软岩浅埋段的设计探讨

-1-软岩浅埋段的设计探讨软岩浅埋隧道的设计，在不同地区、不同岩性各不相同。该隧道进口段所处软岩浅埋的特点：一是土石分界带在洞身的分布凹凸不平起伏较大，有的地段全处于亚粘土层，有的地段上软下硬，有的地段右软左硬；二是土石分界带存在一层软～流塑状亚粘土。对软硬不均的地段，硬岩部分必须进行爆破，产生的震动又扰动软岩，如果支护不力就会造成坍塌。针对以上问题采取了相应措施。3．1设计原则采用新奥法原理进行设计。根据实践证明，软岩浅埋隧道施工开挖后拱部围岩首先发生变形，如果对变形控制不力，将出现围岩迅速松动，产生拉裂破坏，导致坍塌直通地表。因此采取了相应设计原则：(1)胡加固地层。改变软岩的物理力学性能，提高其自稳能力，控制变形速度。(2)抑制围岩变形。选用足够刚度和早强的支持凹凸不平起伏变化大，而且还有2—4m软一流塑状亚粘土层，地下水来源又丰富，该段划为1类围岩，长度约200m；从地形上分析，有的地段(沟谷地段)又存在偏压。浅埋、软岩、偏压三大难点同时存在，给设计和施工带来一定困难。本文针对三大难点进行了设计和施工方案的研究分析。-2-口段地质剖面措施。(3)及时施作二次衬砌，形成闭合环受力结构．(4)加强施工措施。采用超前支护的辅助施工措施。(5)监控量测。采用监控量测手段修改和完善设计与指导施工。3．2衬砌类型的确定软岩自稳能力差，隧道支护体系除必须考虑施工过程中的受力状态外，还应考虑隧道建成后衬砌的受力状态及运营中车辆振动对支护体系的影响。因此，该隧道采用复合衬砌，该衬砌能较好的保证隧道在上述应力尹的长期稳定。3．2．1初期支护设计根据以上设计原则，初期支护采用下列技术参数：喷射20号混凝土，厚度27～30㎝；采用中8双层钢筋网，间距20㎝×20㎝；采用刚度较大的206轻型工字钢钢架，间距0cm一，纵向连接筋为~D22钢筋，长60cm，间距100cm；拱脚锁脚锚固采用小导管(~P42X3．5mm)注浆代替锁脚锚杆，长3．5m；加固围岩措施：采用小导管周壁注浆，同时也代替径向系统锚杆．技术参数：中42X3．5mm热扎无缝钢管，长3．5m。注浆参数为：水灰比o．5c1一l：1，适当掺入5％一10％的水玻璃，注浆压力o．5～1．0MPa。-3-以上参数在施工过程中根据围岩实际情况，可进行调整。3．2．2二次衬砌的确定I类围岩地段岩层稳定性很差，又是浅埋、偏压，山体压力大，早期变形快，为达到变形稳定，初期支护采取的加强措施投资甚多，因为浅埋隧道荷载较明确，可以提前施作二次衬砌，此时应按实际受力情况计算，确定二次衬砌设计参数。本设计是根据浅埋地层压力明确，初期支护构结及其承受能力已定的情况下，对二次衬砌进行了结构受力计算，并结合工程类比法，确定了二次衬砌的设计参数。衬砌形式为马蹄形，衬砌为厚度50chi的20号钢筋混凝土结构。因二次衬砌是受力结构，在初期支护施作后，应及时砌筑二次衬砌，否则初期支护承受不了山体压力的增长速度而遭到破坏．3．2．3预留变形量的确定1类围岩的预留变形量在规范中没有确定，现根据软岩浅埋段开挖后早期压力大、变形快的特点，以及以往修建软岩浅埋隧道由于预留变形量不足造成衬砌侵限现象的教训，结合该工点地下水富集，软～流塑状亚粘土层的存在等因素，为确保隧道内净空不因设计不当造成侵限，预留变形量暂定35cm，在监控量测的指导下，再根据实测围岩变形情况进行调整。-4-3．3防排水措施软岩浅埋段亚粘土层松散，透水性好，地表水下渗多，造成地下水位高于隧道顶部，根据实际情况，防排水采取以下措施。3．3．1施工排水与降水雨季地表迳流情况：RK76+390～+440段，地表为一低洼山坳，该段洞顶埋深最浅处仅8m，经雨天观察，一般大、中雨地表未形成明显的流水现象，而是大部从植被发育地带往下渗，只有暴雨时山坳才有地表水流。从施工情况看，施工至RK76+405～+417段时，地下水不断从掌子面外流，形成股水，流量约330m3／d，流塑状的亚粘土从右侧涌出，造成初期支护迅速下沉，当时采取应急加固支撑措施，才控制了围岩变形。为了施工的安全，采取子地表设环状截水沟及深井降水措施。地表截水沟环绕山坳修筑，截水沟底宽60cm，高60cm，梯形截面。深井设于隧道开挖外轮廓线以外6．om处，左、右侧各设3口井，间距5m，井底置于仰拱以下2m(见图2)。深井降水效果：实际只挖3口井(1号、2号、4号)，1号井挖深21m，抽水量达360m3／d；2号井挖深18m，抽水量达24m’／d；4号井挖深21m，抽水量达36m3／d。2号、4号井抽水量少，主要是深井间距较近的结果，总之，深井降-5-水达到了预期的降水效果。结合以上3口井的抽水情况看，当1号井挖至隧道拱脚处标高时，洞内初期支护上原渗水现象消失，同时RK76+409处地下水涌水量由原来的330m／d降至基本停止涌出。深井降水给软岩施工创造了有利条件。3．3．2洞内防排水设计(1)防水措施。初期支护与二次衬砌之间敷设一层PVC复合防水层，作为主要防水措施，防水层的敷设范围自拱部至边墙下部；二次衬砌混凝土内掺(掺量为水泥用量的7％)的FS防水剂，使混凝土防水能力达到S，以上；施工缝、沉降缝均采用中埋式橡胶止水带；周壁小导管注浆：一是加固围岩，提高自稳能力：二是注浆充填土体孔隙，提高其密实度，增强防渗能力。(2)排水措施。隧道环向、横向排水，根据开挖时渗水情况用中50mm和中100mmPVC软式透水管，洞内设双侧排水沟，每隔一段距离将纵向排水软式透水管的水引入边沟。4施工方案的选择及辅助施工措施的确定右线进口端I类围岩地段长约190m，埋深最浅处仅8m，上覆残坡积亚粘土，结构松散，透水性好，自稳能力差，承载力低，尤其是灰岩与亚粘土接触带为软～流塑状土达2～4m厚，极易坍塌；隧道洞身穿过-6-的岩层全处于软岩层、半软半硬层，给施工造成较大威胁，为了保证隧道安全和结构稳定，对以下几种施工方案进行了探讨，并确定切合实际的施工方法。4．1施工方案的选择4．L1上弧导加[陆时仰拱一一CD工法在软岩浅埋隧道施工，采用上弧导法施工，容易产生拱脚[；沉。使支护开裂。为了防止拱部下沉，一般都增施临时仰拱，有时还增加竖向支撑。即便是增bnl陆时仰拱，对洞身全处于软弱围岩内的地段，05难以抵抗围岩变形快，初期压力大，拱部迅速下沉的现象。原因是拱部跨度大、压力大，施工较慢，支护不及时所致。所以I类围岩必须以小断面施工，能及时封闭，也就控制了围岩的变形，达到安全的目的。该法在多座软岩浅埋隧道中施工成功率很低，但因该隧道围岩上软下硬(拱脚以上为硬岩)可采用本法。4．1．2双侧壁导坑法——眼镜法双侧壁导坑法是大跨度隧道在软岩浅埋段施工中行之有效的方法之一。此法具有开挖断面小，扰动范围小，文护快，封闭早的特点。该法机理是先墙后拱法，电就是说在拱部施工时给予拱脚强有力的支撑，控制拱脚下沉。但在地下水较富集的地层中采用此法施工，如果对水整治不力，围岩扰动后很快产生松弛，裂隙水迅速向开挖面渗透，对本来饱和的围岩来讲，遇水后很快软化，呈泥浆状，失去稳定，对-7-洞室挤压，造成坍塌。尤其是拱部跨度大，更容易坍方。采用双侧壁导坑法施工，首先对地下水进行疏排，洋碰隧道在RK76+400一+450段是适用的，原因是采取了井点降水；但对上软下硬的地质情况，转换工序困难，又拖延工期。因双侧壁导坑超前开挖，拱部滞后，当遇到上述情况后，导坑先停止掘进，拱部向前赶进度，工作面减少一半，所以该法在洋碰隧道受到地质条件的制约。再向前掘进至RK76-+-480～+615段，隧道埋置深度50m左右，距洞口(RK76+300)较远，采用深井降水或地表深孔注浆加固地层，投资都较高，这也是该法的不利之处，因此又选择CRD工法(见图3)。4．1.3CRD工法CRD工法，又称中隔墙法，此法适用于大跨或特大跨隧道施工，具有台阶法及侧壁导坑法的优点，与侧壁导坑法相比，施工速度快。本法通过中隔墙减跨，把整个断面分割成6个较小的工作面，每个工作面都能及时封闭形成环形支护，使全断面成为有力的支护体系，能有效地控制拱部下沉和收敛。CRD工法仍存在排除地下水与软岩层加固的问题，如果对地下水排除困难，施工安全性不易保障。该法分3《》台阶6个部分，每个部分都比双侧壁导坑(上、下台阶法开挖)每个台阶的净空大，因此可以从一个台阶向另一个台阶进行注浆加固，采用小导管注浆即可；在下部台阶又可设超前排-8-水管，利用真空法抽水，其方法也是有效的。CRD工法最适用于上软下硬或半软半硬的地层，一旦下部围岩变硬，马上可以转换成上弧导法施工，半软半硬地层改变成单侧壁导坑施工，按作业程序继续向前掘进，不苟误工期。所以该隧道采用此法进行掘进。CRD工法开挖步骤如图3所示：按照①I部一②'部+⑧'部一⑤v部一④N部一⑥H部一⑦Ⅶ部一⑨R部一⑧Ⅷ部一⑩X部萨4．2辅助施工措施无论采用上述那种施工方法，均需对软岩采取辅助施工措施，才能实施其施工方案。在软岩浅埋中施工，必须对洞室周壁进行加固，提高围岩的自稳能力，施作超前支护才能安全掘进。4．2．1地表砂浆锚杆加固地层浅埋地段，在地表施作砂浆锚杆，是控制地表沉降的有力措施。洋碰隧道RK?6+400一+450地段适合使用该法，但因先开挖，后研究施工方案，原设计亦未采用此法，掘进长度已过沟谷坳地。深井降水后已改变了围岩物理力学性能，自稳能力已提高，又在旱季施工，故未用此法。4．2．2长管棚注浆超前支护实践证明，沿隧道拱部开挖轮廊外缘打一排长管棚，在管内注浆加固岩层，提高其支护能力；长管棚与钢架组成支-9-护体系，以支撑和加固自稳能力极差的T类围岩防止其松弛变形，发生坍塌有显著的效果。洋碰隧道I类围岩地段采用30ln为一循环的长管棚超前支护。第一环长管棚从RK76+400～+430开始，采用~108X6mm的无缝钢管，长30m，节长有4m和6m两种，交错用丝扣联接安装，环向间距35cm．仰角2，方向与路线中线平行，纵向搭接长度1．5m。(1)长管棚注浆参数。顺序进行施工。同台阶左右作业面距离1．5～2．om，上下台阶长度2．om。各分部均先打超前小导管注浆，喷混凝土封闭掌子面，然后采用人工手持风镐开挖，手推车运碴．各分部的中隔、钢架及仰拱都必须及时封闭成环。工法施工工序注浆扩散半径：50—60cm；注浆速度及方式：30～50l／mm分段后退式注浆；凝结时间：30～300s，注浆终压：2．O一2．5MPa；水灰比：O．511～1，1，水泥与水玻璃体积比：211～32．4，浓度35Be；单孔注浆量：4．8—5．3m。(2)超前长管棚注浆步骤。水玻璃模数-10-①施工机具及准备：在每次管棚施工前，洞身扩挖一个加高加宽1．om长10m的洞室作为管棚工作室(见图4)。搭设简易工作平台。做长管棚导向拱，衬砌厚1．0m、长2．om，在导向拱内设置0127X4．5m的孔口管做为长管棚的导向管，其间距按管棚间距35cm布设，M／C一5型工程水平钻机钻孔，HFV一5D型注浆机注浆。②钻孔＼安设注浆管：逐层搭设钻机平台，将钻机钻杆伸出，对准孔口管开钻及终孔。钻孔达到设计深度后进行扫孔。撤去终孔处的孔口管，进行注浆管的安装，在孔口1．5～2．5m处，安设与钻孔直径相同的橡胶套，井用水泥砂浆封闭孔口，防止浆液沿注浆管与钻孔壁的缝隙挤出。采用钻～注的顺序进行施工。⑧配浆及注浆：采用超细水泥配制注浆浆液。采用后退式分段注浆，关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有漏水及时检修，试验压力等于注浆终压。注浆时采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐步减少，当压力升至终压时，继续压注5min再结束注浆。注浆孔在注浆结束后应及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度和强度。④注浆结束标准：每段注浆施作正常，注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80％及以上，或虽未达到设计终压，但注浆量已达设计注浆量，即可结束单孔注浆，设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注水试验-11-地层吸水率0．05L／min，粘土固结强度S0．4MPa时可结束全段注浆。4，2．3小导