否则,对属于大断面的公路隧道全断面开挖,对围岩的扰动很大,会导致全周壁围岩出现松动,增大坍塌的可能性。且支护结构难以及时施作,并增大隧道工程造价。(2)在土质、软弱围岩地区的隧道洞口段,可以采用超短台阶法,对工期要求不高时,可采用留核心土法,特殊条件下可采用中隔壁法或双侧壁导坑法。(3)对于地层较差的洞口破碎段、偏压段、浅埋段,首先考虑采用留核心土法,对覆土沉降控制要求较高或者断面较大时,可采用中隔壁法或双侧壁导坑法。
四、管棚支护下围岩的稳定性评判技术
现行的围岩稳定性评判方法与模型由于其范围大、精度低等缺点,难以适应地下洞室工程信息化施工的要求。虽然基于现代数值仿真分析手段的塑性区、拉裂区、破损区的判断方法和应力场、变形场的判断方法等,已逐渐在设计与施工中得到应用,但利用施工现场变形监测数据直接进行围岩稳定性评判才是一种最方便、最可靠、最直接的方法,也是工程建设中的主流方法。应用现场监测变形数据直接评判围岩稳定性的方法主要有两种:一是从若干工程中总结得出的经验方法,二是规范推荐方法。这两种方法虽被广泛应用,但却各有明显的不足之处。经验方法为:工程师们在总结地下洞室塌落的原因时发现,围岩变形到一定程度就会发生整体性垮塌,根据普氏理论总结出洞室失稳时的临界变形与地下洞室跨度、高度以及岩体的抗压强度有关的经验公式。该方法没有考虑对地下洞室围岩变形有重要影响的埋深H与围岩变形模量E两大因素,实际应用中存在诸多矛盾。规范方法由于其必须具有普遍的适应性,所以常常仅给出了一个较大的范围,这样给现场工程人员应用时带来极大不便,且随意性大,对有些现场情况并不适用。如《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)一中仅对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩洞周允许相对收敛量做出了一个大致范围的规定,且仅适用于埋深不超过500m的地下洞室。埋深均给出了苛刻的限制,从这一角度看,该方法用于评判围岩稳定性时仅仅是一必要条件,而难以作为充分条件。另一方面,规范推荐方法给出的围岩类别、埋深等主要影响因素之间的量值标准与量化关系是基于经验的、粗糙的、随意性很大的框架,所以对于围岩失稳报警来说,其评判方法也只能作为失稳的必要条件而非充分条件,这给洞室安全监测人员与监理、施工人员的最终评判造成两难处境。
无论是经验方法还是规范推荐的稳定性评判方法均与围岩的变形模量E、强度参数c、Φ、埋深H等重要因素没有直接量化关系,显然不科学。有学者根据地下洞室的最基本稳定性要求,以洞室围岩表面刚好达到剪切塑性极限为临界条件,并基于圆形洞室的弹塑性解析解可推出一个圆形隧洞临界沉降量公式如式(1)所示。式中H为洞室埋深,r为岩层平均容重为洞径,G,c,Φ分别为围岩剪切模量,勃聚力和内摩擦角。式(1)明确科学地将围岩变形性质G,强度性质c、Φ,洞径r,埋深H对围岩稳定性的影响均加以考虑。
(1)
五、结语
只有加强对软弱破碎围岩隧道施工技术的研究,才能更好的指导山岭地区中软弱破碎地段隧道的施工,能更好的控制工程成本和缩短隧道工程的工期,控制破碎地段隧道的施工质量,更好的推进西部大开发的基础建设进程。工程实际中,应着重研究拱棚超前预支护技术与其他段施工方法的选择和质量控制。
参考文献
[1]李国英.软弱破碎围岩隧道施工技术[J].国防交通工程与技术,2009,7(5).
[2]朱汉华,王迎超.隧道预支护原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2008.