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1、下承式锚杆在大断面富水隧道施工中的应用研究摘要:包家山特长隧道为国家规划的包头至茂名公路大通道的控制性工程，隧道全长11.2公里，分离式双向4车道，是全国第三长公路隧道，也是公路行业目前施工难度最大的隧道之一。隧道工程地质以千枚岩为主，断层破碎带多，地下水丰富。目前国内关于富水千枚岩地层隧道施工的经验还不多，如何快速、安全的完成本工程面临的主要问题。关键词：千枚岩， 下承式，大断面，富水一、工程概况隧道按分离式单向行车双线隧道设计，设计行车速度80km/h，洞门采用1：1削竹式洞门。包家山特长隧道设计断面 m2。隧道通过地段属于南秦岭留坝-白河褶皱带，地处南羊山断裂和石泉安康断裂之间，受区域构
2、造的影响，隧道通过地段断层、褶皱发育，中生代来，本区新构造运动受秦岭构造带总体活动格局的制约，主要表现为断裂构造的继承性活动和山盆耦合的震荡性不均匀升降以及地震的多发性。影响全隧道的较大规模断层有37条断层,断层影响带宽度多为310m，个别断层宽度达到40m。断层带周边常见强构造混杂带，强糜棱岩化，片理化等，断层两侧裂隙发育岩石破碎，围岩稳定性差。褶皱共有3处，影响宽度300800m，褶皱轴部节理发育，岩体破碎，围岩稳定性差。富水段工程地质以粉砂质绢云母千枚岩夹炭质板岩为主，千枚岩含量占45左右，其饱和单轴抗压强度Rc为2.98MPa。富水段区域断层、褶皱发育，断裂带内不仅岩石破碎，而且节理裂
3、隙发育，是地下水贮存的场所和运动的通道，因此是影响围岩稳定性的主要因素。施工实际现场涌水情况，富水段单掌子面涌水量最小为31 m3/h，最大为210 m3/h。千枚岩是一种具千枚状构造的岩石，属于区域变质浅变质带岩之一。由粘土岩或火山凝灰岩等变质而成，其原岩类型与板岩相似，重结晶程度比板岩高，基本已重结晶。矿物成分以绢云母为主，多呈微粒状或片状；有时含有绿泥石、黑云母、石榴石或十字石等。主要特征是能被剥成叶片状的薄片，表面呈显著的丝绢光泽，质地软，遇水易软化。围岩节理、裂隙发育-很发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构充填泥质物，面光滑，稳定性差；千枚岩岩质软，开挖后呈泥状，稳
4、定性差，拱部易出现掉块、坍塌现象。地下水在隧道施工中，对围岩的稳定性起着很大的影响，特别是在软弱的千枚岩区，更是起着控制作用。富水千枚岩地层隧道施工，最重要的一点就是减少水对围岩的作用，控制围岩的大变形，通过监控量测掌握围岩变形规律，动态施工。我合同段富水千枚岩段长度占我标段隧道总长的25左右，如何安全、快速的通过富水段对本项目的工期要求具有决定性意义。为了确保施工安全，使施工能按计划顺利进行，中铁十二局集团小康高速N10合同段项目部联合长安大学、陕西省公路勘察设计院等单位参考乌鞘岭隧道千枚岩地段的施工经验，决定在包家山特长隧道右线选取按“三台级七步流水法”施工方案和设计支护参数施工的30m试
5、验段进行监控量测，以评估施工方案和支护参数的安全性、合理性。二、工程特点1、工期紧张，水文地质条件复杂，断层破碎带多，地下水丰富，施工难度大；2、富水千枚岩地段施工隧道，围岩的变形较大。通过本课题的研究，确定富水千枚岩地段隧道施工方法，支护参数。找出解决富水千枚岩隧道围岩变形和快速施工的方法。1.监控量测项目、方法及范围 1.1 监控量测的目的及要求1.1.1 监控量测的目的隧道施工过程中，通过监控量测要达到以下3个目的：1. 及时掌握围岩和支护结构工作状态，为隧道施工日常管理提供安全信息；2. 通过对量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以便对原设计和施工方案的合理性进行评
6、估，以确保施工安全和隧道的支护衬砌结构的可靠度；3. 为信息反馈技术和其他类似工程积累监控量测数据和经验。1.1.2 监控量测的要求1. 能快速埋设测点，且开挖后不超过24h，下次开挖前应测取初读数；2. 能快速量测数据；3. 测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力；4. 测试元件数据应准确可靠；5. 直接测读物理量，无需通过复杂计算即可直接应用；6. 测试元件在埋设后能长期有效地工作；7. 测试元件应有足够的精度与可靠性，且在现场各种变化条件的干扰下“零飘小”。1.2 监控量测的内容与方法依据公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）的要求，根据隧道的结构特点、施工工艺以及地质情况，拟定包家
7、山隧道试验段的监测的内容和方法，其中包括围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力、初期支护和二次衬砌之间的接触压力，二次衬砌混凝土内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛等方面的量测。旨在采取国内较成熟的快速、准确、可靠测试手段，对隧道施工中的关键部位进行跟踪监测。各项监测内容所采用的仪器设备和元件如表1.1所列。为减小各种因素的影响，每天尽量在同一时间段内采集数据。现场采集到的数据记录在专用表格上，原始记录表格应存档，以备日后查用。所有数据均输入到电子计算机中，使用专用的程序对数据进行计算和处理，以求全面分析围岩和衬砌的变形与受力情况。监测一段时间后，用专用软
8、件进行中期预报以及位移反分析，为下一阶段的围岩参数和衬砌支护提出具体建议，并按阶段提出监测报告。待全部监控量测完成后，对数据、资料进行进一步的系统整理、计算、分析，提出总的监测研究报告。其流程如图1.1所示。 隧道现场监控量测项目及方法 表1.1序号项目名称仪 器测 读 频 率115d15d1个月13个月3个月1净空收敛SWJ-IV收敛计12次/d1次/d12次/周12次/月2拱顶下沉精密水准仪12次/d1次/d12次/周12次/月3围岩压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月5型钢拱架应力钢弦式表面应变计12
9、次/d1次/d12次/周12次/月6纵向连接筋钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月8围岩内部位移多点位移计12次/d1次/d12次/周12次/月9接触压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月存档详细整理、计算、分析提交报告异常甲方单位监理单位设计单位现场数据采集表 格 记 录输入电子计算机稳定性分析确定正 常图1.1 数据处理流程图1.3 监控量测断面及测点布置1.3.1监测段的选取按照设计，右线在YK152+170进入富水段，
10、根据超前地质预报及现场实际施工情况，YK152+200涌水量达到80m3/h，围岩极为破碎，初步确定YK152+202向前30m即YK152+202YK152+232作为监测段，该段埋深约680m，监测断面里程为YK152+210和YK152+225。支护措施为505超前小导管，L5m，每3m施工一环，每环33根；I20工字钢架；424周壁注浆小导管；喷射C25混凝土26cm；50cm厚二次模筑防水钢筋混凝土衬砌，抗渗标号S8。其中YK152+202+217拱架间距采用50cm，152+217+232拱架间距采用75cm。该监测段监测项目包括：围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、
11、纵向连接筋应力、锚杆轴力、初期支护和二次衬砌之间的接触压力、二次衬砌内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛量测。1.3.2 监测断面测点及元件布置情况初期支护阶段监测项目主要包括：围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力，其元件布置见图1.2。二次衬砌阶段监测项目主要包括：初期支护和二次衬砌之间的接触压力、二次衬砌内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛量测，其元件布置见图1.3。（1）围岩压力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30和60）、两侧拱脚（90）、两侧墙底等九个部位的围岩与钢架间埋设钢弦式压力盒，用以监测隧道开挖过程中围岩压力的变化。（2）净空收敛监测根据现
12、场的施工方法，分别在上导（距地面约5m）、中导（隧道最大开挖线处）、下导（距地面约1m）埋设净空收敛监测测点，采用SWJ-收敛计监测隧道开挖过程中隧道内净空的变化。（3）喷混凝土应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30和60）、两侧拱脚（90）、两侧墙底等九个部位埋设钢弦式混凝土应变计，用以监测隧道开挖过程中喷射混凝土力学状态的变化。（4）型钢拱架应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30和60）、两侧拱脚（90）、两侧墙底等九个部位埋设钢弦式表面应变计，用以监测隧道开挖过程中钢架力学状态的变化。（5）纵向连接筋应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（45）、两侧拱脚（90）五个部位埋设钢筋应力计，以监测隧道开挖过程
13、中纵向连接筋应力状态的变化。（6）锚杆轴力分别在上导拱脚处左右各安装2根测力锚杆。中导、下导拱脚处左右各1根测力锚杆，每个断面共安设8根测力锚杆，以监测隧道开挖过程中锚杆轴力状态的变化。锚杆试验段测力锚杆安装示意图见图1.5。（7）初期支护和二次衬砌之间的接触压力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30和60）、两侧拱脚（90）、以及仰拱的5个部位的初期支护和二次衬砌之间埋设钢弦式双膜压力盒，用以监测隧道施工过程中接触压力的变化。（8）二次衬砌混凝土应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30和60）、两侧拱脚（90）、以及仰拱的5个部位的二次衬砌内、外两侧埋设钢弦式混凝土应变计，用以监测隧道施工过程中混凝土力学
14、状态的变化。（9）二次衬砌净空收敛监测在二次衬砌两侧墙中（隧道最大开挖线处）埋设净空收敛监测测点，采用SWJ-收敛计监测隧道施工过程中隧道净空的变化。图1.2 初期支护阶段元件布置图图1.3 二次衬砌阶段元件布置图图1.4测力锚杆安装示意图1.4 监测段元件的埋设情况富水围岩段采用三台阶开挖方法，故元件埋设也是分上导、中导、下导三阶段进行的。开挖示意图见图1.5，实际埋设情况见表1.2，各监测项目的元件数量统计见表1.3。图1.5 富水段围岩三台阶开挖示意图测试元件实际埋设情况 表1.2监测断面里程施工部位及元件埋设日期上导中导下导仰拱二次衬砌左侧右侧左侧右侧左侧右侧YK152+21012月3
15、1日1月1日1月1日1月5日1月4日3月2日2月22日3月28日YK152+2251月4日1月5日1月6日1月8日1月8日3月17日3月10日4月1日监测项目及元件数量统计 表1.3监测断面里程初期支护阶段监测项目及元件数量二次衬砌阶段监测项目及元件数量净空收敛拱顶下沉围岩压力型钢钢架应力喷射砼应力纵向连接筋应力锚杆轴力围岩内部位移接触压力混凝土应力净空收敛YK152+2091YK152+21013918958212241YK152+2152YK152+2191YK152+2201YK152+225339189582122412 监测结果与分析2.1 围岩压力本试验段围岩压力监测埋设了2个断面
16、，里程分别为YK152+210和YK152+225。其围岩压力分布见图2.29和图2.30，围岩压力时态曲线见图2.31和图2.32。其中图2.31和图2.32中Y0、Y1、Y10的“Y”表示围岩压力，数字表示不同的部位，具体部位如图2.2中元件布置所示。从监测数据来看，YK152+210断面的最大压力发生在拱顶，为0.148MPa，其他位置压力较小。YK152+225断面左、右拱腰30处压力值较大，分别为0.452 MPa和0.155MPa，左、右拱脚处的压力值也相对较大。其他部位围岩压力较小。从时态曲线上看，随着中导及下导的开挖，围岩压力在初期增长较快，随后趋于稳定。图2.29 YK152
17、+210围岩压力分布图（单位：MPa）图2.30 YK152+225围岩压力分布图（单位：MPa）图2.31 YK152+210围岩压力时态曲线图2.32 YK152+225围岩压力时态曲线2.2 净空收敛本段在隧道的上导埋设了4个收敛监测断面，里程分别为YK152+210、YK152+215、YK152+220和YK152+225；在隧道的中导埋设了3个收敛监测断面，里程分别为YK152+210、YK152+215和YK152+219；在隧道的下导埋设了2个收敛监测断面，里程分别为YK152+209和YK152+225监测结果见表2.4，收敛时态曲线见图2.33图2.41。由监控数据可以看出
18、，上导和中导收敛值较大，下导收敛最小，这与围岩在开挖过程中受到的扰动次数有关。由图2.33图2.41可以看出，上导收敛曲线在埋设初期约2周左右时间内，随着中导和下导的开挖，收敛变形急剧增长，随后收敛变形缓慢增长并最终趋于稳定；中导收敛曲线在埋设初期约1周左右时间内，随着下导的开挖，收敛变形急剧增长，随后收敛变形缓慢增长最终趋于稳定；下导收敛曲线在埋设初期约1周左右时间内收敛变形增长较快，随后收敛变形很快趋于稳定；在支护施作3周后收敛曲线已经基本稳定。 净空收敛监测结果 表2.4位置里程最大收敛值/cm最终速率/mmd-1上导YK152+21010.150.01YK152+21512.130.0
19、1YK152+22012.210.00YK152+22511.260.03中导YK152+2107.660.01YK152+2158.380.00YK152+2197.550.04下导YK152+2093.840.01YK152+2253.180.00图2.33 YK152+210上导净空收敛时态曲线图2.34 YK152+215上导净空收敛时态曲线图2.35 YK152+220上导净空收敛时态曲线图2.36 YK152+225上导净空收敛时态曲线图2.37 YK152+210中导净空收敛时态曲线图2.38 YK152+215中导净空收敛时态曲线图2.39 YK152+219中导净空收敛时态曲
20、线图2.40 YK152+209下导净空收敛时态曲线图2.41 YK152+225下导净空收敛时态曲线2.3 喷射混凝土应力本试验段喷射混凝土应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其喷射混凝土应力分布见图2.42和图2.43，喷射混凝土应力时态曲线见图2.44和图2.45。其中图2.44和图2.45中H0、H1、H10的“H”表示混凝土应力，数字表示不同的部位，具体部位如图2.2中元件布置所示。此工程初期支护采用C25喷射混凝土，其轴心抗压与抗拉设计强度值分别为12.5 Mpa和1.3 Mpa。从监测数据来看，两个断面的喷射混凝土应力主要以压应力为主，且应力
21、值不大，YK152+210断面最大压应力为3MPa，YK152+225断面最大压应力为3.9MPa；两个断面的最大拉应力值分别为-0.7MPa和-0.4MPa，均远小于喷射混凝土的极限抗拉和抗压强度。总体来看，两个断面的喷射混凝土拱部受力相对较大，其他部位相对较小。从时态曲线上看，混凝土应力在初期应力增长较快，15天左右受力基本稳定。图2.42 YK152+210喷射混凝土应力分布（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.43 YK152+225喷射混凝土应力分布（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.44 YK152+210喷射混凝土应力时态曲线图2.45 YK152+225喷射混
22、凝土应力时态曲线2.4 型钢拱架应力本试验段钢架应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其钢架应力分布见图2.46图2.49，钢架应力时态曲线见图2.50图2.53。其中图2.50图2.53中B0-1、B1-1、B10-2的“B”表示钢架应力，数字表示“部位-内外侧”，具体部位如图2.2中元件布置所示，内、外侧由数字1、2表示。从监测数据可以看出，YK152+210断面钢架内侧均处于受压状态，最大压应力发生在右拱腰30处，其应力值为132.5MPa；钢架外侧有两个部位出现拉应力，其他部位均为压应力，最大压应力发生在左拱脚处，其应力值为218.7MPa，最大拉应
23、力发生在左拱腰30处，其应力值为68.7MPa。YK152+225断面有多个部位的元件已损坏，拱架外侧最大压应力发生在又拱腰60处，其应力值为212.5MPa。从时态曲线可看出，钢架应力在初期增长急剧增长，随后钢架应力很快稳定，说明钢架受力及时。从应力的大小和随时间变化的趋势来看，钢架支护作用很明显。 图2.46 YK152+210钢架内侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉） 图2.47 YK152+210钢架外侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.48 YK152+225钢架内侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.49 YK152+225
24、钢架外侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.50 YK152+210钢架内侧应力时态曲线 图2.51 YK152+210钢架外侧应力时态曲线图2.52 YK152+225钢架内侧应力时态曲线图2.53 YK152+225钢架外侧应力时态曲线2.5 纵向连接筋应力本试验段纵向连接筋应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其监测结果见表2.5、图2.54和图2.55。其中，应力单位为MPa，“”为受压，“”为受拉，图2.25和图2.26中G0、G1、G4的“G”表示纵向连接筋应力，数字表示部位，具体部位如表2.5中所示。从监测数据可以看出，两个
25、断面的纵向连接筋应力以压应力为主，YK152+210断面的最大压应力仅为14MPa，YK152+225断面的最大压应力为48.5MPa。从时态曲线上可以看出，连接筋受力初期增长较快，约10天左右趋于稳定。纵向连接筋的受力可以说明隧道纵向也有一定的受力和变形，纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。 纵向连接筋应力监测结果 表2.5里程位置最大值/MPa占钢筋极限强度的百分比/%YK152+210拱顶7.002.1左拱腰4513.003.9右拱腰4514.004.2左拱脚-10.503.1右拱脚-6.802.0YK152+225拱顶17.005.1左拱腰45-5.001.5右拱腰
26、4548.5014.5左拱脚11.703.5右拱脚38.1011.4图2.54 YK152+210纵向连接筋应力时态曲线图2.55 YK152+225纵向连接筋应力时态曲线2.6 锚杆轴力锚杆轴力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其监测结果见表2.6，锚杆轴力分布见图2.56和图2.57。应力单位为MPa，“”为受压，“”为受拉。从监测结果可以看到YK152+210断面上导、中导、下导的锁脚锚杆大多数受拉。上导锁脚锚杆最大拉应力为137.21 MPa，中导锁脚锚杆最大拉应力为41.22 MPa，下导锁脚锚杆最大拉应力仅为15.65 MPa；YK152+225
27、断面上导、中导、下导的锁脚锚杆绝大多数受拉。上导锁脚锚杆最大拉应力为62.94 MPa，中导锁脚锚杆最大拉应力为10.22 MPa，下导锁脚锚杆最大拉应力为27.18MPa。从数据对比中可以看到上导锁脚锚杆所受的力最大，这与现场施工方法是相一致的，因为在施工过程中上导围岩受到的扰动次数最多，上导的围岩变形也最大。 锚杆轴力监测结果 表2.6隧道名称里程位置及分类最大应力/MPa包家山隧道YK152+210左拱腰约49（上导锁脚锚杆）-137.21右拱腰约49（上导锁脚锚杆）7.91左拱腰约53（上导锁脚锚杆）-114.29右拱腰约53（上导锁脚锚杆）-2.09左拱脚（中导锁脚锚杆）-21.08
28、右拱脚（中导锁脚锚杆）-41.22左墙脚（下导锁脚锚杆）-4.57右墙脚（下导锁脚锚杆）-15.65YK152+225左拱腰约49（上导锁脚锚杆）-62.94右拱腰约49（上导锁脚锚杆）-32.58左拱腰约53（上导锁脚锚杆）-36.10右拱腰约53（上导锁脚锚杆）-35.36左拱脚（中导锁脚锚杆）-10.22右拱脚（中导锁脚锚杆）-8.35左墙脚（下导锁脚锚杆）9.91右墙脚（下导锁脚锚杆）-27.18图2.56 YK152+210断面锚杆轴力分布图2.57 YK152+225断面锚杆轴力分布通过以上监控数据，可以得出如下结论：（1）净空收敛按照三台阶七步流水法施工，初支变形初期增长较快，支
29、护施作3周后变形就基本稳定。（2）喷射混凝土应力各断面喷射混凝土应力主要以压应力为主，少数部位出现了拉应力，但所受拉应力都不大，均未超过喷射混凝土的设计抗拉强度。隧道拱部喷射混凝土应力相对较大，边墙处较小。喷射混凝土应力发展具有一定的规律性,从时态曲线上看，混凝土应力在初期应力增长较快，15天左右受力基本稳定。（3）型钢拱架应力各断面型钢拱架应力以受压为主，且受力很大。应力的增长有很强的规律性。从时态曲线上看，钢架应力在初期增长急剧增长，随后钢架应力很快稳定，说明钢架受力及时，支护作用很明显。（4）纵向连接筋应力纵向连接筋受力主要以压应力为主，少数部位出现拉应力。从时态曲线上可以看出，连接筋受
30、力初期增长较快，约10天左右趋于稳定。纵向连接筋的受力可以说明隧道纵向也有一定的受力和变形，纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。（5）锚杆轴力拱部8根系统锚杆中共有3根受压，总体来说，拱部系统锚杆受力不大，表明拱部系统锚杆所起作用不很明显；锁脚锚杆绝大部分均受拉，最大拉应力为191.03MPa，表明锁脚锚杆对结构的稳定性起着一定作用。采用三台阶施工，上导围岩在施工中受到的扰动最多，围岩变形量也最大，上导锁脚锚杆所受的力往往也最大，故在施工过程中要保证锁脚锚杆特别是上导锁脚锚杆的安装质量。2.7 监控结果分析（1）对围岩的认识千枚岩地段围岩变形来势猛，持续时间长，累计变形大。
31、而且千枚岩的含量与变形有极大的关系，特别是在次级构造的作用下表现尤为突出。试验表明在现有围岩条件下，快速施工需要组合型的刚性支护，其联合作用使得围岩的松动圈在一定范围内起到不再扩大的效果。（2）台阶长度、封闭时间与变形的关系下断面开挖时变形速率达到峰值；下断面开挖前的平均变形速率下断面开挖后的平均变形速率仰拱开挖后的平均变形速率；仰拱施工后变形速率急剧降低。因此，尽早进行仰拱封闭，有利于控制变形。（3）关于预留变形量根据断面监测情况，对于该地层预留变形量可根据其涌水量和千枚岩含量的不同加以调整。本监测断的最大收敛在12cm左右，所以我们建议预留变形量按20cm预留。在大的构造带预留变形量还要加
32、大。（4）试验段锁脚锚杆绝大部分均受拉，最大拉应力为137.21 MPa，表明锁脚锚杆（实际施工中采用锁脚锚管）对结构的稳定性起着很大作用。由于采用三台阶开挖方法，随着中导、下导的开挖，上导围岩在施工中受到的扰动最多，围岩变形量往往最大，上导锁脚锚杆所受的力往往也最大。故在施工过程中要保证锁脚锚杆特别是上导锁脚锚杆的安装质量。（5）采用“三台阶七步流水法”，按照“505超前小导管，L5m，每3m施工一环，每环33根；I20工字钢架，；424周壁注浆小导管；喷射C25混凝土26cm；50cm厚二次模筑防水钢筋混凝土衬砌，抗渗标号S8。”支护措施施工，结构是安全的。其中YK152+202+217拱
33、架间距采用50cm，YK152+217+232拱架间距采用75cm，这两段的围岩压力、钢拱架内力、锚杆内力、喷射混凝土应力、净空收敛都相差不大，而且各项指标都在其允许极限值之内，所以对于一般富水千枚岩地段拱架间距我们建议取75cm。当然施工中，具体的拱架间距及拱架预留变形量要根据现场监控量测结果确定。24 报告文件之三富水千枚岩大断面公路隧道快速施工技术中铁十二局集团第二工程有限公司二七年十一月一、富水段工程地质情况二、富水千枚岩变形特点1、围岩变形来势猛且持续时间长。在开挖初期由于应力的突然释放变形快且大。2、围岩的变形与千枚岩的含量有直接的关系。千枚岩含量越高变形越大。3、变形与千枚岩地段
34、的含水量有极大的关系，水量越大，变形越大。三、施工方案和支护参数的选择按原设计，施工采用台阶法施工，每个台阶要设置临时仰供，由于本项目工期紧张，为了加快施工进度，我们请陕西省公路勘察设计院、长安大学、业主等方面的专家对富水千枚岩隧道的施工方法和支护参数进行了研讨，通过参考乌鞘岭隧道千枚岩地段的施工经验，确定取消临时仰供，变系统锚杆为径向注浆小导管，其他支护参数按设计施工，并在右线YK152+202302进行了监测试验，取得了成功（监测试验见文件之二）。四、大断面富水千枚岩隧道的开挖技术地下水在隧道施工中，对围岩的稳定性起着很大的影响，特别是在软弱的千枚岩地段，更是起着控制作用。由于本项目的工期
35、非常紧张，所以施工方案在考虑安全的同时，还要考虑快速通过。我们按照新奥法施工的理念，遵循“管超前、弱（不）爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，制定富水千枚岩地段施工方案为：“超前物探、钻探结合探水、超前注浆堵水、超短台阶人工开挖（局部辅以弱爆破）、初支加强、仰供超前、二衬紧跟。”根据以往软弱围岩隧道的施工经验、隧道断面大小及项目的工期要求，我们从下面几个方面考虑，确定采用“三台阶七步开挖平行流水作业法”施工。 1、工期紧张，工程水文地质复杂，本项目有20条断层，IV、V级围岩占70以上，围岩可变性大，因此必须设定一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法。2、能充分发挥先进的大型施工机具的优
36、势，提高工作效率，以求最佳的掘进速度和经济效益。3、对围岩扰动小，支护能及时封闭成环。施工特点三台阶七步开挖平行流水作业法存在以下优点：1、三台阶平行作业，施工空间较大、可以引入大型施工机械作业，施工效率高。2、在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法转换较快，进度稳定，安全、工期保障性强。3、施工工艺简单，施工投入少。施工工艺 1、 工艺流程 见图4-1图4-1 工艺流程2、超前地质预报（1）TSP203超前地质预报包家山隧道超前预报采用的是瑞士Amberg测量技术公司出产的TSP203地质超前预报仪。TSP203是采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点（在隧道的一侧边墙，
37、24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的三分量传感器接收。由于TSP203超前地质预报系统采取的是“多点激发、一点接收”测量方法，多点激发产生的地震波相互跟踪检验，故而能提供一种精确的测量。反射信号的强弱与反射界面两侧的岩性有很大关系， 反射界面两侧的岩性差异越大，反射回来的信号越强，预报的范围也就更大。一次预报用时1.5小时左右，需要人员45名。接收器附 件触发器起爆器记录单元掌子面雷管和炸药接收
38、器炮孔图4-2 TSP203系统的现场测试示意图备注：爆破孔布置在隧道一侧边墙，使用42mm钻头，钻孔深度为1.51.8m，钻孔向下倾斜85，每孔装药量为100150g；接受器孔使用50mm钻头，钻孔深度为2.0 m，用环氧树脂锚固，钻孔倾角为向上16.7；上述钻孔高度控制在距隧底约1.9m。（2）超前钻探包家山隧道围岩以软弱千枚岩为主，施工中我们坚持以TSP203预报为主，超前钻探为辅的预报方案，用30m超前钻探对TSP203预报结果进行验证。超前探测孔布设在上导，每个断面布3个探测孔，孔深25m，搭接长度5m。探孔用于探明前方地质，发现地下水较大时（三个探孔均出水，且单孔水流量大于5m3/
39、h），及时采用必要的堵水、止水措施和手段。在大断面富水千枚岩地段，应加强超前地质预报，施工时综合运用TSP203地质预报系、超前钻孔、开挖面岩性前推法等方法和手段预报前方工程水文地质变化，并及时动态设计、动态施工，确保该地段的安全快速通过。3、超前注浆富水千枚岩地段每3m进行一次超前注浆，小导管采用先钻孔后下钢管法施工，钻孔时开孔从工作面最后一榀工字钢拱架上部穿过，打入小导管后，钢管尾部和工字钢架焊接成整体。止浆墙采用喷射砼，掌子面上台阶范围,喷10cm厚砼进行封闭，采用2台KBY50/70注浆泵进行注浆作业。径向注浆小导管在进行初期支护时同步打设，在开挖下一循环的时候对本循环打设的径向小导管
40、进行注浆作业（为了节约时间，径向注浆管全部用铁丝绑在事先预埋在边墙的10钢筋上，采用4台KBY50/70注浆泵在开挖时注浆。（1）浆液的选择本隧道注浆以堵水为目的，选定浆液为水泥水玻璃浆液。水泥水玻璃类浆液是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定比例采用双液方式注入，必须要做细致配合比满足注浆要求的注浆材料，是一种用途极其广泛，使用效果很好的注浆材料。工地试验室根据隧道涌水量、水压等对双液浆的配合比做了大量的试验，以确定最佳的凝胶时间。在取得大量试验参数的基础上，选取能充分满足注浆扩散范围为准，保证一次注浆段（5m）固结强度，又方便施工，核算工程成本的原则，选定水灰比0.750.8:1，水玻璃浓度为
41、3035Be，体积比为1：0.31：1。（2）注浆压力压力的确定注浆压力是注浆的主要参数，它对浆液的扩散，裂隙充填，注浆效果的好坏起到决定性作用，所以必须有足够的压力克服静水压力和岩层阻力，方能达到预期的目的，因此正确选择注浆压力及合理注浆参数，是注浆过程中的关键问题，通过现场二十多次循环注浆试验，得出采用较高的注浆压力，在保证注浆质量前提下，使钻孔数尽可能减少，较高注浆压力能在充填物中造成劈裂灌注，使较弱的饱和岩层及涌水破碎带的密度、强度得到改善。此外，高压注浆压力还有助于挤出浆液中多余水份，使浆液结石的程度提高。注浆压力与围裂隙发育程度、涌水压力、浆液材料及凝胶时间有关，通过本隧道施工实践确定初压0.51MPa、终压2MPa，但是开始注浆要视具体围岩涌水量及岩性强度、完整性等因素考虑，随时作出适当调整。（3） 注浆量单孔注浆量按浆液在岩层中为均匀扩散的计算QR2Ln式中：Q单孔注浆量，m3R浆液扩散半径，m；注为浆孔长，m；n地层的裂隙，；浆液在岩石裂隙中的充填系数，视岩石情况取0.30.9；浆液消耗率。（4）小导管施工开挖前采用YT-28风动凿岩机沿拱部开挖轮廓线外10cm施钻,成孔后安装超前小导管, 用套丝短管焊接在注浆管上。用标准的42管箍拧紧