对高地应力软岩大变形隧道施工技术的分析 王云飞

发表时间:2021/7/19   来源:《基层建设》2021年第12期   作者:王云飞
[导读] 随着社会经济的发展和城市化进程的不断推进,铁路体系越发庞大,铁路工程数量和规模也呈上升趋势

 

        中铁北京工程局集团一公司  陕西省西安市  710000
        摘要:随着社会经济的发展和城市化进程的不断推进,铁路体系越发庞大,铁路工程数量和规模也呈上升趋势,这给大变形隧道施工提出更高要求。基于此,本文对高地应力软岩大变形机理和危害进行探讨,重点分析该工程施工技术,以供参考。
        关键词:高地应力;软岩大变形;隧道施工技术


        引言:由于高地应力软岩大变形隧道施工具有较高安全性,科学合理的施工技术能够有效降低施工风险,为相关人员的人身安全和施工质量提供保障。因此,为保证施工作业的顺利进行,分析高地应力软岩大变形隧道施工技术进行分析是必要的。
        1.探讨高地应力软岩大变形隧道形成的机理及危害
        高地应力软岩大变形隧道的出现的机理主要分为两方面,一方面是内在原因,另一方面是外在原因。对于前者而言,若是隧址区内部围岩破碎、地质构造强烈、软弱结构面发育且赋存较高,进而形成构造残余应力,导致围岩大变形。第一,区域内存在较为强烈的地质构造作用,即地壳构造运动,可能会导致隧道出现大变形。例如青藏高原断块区的川—滇块体,在印度板块北东向推挤和青藏高原南南东向挤出的叠加作用下,该块体地质构造复杂,导致当地大变形隧道的出现。第二,围岩破碎,柔弱结构面发育。以中义隧道大变形区段岩性为例,该区段主要以软岩—极软岩为主。在构造的影响下,玄武岩出现较为严重的片理化和碎裂化情况,外加蚀变矿物的存在,进一步降低了岩体强度,从而导致大变形隧道的出现。对于后者而言,主要因为施工工艺和隧道结构形状这两项因素。第一,施工工艺,由于部分地区隧道是早期修建的,受当时技术限制,部分支护措施效果不理想,例如锁脚锚管等。外加围岩的软弱性,导致钢拱架接头极易变形,接头处具有较高薄弱性,对拱架整体刚度造成影响。第二,隧道结构,以中义隧道为例,作为一条单线铁路隧道,高跨比在1∶4,不利于对水平收敛变形进行控制,进而导致隧道出现大变形。若是此类隧道出现大变形,不仅会影响施工作业的有序展开,还极有可能威胁到施工人员的人身安全,甚至降低隧道后期使用的安全可靠性,对通行人员、铁路事业甚至整个社会都会产生不良影响。
        2.分析高地应力软岩大变形隧道施工技术
        由于高地应力软岩大变形隧道施工危险性较高,除了加强现场安全管理,更重要的是选择科学合理的施工技术,以技术手段提升施工以及后期投入使用的安全可靠性。具体技术如下:
        2.1预留变形量
        对于软岩大变形隧道而言,由于其受到高地应力的影响,所以,在实际施工过程中,应选择刚性支护措施对隧道变形问题进行解决,从而保证施工作业和后续工作的安全稳定性,因此,需要合理释放高地应力。具体而言,在施工作业开展过程中,相关施工人员应根据实际情况进行变形量的预留,例如可以使用台阶法,但是,该方法可能会导致台阶处拱脚变形,若是变形程度较为严重,该变形量也会对施工造成影响。比如台阶分层等。但从当前实际施工现状来看,该问题在施工过程中存在普遍的被忽略现象,进而对施工进度造成影响,因此,施工技术人员应结合工程实际要求和情况进行一定程度的变形量预留工作,尤其在台阶拱脚处,应适当加大预留值[1]。
        2.2开挖技术
        在使用开挖技术开展开挖施工作业时,相关施工人员应对开挖断面大小、隧道长度、机械设备配置以及环境条件等方面进行综合考量,尽量选择具有较大适应性的开挖方法,最好降低施工方法的多样性。针对高低应力软岩大变形隧道的挖掘作业,施工人员应综合考虑围岩变形等级这一因素,选择封闭较快且扰动较少的施工方法,并在关键时刻落实掌子面的稳定措施,从而保证开挖作业的顺利、安全展开。例如,若是隧道围岩变形等级为Ⅰ、Ⅱ时,可以选择全断面法开展施工作业,若是等级为Ⅲ、Ⅳ时,则使用台阶法开展施工作业,并辅以临时仰拱等措施。其中,若是使用全断面法开展施工作业,施工技术人员应保证隧道底部施工作业应与上部同步展开,进而尽早让支护体系形成闭环,保证施工实效性。
        2.3落实规范的支护措施
        支护工作是隧道施工作业顺利、安全展开的重要基础,其重要性在高地应力软岩大变形隧道中更为突出,在以往传统施工模式下,无论是高地应力释放还是相关控制管理工作,都没有形成平衡,进而在实际施工过程中出现一系列问题。比如,在高地应力释放不合理的情况下,会导致隧道变形量加大。因此,在开展支护作业时,最为关键的就是掌握高地应力释放与控制管理工作的平衡性,其重点应落在支护工作上。目前,主要使用的支护措施是喷射混凝土设计和钢架设计,为有效增强支护初期刚度,可以在混凝土中掺入适量的钢纤维,从而保证其刚度符合设计要求,为施工作业的顺利展开提供保障。具体而言,超前应力释放法技术主要分为两种,一种是超前小导洞应力释放法,另一种是超前钻孔应力释放法,前者主要通过二次拆换扩挖和超前导洞支护加固作业实现应力释放和变形控制;后者则是在掌子面打超前大钻孔的方式释放超前应力,减少围岩变形的同时降低地应力水平。具体如图1所示:

        图 1 超前钻孔应力释放法
        除此之外,还可以使用组合群锚加固技术、大刚度支护技术、注浆后加固技术、抗压支护体系等开展支护控制作业。
        2.4二次衬砌施工关键技术
        在部分高地应力软岩大变形隧道中,其荷载并非单一的由初期支护承载,往往是初期支护和二次衬砌共同承担,所以,二次衬砌结构需要满足耐久性、强度等要求。在开展该施工作业时,施工人员应明确掌握地段变形等级的高低,即从高至低进行延伸加强,值得注意的是,在开展延伸作业时,应在二倍开挖洞径以上,而且应在初期支护变形稳定以及围岩变形基本稳定后开展。实际施工中,可以使用整体式带模注浆模板台车开展,并根据实际情况对分仓布料系统进行设计,从而保证该作业施工质量。另外,应尽早开展二次衬砌作业,把握好施工时机,实现对余存变形压力的及时抵抗,保证围岩和隧道稳定性。在现场开展施工作业时,主要使用带有三维全自动扫描功能的全站仪测量隧道初期支护轮廓,对比设计方案,保证二次衬砌厚度的科学合理性。完成混凝土浇筑作业后,施工人员应及时开展衬砌混凝土养护作业,在编制养护方案时,应针对变形特点、水泥性能以及隧道现场实际条件等因素综合考虑[2]。
        2.4落实动态锚注,开展地质预报
        如上所述,钢架和拱脚的连接处是高地应力软岩大变形隧道最为薄弱的环节,所以,针对该问题,施工技术人员应加强局部锚注或是缩脚,并根据变形情况落实动态支护不强,实现对变形的有效控制。另外,由于施工作业会对隧道结构造成影响,为实现对地质情况的实时了解,在施工过程中应使用TSP203地质预报系统实现对围岩情况的准确判断,保证施工作业的科学展开。
        结论:综上所述,高低应力软岩大变形隧道施工技术对整个工程的建设质量和相关人员的人身安全具有极强现实意义。因此,应深入研究该技术,掌握其使用要点和重点,从而保证施工技术实施的有效性,保障工程质量。
        参考文献:
        [1]卫鹏华.高地应力软岩大变形小净距隧道支护形式及施工顺序探讨[J].现代隧道技术,2018,55(3):167-175.
        [2]廖雄.高地应力软岩大跨变截面隧道施工变形机理及其控制技术研究[D].四川:西南交通大学,2018.

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