趙萬(wàn)里
摘要:鐵路工程線路大多穿越深山叢林,隧道施工占據(jù)較大比重,而隧道開(kāi)挖及支護(hù)作業(yè)方法的選擇,直接影響著隧道施工的安全、質(zhì)量及進(jìn)度,在隧道開(kāi)挖前,必須把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)納入工序管理,根據(jù)預(yù)報(bào)的圍巖等級(jí)選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒?。如果施工方法選擇不當(dāng),易造成掌子面變形、掉塊、溜坍,在軟弱、富水圍巖中極易引起已完成的拱墻初支產(chǎn)生較大變形,造成初期支護(hù)和圍巖失穩(wěn),甚至產(chǎn)生隧道洞身坍塌“關(guān)門”事件。為加強(qiáng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工安全風(fēng)險(xiǎn)防范工作,有效防范事故,因此需要對(duì)隧道開(kāi)挖、風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行研究,為以后同類工程施工組織編制提供參考經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:隧道工程地質(zhì);施工工藝;風(fēng)險(xiǎn)控制
Abstract: Most railway engineering lines cross remote mountains and forests, and tunnel construction accounts for a large proportion. Tunnel excavation and support methods directly affect the safety, quality and schedule of tunnel construction. Before tunnel excavation, advance geological prediction and monitoring measurement must be included in the process management. Appropriate construction methods are selected based on the forecasted surrounding rock grade. Inappropriate construction methods can easily cause deformation of the working area, block dropping, and topsoil slip. As tunnel construction under shallow buried and water-rich conditions is easy to cause large deformation of the completed arch wall, the initial support and surrounding rock will lose stability and even cause tunnel collapse. In order to strengthen the prevention of construction safety risks and effective prevention of accidents under complex geological conditions, tunnel excavation and risk control need to be studied to provide reference experience for the construction organization of similar projects in the future.
Keywords: Tunnel engineering geology; construction technology; risk control
一、項(xiàng)目情況
磨萬(wàn)鐵路第Ⅱ標(biāo)監(jiān)理站中咨監(jiān)理管段為:新建鐵路磨丁至萬(wàn)象線土建Ⅲ標(biāo)(D2K161+861.3~D2K166+900)、土建Ⅳ標(biāo)(DK179+520~DK253+614),正線長(zhǎng)度80.029 km。隧道18座,長(zhǎng)60.888 km,隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。
(一)工程地質(zhì)情況
地處瑯勃拉邦縫合帶內(nèi),沿線主要褶皺21個(gè)、長(zhǎng)大斷裂約30條。巖性復(fù)雜,石炭系(C)板巖夾砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r,弱風(fēng)化(W2),板巖變余結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,薄層-中厚層狀,泥鈣質(zhì)膠結(jié),質(zhì)較軟;砂巖中細(xì)粒結(jié)構(gòu),中厚層狀,鈣質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)稍硬;白云質(zhì)灰?guī)r為夾層,層位不穩(wěn)定,分布無(wú)規(guī)律,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,次級(jí)褶皺發(fā)育,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,巖質(zhì)軟硬不均[1]。
(二)工程水文情況
沿線地表水系發(fā)育,多呈格狀、羽狀水系。湄公河是老撾境內(nèi)最大的河流。
二、隧道開(kāi)挖工法選擇及其要求
中咨管段內(nèi)Ⅲ圍巖28%,Ⅳ級(jí)圍巖27%,Ⅴ級(jí)巖45%。隧道群穿越山嶺,洞口段及淺埋段Ⅴ級(jí)巖居多,進(jìn)洞后多為Ⅳ級(jí)圍巖,進(jìn)入山嶺腹地埋后,Ⅲ圍巖居多。鐵路單線隧道Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法開(kāi)挖;Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖;車站段(雙線)Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法、Ⅴ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖。管段內(nèi)的最有代表性的是Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法開(kāi)挖及Ⅳ、V級(jí)圍巖短臺(tái)階開(kāi)挖,已成熟運(yùn)用到磨萬(wàn)鐵路隧道群施工當(dāng)中[2]。
(一)Ⅲ級(jí)圍巖采用光面爆破全斷面開(kāi)挖工法在森村二號(hào)隧道成功應(yīng)用
隧道洞身開(kāi)挖根據(jù)新奧法原理組織施工,采用人工鉆爆、紅線爆破技術(shù)開(kāi)挖,爆破面積約63.05 m2,以超前水平鉆預(yù)報(bào)與TSP物探法相結(jié)合方式進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),預(yù)測(cè)隧道前方地質(zhì)條件,確保施工安全。
1. 施工準(zhǔn)備
督促項(xiàng)目部編制作業(yè)指導(dǎo)書(shū)并對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)及技術(shù)交底。
2. 圍巖判定
地質(zhì)預(yù)報(bào)小組做好掌子面圍巖判定規(guī)則,采用地質(zhì)素描方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖進(jìn)行判定,在做好TSP的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)超前水平鉆的施工,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理做好地質(zhì)狀況的核對(duì)[3]。掌子面采用C6鉆施工超前水平鉆,具體見(jiàn)圖1。
3. 光面爆破方案
(1)森村二號(hào)隧道光面爆破設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)
根據(jù)森村二號(hào)隧道的地質(zhì)條件,每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺按3 m計(jì)算,周邊眼深度為3.1 m,掏槽眼深度為3.2 m掏槽眼直徑d=50 mm,其余眼d=40 mm。采用乳化炸藥,全面布孔144個(gè),每循環(huán)裝藥量為176.2 kg。采用電雷管位差爆破技術(shù),具體通過(guò)爆破試驗(yàn)確定如下爆破參數(shù),試驗(yàn)時(shí)爆破參照下表1。
4. 測(cè)量定位布眼
鉆孔前,測(cè)量技術(shù)人員采用全站儀放樣,在掌子面放樣出隧道周邊眼的位置及中心點(diǎn)的位置,并用紅漆準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)周邊眼、掏槽眼的位置,要求放樣標(biāo)識(shí)的誤差不超過(guò)20 mm。
5. 布孔定位開(kāi)眼
(1)定位開(kāi)眼
按光面爆破設(shè)計(jì)方案給出的炮眼位置正確定位開(kāi)眼,在開(kāi)挖臺(tái)車上布置鉆機(jī)的位置,開(kāi)挖人員分工明確,檢查風(fēng)、水、電的安全使用情況,經(jīng)檢查滿足光面爆破方案后方同意開(kāi)鉆。按如下要求檢查,掏槽眼眼口間距誤差和眼底間距誤差不大于5 cm,輔助眼眼口排距、行距誤差均不大于10 cm,周邊眼眼口位置誤差不大于5 cm,眼底不得超出開(kāi)挖斷面輪廓線15 cm。
(2)鉆進(jìn)施工
根據(jù)爆破方案,選好開(kāi)眼位置,周邊眼鉆眼應(yīng)嚴(yán)格控制外插角,眼底超出開(kāi)挖邊界線不大于15 cm,其他眼鉆眼時(shí)應(yīng)垂直于開(kāi)挖面,嚴(yán)格控制炮眼間距、深度和外插角度,嚴(yán)禁炮眼角度不對(duì),深度不足。
(3)清孔施工
鉆孔達(dá)到深度后,裝藥前,必須用小直徑的鋼管通入高壓風(fēng)將炮眼中的石屑雜物吹凈。
(4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理
每個(gè)循環(huán)檢查炮孔的深度、外插角度、間距應(yīng)滿足爆破方案的要求。
6. 爆破施工藥卷堵塞
藥卷堵塞:裝藥前,對(duì)于周邊眼和中間眼用竹片和膠布將藥卷分段固定,裝藥需分片分組按設(shè)計(jì)藥量和雷管號(hào)段位進(jìn)行,所有炮眼均用黃土做的炮泥堵塞,堵塞長(zhǎng)度不小于20 cm。周邊眼用小直徑藥卷間隔裝藥,藥卷綁扎于厚竹片或鐵片上,裝入孔內(nèi)時(shí),厚竹片或鐵片朝外,周邊眼裝藥如下圖3。
7. 連接起爆網(wǎng)絡(luò)
(1)起爆網(wǎng)絡(luò)
采用電雷管并簇復(fù)式網(wǎng)絡(luò),連線順序?yàn)椋嚎變?nèi)雷管腳線分組→周邊孔導(dǎo)爆索并接→同段非電雷管雙發(fā)簇連→電雷管起爆。網(wǎng)絡(luò)連接好后要有專人進(jìn)行檢查。起爆網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖4
(2)起爆方法
警戒完成后,并確保起爆設(shè)施正常,起爆人員在安全區(qū)采用起爆器手動(dòng)起爆電雷管,并引發(fā)其他爆破品爆破。在完成爆破后15 min后進(jìn)入爆區(qū)檢查,確認(rèn)無(wú)盲炮后方可解除警戒。
(3)起爆順序
掏槽眼→輔助孔→周邊眼→底板眼。
8. 檢查爆破效果
(1)專業(yè)監(jiān)理工程師檢查項(xiàng)目
專業(yè)監(jiān)理工程師按照驗(yàn)標(biāo)要求,對(duì)開(kāi)挖輪廓線進(jìn)行檢查,檢查炮孔的殘孔率,硬巖應(yīng)大于80%,中硬巖應(yīng)大于60%,對(duì)超欠挖進(jìn)行檢查,對(duì)局部有欠挖的進(jìn)行補(bǔ)炮處理,要求每循環(huán)周邊眼的位置在同一條線上,每個(gè)循環(huán)爆破后錯(cuò)臺(tái)不大于10 cm,拱腳和墻角以上1 m范圍內(nèi)不允許欠挖[4]。
(2)爆破后檢查處理及爆破方案的優(yōu)化
爆破并通風(fēng)完畢后,由爆破人員首先進(jìn)入作業(yè)面檢查是否有盲炮或危石,若有應(yīng)按有關(guān)安全作業(yè)規(guī)程處理后,經(jīng)灑水降塵及通風(fēng)后才能讓下道工序作業(yè)人員進(jìn)場(chǎng)。
根據(jù)周邊眼的完整情況,分析原因,根據(jù)圍巖的軟硬的實(shí)際情況,及時(shí)調(diào)整周邊眼的間距及裝藥量,不斷修正和優(yōu)化光面爆破參數(shù)。使光面爆破效果達(dá)到最佳。
9. 效果評(píng)價(jià)
隧道開(kāi)挖是隧道施工的源頭,是隧道安全質(zhì)量的最關(guān)鍵工序,硬巖隧道主要依靠超前水平鉆探結(jié)合TSP物探法來(lái)預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)條件,預(yù)防掌子面進(jìn)入山體腹地后發(fā)現(xiàn)突水、突泥等安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)全斷面開(kāi)挖有利于光面爆破效果控制,大大降低了施工組織和成本控制,提高了生產(chǎn)效益。
(二)軟弱圍巖短臺(tái)階開(kāi)挖快速封閉及監(jiān)控量測(cè)信息管理在沙嫩山二號(hào)隧道的應(yīng)用
1. 基本情況
沙嫩山二號(hào)隧道出口沙拉巴土車站(雙線)布置進(jìn)入隧道690 m外,其余均為單線。隧道埋深約38~200 m,洞內(nèi)線路坡度為單面上坡,線路坡度按里程從小到大分別為5.6‰(1495 m)、1‰(595 m)。
2019年4月27日,出口上臺(tái)階掌子面里程為DK211+008。DK211+059~+018段連續(xù)出現(xiàn)紅色預(yù)警,單日最大變形90.8 mm,開(kāi)挖揭示巖性為板巖夾炭質(zhì)板巖,灰、深灰色,弱風(fēng)化W2,薄層-中層狀,炭質(zhì)板巖巖質(zhì)軟,遇水易軟化。節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體呈碎塊、板狀,受區(qū)域構(gòu)造影響,局部層間擠壓明顯,層面光滑,邊墻兩側(cè)褶皺發(fā)育,巖層產(chǎn)狀變化較大。巖層及充填的灰白色方解石石脈擠壓后破碎,出現(xiàn)泥化現(xiàn)象,遇水后圍巖軟弱,整體穩(wěn)定性及自穩(wěn)性變差,開(kāi)挖時(shí)拱部易掉塊或局部小溜坍。掌子面潮濕,下臺(tái)階兩側(cè)邊墻局部有滲水。
2. 變形情況
在施工過(guò)程中DK211+059~DK211+018段發(fā)生較大變形。
(1)監(jiān)控量測(cè)情況
截止2019年4月27日,DK211+059水平收斂累計(jì)269.46㎜,DK211+054水平收斂累計(jì)達(dá)到262.9 mm,DK211+049水平收斂累計(jì)達(dá)到315.03 mm,拱頂沉降累計(jì)達(dá)到23.1 mm;DK211+044水平收斂累計(jì)達(dá)到227.99 mm,拱頂沉降累計(jì)達(dá)到214 mm;DK211+038水平收斂累計(jì)達(dá)到241.11 mm,拱頂沉降累計(jì)達(dá)到151.9 mm;DK211+034水平收斂累計(jì)達(dá)到215.97 mm,拱頂沉降累計(jì)達(dá)到113.7 mm;DK211+028拱頂沉降累計(jì)達(dá)到124.9 mm;DK211+018拱頂沉降達(dá)到49.1 mm。
(2)變形情況
DK211+059~DK211+018段拱頂及邊墻鋼架受擠壓變形,初支出現(xiàn)多條裂縫、裂縫寬度5~8 mm,拱頂存在表層開(kāi)裂且不間斷的出現(xiàn)掉塊。施工時(shí)初支鋼架預(yù)留變形量20 cm。
3. 設(shè)計(jì)參數(shù)
變形段屬車站雙線V級(jí)復(fù)合襯砌。(支護(hù)參數(shù):1、鋼筋網(wǎng):直徑8 mm,網(wǎng)格間距:20*20 cm;2、錨桿:長(zhǎng)度4 m,間距:環(huán)*縱1.2*1.0 m;3、設(shè)拱墻I20b型鋼鋼架,間距0.8 m/榀;4、拱部設(shè)Φ42小導(dǎo)管超前支護(hù),縱向2.4 m/環(huán),環(huán)向間距0.4 m,每環(huán)42根,單根長(zhǎng)4.5 m)
4. 施工情況
掌子面DK211+008,仰拱端頭DK211+046,二襯端頭DK211+078,仰拱步距38 m,二襯步距70 m。為有效控制圍巖擠壓變形產(chǎn)生的安全隱患,現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階機(jī)械開(kāi)挖配合仰拱初支快速封閉成環(huán),開(kāi)挖過(guò)程中采取臨時(shí)橫撐加斜撐加強(qiáng)支護(hù)。詳見(jiàn)下圖,如圖5
5. 變形原因
(1)該段巖性為板巖夾炭質(zhì)板巖,薄層-中層狀,隧道的開(kāi)挖,圍巖應(yīng)力重新分布,原有的巖體平衡狀態(tài)遭到破壞,加之隧道開(kāi)挖改變了地下水徑流,地下水向隧道周邊匯集,炭質(zhì)板巖夾層巖質(zhì)軟,遇水易軟化,層間結(jié)合性變差,穩(wěn)定性變差。
(2)隧道開(kāi)挖后,拱部易松動(dòng)掉塊,開(kāi)挖輪廓難以控制,造成鋼架無(wú)法與圍巖密貼、初支背后不密實(shí)甚至出現(xiàn)空洞等因素造成圍巖松動(dòng)圏進(jìn)一步加大,洞周壓力增大,致使初期支護(hù)難以長(zhǎng)時(shí)間抵抗圍巖壓力而產(chǎn)生變形[5]。
6. 量測(cè)分析
(1)水平收斂原因分析
隧道開(kāi)挖后,下臺(tái)階開(kāi)挖及仰拱開(kāi)挖時(shí)水平收斂加大,仰拱每循環(huán)有初支段落一次開(kāi)挖大于3 m,水平收斂增加。針對(duì)軟弱圍巖遇水軟化,開(kāi)挖后先初噴4 cm進(jìn)行初支封閉,起到明顯效果。
(2)按照監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理的相關(guān)要求,增設(shè)鎖腳錨管,增設(shè)措施效果不明顯,變形未得到控制。
(3)5月18日,DK211+059~DK211+018段拱頂及左側(cè)初支存在裂縫。
(4)5月18日,DK211+059~DK211+018段,對(duì)邊墻采用水泥徑向注漿處理,中臺(tái)階安裝臨時(shí)橫撐及拱腳斜撐,水平收斂趨于穩(wěn)定。
(6)5月21日,對(duì)DK211+059~DK211+018段41 m進(jìn)行全環(huán)采用徑向注漿處理。
7. 總結(jié)
(1)軟弱圍巖的施工,必須監(jiān)控量測(cè)作為工序驗(yàn)收,測(cè)量監(jiān)理及專業(yè)監(jiān)理相互溝通,對(duì)過(guò)監(jiān)控量測(cè)信息平臺(tái)的數(shù)據(jù),及時(shí)處理預(yù)警。
(2)軟弱圍巖隧道采取短臺(tái)階施工,盡可能掌子面掘進(jìn)10 m范圍內(nèi)完成初支封閉,避免急劇收斂變形情況的發(fā)生,同時(shí)仰拱初支每3 m及時(shí)封閉成環(huán),二襯每6 m施作一個(gè)循環(huán)。同一個(gè)斷面的上臺(tái)階開(kāi)挖完成至仰拱封閉最長(zhǎng)不能大于20天。
(3)監(jiān)控量測(cè)斷面停測(cè)要求,監(jiān)控量測(cè)斷面停測(cè)需在該段施工完成仰拱,斷面變形趨于穩(wěn)定后,日均變形速率應(yīng)低于1 mm/天。鋪掛防水板之前,必須進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)斷面驗(yàn)收,填寫(xiě)《監(jiān)控量測(cè)斷面驗(yàn)收表》,《結(jié)構(gòu)防排水施作條件核查表》。
(4)監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理,消警處理按老中公司的監(jiān)控量測(cè)管理辦法的具體要求處理,發(fā)生以下監(jiān)控量測(cè)預(yù)警情況時(shí),必須采取相應(yīng)處理措施:變形速率報(bào)紅色預(yù)警,且單日變形值達(dá)到25 mm;變形速率報(bào)紅色預(yù)警,且兩日內(nèi)累計(jì)達(dá)到30 mm;變形速率報(bào)紅色預(yù)警,且三日內(nèi)累計(jì)達(dá)到35 mm;變形速率報(bào)黃色預(yù)警,且五日內(nèi)累計(jì)達(dá)到35 mm;變形速率三日內(nèi)報(bào)紅色和黃色預(yù)警,且三日內(nèi)累計(jì)達(dá)到35 mm;計(jì)變形值報(bào)黃色預(yù)警,且預(yù)留變形量不足8 cm(不含貫通誤差預(yù)留量);累計(jì)變形值報(bào)紅色預(yù)警,且預(yù)留變形量不足5 cm(不含貫通誤差預(yù)留量)[6]。
(5)監(jiān)控量測(cè)預(yù)警處理
工點(diǎn)測(cè)量班組負(fù)責(zé)打印監(jiān)控量測(cè)日?qǐng)?bào),報(bào)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理簽字,洞長(zhǎng)負(fù)責(zé)在洞口值班室留存最近15天監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)簽字的復(fù)印件;項(xiàng)目部測(cè)量隊(duì)負(fù)責(zé)監(jiān)控量測(cè)月報(bào)上報(bào)工作;工段測(cè)量組負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)填寫(xiě)《磨萬(wàn)鐵路第Ⅳ標(biāo)段監(jiān)控量測(cè)預(yù)警處置單》中測(cè)量數(shù)據(jù)分析一欄;項(xiàng)目部測(cè)量隊(duì)負(fù)責(zé)收集各洞口監(jiān)控量測(cè)預(yù)警的實(shí)際處理措施,整理成臺(tái)賬周報(bào)每周上報(bào)老中公司建設(shè)指揮部;監(jiān)控量測(cè)U0值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),V級(jí)圍巖220 mm、IV級(jí)圍巖180 mm、III級(jí)圍巖150 mm,特殊情況下,由項(xiàng)目總工牽頭確定[7]。
三、管段內(nèi)隧道施工可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)控制
中咨管理的在建鐵路橫跨的晚更新世活動(dòng)斷裂有奠邊府-瑯勃拉邦斷裂中段,斷裂未來(lái)的活動(dòng)可能對(duì)鐵路工程產(chǎn)生一定程度的影響。IV標(biāo)沿線處于地震帶中,2019年11月21日在瑯勃拉邦200 km的位置發(fā)生6級(jí)地震。
本線隧道內(nèi)主要的特殊和不良地質(zhì)地段為碳質(zhì)板巖斷層破碎帶軟弱圍巖,可能會(huì)有變形、溜塌及突水突泥等風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于初支易變形地段,及時(shí)采用徑向注漿處理措施,及時(shí)控制初支變形。對(duì)于軟巖圍巖采用短臺(tái)階快速封閉技術(shù),對(duì)于監(jiān)控預(yù)警變形較大的隧道,采用鋼架底部安裝鋼墊板,增設(shè)鋼腳錨管,增設(shè)臨時(shí)橫撐,對(duì)于掌子面發(fā)生小面積溜塌時(shí),采用反壓回處理措施,在拱頂及塌方部位預(yù)埋泵管,砼送砼,形成隧道受力拱。確保隧道安全步距處于可控狀態(tài)。對(duì)于普亞村一號(hào)隧道4-1大里程突水突泥有針對(duì)性地采取帷幕注漿、超前注漿或管道引排等方案進(jìn)行處理,效果明顯。[8]
四、評(píng)估與總結(jié)
中咨管理管段內(nèi)的硬巖全斷面開(kāi)挖,采用光面爆破技術(shù),從周邊眼的間距、孔位、外插角、裝藥量等重點(diǎn)控制,使斷面輪廓線及超欠挖得到了控制,對(duì)初支表面平整度的質(zhì)量得到了控制。
中咨管理管段內(nèi)的軟弱圍巖、不良地質(zhì)隧道,現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階開(kāi)挖工法配合“仰拱初支快速封閉成環(huán)”的措施。有效地控制了圍巖變形,確保了隧道施工安全,使得軟弱圍巖隧道施工有序推進(jìn)。
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