西安铁路工程职工大学.doc

西安铁路工程职工大学毕业设计（论文）包家山隧道3#斜井不良地质地段施工方法年 级：08 级学 号：0805027姓 名：陈柱专 业：地下工程与隧道工程技术2011年 5月目录第1章 工程概况 1第2章 水文地质情况1第3章 施工方法23.1 超前地质预报23.2 超前注浆小导管43.2.1 工艺原理43.2.2 小导管加工43.2.3 小导管安设43.2.4 小导管注浆4 3.3 帷幕注浆4 3.3.1 钻孔、安设注浆管53.3.2 注浆材料53.3.3 注浆设备53.3.4 注浆参数63.3.5 注浆工艺63.4 开挖73.5 支护73.5.1 支护参数73.5.2 锚杆、网片83.5.3 钢拱架83.5.4 喷混凝土83.6 超前地质预报8第4章 结论9第5章 结束语10包家山隧道3#斜井不良地质段施工方法1 工程概况由中铁隧道股份公司施工的包家山隧道3#斜井及4100米隧道中间段，地处陕西旬阳县，位于南秦岭山脉的青山和玉皇梁之间，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性多变，工程施工难度大。包家山隧道长约11.2km，是我国建设的第三长公路隧道。包家山隧道3#斜井在建设过程中作为辅助坑道道，建成后作为永久通风设施。斜井全长623米，净宽9.1米，净高6.2米，坡度36.707%，斜井与正洞交于K157+778，交角90度。斜井地质情况极其复杂，围岩极差，全部为、级围岩。因地理条件的限制，包家山隧道3#斜井选在了断层分布密集，衍生断层纵横交错，紧靠河流，地质条件极其复杂的深山沟壑之中。复杂的地质条件及巨大工期压力，使包家山隧道3#斜井成为小康高速公路的咽喉工程。该斜井作为该隧道中间段4100米的唯一施工通道，如何确保斜井的顺利建成，按时到达井底，为隧道正洞施工创造良好条件，提供服务，保证工期，成为本工程的重点和难点。斜井建设工期为11个月，标段总工期32个月。2 水文地质情况包家山隧道3#斜井所处的麻坪河河谷地段岩性为灰岩，灰岩南北受F43、F51两断层控制（为灰岩的南北边界），东西（上、下游）受局部千枚岩、炭质片岩等隔水层的制约，处在一特殊的岩溶蓄水构造之中。由于受区域构造的影响，岩石节理裂隙发育，部分地段糜棱岩化，岩体破碎，与地表连通性较好，斜井洞身所处部位富水性极强。斜井上部井口段为残积碎石土，稳定性差，易坍塌。中下部岩层为粉砂质绢云母、千枚岩与薄层状灰岩，强风化，块石或碎石镶嵌结构，裂隙发育，稳定差。FB1断层与斜井轴线重合长达232米，斜井洞身附近有4条断层穿过，几乎整个斜井洞身都受到断层破碎带影响范围内。斜井沿麻坪河平行延伸，与麻坪河平面距离不足50米，工程地质条件差，斜井坡度大，排水困难，地下水的大量存在对工程极为不利。大量地下水可能引发坍塌，岩溶和涌水的存在可能造成淹井事故，地下水对斜井施工安全构成很大威胁。在有针对性的采取了工程措施后，仅历时7.5个月，便完成了包家山隧道3#斜井的施工，施工过程有效的杜绝了安全、质量事故的出现。最终结果证明，本斜井施工难度大，施工进度快，施工质量好，成为斜井建设的又一成功典范。3 施工方法结合现场及设计情况，本工程有以下几个特点：1）断层破碎带与斜井轴线重叠长达232米，斜井洞身受断层破碎带的影响围岩破碎；2）由于斜井特殊的地质构造和岩性特征，加之临近麻坪河，又存在大量的岩溶异常区，涌、突水的可能性大；3）斜井坡大，富水性强，地下水容易汇集在掌子面，排水压力大；4）斜井入口处于地形狭窄的深山沟壑之中，斜井纵坡较大，配套设施不好布置，人员作业艰难，施工安全风险大；5）斜井要承担隧道正线4100米的施工任务，施工成功与否，直接关系着本隧道建设的目标和工期是否能实现。根据以上特点，为加快进度，保证工期，首先对3#斜井进行了优化设计，将原曲墙式衬砌变更为直墙式衬砌，使斜井有足够的空间布置4条运输轨线、辅助设施及排水系统，以提高运输能力和预防突、涌水能力。总体施工方案制定如下：在超前地质预报的指导下，按照“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量”的施工原则，在拱部超前注浆小管棚和帷幕注浆预固结围岩的保护下，按短台阶法进行施工。人工手持风钻开挖，预裂爆破，小型挖掘机装碴，配备2.5 米双滚筒绞车及两台6立方矿车运料和出碴，衬砌采用9m整体轨行式模板台车衬砌。施工方法见图3-1“斜井施工方法示意图”。 图3-1斜井施工方法示意图3.1 超前地质预报由于斜井施工的特殊性，涌水和其他不良地质灾害一旦发生，造成的后果和损失将非常严重。因此，做好超前地质预报，探明前方地质情况是保证施工快速、安全的前提和关键。本斜井的主要地质灾害为断层、涌水、岩溶，故选择了TSP203超前地质预报和超前地质钻孔相结合的地质预报手段。TSP203超前地质预报系统可以比较准确的预报工作面前方100200米范围内软弱岩层及地下水情况，预报结果与开挖实际基本吻合，预报频率为1次/100米。当TSP203超前地质预报结果显示有岩溶或大量地下水时，则辅以地质钻孔进一步探明。超前地质钻孔能有效探明前方较短距离内的岩体稳定性，地下水状态，地层岩性及产状等，对制定有效的施工措施具有指导性作用。TSP203超前地质预报实施较为简便，施工干扰小，成本低，但对地质情况的掌握有一定局限。超前地质钻孔能克服以上缺点，但对施工干扰大，成本高。因此，采用两种预报相结合的方法能很好的指导施工。TSP203超前地质预报和超前地质钻孔工作原理见图3-2“TSP超前地质预报系统示意图”和图3-3“超前探孔布置示意图” 。图3-2 TSP超前地质预报系统示意图图3-3 超前探孔布置示意图本斜井采用TSP203超前地质预报和超前地质钻孔探明K0+000+230段为断层破碎带； K0+190+270 ，K0+410+490地下水丰富； K0+410+490存在大量岩溶异常区，易发生涌水。根据预报结果，施工K0+000+190段断层破碎带，采用了超前注浆小管棚的施工措施。施工K0+190+270 ，K0+410+490富水段和岩溶异常区，采用了超前帷幕注浆加固措施。3.2 超前小管棚施工3.2.1 工艺原理 在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并压注具有胶凝性质的浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体。从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性，使超前小管棚与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。3.2.2 小导管加工将42mm无缝钢管加工成5m/根的小导管，一端加工成尖锥形，自距另一端100cm的位置开始至尖锥端之间按梅花型间距20cm布设6mm的孔眼4排，以利于小导管推进和浆液渗入破碎岩体。3.2.3 小导管安设小导管布设在拱部120范围，外插角57，环向间距40cm，纵向间距4m，即每施作一排小导管，开挖支护4m。如岩体松软，采用YT-28型风动凿岩机直接推送小导管，如遇夹有坚硬岩石处，先用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位。在施作小导管前应注意：第一，喷35cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，为注浆作好准备工作；第二，准确测量斜井中心线和高程，并按设计标出小导管的位置，误差15mm；第三，用线绳定出斜井中心面，随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向，以控制外插角达到设计的标准；第四，施工顺序为从两侧拱腰向拱顶进行，为提前注浆留好作业空间。3.2.4 小导管注浆注浆材料采用1：1水泥浆液， 42.5级普通硅酸盐水泥，浆液中掺水泥用量35的40Be水玻璃，以缩短浆液的胶化固结时间，以控制浆液的扩散范围。选用UB6型注浆泵注浆，采用浆液搅拌桶制浆。为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。由于岩体孔隙不均匀，考虑风镐环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力。采取注浆终压和注浆量双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰和拱顶。通过现场试验确定拱脚终压为1.2MPa，拱腰范围为1.0MPa，拱顶为0.8MPa。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，又达到控制注浆量的目的。3.3 帷幕注浆帷幕注浆是在整个断面上布孔，通过注浆形成筒状截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为斜井开挖面及开挖轮廓线外5.0m，注浆段长度一般为30m。3.3.1 钻孔、安设注浆管注浆孔采用TQ100型钻机成孔，开始用大直径钻头钻进2m后，安设108mm无缝钢管作为孔口管。再改用90mm钻头钻至1530m。孔口管长度150cm，孔口处缠60cm的麻丝，并用锚固剂锚固。孔位布置示意图如下： 图3-4 超前预注浆示意图(单位:cm)3.3.2 注浆材料注浆孔无水时通常采用普通水泥单液浆，但由于本斜井涌水段围岩裂隙发育，连通性好，全部选用了水泥水玻璃双液浆（CS浆）。K0+190+270段孔内涌水量相对较小，水泥浆水灰比，W:C=1. :10.8:1，C:S=1:10.8:1, 水玻璃S浆浓度30Be。K0+410+490段孔内水量较大，水灰比W:C=0.8:10.6:1，C:S=1:0.30.6,水玻璃S浆浓度3540Be。3.3.3 注浆设备机械设备的配置原则是能够满足注浆量和注浆压力的调控，本斜井注浆主要选择了KBY-50/70全液压双液注浆泵。设备配备如表1所示：表1 主要注浆设备表序号设 备 名 称数 量单 位规格性能1KBY-50/70注浆泵3台最大流量70L/min2高压注浆泵1台压力9MPa3搅拌机3台100L/min4储浆桶4个11.5m35抗振压力表4只0.116MPa3.3.4 注浆参数注浆参数主要依据设计加固范围和经验选定，本斜井均考虑注浆纵向加固长度30m，主要参数如表1所示表2 注浆参数表序号参数名称全断面深孔超前预注浆备 注1加固范围掌子面及开挖轮廓线外5m2钻孔深度15m30m3浆液扩散半径2m3凝胶时间30s150s普通水泥水玻璃双液浆4注浆速度10100L/min5注浆分段岩层较破碎且有水38m、岩层破碎且有水23m根据钻孔情况确定6注浆终压69MPa7单段注浆量1.13.32m3/m3.3.5 注浆工艺（1）注浆方式：采用前进式分段注浆工艺，钻一段，注一段。分段长度根据钻孔情况确定，若出现大的涌水或涌泥（Q10m3/h）则按23m分段；若涌水涌泥较小（Q10m3/h）或轻微卡钻，则钻孔注浆段长度可适当加大至38m。（2）超前钻孔探水：开挖到斜井K0+190及K0+430附近时，便开始施工超前钻孔，确定注浆里程及止水盘位置，防止突水淹井。（3）止水止浆盘：为防止跑浆，注浆段起始掌子面喷20CM厚混凝土作为止浆墙，以后每个注浆段终止处预留3米止水盘。（4）钻孔：钻机钻孔时必须稳固，低速开机，孔深达30后转入正常钻进，同时控制好进水量，防止塌孔。钻孔前，根据斜井的坡度准确计算钻仰（俯）角和外插角、孔深，严格按计算结果钻进。（5）注浆：安装注浆管，注浆管与钻孔采用麻丝浸水玻璃缠绕密封。注浆前应检查机械及管路状态，清洗注浆孔并做压水试验，一般压水3次，压力不低于30Kg/2。压水试验结束后，在不停泵条件下开始注浆，先注一定量稀浆后再注浓浆。对于涌水量较大岩层，浆液凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。（6）注浆顺序：注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则（序孔采取跳孔，序孔采取间隔跳孔，序孔为余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。（7）注浆结束标准：采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80%以上，即可结束注浆。（8）效果检查：注浆结束后应进行效果检查，如有不合要求，及时补注。效果检查应根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合注浆过程分析，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔涌水量应小于0.2L/mmin。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求，必要时可取芯检查。3.4 开挖 在超前预注浆或超前支护的保护下，为控制超欠挖及减少对围岩的扰动，拱部弧形及边墙周边采用风镐开挖。开挖进尺根据围岩稳定性确定为l2榀钢拱架的间距，即0.51.0m。开挖后随即架立上半断面钢拱架，施工上半断面系统锚杆和喷射混凝土。核心土及中槽开挖采用人工手持风钻打眼，松动爆破，及时施作初喷混凝土，0.6立方小型挖机配合2.5米绞车出碴。因斜井出碴方式的限定，开挖采用超短台阶法施工，上下台阶相距2m，下半断面采用跳槽开挖。3.5 支护3.5.1 支护参数 表3 斜井支护参数表衬砌类型初期支护二次衬砌备注RND25中空注浆系统锚杆8钢筋网C25喷射砼钢拱架100100cmL=350cm2020cm22cmI16工字钢50cm/榀C25砼厚50cm100100cmL=350cm2020cm22cmI20b工字钢50cm/榀C25钢筋砼厚50cm3.5.2 锚杆、网片在初喷混凝土后，用YT28型手持式风动凿岩机凿孔并清孔，应沿径向进行钻孔，确保锚入稳定岩层的深度。将RND25中空注浆锚杆插入锚孔，在锚杆尾端安装止浆塞、垫板和螺母。通过快速注浆接头将锚杆尾端和UB6型注浆机连接，压注1：1水泥浆，注浆终压必须达到设计的0.8MPa。钢筋网片采用8圆钢加工成200cm200cm的网片；挂设时网片必须随受喷面的起伏铺设，与受喷面间留3cm作为保护层，网片与系统锚杆焊接牢固。3.5.3 安设钢拱架 钢拱架按设计要求分节加工成型，各单元用螺栓联接。钢拱架严格按设计间距架立，竖直度偏差必须小于2度，且与隧道轴线垂直。架立拱部钢拱架时，严格控制左、右拱脚标高，以防拱架偏斜，影响与边墙钢拱架的圆顺连接或侵入衬砌厚度。钢拱架底部必须置于基岩上，以防下沉变形。3.5.4 喷射混凝土（1）机具：喷混凝土采用Bz5型混凝土湿喷机，压力为0.20.4MPa。（2）水泥及骨料：采用42.5R普通硅酸盐水泥；旬河河砂，砂率控制在50，含泥量3；采用规格为715mm的碎石，经试验选用石灰岩生产的各项指标均达到设计要求的碎石。 （3）水灰比：水灰比过大、过小都会使混凝土回弹量增加，浪费大量的材料；经现场多次试验确定，本斜井混凝土喷射水灰比为0.47。（4）喷混凝土：开挖后为缩短围岩的暴露时间，防止围岩进一步风化，必须先初喷混凝土厚35cm封闭围岩；待钢拱架及钢筋网安设好后，再喷混凝土1012cm；最后在下一循环喷射混凝土时分两次喷射至设计厚度。喷射前用高压风将岩壁面的粉尘和杂物吹干净，喷射作业分段、分片由下而上依次分层进行。喷头至受喷面距离保持在0.61.0m之间，喷头呈螺旋形均匀缓慢移动，一般绕圈直径在0.4m为宜。3.6 监控量测现场监控量测是隧道现代化施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全。而且还可通过量测获得围岩动态和支护工作状态的数据，为修正和确定初期支护参数，砼衬砌时间，提供信息依据，为隧道工程设计与施工积累资料。监控量测也是确保施工安全的眼睛，必须把其作为施工尤其是不良地质地段施工的一个重要工序。针对包家山隧道3#斜井的特点，施工过程中选择了超前地质预报、支护状态观测及拱顶下沉、地表下沉、周边位移量测、围岩内部位移、钢支撑内力、锚杆轴力等量测项目。现场量测项目及要求见下表。表4 量测项目及要求表项目名称方法及工具布 置测试频率115天0.51个月13个月3个月以上必测项目地质及支护状态观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘斜井全长，开挖后及初期支护后进行每次爆破后及初期支护后周边位移收敛计每1050m一个断面，每断面23对测点12次/天1次/2天12次/周12次月拱顶下沉精密水准仪每1050m一个断面，每断面23对测点12次/天1次/2天12次/周12次/月地质超前预报TSP202地质超前预报仪间隔100m一个断面地表下沉精密水准仪洞室中心线上，并与洞轴线正交平面的一定范围内布设必要数量测点1次/12天选测项目围岩内部位移洞内钻孔安设位称计每代表性地段12个断面，每断面25个测点12次/天1次/2天12次/周12次月锚杆轴力测力锚杆每代表性地段210个断面，每断面25个测点1次/天1次/2天12次/周12次月钢支撑内力测力计每10榀钢支撑一对测力计1次/天1次/2天12次/周12次/月经量测，3#斜井拱顶最大累计下沉量为15mm，水平最大累计收敛量为16mm，结果证明，结构安全可靠。4 结论（1）包家山隧道3#斜井从2006年5月进场，12月中旬到达井底，仅历时7.5个月。该斜井开挖断面积约80，坡度36.7%，围岩全部为、级，月均掘进速度达83米，无论是施工速度、质量、安全，均达到了国内斜井施工的一流水准。（2）有效的施工措施保证了施工安全，斜井施工进程没发生过任何安全事故。可见，本斜井设计支护参数满足要求，施工方法和措施得当。（3）通过断层破碎带超前小导管支护、富水段超前预注浆、人工环形及周边开挖等措施和技术的运用，从开挖结果和监控量测结果，可以得出以下结论：第一、周边人工开挖可减小对围岩的扰动，有效控制超欠挖，保证施工安全；第二、超前注浆小管导支护，可以大量减少拱部围岩的掉块，能有效保证施工安全、质量和进度；第三、斜井帷幕注浆是避免富水段发生突涌水和保障施工顺利进行的有效措施，也能减轻斜井的排水压力，降低排水费用。在本斜井的特定情况下，该措施经济可行。（4）包家山隧道3#斜井的选址无可奈何的选在地质条件极其复杂的麻坪河流域地段，业主及设计单位对该斜井能否顺利建成十分担心，施工过程中，曾三次邀请王梦恕及其他资深院士到现场进行方案论证和指导。最终，该斜井优质、快速的建成，反映出了国内施工水平和施工能力的迅速提高，为今后特长公路隧道斜井的设计和施工提供了参考。（5）斜井富水段注浆全部采用了水泥水玻璃双液浆，但该斜井地质条件差，与麻坪河平面距离不足50米，区域水系通畅，地下水活跃。开挖后地下渗流水的长期存在，使注浆材料的钠子逐渐流失。加之水压较大，双液浆的强度较低，在施工后期，部分注浆管和其他注浆薄弱部位出现喷水现象，这对后期施工和运营造成了一定影响。因此，如何改善注浆材料的性能，提高注浆效果的持久性，是今后施工需要更加重视的问题。5 结束语 在包家山隧道3#斜井的施工实践中，针对本斜井极差的地质条件，在因地制宜、灵活借鉴隧道建设经验、科学运用先进技术的基础上，采取有效的施工措施，保证了斜井不良地质地段的安全快速施工，打开了包家山隧道建设的瓶颈，为32个月建成11.2公里的包家山特长公路隧道垫定了基础。这些措施和施工方法在本斜井具体条件下是成功的，对今后特长公路隧道斜井的设计和施工可起到一定的借鉴作用。