第三系半成岩地层隧道结构设计及施工研究.pdf
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1、总第 期交通科技 第期 收稿日期:第一作者:杨春平(),男,高级工程师,硕士。贵州省交通运输厅科技项目(黔科合重大专项字 )资助第三系半成岩地层隧道结构设计及施工研究杨春平春军伟胡强(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 )摘要第三系半成岩时间短、暴露易风化、遇水易软化,此类地层隧道施工易遇到掌子面突水涌泥、拱脚下沉、初期支护结构变形侵限等问题。文中依托云南省某隧道为研究对象,通过采取补充勘探、现场调研、理论分析,以及衬砌支护结构优化等手段,对隧道结构设计及施工措施进行深入分析研究,总结适合第三系半成岩地层隧道设计及施工的理论及方法。主要结论如下:隧道可通过设置洞内泄水孔、地表深井降水
2、有效降低地下水的水头压力,减小掌子面突水涌泥风险;隧道超前支护采用水平旋喷桩能有效控制掌子面前方加固范围,形成固结强度高、抗渗能力强的预加固体,保证施工安全;设置锁脚钢管桩、扩大拱脚的联合沉降控制方案,可有效控制隧道拱脚下沉;取消系统锚杆加强初期支护可保证结构安全。关键词隧道工程第三系半成岩地层涌水突泥地表深井降水水平旋喷桩中图分类号 随着我国建设事业的不断发展,越来越多的工程项目在第三系地层中修建,建设条件越来越复杂,施工难度越来越大。现今项目勘察设计及施工对此类地层工程地质性质在认识上存在一定偏差和不足,隧道实施后造成了一定的损失,因此对类似地层工程地质的摸索和施工方法进行研究很有必要。曹
3、峰结合渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道第三系砂岩地层施工遇到的问题,研究了半成岩的水稳问题,认为超前降水是关键。冷雅梅通过对胡麻岭隧道第三系低渗透性粉细砂地层施工方法及工程措施的研究,通过工程实践,探索适合第三系粉细砂的排水及施工方案。秦正贵等结合蒙华铁路中条山隧道勘察设计实践发现,第三系地层暴露易风化,遇水易软化,施工极易出现突水涌泥现象。于洪洋通过对第三系半成岩地层弱胶结砾岩隧道掌子面的稳定性进行系统研究,提出判断掌子面稳定性的依据,并对掌子面的稳定性进行定量分析,认为隧道掌子面附近第三系弱胶结砾岩在开挖后,其力学指标随着渗流时间的增加而降低。黄彪等结合云南省半成岩隧道,通过综合勘察手段获得了半成
4、岩一定的水文性质。吴建政研究了第三系富水半成岩砂岩段地铁车站深基坑地下水处理方案,认为该砂岩未扰动时稳定性较好,经扰动遇水易崩解,结构易破坏,开挖难度极大。蒋盼平对地面群井降水的设计方案进行了论述,通过总结相关工程经验,证明降水可大幅提高地层的摩擦角和黏聚力,提高地层的稳定性。李尧等通过对半成岩隧道破坏机理的分析,认为在半成岩地层中修建隧道,可取消系统锚杆、加强锁脚锚管的打设。水平旋喷技术能有效控制掌子面前方围岩加固范围,通过旋喷注浆形成固结强度高、抗渗能力强的预加固体。国内缺乏相应的国产水平旋喷设备,故水平旋喷注浆加固技术很少在隧道内应用。高博等通过海相地层浅埋暗挖隧道水平旋喷桩超前支护地层
5、变形规律分析研究,认为水平旋喷桩能有效减小地表沉降,极大提高海相淤泥质地层隧道开挖围岩稳定性。从上述研究成果可见,现阶段针对第三系地层隧道理论设计、施工研究已经取得了一定成绩,但主要集中在单地层地质、水文属性、施工方案、施工工艺等单方面的研究,缺乏对第三系半成岩隧道系统的设计及施工处治设计的综合研究。针对上述情况,本文结合实际项目中第三系半成岩地层隧道设计、施工的实践经验,在分析隧道施工过程中涌水、突泥、拱脚下沉、初期支护结构变形侵限频发的问题原因的基础上,提出加强排水、加强超前支护、加强锁脚措施管理等一系列综合预防控制措施。工程概况某高速公路项目位于云南省临沧市,是规划的昆明至临沧高速公路的
6、重要路段。该项目采用双向四车道高速公路建设标准,设计速度 ,路基宽度 。项目区位于青、藏、滇、缅、印尼“歹”字形构造东支中段,区域属澜沧江褶断带,断裂发育呈北东南西向延伸,经历多次构造运动,构造形迹极为复杂。其中,本项目中某一特长隧道,最大埋深 ,场区覆盖层为残坡积层()粉质黏土、碎石,下伏基岩为上第三系()砂岩夹黏土岩(半成岩)、印支期二长花岗岩、古生代变质地层澜沧群的石英片岩、变粒岩。其中隧道进口段基本全为第三系半成岩。场区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水,地下水埋藏较深,基岩裂隙水主要赋存于黏土岩夹砂岩的风化裂隙及构造裂隙中。地下水的补给来源主要靠大气降水的垂直渗入,大气降雨
7、向下补给第四系松散土层及全风化岩体中,少部分赋存于土层孔隙内和向下伏基岩风化、节理裂隙运移,大部分雨水则以坡面流形式经出口外地势低洼处径流排泄。围岩干燥时,掌子面整体稳定性稍好,掌子面情况见图。图围岩干燥时隧道掌子面当围岩中等富水时,掌子面尚有一定的自稳能力,掌子面实际现场情况见图。图围岩中等富水时隧道掌子面当围岩强富水时,围岩基本呈流砂状态。通常情况下,已完成支护结构变形较大,特别是初期支护未有效封闭成环时,支护结构拱脚下沉较快,初期支护抗裂严重,施工换拱频繁且施工时极易发生掌子面的涌水突泥等严重地质灾害,具体施工涌泥情况见图。图围岩强富水时隧道掌子面局部涌泥现场施工情况隧道进口端第三系半成
8、岩段由于大部分段落地下水丰富,围岩遇水易软化,施工过程多次发生掌子面涌水、突泥、冒顶塌方等灾害,造成施工进度严重滞后,该隧道平均月进尺不足。补充物探结果见图所示,根据物探成果反映,隧道半成岩段电阻率较低,具有多层接近水平状含水层,中间为隔水层,层间具一定赋水空隙,似带状含水层,含水层之间局部可能具有一定的承压性,围岩整体较松散,后期补充钻探也验证了物探成果。图第三系半成岩段物探成果隧道开挖改变了地下水的渗流条件,破坏了地下水平衡,导致掌子面前方地下水暂时聚集,富水区与掌子面之间水的通道连通。受重力影响,积水形成较大的地下水压力,开挖临空之后局部股状渗流携带泥沙裹挟而出,掌子面后方形成一定的囊状
9、空腔,随着时间的推移,后续开挖极易形成突水涌泥,掌子面突水涌泥情况见图。掌子面前方富水层的水排出后,留下的空腔失去支撑杨春平等:第三系半成岩地层隧道结构设计及施工研究 年第期后,局部发生向内的塌陷,空腔塌坑向上发展,局部形成地表塌陷,继而发生冒顶,现场掌子面塌方冒顶情况见图。图掌子面涌水突泥图掌子面塌方冒顶掌子面排水设计方案受地质、水文、项目建设条件等多方面的影响,本项目隧道建设过程中突水涌泥、拱脚下沉、初期支护结构变形侵限等事件频发,处治颇为耗时,已成为制约项目有序推进的重大障碍。为确保掌子面的稳定,解决此类问题的关键首先是排水。鉴于隧址区地下水在时间和空间个维度上均存在不均匀分布的情况,具
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