象山隧3斜井IV级大变形段施工方案

软弱围岩大变形段施工方案一、编制目的象山隧道3#斜井施工的正洞里程，深埋均大于200m，属深埋围岩，软岩可能出现大变形，为了使软弱围岩大变形段安全、顺利、快速并保证质量地通过，特制定本施工方案。二、编制依据1、《新建铁路龙岩至厦门铁路象山隧道施工图》。2、现行铁路设计、施工及质量验收规范、规程、规定、和标准。3、象山隧道实施性施工组织设计4、《深埋特长隧道及其施工地质灾害》5、已建的深埋隧道高地应力软弱围岩大变形施工经验及科研成果。三、工程设计概况1、设计地质情况象山隧道隧址区主要构造线呈NE~SW，推断最大水平主应力方向为NW~SE，与隧道轴线夹角60°左右斜交，为N94°W。本地区地应力强度属中等应力场地区。隧道除进出口外，洞身大面积出露粉砂岩、砂岩、砂质泥岩等软质岩地层，DK25+040~DK33+350段隧道埋深＞200m，最大埋深780m。隧道洞身在软质岩开过程中，DK25+040~DK33+350段围岩可能会发生大变形，需加强支护。左（右）线隧DK（YKD）27+210~DK（YKD）DK29+235地段，隧道可能存在软岩大变形问题，除DK（YKD）28+315~DK（YKD）DK28+355采用软岩大变形衬砌外，其余地段设计暂时未考虑软岩大变形的影响。我工区施工管段内的DK27+210~DK29+235，隧道埋深大，开挖过程中，围岩会发生大变形，设计上DK（YDK）28+315~DK（YDK）28+355为Ⅳ级软岩大变形段。2、设计开挖支护情况（1）超前支护：超前小导管配合型钢钢架使用，设计参数如下：①超前小导管规格：钢管外径42mm，壁厚3.5mm热轧无缝钢管，钢管长度为3.5m；②环向间距及搭接长度：小导管环向间距40cm；纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于100cm；③外插角：5°～10°；④注浆材料：水泥砂浆水灰比0.5～1.0（重量比）；⑤注浆压力：0.5～1.0MPa，对于涌水量较大的松散破碎带，可采用具有针对性的注浆材料，有关参数具体设计时加以说明；⑥设置范围：拱部120°范围，每环设置23根。（2）开挖：采用台阶法开挖，按照30cm预留变形量。（3）初期支护:初喷混凝土4cm后，架设Ⅰ18可伸缩性工字钢架，钢架间距0.8m，相邻拱架间采用Φ22钢筋连接，环向间距1.0m。可缩性接头处应预留20cm左右宽的部位暂时不喷射混凝土，待接头合拢或围岩变形基本稳定，再喷射混凝土。在拱部设置长度为5.0m长的Φ25中空注浆锚杆，边墙及仰拱设置长度为5.0m长的Φ22砂浆锚杆，环向间距1.0m，纵向间距0.8m，梅花形布置。然后再铺设网格间距为20cm×20cm的φ8钢筋网，最后喷射C25混凝土25cm。（4）二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土，主筋采用Φ22钢筋，拱部厚50cm，边墙厚67cm，仰拱厚60cm。四、工程重点及难点（1）本段属于高地应力条件下的软弱围岩大变形，其变形特点为断面缩小，基脚下沉，拱顶上抬，拱腰开裂，基底鼓起等。变形初期不仅变形的绝对值很大，而且位移速度也很大，如不加控制或控制不及时,一旦大变形控制不好，可能出现塌方，也可能会出现初期支护侵入隧道净空，引起二次扩挖或换拱，影响施工进度和安全，造成隧道修建成本增加。（2）对大变形的预测很重要，但这又恰好是大变形研究和操作中最薄弱的环节，地应力测试困难复杂，参数不易获取，而且当前隧道设计对高地应力条件下软弱围岩大变形没有作出比较明确的规定，施工规范也只是指导性的，只有零星地见到各种科研结果，但这种科研结果非常有针对性，只针对某座隧道而言，适用性不强。（3）象山隧道富水，在高地应力下围岩软弱破碎，使其支护难度提高，变形更难控制。（4）3#斜井为有轨斜井，混凝土运输困难，仰拱的及时封闭和二衬提前施工比较困难。（5）象山隧道工期异常紧张，在围岩较差的情况下，要确保施工进度，软弱围岩超前预支护和初期支护工程量大，工序多，实现快速施工比较困难。（6）从其他高地应力条件下软弱围岩大变形隧道施工经验来看，支护参数均要通过现场监控量测的结果对预设计进行验证和调整，监控量测主要是位移监测和应力监测，应力监测技术较复杂，需要高等院校的科研机构协作完成。五、大变形的预测及判断设计说明，本地区属于中等强度地应力，在软质岩的开挖过程中可能会出现大变形，为了尽量避免大变形侵限，扩挖影响施工进度和施工安全，这就需要提前对大变形进行预测，除采用必要的超前地质预报预测外，也可按照下面积几种方法进行综合预测和判断，确保变形及早发现，及早采取措施，避免返工。1、根据《铁路隧道施工规范》（TB10204-2002）的规定，当实际应力比大于临界应力比时，则产生大变形，判定标准为：[σ2/Rb]λ=1=3[σ2/Rb]λ=2=2其中，σ2为水平地应力，Rb为围岩抗压强度。2、根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）的规定，可采用洞内围岩的单轴饱和抗压强度Rc和最大地应力（σmax）的比值来判断围岩所处的地应力状态，从而预测是否会发生大变形。采用孔径变形法或水压致裂法测试该区段最大地应力值，根据TSP超前探测中围岩弹性纵波速，超前地质钻孔对前方围岩坚硬程度的判断，在岩质变差时（估计岩石单轴饱和抗压强度低于30MPa），对洞内岩石取样测定其单轴饱和抗压强度等措施来确定是否是软岩，计算Rc/σmax的比值：当Rc/σmax=4~7，围岩处于高应力状态当Rc/σmax＜4，围岩处于极高应力状态这两种状态均可能发生大变形，可据此量化指标作为大变形的判断依据，采取大变形施工措施。也可通过表观现象来判断：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差，可判断为高地应力。岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间较长，不易成洞，可判断为高地应力。3、根据已施工段落的监控量测结果进行判断（1）根据乌鞘岭隧道的研究成果，结合本隧道的开挖尺寸，隧道围岩变形量或推算最大变形量大于或等于《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）规定的隧道初期支护极限相对位移的二倍以上时，就可以认为是大变形，对同样的地层，应采取大变形的施工措施。（2）参考铁二院对南昆线高地应力下软弱围岩大变形隧道的科研成果以及台湾学者王泰典等的研究，建议以初期支护位移值以及支护破坏现象作为标准，通过监控量测和观察来判断。当采用常规支护的隧道由于地应力较高而使其初期支护发生程度不同的破坏且位移值Ua与洞壁半径a之比大于3%，认为发生了大变形。为便于根据大变形的严重程度有针对性地选择整治措施，对不同严重程度大变形的等级采取如下分类：大变形等级分类大变形等级Ua/a（%）初期支护破坏现象轻度3~6喷混凝土层龟裂，钢架局部与喷层脱离中度6~10喷混凝土层严重开裂，掉块，局部钢架开裂，锚杆垫板凹陷严重＞10现象同上，但大面积发生，且产生锚杆及钢架变形扭曲现象注：1、表中Ua为洞壁位移，a为隧道当量半径，为监控量测点位置圆的半径。2、表中变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生，该支护体系为常规标准支护。（3）根据大变形围岩的特征来判断①围岩级别低，一般为Ⅳ、Ⅴ级围岩，少数Ⅲ级围岩（指Ⅲ级围岩中的软岩）②岩体抗压强度低，考虑试件尺寸和节理影响后，强度较低，一般小于2.5MPa。③如果将发生变形，在已经支护过的地段，通过对其支护变形状态观察来判断地应力情况。六、主要施工方法及操作要点1、主要施工方法（1）超前地质预报：采用TSP203、超前水平探孔、地质素描、数码成像技术对可能发生大变形的软岩地段进行预报。（2）超前支护：采用超前小导管注浆进行超前预支护。（3）开挖：采用台阶法开挖，下台阶滞后上台阶5m，仰拱滞后下台阶20m，采用光面爆破保证开挖成形，考虑钢拱架的安装间距，每循环控制在2.0m左右。（4）初期支护：采用全断面5m“径向长锚”+封闭式可缩性Ⅰ18钢架+全断面网喷25cm混凝土支护。（5）二衬：及时施作仰拱，仰拱距离掌子面不大于25m,采用防干扰栈桥一次性全幅灌注，每次每段灌注6m，根据监控量测结果，当变形达到0.5mm/d时，可施作二次衬砌，如果由于控制变形的需要，可提前施工二次衬砌，灌注作业面距离掌子面不大于60m，采用整体式模板台车，每次浇筑12m。（6）监控量测：监控量测应贯穿于整个施工过程，测试项目包括位移量测（拱顶下沉、拱腰收敛，拱脚收敛，墙腰收敛，隧底隆起，二次衬砌收敛），初期支护状况观察，还进行围岩内部位移、围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、锚杆轴力、初期支护与二次衬砌/模筑衬砌之间的接触应力以及二次衬砌/模筑衬砌混凝土应力7项，根据监控量测结果及时对支护参数进行优化设计，充分体现动态设计的思想。2、主要施工工艺软弱围岩大变形施工工艺流程设计如下：软弱围岩大变形施工工艺流程图上下断面同时起爆通风上台阶测量上台阶翻碴下台阶出碴上台阶翻碴、找顶安装拱架超前支护（如有）施作系统锚杆挂网下台阶测量安装拱架系统锚杆挂网下台阶钻眼上台阶喷砼下台阶喷砼上台阶钻剩余的炮眼装药、连线仰拱和拱墙混凝土施工独立于隧道开挖各个工序，不占用整个循环时间。3、各工序操作方法（1）超前地质预报施工前，根据隧道的埋深及区域构造作用的大小，确定隧道高地应力地段，采用TSP203探测预报掌子面前方围岩的强度，再通过50m超前水平探孔准确预报围岩的强度，有必要时可采取高分辨电法探测、红外探水和地质雷达等多种超前地质预报检测方法进行综合预报，准确掌握掌子面前方的围岩情况。施工中，通过掌子面地质述描判定围岩的级别、硬度及变化趋势，并利用数码成像技术对洞壁变形实时监测，对软岩的矿物成分、含水率、自由膨胀率和单轴抗压强度等进行系统地测试，根据实测参数进行数值模拟分析，必要时进行模型试验，经综合分析后，确定可能发生大变形的软岩地段，避免发生地质灾害。DK（YDK）28+315～DK（YDK）28+355段设计明确为Ⅳ级围岩大变形段，尤其注意其超前地质预报的规范性。（2）开挖开挖爆破之所以对初期支护的变形产生影响，主要是开挖爆破施工中，因炸药爆炸产生的爆破冲击波对围岩产生破坏作用，导致围岩本身的岩性发生变化，使得岩石内部结构发生变化后松散范围扩大，对初期支护产生较大的外力，因此初期支护则产生较大的变形。为了更好的保护围岩，控制变形，开挖爆破遵循“弱爆破”的原则施工，并采用台阶法施工，开挖工艺如下：施工准备→钻孔→吹孔→装药→联线→引爆→爆破检查及瞎炮处理→找顶①施工准备进入掌子面前，根据设计的循环进尺，配备3m钻杆，Φ42钻头，钻头事先安装好，安装钻头前检查钻杆是否堵塞，如堵塞应及时处理，钻头安装后，对钎尾进行保护，避免堵塞。在上一工序收工的同时，将TY28气腿式风钻搬运至工作面，检查风水管路的漏风漏水情况，出现问题及时处理，检查风钻的润滑情况，接风水管，并及时安装施工台架。②钻孔在施工准备过程中，在大量钻孔前，根据掌子面的地质情况，结合炮眼的位置，施作5.0m的超长钻孔，探明前方地质情况。施工中按照爆破设计布孔，保证钻孔的倾角，同时根据掌子面的实际情况，控制钻孔深度，使孔底基本位于同一平面。周边孔要严格控制间距、平行度与外插角，掏槽孔控制角度和孔底位置，所有钻孔根据掌子面情况控制深度和角度，使炮孔孔底基本位于同一平面上（掏槽孔除外），并布置均匀，基本达到爆破设计要求。钻进过程中，根据钻进速度、卡钎情况、排碴情况判定前方围岩有无变化，出现围岩变化及时调整爆破设计。采用钻孔中插炮杆的办法控制钻孔的角度。③吹孔吹孔必须保证孔内无残碴，使装药工作顺利进行，吹孔采用高压风配吹筒进行，吹筒末端设挡碴器，避免飞碴伤人。④装药为确保施工安全，在上台阶或下台阶钻孔时，不能在上台阶或下台阶上进行装药工作，但在上台阶钻孔时，下台阶可进行装药，下台阶钻孔时，上台阶可进行装药。周边孔应采用间隔装药，将药卷均匀地绑扎在竹片上，相互间隔一定距离，并以导爆索连接，起爆雷管安放在中部或底部药卷上。其他钻孔采用集中装药，起爆雷管一般安放在距孔底第二个药卷上。起爆雷管置于药卷的中部，其聚能穴朝孔