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宜线变形处理
2008年3月
第3期(总114)
铁道工程学报
JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY
Mar2oo8
NO.3(Ser.114)
文章编号:
1006—2106(2008)03—0042—08
宜万铁路隧道变形侵限原因分析与治理
曾蔚张民庆2¨
(1.长安大学,西安710064;2.中铁隧道集团科研所,河南洛阳471009)
摘要:
研究目的:
宜万铁路全线共有隧道159座,据统计,施工中有14座隧道21次发生了变形侵限,占隧道总
数量的8.8%。
分析变形侵限原因,提出治理方案。
研究结论:
变形侵限与隧道断面和埋深关系不大,不良地质、开挖方法、辅助工法、初期支护及时性和监控
量测信息反馈是引起变形侵限的主要原因。
研究表明:
(1)单线软岩隧道宜采用短台阶法施工,台阶长度控
制在10—15m。
双线软岩隧道宜采用CRD法、CD法施工,或采取超前注浆及大管棚支护措施下短台阶法施
工;
(2)预留变形量适当放当,Ⅳ级围岩单线5—10cm、双线10~15cm;V级围岩单线10—15cm、双线l5—
20cm;高地应力段30—40cm;(3)隧道日变形速率≥5mm/d,累计变形量≥÷时,应对初期支护补
1
强;≥10mm/d、≥÷时,应封闭、支撑、径向注浆加固;(4)软岩高地应力隧道应采取“初支一释放一强
化一衬砌”综合技术;(5)对侵限地段可采取径向注浆加固后逐榀拆换。
关键词:
隧道;变形侵限;原因分析;治理
中图分类号:
u457文献标识码:
A
AnalysesofCausesfortheDeformationIntrusionStructureAmbitofTunnel
onYichang—.WanzhouRailwayandItsTreatment
ZENGWei.ZHANGMin—qing
(1.ChanganUniversity,Xian,Shanxi710064,China;2.ScienceandTechnologyResearchInstitute,ChinaRailway
TunnelGroupCo.Ltd,Luoyang,Henan471009,China)
Abstract:
Researchpurposes:
Yichang—Wanzhourailwayhas159tunnelsand21deformationintrusionambithad
happento14tunnelsinthecourseoftunnelconstruction.upto8.8percentofalltunnels.Theanalysesofthecauses
fordeformationintrusionstructureambitoftunnelaremadeandtherelativemeasuresfordeformationintrusionstructure
ambitoftunnelareproposed.
Researchconclusions:
Thesectionalsizeandburyingdepthoftunnelarenotthecausesfordeformationintrusion
structureambit,themaincausesforitareunfavorablegeologicalconditions,excavationmethod,auxiliaryconstruction
method,primaryliningontimeandfeedbackofinformationonmeasureddata.Thestudyshows
(1)Forsingletrack
tunnel,theshortbenchedmethodshouldbeadoptedwithlengthof10—15metersandfordoubletracktunne1.CRDor
CDmethodshouldbeadopted,orthroughtheleadinggroutingandbigsteeltubesupportinadvance.theshortbenched
methodshouldbeadopted.
(2)Theobligatedistortionamountof5—10cmshouldremaininadvancetosingletrack
tunneloftheIVlevelrock,10—15cmtotwotracktunnel,10—15cmtosingletracktunneloftheVlevelrock。
15—
20cmtotwotracktunneland30—40cmtotallterrastressedtunne1.(3)Ifthedeformationspeedrateismorethanor
equalto5mmperdayandthetotalaccumulativedeformationamountismorethanorequalone—.thirdoftheobligate
distortionamount,theprimaryliningshouldbereinforced,andifspeedrateismorethanorequal10mmperdayand
收稿日期:
2008一Ol—l4
作者简介:
曾蔚,1971年出生,女,副教授;张民庆,1970年出生,男,高级工程师。
第3期曾蔚张民庆:
宜万铁路隧道变形侵限原因分析与治理43
thetota1accumula_tivedeformationamountismorethanorequaltoone—thirdoftheobligatedistortionamount,the
workingfaceshouldbeclosed,supportedandreinforcedwithradialgrouting.(4)Forsoftrockandtallterrastressed
tunne1.theintegratedtechniquesofpfima~supportandreleaseandreinforcementandliningshouldbeadopted.
f5)Forintrudestructureambitofthetunnel,firstgroutingcanbeconductedtotheintrudestructureambitandthenthe
steelLameshouldbeexchanged.
Keywords:
tunnel;deformationintrudestructureambit;reasonanalysis;treatment
在隧道工程施工中,由于开挖活动造成应力重新
调整分布,围岩压应力使支护体系发生变形,一旦支护
抗力难以满足围岩压力时,将会出现初期支护变形后
侵入设计的二次衬砌净空限界,简称“变形侵限”。
隧
道变形侵限不仅严重影响施工工期,提高工程费用,增
加安全隐患,同时,若处理措施不当则会遗留重大的质
量后患。
根据资料报道.,辛普伦(瑞士、意大利)、惠
那山(日本)、陶恩(奥地利)、家竹箐(中国)、二郎山
(中国)、乌鞘岭(中国)等隧道都出现过不同程度的变
形侵限问题,因此,如何控制变形侵限是隧道工程施工
中应当十分重视的问题。
宜万铁路东起鸦宜铁路花艳站(宜昌东站),西至
达万铁路万州站,是我国铁路路网“八纵八横”主骨架
之一,是沪一汉一蓉快速通道的重要组成部分,是连接
我国东中部地区的重要交通纽带。
宜万铁路I线全长
约377km,II线全长约288km,是我国目前在建的地
质条件最为复杂的铁路工程。
全线共设计隧道
159座,总长约346km,占线路总长度的59%,其中长
度为3~10km的隧道30座,长度大于10km的隧道
5座。
1变形侵限原因分析
在宜万铁路隧道施工过程中,据统计,截止2007
年9月,共有14座隧道21处发生了初期支护变形侵
限现象,数量占隧道总数量的8.8%。
统计结果如表1
所示。
表1宜万线隧道初期支护变形侵限统计表
最大变工程特征地质原因设计
原因施工原因
隧道名称及里程形量/
cm施工施工初及埋深跨度岩性构造应力水岩溶监测
方法方法闭合
DK49+162一隐伏五爪观66深埋单线破碎灰岩不及时
+168.5岩溶
DK55+673薄层砂岩、页岩测点王家岭30深埋单线背斜核部不当不及时
+689夹泥岩不够
DK74+O9O~+19756粉砂质页岩
DK77+~+63o60炭质页岩不当
堡镇深埋单线高地
I线DK78+89o~126炭质页岩应力
DK79+170
DK79+846~+90031炭质页岩
堡镇ⅡDK77+810~+78064炭质页岩
ⅡDK79+240一+18066深埋单线炭质页岩高地
Ⅱ线应力
IIDK79+460一+42035炭质页岩
堰家坪DK87+10o一+13o45深埋双线全风化泥质灰岩不当不当
DK11O+1o7~+12122薄层炭质灰岩、不及时高阳寨
深埋单线炭质页岩水平隐伏I线DK113
+210~+11625承压水互层岩溶
薄层炭质灰岩、隐伏隐伏高阳寨ⅡDK113+220
一
25深埋单线炭质页岩水平承压水Ⅱ线+070构造岩溶
互层
ⅡDK128+49O一灰岩夹薄层泥高地野三关34深埋单线不及时
+640质灰岩应力
吴家湾DKf67+337~+40522浅埋双线强风化泥岩不当不当不及时
铁道工程学报2008年3月
续表1宜万线隧道初期支护变形侵限统计表
最大变工程特征地质原因设计施工原因
原因
隧道名称及里程形量/
em施工施工初及埋深跨度岩性构造应力水岩溶监测
方法方法闭合
鲁竹DK2O9+435一30深埋单线粘土及黑色不
坝2+422煤炭规范不及时
周家湾DK248+594~19浅埋单线强一弱风化较发育不当
I线+624页岩
周家湾ⅡDK248+645一16浅埋单线强~弱风化较发育不当
Ⅱ线+658页岩
DK251+667~黄色黏土夹马鹿箐22深埋单线不及时不及时
+704块石
DK409+265~+295150断层较广成山深埋单线泥岩
、页岩互层不及时不及时DK407
+53o一+556l15褶皱发育
根据表1统计情况,对宜万线隧道工程初期支护变
形侵限的原因进行分析。
1.1与隧道的工程特征关系不大
隧道的工程特征主要表现为隧道埋深和隧道跨度
2个方面,根据统计,21处变形侵限在深埋隧道发生
18处,占85.7%;浅埋隧道发生3处,占14.3%;在单线隧
道发生19处,占90.5%;双线隧道发生2处,占9.5%。
如图1所示。
深埋浅埋单线双线
图1受工程特征影响的隧道变形侵限比例
由统计来看,由于对双线、浅埋隧道十分重视,工程
质量有保证,因此,发生变形侵限概率不大。
相反,对单
线、深埋隧道变形侵限概率要大,可见,变形侵限与隧道
工程特征关系不大,主要在于是否重视。
1.2不良地质是造成初期支护变形侵限的客观原因
由统计来看,隧道变形侵限地段均为泥岩、页岩、粘
土、块石土等软岩,或破碎的灰岩、薄层砂岩等,围岩级别
为Ⅳ、V级。
统计表明:
宜万线隧道初期支护变形侵限受构造影
响发生4处,比例为19%;受高地应力影响发生8处,比
例为38.1%;受地下水影响发生6处,比例为28.6%;受
隐伏岩溶影响发生3处,比例为14.3%。
如图2,发生比
例均未达到50%以上,因此,根据目前施工水平现状,构
造、高地应力、地下水、隐伏岩岩溶只是造成隧道初期支
护变形侵限的因素,只要施工中充分重视、认真对待,不
良地质段初期支护变形侵限也是可以避免的。
1o0
80
60
40
20
0
砸
》
,
划
霉词
罐
*瓣
髓
图2受不良地质影响的隧道变形侵限比例
1-3施工原因是变形侵限主观原因之一
由统计来看,除对高地应力认识水平有限外,其它情
况下都与施工有关,主要表现在施工方法、初期支护闭
合、监控量测3个方面。
因此,施工中如何加强施工方法
控制、加强初期支护闭合及时性、加强监控量测是减免初
期支护变形侵限的主要手段。
1.4设计原因也是变形侵限主观原因之一
由统计来看,对个别大跨度(双线)软岩隧道,由于受
各种原因影响,设计施工方法为短台阶法,由现场施工情
况来看,采取短台阶法施工也难以避免初期支护变形侵
限,因此,针对大跨度(双线)软岩隧道,设计施工方法或
辅助工法仍应加强。
2变形侵限工程实例
2.1构造和水共同作用引起变形侵限
2.1.1工程概况
20O5年5月19日,广成山隧道开挖到DK409+275,
揭示前方地质为泥岩、页岩互层,夹中~薄层泥质灰岩,
层间有股状裂隙水流出。
受地下水影响,岩质泥化,局部
∞舳∞柏加0
第3期曾蔚张民庆:
宜万铁路隧道变形侵限原因分析与治理45
掉块滑塌严重,DK409+280一+295段隧道右侧边墙4—
5m高处初期支护开裂,DK409+275一+280右侧边墙失
稳,侵入净空0.8—1.5m,在DK409+277拱部出现长
4m、高5m的坍洞。
如图3所示。
图3广成山隧道DK409+265一+295段坍塌及变形侵限
2.1.2原因分析
该段发育F6断层,页岩产状多变,层间褶皱发育,岩
层间节理发育,岩体破碎,并受地下水影响,岩质易泥化,
形成局部顺层滑坍,造成变形侵限。
2.1.3处理措施
(1)对DK409+277坍洞采用(25混凝土回填。
(2)对DK409+265一+295右侧边墙及拱部采取
3m径向注浆加固。
(3)对DK409+265一+275拱部及右侧边墙采取超
前小导管支护,格栅钢架支撑,间距1榀/0.5m。
(4)对DK409+275一+280段进行换拱。
2.2高地应力引起变形侵限
2.2.1工程概况
堡镇隧道DK79+170一DK78+890段为炭质页岩夹
泥质灰岩,节理发育,围岩破碎,属V级围岩。
采取台阶法
开挖、超前小导管预注浆支护、118钢架支撑(间距1榀/
0.5m)。
初期支护完成后,水平收敛长时间变形速率为
10mm/d以上,最大61.03mm/d,约40d后,初期支护
最大变形量达1259.95nlln。
拱顶下沉最大变形速率
11.32mm/d,一般5mm/d左右,累计变形234.48nlln。
大变形后初期支护开裂、脱落,钢架变形侵限。
如图4
所示。
2.2.2原因分析
DK79+170一DK78+890段为炭质页岩夹泥质
灰岩,隧道埋深630m。
据测试,洞身最大水平主应力
16MPa,隧道横截面最大初始应力=14.75MPa,
岩体抗压强度=3.9—9.1MPa,旦-=0.260.62
maI
<4,根据《铁路隧道设计规范》],该区属极高应力。
因此,该段变形属高地应力引起。
图4堡镇隧道DK79+170一DK78+890段变形侵限
2.2.3处理措施
设计预留变形量30em,采取I20钢架拆换,4m
长系统中空注浆锚杆径向加固,布置间距1m×1m,
采用45em厚C30钢筋混凝土衬砌结构。
2.3隐伏岩溶引起变形侵限
2.3.1工程概况
2005年2月24日,五爪观隧道上半断面开挖至
DK49+170,左侧拱脚处不断有黄色泥浆水流出。
随
后架立钢架时突发涌泥,致使DK49+162一+168.5段
左侧初期支护开裂,格栅钢架严重变形,如图5所示。
图5五爪观隧道DK49+162一+l68.5段涌泥及初支侵限
2.3.2原因分析
DK49+162一+170段为五爪观暗河低阻区,虽
施工中未揭示岩溶,但根据开挖后出现的线状黄色泥
浆水流出分析,隧道周围存在着较大规模的隐伏岩溶,
隧道开挖后应力释放,初期支护不足以抵抗外压力,致
使发生突泥,初期支护变形侵限。
2.3.3处理措施
对DK49+150一+170段采取3In径向注浆加
固,对前方DK49+170一+197段采取3In超前帷幕
注浆。
注浆完成后,对变形段进行换拱。
2.4设计施工方法偏弱引起变形侵限
2.4.1工程概况
堰家坪隧道(双线隧道、开挖宽度12.1m)施工至
铁道工程学报2008年3月
DK87+100,掌子面地层由奥陶系Ⅲ级灰岩变为全风化
V级泥质灰岩,预留变形量20em,采取三台阶法开挖、
超前小导管支护、118钢架支撑(问距1榀/0.5m)。
2.4.2监控量测
对施工过程进行监控量测分析,变形曲线如图6
所示。
l
瞽
l藉
日期(2006年)
(b)
图6堰家坪隧道DK117+100一+1311段围岩变形曲线
由变形曲线分析:
(1)水平收敛值不大,最大值20mm,而拱顶下沉
很大,最大值450mm,远超过预留变形值,因而造成拱
顶侵限。
(2)分析三台阶开挖过程中拱顶下沉值,如表2
所示。
表2堰家坪隧道DK87+100一+1311段拱顶下沉变形■
拱顶下沉
里程
(DK87)累计上台阶比例中台阶比例下台阶比例
/nlln/mm/%/nlln/%/mm/%
+102.52787727.76121.914050.4
+112.5225167.13917.317075.6
+122.5448175273未完成
由变形数据分析:
进入全风化泥质灰岩地层后,上
台阶和中台阶施工引起的拱顶下沉值基本相近,各约
占25%,下台阶施工变形值占50%,总体沉降控制在
300mm以内。
随后开挖中,加强各工序控制与衔接,
监测表明,上、中台阶开挖时沉降值有所控制,但下台
阶施工时,仍存在较大沉降量,同时,已开挖地段初期
支护开裂。
向前继续开挖,拱顶变形量更大,上、中台
阶开挖后拱顶下沉值达到448mm,此时下台阶尚未施
工,若继续开挖,沉降量将更大。
2.4.3原因分析
由以上分析来看,该段大变形主要原因是设计施
工方法过弱,采取台阶法开挖难以控制围岩变形,因
此,必须进行设计调整。
(1)采用6m长超前小导管预支护,环向间距30em。
(2)采取“三台阶+临时仰拱+中支柱”方法进
行开挖,如图7所示。
上台阶开挖采用环形开挖预留
核心土。
(3)采用120钢架支撑,间距1榀/0.5m;网喷
C25混凝土25em。
(4)上、中台阶完成唇,及B寸珩径向5m注浆加固。
(5)二次衬砌采用50em厚C30钢筋混凝土。
图7堰家坪双线隧道全风化泥质灰岩段施工方法
2.4.4处理措施
对变形侵限地段增加扇形支撑,采取径向5m注
浆加固后逐榀拆换,支护调整为120钢架。
2.5施工方法不当引起变形侵限
2.5.1工程概况
周家湾隧道DK248+576一+648段地表覆盖粉
质黏土夹碎石及碎石土,厚0—4m,隧道穿越强一弱
风化页岩,岩体较破碎,节理裂隙较发育,地下水不发
育,为V级围岩。
2005年2月28日,隧道上半断面施
工到DK248+663时,上半断面DK248+594一+624
段右侧边墙初期支护开裂,最大裂缝宽度15em,如
图8所示。
拱腰部混凝土掉块,初期支护侵限,同时,
对应DK248+595、+613位置地表出现裂缝。
监测洞
内变形最大位置为DK248+611,水平收敛303mm,
拱顶下沉190mm;地表最大下沉对应DK248+597右
侧5in处,下沉值225mm。
2.5.2监控量测
绘制施工中拱顶和地表下沉变形曲线,如图9、
图10所示。
由变形曲线来看:
(1)拱顶下沉前期沉降是正常的,后期突然发生
变形,分析原因是长期地表水下渗页岩软化后发生
第3期曾蔚张民庆:
宜万铁路隧道变形侵限原因分析与治理47
图8周家湾隧道DK248+594一+624段初期支护变形开裂
日期
2004-11-142005_o1-032005—02-22
图9拱顶下沉曲线
一15-10—5051015
:
:
:
二;雠
专150遥
赔200
250.
图10地表沉降曲线
突变。
(2)随着隧道开挖,地表出现沉降槽,沉降槽约在
隧道右侧5m处,由地表来看,隧道右侧5m处有一冲
沟,长年流水,因此,变形与地表地形特征相吻合。
2.5.3原因分析
(1)DK248+594一+624段右侧拱腰附近地下
水较发育,破碎的强一弱风化页岩长期经水浸泡软化,
从而造成塑性区变大,围岩应力增大,初期支护难以抵
抗围岩应力,从而变形、开裂。
(2)未在明洞及洞门施工后进人暗洞施工,施工
采取长台阶法开挖,从而造成上半断面开挖完成后近
2个月内初期支护不能闭合。
2.5.4处理措施
(1)完善地表排水系统,进行引排、截流等处理,
尽量避免地下水下渗。
(2)立即对DK248+590一+630段采取I18型
钢横向支撑,对变形较大位置采取扇形支撑加强。
(3)立即完成洞口段明洞施工。
(4)对DK248+590一+630段进行4,42花管径
向注浆加固。
注浆加固范围为开挖轮廓线外4ITI,左
侧布孔间距4ITI×4ITI,右侧布孔间距2m×2m。
对于
局部变形较大地段,在一序孔结束后,根据情况,增加
注浆孔数量至布孔间距左侧为2ITI×2ITI,右侧为1ITI
×1ITIo
(5)对DK248+624一+663段左、右两侧进行
4,42锁脚锚管注浆加固,注浆管长3ITI,每侧设置2根。
(6)明洞施工结束后,从洞口开始,对侵限地段进
行扩挖拆换后按短台阶法施工,并及时施作二次衬砌。
2.6施工措施不规范引起变形侵限
2.6.1工程概况
鲁竹坝2隧道DK209+435一+405段穿越煤矿
采空区,掌子面为粘土及黑色煤炭,围岩破碎,设计采
用超前大管棚支护。
2005年4月29日,隧道开挖到
DK209+422时,管棚及初期支护变形侵限,最大变形
量达到30cm。
2.6.2原因分析
大管棚施工未进行扩挖修建工作室;监控量测变
形较大时未采取积极有效的防治措施。
2.6.3处理措施
(1)立即采用30cm厚喷混凝土封闭掌子面。
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