谈炭质片岩隧道变形原理及三台阶错位施工法

第３６卷第４期　・３１２・　２　０　１　０年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３６　Ｎｏ．４　Ｆｅｂ．　２０１０　文章编号：１００９—６８２５（２０１０）０４—０３１２—０２　谈炭质片岩隧道变形原理及三台阶错位施工法　陈永建　摘要：结合炭质片岩岩体受构造挤压影响扭曲、揉皱现象明显，施工过程中初期支护变形非常大等特征，就炭质片岩的　变形原理进行了剖析，并针对该类围岩施工提出“三台阶六部错位施工法”，从而解决了该类围岩的开挖问题。　关键词：炭质片岩，围岩变形，初期支护，围岩量测　中图分类号：Ｕ４５１．２　文献标识码：Ａ　炭质片岩是沪汉蓉通道武汉一安康增建第二线工程汉江峡　石英岩脉侵入体，并伴有地下水渗流，结构面之间结合差，易分离　谷段遇到的主要地质问题，而该类围岩隧道的开挖施工方法在目　剥落，在地下水的作用下，围岩强度和稳定性进一步降低，容易出　　前国内外隧道施工中仍是一道难题。主要原因是该类围岩的稳　现初期支护的开裂变形和塌方。定性差，在地下水作用下，炭质片岩易软化变形，导致围岩出现变　左　右　形或坍塌。根据施工现场情况和围岩量测结果分析显示，该类围　岩开挖后的变形具有不收敛性，特别是在开挖完成后１５　ｄ左右围　岩易发生突变产生塌方。因此研究炭质片岩的围岩特性和变形　规律，解决该类围岩的开挖施工方法势在必行。　１　围岩变形机理分析　１．１　围岩特征及分类　根据现场施工揭示的炭质片岩，按分布形态和岩性特征可分　为透镜体或薄夹层状、互层状和旱厚层或带状分布等不同类型，　当炭质片岩以透镜体、薄夹层状或互层状存在于石英云母片岩或　云母石英片岩中时，一般情况下对围岩的整体稳定性影响不大，　但在地下水的作用下，炭质片岩易软化变形，强度和稳定性降低，　局部可能出现变形或坍塌。厚层或带状分布的炭质片岩，从工作　面看围岩大部分或全部分为炭质片岩，连续出现长度数十米至数　注：　＝＝＝＝］为膨胀螺栓　图１　测点布置示意图（单位：ｍ）　百米。受构造等因素的影响，岩体的抗剪强度低，岩体扭曲、褶皱　１．２围岩监控量测及分析　现象明显，节理发育，岩体节理面光滑亮泽，多为曲面，往往夹杂有　１．２．１　测点布置　＿ｒ沧州的狮城风貌，桥梁建成后照片见图１。　５运营效果　沧州市新华辅桥如今已经过四年的运营检验，新旧桥未出现　不均匀沉降，桥面平整顺畅。新华桥以其完整优美的桥姿、耐人　寻味的细部成为古运河上一道美丽的风景。　６结语　随着社会的飞速发展，对桥梁设计者提出了更高的要求，桥　图１　新华桥建成后照片　梁设计不仅要保持对功能、构造技术、形态美学、材料肌理研究的　随着时代的发展和进步，桥梁景观的建设成为一种反映城市　传统，还应针对随社会发展而产生的新景观问题保持敏锐的跟　特色、体现地域文化、展示时代风貌的载体。对桥梁硬质元素如　踪，这样才能与越来越高的环境品质要求相适应。桥梁设计应力　栏杆、雕塑等进行反复比较设计，为突出沧州文化，与沧州的“狮　求结构设计与景观设计的高度统一，对我们以后的设计工作具有　城”相呼应，桥梁栏杆采用花岗岩仿古栏杆，立柱为石狮造型，体现　非常现实的指导意义。　Ｏｎ　ｂｒｉｅｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　Ｘｉｎｈｕａ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　Ｃａｎｇｚｈｏｕ　ＧＥＮＧ　Ｙｕ．ｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅｎｉｎｇ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｘｉｎｈｕａ　Ｂｒｉｄｇｅ　ａＳ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗｌｙ—ｂｕｉｌｔ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｏｉｎｔｓ，ｐｏｉｎｔｓ　ＯＵｔ　ｔｈｅ　ｏｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｒｋｓ，ｔｈｅ　ａｅｓｔｈｅｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅｎｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｔｕｒｎ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｂｅ　ｔｈｅ　ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ　ｐｏｉｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｒｂａｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｗ　ａｎｄ　ｏｌｄ　ｂｒｉｄｇｅ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｌａｎｄｓｃａｐｅｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　收稿Ｅｔ期：２００９—１０—１２　作者简介：陈永建（１９７４一），男，工程师，中铁二十五局集团第三工程有限公司，湖南长沙４１０００１　ｇ３６￣ｇ　２０１０年２４膂　陈永建：谈炭质片岩隧道变形原理及三台阶错位施工法　・３１３・　根据实际情况，在隧道每个测量断面各布置一个拱顶下沉观　０．３，因此上台阶高度按３．６　ｍ控制；中台阶长度控制在６　ｍ，高度　测点Ｄ和三条净空水平收敛量测线Ｃ，Ｂ，Ａ，共７个测点，布置见　为２．８　ｍ；下台阶长度为５　ｍ，高度为３．１　ｍ；仰拱与下台阶的长度　图１，测点选用、频次及要求参照相关规范执行。　１．２．２监控量测结果分析　控制在１０　ｍ～１４　ｍ（保证浇筑完仰拱后距下台阶的长度在１０　ｍ），　具体见图３。　掌子面　Ｌ一一　一一Ｊ　根据现场量测结果绘制分析图，见图２。　１　４４０．００　ｌ　３加０ｏ　１　２ｏ０．００　１　０８０　００　９６ｏ　００　８４ｏ　０ｏ　７２ｏ　００　６ｏｏ　００　４８０　ｏ０　３６０　０ｏ　２４０【ｘ】　１２０　ＯＯ　第２部分　第３部分　第４部分　第５部分Ｊ　０　００　＝兽定　瓮　高霜是　害　吕雹暑　暑　鲁啻鲁窖　鲁　蓉　ｇ　ｇ　ａ）平面图（单位：ｍ）　ｂ）断面圈　沓叠≤区叠叠叠蓝盛叠蓝蓝蓝　禹　禹　甍　≤盛§叠　窝蔑　图２　围岩量测水平收敛数据分析　图３三台阶施工布置图　２．２施工工艺及流程　１）在上台阶按照设计要求设置似２的超前支护（超前小导　管），小导管长度３．５　ｍ，环向问距０．３　ｍ，小导管的纵向搭接长度　根据绘制的数据分析图，我们可以得出如下结论：　１）围岩变形量大，且在个别时段变形加剧：施工过程中工序　转化时对围岩收敛变形影响较大，从图２我们可以看出在掌子面　爆破、下台阶落底及仰拱开挖等施工时，由于施工的干扰，破坏了　围岩的受力均衡性，从而加剧了围岩的变形。围岩最大变形量达　到１　４４０　ｍｍ（水平收敛）。　必须大于１．０　ｍ，并按照要求在导管上设置注浆孔并及时注水泥　浆，尾部与钢拱架焊接牢固。　２）在上、中、下三个台阶同时进行钻眼施工，根据Ｖ级加强围　岩（炭质片岩）确定每次爆破掘进进尺在０．５　ｍ～Ｉ．０　ｍ，开挖的轮　廓线根据围岩量测分析资料预留变形量４０　ｒｎｍ～５０　ｍｍ（设计预　留变形量为２５　ｎｍ）。开挖后立即进行喷、锚、网系统支护，设立　２）变形持续时间长：围岩蠕变比较严重，持续时间较长，二衬　施工之后依然存在变形。如ＤＺＫ２５６＋４７５－－ＤＺＫ２５６＋５０５共３０ｍ　段二衬拱顶和拱腰均出现较大的裂纹，很多地方甚至出现混凝土　型钢钢架并复喷至设计厚度，形成较稳定的承载拱墙。施工中应　在上台阶的左侧中部设置超前探孔（可在施工超前小导管时设　置），深度为５　ｍ，及时了解前方施工围岩情况和有无重大险情。　３）待所有钻孔全部施工完毕后，立即进行装药爆破，施工顺　序如下：上台阶、中台阶和下台阶同时爆破（利用雷管的段数可以　调整爆破时间和顺序）后，首先挖掘机开到下台阶，将中台阶第２，　块剥落，可见该类围岩的变形持续时间很长。　３）变形分布不均匀，主要表现在以下两方面：ａ．水平收敛明　显大于拱顶下沉：水平收敛的速度和累计变形量均明显大于拱顶　下沉，拱顶下沉一般累计变形在１００　ｒｎｎ１左右，水平收敛累计变形　一般达到５００　ｒｎｍ以上。局部段落最大变形量达到１　４４０　ｍｍ。　３部分的碴扒到下台阶；然后将挖掘机开到中台阶第２部分的位　ｂ．隧道围岩变形主要分布在初期支护钢架的连接处、拱脚和墙角　置（该部分宽度比第３部分宽，方便挖掘机作业），将上台阶碴扒　位置。初期支护完成后，由于受围岩变形作用力的影响，围岩应　下来；最后挖掘机下到下台阶，开始装碴，运出洞外。待碴基本出　力继续重新分布，导致初期支护受力薄弱处或者围岩压力较大处　完后，立即同时对三个台阶进行初期支护。　开始开裂掉块，侵入二衬空间；严重部位会出现钢架扭曲变形，甚　至被剪断。　３取得成果　２三台阶错位施工法　自２００６年８月开始，沪汉蓉通道武汉一安康增建第二线工　程杨河隧道西河湾横洞正洞施工遇到了大段落的炭质片岩段，由　由于施工掌子面围岩为炭质片岩，属软弱围岩，施工方法选　于起先对该类围岩的变形情况不了解，围岩发生多次变形及塌方，　用三台阶六部错位法进行掘进施工。台阶长度根据实际情况，留　施工进度非常缓慢。根据现场施工统计，２００６年８月～２００７年　出施工平台，放置小台架即可，一般为３　ｍ～５　ｍ，仰拱与下台阶的　４月的８个月时问内总掘进不到５０　ｍ，严重制约了襄渝二线总工　距离以方便出碴即可，一般为ｌ０　ｍ～１５　ｍ，二衬紧跟仰拱施作。　期目标的实现。２００７年５月１６日，我局根据现场实际情况调整　在开挖过程中，三台阶同时起爆，其不同于其他施工方法处有：１）　开挖施工方案，针对该类炭质片岩采用三台阶六部错位法施工　工作面多，循环作业时间短；２）支护及时、稳定；３）施工安全。　后，每月掘进施工进度约４０　ｍ～５０　ｍ，确保了杨河隧道西河湾横　洞于２００８年１２月３０日顺利贯通，也为襄渝二线旬阳一蜀河段　２００９年“８．３０”开通奠定了坚实的基础。　２．１　三台阶施工法布置形式　上台阶长度控制在４．５　ｍ，根据高度必须满足矢跨比ｈ／Ｌ＞　Ｏｎ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ　ｓｃｈｉｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｈｒｅｅ．ｂｅｎｃｈ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃ０ｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ＣＨＥＮ　Ｙｏｎｇ－ｊｉａｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒｉｎｋｌｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｉｎ　ｓｑｕｅｅｚｅｄ　Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ　ｓｃｈｉｓｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａ　ｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ　ｓｃｈｉｓｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｒｅｅ—ｂｅｎｃｈ　ａｎｄ　ｓｉｘ—ｐａｒｔ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｉ。ｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ　ｓｃｈｉｓｔ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｃｋ，ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｏｎ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｐｅｒｉｄ，ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｏｎｇ　ｒｏｃｋ