隧道膏溶角砾岩施工技术

隧道膏溶角砾岩施工技术

【摘要】膏溶角砾岩隧道施工存在着较大的风险性。在工期紧张的情况下，既能满足安全质量，又能保证施工进度值得我们去深研究。通过对南吕梁山隧道2#斜井及正洞在离膏溶角砾岩段施工的经验总结得出：在施工过程中必须加强现场管控，采用正确的施工工艺，以信息指导为依托，不可盲目追求进度。

【关键词】：膏溶角砾岩施工工艺安全质量进度信息指导

0 引言

近年来，随着铁路工程建设的不断发展，建设标准越来越高，工程施工难度也越来越大，特别是隧道工程，长大隧道越来越多，地质条件越来越复杂，标准作业越抓越严，工期要求越来越短。所以在施工过程中，合理组织施工，制定合理方案尤为重要。本文就南吕梁山隧道施工过程中过膏溶角砾岩段施工所采用的方法，做一般总结。

1、膏溶角砾岩段分布

南吕梁山隧道1#斜井穿越第四系黄土、奥陶系峰峰组下段膏溶角砾岩地层，岩体破碎，如泥包石状、碎石土状，成岩程度低，属极软岩、软岩；埋深浅，强风化，两侧深沟发育，地表水容易汇入，围岩为Ⅴ级。

南吕梁山隧道2#斜井膏溶角砾岩段长度为1150m,具体分布如下：

300～650m段：隧道穿越奥陶系中统峰峰组下段膏溶角砾岩，岩体破碎，如泥包石状、碎石土状，成岩程度低，属极软岩、软岩；地表沟壑发育，地表水容易汇入隧道,围岩为Ⅴ级。

650～800m段：隧道穿越奥陶系中统峰峰组下段含石膏角砾状泥灰岩、膏溶角砾岩，属软岩、极软岩，岩体破碎。围岩为Ⅳ级。

800～950m段隧道穿越奥陶系中统峰峰组下段膏溶角砾岩，属极软岩，岩体破碎，呈碎块状。围岩为Ⅴ级。

950～1450m段：隧道穿越奥陶系中统峰峰组下段含石膏角砾状泥灰岩、膏溶角砾岩，属软岩、极软岩，岩体破碎。围岩为Ⅳ级。

2、膏溶角砾岩特性

膏溶角砾岩工程力学性质很特殊，单轴饱和抗压强度极低，隧道挖开后稳定时间很短，容易发生坍塌和大变形，如果遇水则强度很快降低,极易崩解软化，同时具有弱至中等程度的膨胀性。

3、施工方法：

3.1无水段膏溶角砾岩施工

3.1.1总体方案

根据膏溶角砾岩低强度、崩解性及遇水膨胀、强度软化的特点，借鉴国内外既有施工经验，根据本工程的实际情况，选择台阶法施工，既可实现快速施工，又能保证施工的安全性和地层适应性。

根据隧道施工经验，选择采用台阶长度在5～7m时工序干扰少，作业效率高，能更早的使支护结构形成闭合，有效控制隧道较大位移。

3.1.2台阶法主要施工工艺

膏溶角砾岩地层采用台阶法施工，台阶长度在5～7m，循环进尺0.75～2.0m。利用小台架风钻钻孔、施作锚杆，人工施做钢筋网、钢架，湿喷机喷混凝土。开挖前施做超前小导管，确保施工安全。主要施工工序为(见下图)：超前小导管注浆→开挖上台阶→上部立拱喷锚→下台阶开挖→边墙喷锚→仰拱开挖→仰拱初支→仰拱灌注→拱墙衬砌。

3.1.3膏溶角砾岩段的快速开挖步序

南吕梁山隧道施工工序如下表。核心步骤为上下台阶实施平行作业，上断面立拱和钻掏槽眼、辅助眼与下断面出碴同步进行，上断面喷浆与下半断面接腿同步进行，下断面喷浆与上断面施作周边眼同步进行 ，利用三台喷浆机同时湿喷，上下断面喷浆完即装药爆破的施工工序，从而极大地压缩了循环作业时间。

图1台阶法平行作业快速施工工序流程图

上、下台阶间距：台阶长度越短，隧道拱顶沉降量越小，因此，在施工过程中，尽量缩短台阶长度。同时考虑到上台阶施工拱部时应有4～5m的施工操作平台，因此，上、下台阶工序的间距控制在5～7m范围内。

仰拱与下台阶间距：仰拱应及早施做，根据快速施工的需要，仰拱与下

台阶的间距控制在30～50m，一方面保证下台阶有较宽裕的施工操作场地布置喷浆设备、装载机和出碴车辆等；另一方面，能够及时施工仰拱，以控制变形发展，

图2 快速施工工序间距控制示意图

3.1.4仰拱栈桥施工技术

采用了简易仰拱栈桥快速施工技术，仰拱栈桥长9m，为实现与开挖月进尺120m的进度匹配，共计采用4幅仰拱栈桥，满足了仰拱施工进度及仰拱混凝土龄期要求，从根本上消除隧底质量隐患，仰拱紧跟开挖掌子面，仰拱距开挖面30～50m，实现了隧道底部的快速封闭。

具体步骤为：仰拱超前衬砌施工，仰拱施工采用一次全幅灌注方式，一次灌注长度5～6m，分两次开挖，每次仰拱的循环开挖进尺控制在2～3m。

图3 仰拱栈桥施工纵面图

3.2富水膏溶角砾岩地段的施工对策

3.2.1有水膏溶角砾岩工程危害及施工对策

根据前面所述，膏溶角砾岩具有遇水崩解膨胀、强度软化等两大特征，但从膏溶角砾岩的试验结果看，大多数的膏溶角砾岩仅表现为弱膨胀，只有极个别试件表现为强膨胀，因而，富水地段的膏溶角砾岩最主要的工程危害仍是岩体在遇水后强度软化问题，通过研究，对富水地段不同类型的膏溶角砾岩地层可采取以下针对性的施工措施：

(1)有水地段的膏溶角砾岩，强度衰减很快，只要开挖暴露就会坍塌，因此采取超前地质预报和超前加强支护，并加强现场监控量测工作。

(2)快速闭合、减少有害松动和围岩恶化，尽快使支护结构封闭成环，减少隧道周围松动范围和水的影响。

(3)做好地下水的排水系统和地下水的封堵措施，防止地下水与泥的流失，施工时采取注浆是较好的处理措施。禁止地下水或施工用水浸泡仰拱基底，对于基底可以用钢筋混凝土硬化，这样可以起到硬化基底和降低格栅变形的作用。

(4)对有水地层软化情况的分析显示，支护结构将承受较大围岩压力，经历大变形，为从根本上控制地层变位，应对隧道周围围岩进行注浆加固，对隧道仰拱也应进行适当加固改良。

(5)支护参数应加强，尤其是仰拱，在富水条件下，考虑到岩体后期的膨胀变形和膨胀力的影响，二衬应按主要承载结构设计的基础上适当加强。

（6）仰拱的处理：有水地段的膏溶角砾岩，遇水成泥，没有承载力，因而对于仰拱地基适当改良加强是必须的，除采用混凝土桩增加地基承载控制基础沉降外，还采用一定的注浆加固、封水措施，加强薄弱部位，改善地基承载力。

3.2.2具体施工方法

通过对各种超前支护工法的研究，结合本工程的工程地质特点，主要选择造价相对较低的小导管法。

针对富水膏溶角砾岩地段制定的具体隧道施工预案和工序见图4，在采取超前支护加固辅助措施(超前小导管注浆、帷幕注浆)同时，采用环行开挖留核心土的施工方法，核心土长度不大于2m，台阶长度5～7m，循环进尺不超过1m，本着“管超前、严注浆、短进尺、强支护、勤量测、快封闭”的原则组织施工。

3.2.3全断面帷幕注浆施工

在富水膏溶角砾岩地段的施工前对隧道运用多种手段对地下水进行预测预报，根据水量大小综合选用超前小导管注浆、帷幕注浆及径向注浆对地层进行加固。现场注浆施工中，注浆参数根据现场情况进行动态调整优化。

图4注浆孔纵剖面图

4、工程保证措施

4．1加强膏溶角砾岩地段施工监控

按照设计将洞内围岩及支护状态观察、净空变化(拱顶下沉，底板隆起、净空收敛和围岩位移)围岩压力(围岩与支护结构的接触应力)、支护结构的应力状态(钢架内力和锚杆轴力)的监控量测为必测项目；围岩弹性波速度测试、初期支护喷射混凝土应变和二次衬砌混凝土应变监控量测等为选测项目。洞内观测点布设如图9。

图5量测断面布置图

4.2超前地质预报

隧道开挖过程中，必须进行超前地质预报，通过地质超前钻孔、地质雷达、红外线声波探测等办法，了解开挖前方要通过地层的地质、水文、该段的岩性特性和工程力学情况。以此来制定出科学的施工方案，避免施工的盲目性。

4.3预防隧道整体下沉和确保掌子面稳定性

在拱脚部位及边墙脚部位，存在着较大的应力集中，相对剪切应力较大，导致这些部位趋于屈服，从而使得承载能力下降，容易导致支护结构随着时间的推移，产生整体下沉，因此，为防止支护结构的整体下沉，尽快施作仰拱。

在台阶法施工中，台阶长度需要综合考虑，一方面，快速封闭支护需要台阶长度尽可能短，另一方面，掌子面稳定需要台阶长度尽可能长，同时，台阶长度的安排需要考虑施工组织的要求。

尽量采用机械和人工风镐开挖，如需爆破时，采用弱爆破。在爆破时，采用浅眼、密眼、间隔装药、光面爆破，并严格控制用药量

5、结束语

（1）膏溶角砾岩隧道施工最主要的是加强施工过程控制，切忌不可盲目追求进度；

（2）要充分认识到信息化管理在较差地质条件隧道施工中的重要性，根据测得的数据及时反馈到施工中去；

（3）建立重点工序及隐蔽工程检查制度，避免存在较大隐患；

（4）由于膏溶角砾岩隧道施工目前还未有真正意义上的专门施工方法，还需要进一步探索、完善；因此，在施工过程中，要积极与有经验的专家、科研所、设计院、大专院校等联系、沟通，提高施工水平及施工质量。

参考文献：

孙明磊 李文江 刘志春 监控量测技术在强风化膏溶角砾岩隧道施工中的应用.石家庄铁道学院土木工程分院,石家庄,050043 铁道建筑 2010年8月

胡文寿 于俊清特殊性岩土膏溶角砾岩的工程特性研究西安建材地质工程勘察院《西安工程学院学报》2003年 第1期

焦瑞虎李建华特殊性岩土——膏溶角砾岩隧道施工技术：《隧道建设》2007年 第A01期

邓建华.於昌荣.黄醒春 含水量对膏溶角砾岩力学性能影响的研究 [期刊论文] -铁道建筑2009(9)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。