綜述鐵路隧道開挖支護方法與坍塌防止措施

唐 杲 姜惠華

隨著鐵路建設(shè)的提速,隧道工程也相繼增多。由于地質(zhì)情況千變?nèi)f化,圍巖巖性、覆蓋層等不同因素的影響,極易產(chǎn)生各種不同的安全危害,在隧道工程中,影響安全因素的主要就是開挖過程中的支護方式與方法。注重了支護的方式與方法,就可以減少絕大部分在隧道開挖過程中所產(chǎn)生的一系列影響安全的事故。

1 鐵路隧道開挖支護方法

1.1 噴射混凝土

隧道開挖時,隨著開挖面的進程,向開挖成型的內(nèi)表面圍巖上噴射混凝土,目的在于使被裂隙分割的巖塊體通過混凝土粘結(jié)起來,保持巖塊體的咬合和鑲嵌作用,通過提高巖塊體的粘結(jié)力和摩擦力來有效的防止圍巖松動,從而可以避免或緩和圍巖內(nèi)表面應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生,而且給圍巖表面以抗力和剪力,使圍巖處于有利于穩(wěn)定的三軸應(yīng)力狀態(tài),同時,通過噴混凝土層自身的結(jié)構(gòu)剛度,來阻止圍巖開挖后不穩(wěn)定體的坍塌。噴射混凝土方法適用于圍巖巖體整體性較好的地段。

1.2 錨桿支護

與邊坡錨桿支護的原理類似,錨桿支護是指在巖土體中打入錨桿,目的在于約束巖土體的變形,并通過向圍巖施加壓力,使原來處于二軸應(yīng)力狀態(tài)的圍巖開挖后內(nèi)表面的圍巖保持三軸應(yīng)力狀態(tài),從而阻止了圍巖體剛度的惡化,尤其是松動區(qū)內(nèi)圍巖的剛度,阻止圍巖體開挖后的坍塌。1)錨桿的懸吊作用。由于隧道圍巖被節(jié)理、裂隙或斷層切割,開挖爆破震動可能引起局部圍巖失穩(wěn),采用錨桿將不穩(wěn)定的巖塊懸吊在穩(wěn)定的巖體上,或者將由于開挖引起應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定的圍巖,懸吊在應(yīng)力降低區(qū)以外的穩(wěn)定巖體上。2)錨桿的組合梁作用。在水平或者傾角小的層狀巖體中,錨桿能使巖體緊密結(jié)合,形成類似組合梁結(jié)構(gòu),能增加層面間的抗剪強度和摩擦力,從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

1.3 掛鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)通常是與錨桿連接在一起使用。由于錨桿布設(shè)有一定的間距,錨桿約束作用之間的圍巖土體就非常薄弱,易發(fā)生坍落,為此在錨桿之間用鋼筋網(wǎng)連接,可以使松散的圍巖土塊體處于三軸應(yīng)力狀態(tài)中,保持穩(wěn)定作用。同時錨桿之間相互連接,減小了由于單個錨桿失效,造成局部坍落的可能性。

1.4 鋼支撐

鋼支撐一般適用于以下幾種情況:1)自穩(wěn)時間很短的圍巖,在錨桿或者噴混凝土支護發(fā)揮作用之前,可能發(fā)生圍巖失穩(wěn)或坍塌危險時;2)淺埋、偏壓隧道,當(dāng)早期圍巖壓力增長快,需要提高初期支護的早期強度和剛度時;3)在難以施作錨桿、噴混凝土的砂卵石、土夾石或斷層等地層,大面積淋水地段,以及為了抑制圍巖大的變形需增加支護抗力時;4)當(dāng)需要施作超前支護,設(shè)置鋼支撐作為超前錨桿(或超前小鋼管等)的支撐構(gòu)件時。

1.5 注漿導(dǎo)管超前支護

在超前支護方法上,超前注漿導(dǎo)管其作用類似于超前錨桿。該支護方式是縱向支撐松散的巖體,在隧道開挖的開挖輪廓線施作,由后部的鋼支撐和前方未開挖部分巖土體支撐起中間部分的巖土體,起縱向梁作用。同時由于通過對導(dǎo)管內(nèi)注漿和砂漿錨桿注漿,漿液將進入巖土體的裂隙中,形成剛度較大的土層加固圈,從而提高巖土體的穩(wěn)定性,保證開挖圍巖不坍塌。這種支護方法對于裂隙發(fā)育的塊狀圍巖體效果為佳,超前注漿導(dǎo)管對圍巖土體的注漿加固作用較超前錨桿效果要突出。

1.6 管棚超前支護

管棚超前支護的工作原理:1)利用簡支梁作用的原理,由于管棚的直徑大、剛度大,同時又是較密排布置的,當(dāng)鋼管兩端支撐梁的剛度達到足夠大之后,開挖引起的變形量非常小,這時管棚就相當(dāng)于一道簡支梁,阻隔隧道開挖時釋放應(yīng)力對圍巖的作用;2)利用水泥漿液的流動性和圍巖的裂縫或孔隙,使注入的水泥漿液能與土體進行粘合而形成一種類似混凝土的固結(jié)體,從而加固圍巖土體。對于含水較小的地層還能起到一定的止水效果。

2 隧道塌方產(chǎn)生的原因

2.1 支護設(shè)計不足以及施工不規(guī)范

支護設(shè)計應(yīng)針對不同地段的地質(zhì)特征,采取不同的支護措施,不能太粗略;施工時也應(yīng)按照設(shè)計要求、規(guī)范要求嚴格施工。常發(fā)生的施工質(zhì)量問題有錨桿長度不足、錨桿砂漿不飽滿或強度尤其早期強度不足、噴漿強度與厚度達不到設(shè)計要求、鋼支撐未置于穩(wěn)定堅固的基礎(chǔ)上或鋼支撐與圍巖之間存在空隙等等。

2.2 采用施工方法和措施不當(dāng)

施工方法與地質(zhì)條件不適應(yīng),當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時,沒及時改變施工方法;施工支護不及時;地層暴露過久,引起圍巖松動、風(fēng)化;忽略了圍巖的變形規(guī)律等等因素均會導(dǎo)致隧道塌方危險。

3 隧道坍塌防治措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

隧道地質(zhì)超前預(yù)報的主要內(nèi)容:1)提供開挖掌子面前方的圍巖類別變化趨勢;2)地質(zhì)情況預(yù)報,預(yù)報掌子面前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)斷層及巖石破碎帶的地質(zhì)情況;3)開挖段前方的水文資料和可能的涌水預(yù)報;4)溶洞尺寸及位置預(yù)報。

3.2 掌握坍塌前的第一手資料

坍塌發(fā)生是有許多前兆的,如鉆進速度與回水速度的大小、鉆進感覺變化、巖石顏色的變化等。因此,掌子面工作的工人應(yīng)將有關(guān)信息及時反饋給有關(guān)方面,迅速調(diào)整后序爆破作業(yè)的爆破參數(shù),做到既保證有效進尺,又不破壞軟弱圍巖的應(yīng)力平衡。

3.3 完善施工組織設(shè)計

按照“早噴錨、強支護、快封閉”的原則完成施工組織設(shè)計,在不良地質(zhì)地段施工時,應(yīng)按照“先治水、短開挖、弱爆破、先護頂、早噴錨、強支護、早襯砌”的原則穩(wěn)步前進,合理控制開挖速度,提高初期支護的剛度和承載力。

3.4 處理好地表、地下水

在隧道進洞前應(yīng)先做好洞口工程,穩(wěn)定好洞口的邊坡和仰坡,做好天溝、邊溝等排水設(shè)施,確保地表水不致危及隧道的施工安全;采用“降、堵、泄”等方法處理地下水,提高噴射混凝土質(zhì)量,防止流砂、突水、突泥;及時排水,避免巖層長期浸泡而強度降低。

3.5 制定防塌應(yīng)急預(yù)案

為了確保隧道一旦坍塌發(fā)生意外事故時,能夠有計劃、有組織、及時、有序、高效的采取措施,做出快速反應(yīng),最大限度地減少事故對人員傷亡、財產(chǎn)損失的程度,對環(huán)境影響的程度,應(yīng)結(jié)合各項目的特點及實際情況,制定出應(yīng)急預(yù)案。儲備應(yīng)急設(shè)備、物資,尤其對城市地鐵隧道等人員集中地段的隧道工程均應(yīng)提前準(zhǔn)備。

[1] 劉志剛,趙 勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[2] 李衛(wèi)華.超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在武隆隧道巖溶地質(zhì)施工中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2002(sup):8-14.

[3] 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊?隧道(修訂版)[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

[4] 周 振.隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)[J].山西建筑,2009,35(22):324-325.