浅谈千枚岩隧道的设计和施工P

1浅谈千枚岩隧道的设计和施工技术徐书雷康辰陕西省公路勘察设计院[摘要]随着陕南地区高速公路建设规模的扩大，千枚岩公路隧道亦越来越多，本文结合目前在建的千枚岩隧道,总结了在软弱围岩千枚岩隧道施工中的一些行之有效的设计方法及施工经验。[关键词]千枚岩隧道设计施工SimplyTalkingaboutDesignMethodsandConstructionalTechnologyofPhylliteTunnelsXuShuleiKangChenAbsract:Withtheincreaseofexpresswayconstructionalscaleinthesouthofshaanxiprovince,moreandmorePhylliteTunnelsappeared.Combiningnowpassedandconstructingphyllitetunnels,thearticlesummarizedeffectivedesignmethodsandconstructionalexperienceintheconstructionofweakphyllitetunnel.Keyword:Phyllite;Tunnel;Design;Construction1工程概况1.1设计概况三花石隧道是国家高速公路网十天高速（G7011）陕西境汉中至略阳（陕甘界）公路中一座两车道分离式特长隧道，左、右线分别长5431米、5430米，左、右线起止桩号分别为ZK434+631~ZK440+062、YK434+620~YK440+050，净高5.2米，净宽11.25米，设计行车速度80公里／小时，纵坡0.8%、-0.8%，其中ZK438+750~ZK440+062、YK438+705~YK440+050段围岩为千枚岩，围岩等级划分为Ⅴ级、Ⅳ级。1.2千枚岩的特征千枚岩是一种具有千枚状构造的岩石，属于区域浅变质岩，是泥质、粉沙质或中酸性凝灰岩等岩石经过区域变质作用而形成的，一般颜色较浅，为黄色、绿色、褐色或灰色，经过变质作用后，原岩中的物质也大部分重结晶，生成石英、绢云母、绿泥石等。典型的矿物组合为绢云母、绿泥石和石英，可含少量长石及碳质、铁质等物质。有时含少量方解石、雏晶黑云母、黑硬绿泥石或锰铝榴石等变斑晶。常为细粒鳞片变晶结构，粒度小于0.1毫米,在片理面上常有小皱纹构造。千枚岩具有两个典型的特征，一是遇水泥化，当千枚岩含水量超过其稳定状态原始含水量时，其表现出软化、泥化的特征，特别是在富水隧道仰拱路基部位的千枚岩，经施工车辆2的碾压，迅速泥化并不断发展。二是脱水粉化，在隧道开挖过程中，千枚岩临空面会因为其水量的流失，出现崩解、剥落，强度降低，最终成为沙土。图1含水量大的千枚岩隧道的路面及边帮2千枚岩在隧道中的主要地质病害2.1含水量很少的千枚岩隧道含水量很少的千枚岩隧道在施工中，毛洞及掌子面临空面的千枚岩易风化，路基部位的千枚岩在施工车辆的反复碾压下，极易剥落粉化，形成厚厚的千枚岩微尘覆盖层，造成施工路面尘土飞扬，影响施工安全和施工效率；在隧道拱圈部位千枚岩临空面则易出现剥落，使毛洞出现超挖的情况，初支与岩面分离；而掌子面处的千枚岩，若不及时支护，会出现剥落粉化并不断发展，给施工带来安全隐患，甚至出现掉块和塌方。2.2富水的千枚岩隧道由于隧道开挖，使千枚岩原有受力平衡遭到破坏，原始含水量发生改变，千枚岩的节理面错动挤压而导致软化、泥化，往往形成滑动面，失稳、失去自承能力，最终导致塌方、冒顶、涌泥涌砂等隧道地质灾害。在富水隧道排水不畅特别是反坡情况下，千枚岩会迅速泥化并不断发展。而在已经施做完初支的富水千枚岩隧道，裂隙水由初支外侧下落至拱脚，使拱脚处千枚岩含水量大大增加，千枚岩出现软化、泥化，进而使初支对围岩变形的约束大大消弱，甚至失效。并且因为富水千枚岩隧道开挖面的不平整、千枚岩失水的时间、强度的不均匀，使千枚岩的塑性也具有不均匀性，产生挤入式变形，从而对初支拱架产生侧向应力，使拱架出现扭曲侧移，丧失部分支护能力，从而使千枚岩的变形和塑性区进一步扩大，直至破坏初支，出现各种病害。2.3千枚岩与片岩、板岩、页岩互层的隧道3图2洞口段衬砌断面在实际施工中，千枚岩常与片岩、板岩、页岩互层，这会使围岩具有各向异性的特点，围岩条件往往出现剧烈的变化；千枚岩中出现石英夹层，预示着隧道可能出现丰富的地下水活动；而千枚岩中出现炭质破碎体，预示着隧道可能出现断层破碎带。在复杂的围岩地质条件下，塌方、涌泥、涌沙等隧道地质灾害便难以避免。在极端条件下，千枚岩隧道掘进中会出现冒顶的现象。在围岩条件极差，隧道埋深较小，塌腔回填不到位的情况下，塌方也可能发展成为冒顶。3、隧道设计针对该隧道含水量大于27%的千枚岩段，进行了专项设计。3.1洞口段衬砌该段围岩实际上为V级围岩，衬砌段设在洞口而已，该衬砌初期支护为:26cm厚C20喷射混凝土，φ8X20X20钢筋网,φ42X4系统注浆钢管（L=4m,@=1mX1.2m）,I20b钢拱架@=60cm,初支仰拱封闭，拱架增加φ42X4注浆锁固；采用φ108X6大管棚超前支护，55cm厚模筑C25钢筋混凝土二衬和仰拱，单侧壁开挖。如图2.3.2V级围岩衬砌该衬砌，与洞口段衬砌唯一区别在于采用φ50X4小导管超前支护，如图3。4图3V级围岩段衬砌断面图4Ⅳ级围岩衬砌断面3.3Ⅳ级围岩衬砌该衬砌初期支护为:20cm厚C20喷射混凝土，φ8X20X20钢筋网,φ42X4系统注浆钢管和φ22系统锚杆交错布置（L=3.5m,@=1mX1m）,钢格栅拱架@=100cm,拱架增加φ42X4注浆锁固；采用φ25锚杆超前支护，40cm厚模筑C25混凝土二衬和仰拱，上、下台阶开挖。如图4。3.4封闭掌子面、超前加固方案对于掌子面涌水、涌砂还专门出了封闭掌子面、超前加固方案图，如图5.5图5封闭掌子面、超前加固方案图千枚岩隧道富水段开挖时初期变形快，围岩应力释放大，需要及早支护，控制围岩收敛。千枚岩隧道一旦出现涌水、涌沙现象，要立即封闭掌子面，防止涌泥涌砂后掌子面斜上方出现空洞，进而形成塌方等地质灾害，然后立即施做止浆墙，再进行帷幕注浆，加固围岩，填充空腔，减少开挖后隧道拱顶沉降，降低隧道拱腰水平收敛。设计要求在千枚岩隧道特别是富水千枚岩隧道的施工中，严格积极地按照新奥法的理念施工，做到短进尺，快支护，勤监测，早封闭。4、隧道施工4.1含水量少的千枚岩隧道要求加大通风，喷射混凝土采用湿喷工艺，做到短进尺，快支护，勤监测，早封闭。4.2富水千枚岩隧道隧道初支拱架，可采用注浆锁脚锚管进行固定，防止拱脚下沉或变形，这在三花石隧道千枚岩段已实施，收效良好。同时还可以在拱脚施做拱架基础，增大拱角基础受力面积，防止拱脚千枚岩泥化现象的发生。III级围岩无仰拱段应加设封闭底基层，避免以后路面开裂变形，也能促进洞内文明施工。4.3千枚岩与片岩、板岩、页岩互层的隧道正如前所述，千枚岩与片岩、板岩、页岩互层的隧道易出现塌方、冒顶，在隧道千枚岩6段出现片岩、板岩、页岩、石英岩互层的现象，就必须引起关注，要采用地质雷达、地质探孔等多种手段，摸清掌子面前方围岩情况，在对前方围岩的强度、含水量、节理结构和发育程度有一定了解和认识后，方可进行开挖。在千枚岩隧道开挖中一旦出现塌方，必须马上加固处理，以免造成更严重的损失和不可收拾的局面。在千枚岩隧道出现塌方甚至冒顶时，一般从以下几个步骤处理：a、封闭掌子面，在塌腔处预留注浆管，当洞内预留土体不能限制掌子面位移时，需从洞外拉隧道弃渣进行反压。b、对塌方、冒顶可能影响的初支完成段落进行加固，对拱架采用注浆锁脚锚管加固，塌方严重时，需全断面径向注浆加固围岩，防止已初支段落侵限失稳。c、对塌腔通过预留注浆管泵送混凝土回填。d、洞内如有积水，需拉槽排水或集中排水，以免积水对隧底特别是拱脚的浸泡，造成初支的变形失稳。e、根据塌方情况，施工超前导管或管棚进行超前支护，对塌方情况复杂的段落，可采用施做止浆墙，全帷幕注浆的方法通过。f、洞顶塌穴采用砂砾或轻质高强材料回填密实。g、对塌穴及其影响范围进行地表注浆加固，注浆深度与洞内注浆范围统一考虑。h、缩短进尺，加强支护，安全通过。三花石隧道出口第一个互层段的处理预案就是这样考虑的。图6千枚岩隧道冒顶及洞内围岩情况4.4千枚岩隧道的断层带千枚岩隧道的断层带易出现涌泥、涌砂现象，施工中应密切注意的就是地质的超前预判特别是应提前施作超前地质探孔，很好的判断下几循环掌子面的围岩状况。提前做好预案工作，避免发生突发事件。目前，三花石隧道千枚岩段断层就是采用有超前雷达地质预报结合7超前钻孔来评判和预防的。5结语根据陕西高速公路千枚岩隧道的施工情况，隧道出现病害有多方面的原因，而在导致隧道病害的诸多因素中，地下水的多少起着控制性的作用。在无水或少水的千枚岩隧道，千枚岩有较好的强度和各向同性的特点，在与片岩页岩互层出现时，仍然有较好的整体性。然而在富水的千枚岩隧道段落，围岩塑性徐变严重，收敛周期长，掌子面开挖容易出现塌方、涌泥涌砂等地质灾害，在与片岩页岩互层出现时，往往出现剧烈的围岩条件变化，大大增加了施工控制的难度。所以在富水段千枚岩施工过程中，对围岩裂隙水的封堵和引排，就变得尤为重要，而根据千枚岩的含水量情况，及时调整支护参数，控制千枚岩的变形和失水，方能保证施工质量和施工安全。参考文献：[1]交通部颁《公路隧道设计规范》，JTGD70-2004[2]交通部颁《公路隧道施工技术规范》，JTGF60-2009[3]铁道部第二勘测设计院．铁路工程设计技术手册（隧道）．北京：中国铁道出版社，1999