摘要:随着我国隧道工程施工技术的不断完善与发展,对工程建设质量以及不良地质影响下隧道的安全施工提出了更高要求。本文以贵州省瓮马铁路南北延伸线大头垭隧道施工工艺为例,结合隧道施工难度大、技术要求高、施工周期长等现状,重点针对隧道洞身开挖支护及不良地质段的特殊处理措施等施工技术方面进行阐述,进而为今后同类隧道施工提供借鉴。
关键词:铁路隧道;开挖支护;不良地质;施工技术
0 引言
贵州等西南地区的铁路建设通常会面临富水多溶洞地区的大范围穿越,或大或小岩溶洼地、溶洞、落水洞等出现在施工区域内,会造成突泥、突水、坍塌等安全问题时常发生,给隧道施工增加很大的未知风险。同时受雨季岩溶水冲刷,影响隧道衬砌耐久性,对铁路隧道后期运营造成安全隐患。本文以瓮马铁路南北延伸线大头垭隧道工程为例,介绍铁路隧道在穿越溶洞时的施工方案和施工安全防护技术,为以后同类型工程的施工提供指导性依据。
1 工程概况
大头垭隧道位于遵义市播州区苟江镇桃子坝村,全长1475.805m。隧址地处贵州高原中北部,处于黔北高原向黔中山丘过渡地带,海拔高915～1035m,地形条件复杂,山峦起伏,属于中低山及山原盆地局部丘陵区。隧道范围地面最大高程1020m,进出口高程分别为942.29m及927.08m,相对高差30～100m。隧道起止里程DK92+539.195～DK94+015,隧道进口内轨设计标高937.084m,出口内轨设计标高920.317m。隧道最大埋深约为90m。局部发育岩溶洼地、溶洞、落水洞等。隧道进口～DK92+895.271段位于R=800m的左偏曲线上,DK93+900.183～出口位于R=800m的右偏曲线上,其余位于直线上。隧道内设置单面下坡,隧道进口～DK22+950段410.805米设置坡度为10.9‰的上坡,DK92+950～DK93+850段900米设置坡度为11.7‰的下坡,DK93+850～出口段160米设置坡度为10.658‰的下坡。
2 岩溶处置概述
根据超前地质预报及揭示情况,隧道DK93+809.5-819.5段左侧拱墙揭示一溶洞,溶洞纵向长约6m(DK93+811～+817)、环向高约12m、开挖轮廓外深约3～6m。施工存在安全隐患,需加强支护。经建设单位批准,该段采用Vc型衬砌支护,φ42mm超前小导管注浆预支护;溶洞采用C30砼护拱,护拱厚1.5m,内嵌I16工字钢架,护拱顶部与围岩接触面采用3排φ50小导管注浆锁定,护拱下部预留φ100PVC管接通侧沟排水。
3不良地质段施工技术
根据设计图纸本隧道采用分级开挖方式,其中Ⅲ级围岩采用全断面法开挖,Ⅳ级围岩采用台阶法开挖,Ⅴ级围岩采用段台阶法开挖。施工前通过地质雷达、红外探水和超前钻探进行超前地质预报,根据地质条件变化,及时调整施工方案,在确保安全和质量的前提下展开施工。隧道开挖后立即锚、喷、网支护,在洞口段辅以管棚进洞,在岩性分界面、岩体破碎带、粉质黏土段采用洞身管棚加小导管超前支护。
整个施工过程贯彻仰拱先行的原则,采用液压仰拱栈桥进行整幅施工,仰拱填充与仰拱分开施做,仰拱混凝土浇筑采用整体模板。二次衬砌一次性施工,取消矮边墙。
3.1 洞身开挖
正洞Ⅲ级围岩采用全断面法开挖,网、喷初期支护。正洞Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖,锚、网、喷初期支护。施工中合理调整工序,不良地质段坚持“短进尺,弱爆破”的原则,实行“钻爆、装渣、运输”机械化一条龙作业。其中,台阶法开挖隧道台阶作支护采用以下工艺:如图1所示,开挖①部台阶,施作①部洞身部位的初期支护。注意台阶长度控制在10-50 m,围岩稳定性较差时,一次进尺1-1.5 m、台阶长度控制在3-10 m,落底后立即施作初期支护。围岩整体性较差时,下台阶断面在上部断面喷射混凝土达到一定强度后开挖,开挖两侧交错进行。仰拱及时施作,使支护及早闭合成环。上台阶施工至适当距离后,开挖②部台阶,施作洞身部位的初期支护。灌注该段III部底板。利用衬砌模板台车一次性灌注IV部二次衬砌。
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图1 台阶法工序横断面示意图
3.2 钻爆设计
本隧道洞身开挖施工采用光面爆破和预裂爆破技术,防止无序大开挖和大药量爆破,适时应用人工作业,将边、仰坡结构爆破震速控制在1.0 cm/s,并根据爆破震动效应监测或试爆破试验确定。
光面爆破施工过程具体为,首先测定围岩参数,进行爆破参数预设计。然后采用塑料导爆管非电起爆以及微震光面爆破技术,组织人员进行隧道预定位置的岩洞试爆破,及时勘测爆破效果,做出适当评价。此时则面临两个选择,如果爆破结果理想,则可直接确定岩洞或山体的爆破参数;结果不理想则需根据结果调整爆破参数,再一次进行试爆破直至爆破结果可行。最后,结合施工里程点围岩的实际情况进一步调节参数,为下一步的正式钻爆作业做好精准准备。本方案的钻爆前光面爆破的优点是开挖的周边眼间距较小,一次爆破组装药量较少,极大程度上减少了对周边围岩的连带震动。同时,爆破前开挖出的一定深度的环形槽,也对后续山岩主体部分爆破有较大程度的减震作用。
穿越溶洞开挖隧道必须要保证施工所用爆破方式对围岩破坏较小,爆破后围岩的裂缝较少,主体岩石剖面能按设计轮廓成型且表面较平顺,以保证爆破炮眼的利用率接近100%,使主体岩洞轮廓半眼率普遍提高。不同围岩钻爆设计图如图2所示:
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图2 不同围岩钻爆设计图
3.3 爆破相关重要技术措施
首先,通过爆破预试验确定爆破参数。施工前进行地质调查后,据其结果选择适当的位置,采用利文斯顿爆破漏斗理论,组织人员技术在现场进行爆破试验,取得爆破参数。
其次,爆破时遇到非坚硬围岩(软质岩)适当减轻地震动爆破,减小对隧道施工周围的山岩的不利影响。其施做要点是:(1)打眼密集但每个爆破眼少装药,根据爆破震动衰减规律公式反算得出最大单响起爆药量;(2)加强爆破引起的地震波检测,严格把控软质岩的爆破振动速度;(3)控制爆破段间隔时差在100ms左右,有效避免爆破震动的波形叠加导致爆破效果异常增大,降低爆破震动强度。(4)根据爆破产生大振速部位顺序,采用楔形复式掏槽技术,并根据计算单响起爆药量,将底板眼、周边眼等分段进行起爆。
最后,采用周边光面爆破技术爆破,按表1中参数选取周边眼光爆参数,控制超欠挖。同时采用不耦合装药结构进行周边眼爆破,在破碎地段采用钻密眼,人为切开一条缝不装药或隔孔装药措施。周边眼和内圈眼均依照环形布孔,掘进眼线性布孔。预裂爆破时先预裂后掏槽,然后扩槽、掘进眼、二台眼、内圈眼;光面爆破时从掏槽眼开始,由隧道内部向外扩展,最后是周边光面爆破。装药结构布置完成后,认真进行装药量计算,科学进行药量分配。
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岩石类别 周边眼间距E(cm) 周边眼抵抗线W(cm) 相对距离E/W 装药集中度q(kg/m)
极硬岩 50～60 55～75 0.8～0.85 0.25～0.30
硬岩 40～50 50～60 0.8～0.85 0.15～0.25
软质岩 35～45 45～60 0.75～0.8 0.07～0.12
3.4隧道涌水治理技术
本隧道局部破碎地段地下水丰富,个别段落反坡开挖,通过超前地质预报、水平钻孔探孔等手段,及时掌握掌子面前方地质情况,按“防、排、截、堵结合、因地制宜、综合治理”的原则组织施工,解决涌水问题,在隧洞内两侧开挖临时排水沟,间隔300m～400m设置一个集水井;洞内污水采用污水泵分多段跳跃抽至洞外,洞外设污水处理池。
3.5加强预报和加密监控量测
根据地勘资料揭示不良地质段位置,结合超前地质钻孔和加深炮眼反馈的掌子面前方地质情况,进入不良地质段时应执行加强预报方案,采取以地质分析为基础、物探方法结合钻探方法为手段,地表调查、TSP预报、地质雷达、红外探水相结合的预报体系。对掌子面前方围岩的强度、完整性、富水性进行检测,根据掌子面素描观察隧道围岩的变化,统计节理组数及其形态的变化,推测前方可能出现断层的位置,对可能出现断层的地段进行水平钻验证,对可能有岩溶、突泥涌水的地段,特别是可溶岩与非可溶岩的接触带应进行水平钻验证。
同时不良地质段初支施工通过后,要加大该段监控量测频率,及时分析测量数据。
4 结语
本文以大头垭隧道为例,对溶洞处理措施进行了阐述,为今后类似工程提供参考和借鉴。但不同项目地质状况不同,岩溶发育情况不同,施工过程中应结合前期勘察资料,采用多种预报手段相结合的方式对隧道施工范围内地质状况进行准确揭示,并制定针对性的处置方法和安全防护措施。
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