下承式锚杆在隧道施工中的应用研究

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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估，

6、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，拟定包家山隧道

7、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，用专用软件进行

8、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次/d

9、1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，根据超

10、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、纵向连

11、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场的施工

12、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中纵向连

13、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状态的变

14、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31日1月1

15、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，里程分别为Y

16、K152+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+210围岩压

17、力分布图（单位：MPa）图2.30YK152+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，上导和中导收敛

18、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+21512.130.01YK152+22

19、012.210.00YK152+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2.34YK152+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2.36YK152+225上导净空收敛时态曲线图2.37YK152+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线图2.40YK152+

20、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，且应力值不大，YK152+210

21、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喷射混凝土应力时态曲线2.4 型

22、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，最大拉应力发生在左拱腰30处，其应

23、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钢架外侧应力分布图（单位：M

24、Pa，“”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，两个断面的纵向连接筋应力以压应力为

25、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4548.5014.5左拱脚1

26、1.703.5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断面上导、中导、下导的锁脚锚杆

27、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右拱脚（中导锁脚锚杆）-41.

28、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，支护施作3周后变形就基本稳定。（

29、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，连接筋受力初期增长较快，约10天左右趋

30、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。而且千枚岩的含量与变形有极大的

31、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大。（4）试验段锁脚锚杆绝大部

32、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拱架间距采用50cm，YK152

33、+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。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、变形与千枚岩地段的含水量有极大的关系，水量越大，变形越大。三

34、、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。由于本项目的工期非常紧张，所以施工方案在考虑安全的同时，还要

35、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势，提高工作效率，以求最佳的掘进速度和经济效

36、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， 24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发产生。地

37、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器炮孔图4-2 TSP203系统的现场测试示意

38、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/h），及时采用必要的堵水、止水措施和手段。在大

39、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进行注浆作业（为了节约时间，径向注浆管全部用铁

40、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3035Be，体积比为1：0.31：1。（2）

41、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

42、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管箍拧紧所有的待注浆管，为了防止漏气、涌水，还需生胶带加以密封。小导管与钢架焊接牢固，沿小导管布置线及掌子面喷C25砼10cm形成止浆盘,采用KBY50/70注浆泵进行注浆作业。施工工

43、艺制作钢花管：50mm超前小导管在构件加工厂制作。前端做成尖锥形，尾部焊接8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔15cm交错钻眼，眼孔直径为68mm。小导管加工见图4-3。小导管安装：风动凿岩机钻孔后，将小导管按设计要求插入孔中，个别地段可用凿岩机直接将小导管沿钢架中部打入，与钢架焊接组成预支护体系。小导管水泥水玻璃双液浆注浆工艺流程见图4-4。图4-3 注浆小导管加工图50cm15cm8mm加劲箍50mm钢管图4-4 小导管注浆工艺流程图（5）注浆注浆注浆管的试运转：在正式注浆前，要进行一次耐压试验，对设备及管路系统进行吸水，耐压试验，其目的是检查注浆设备及管路系统是否耐压，有无漏水、漏浆、漏气现象，

44、管路连接是否正常，如无发现异常，即可开始注浆。制浆：将水玻璃倒入桶内，先加水稀释要求浓度；为了达到正确无误再用波美计进行校核，达到设计浓度，接着倒入搅拌桶进行不停搅拌。水泥浆的配制：首先加水到搅拌桶控制标高，开动搅拌机放入水泥，搅拌12分钟，浆经网筛过滤到二次搅拌桶继续搅拌，待注浆使用。为了更好控制水灰比再用波美计进行标定。注浆顺序：根据实践经验，先注拱腰处，再注拱顶，一般注一根管隔一至二根管，分别从两腰往拱顶上注浆。注浆结束标准。每孔注浆的标准，主要从注浆压力、注入量、稳压时间和注浆前后的涌水量四个方面考虑，一般按注浆量控制，当单孔注浆达到设计量时，结束注浆，设置检查孔对注浆效果进行检查，单

45、孔流量小于10L/min时，即可进行开挖作业。径向注浆工艺同上。4、开挖方法为了减少对围岩的扰动，控制围岩变形，富水千枚岩地段采用上部弧形导坑预留核心土三台阶法施工。上部弧形导坑采用人工风镐开挖弧形导坑，必要时辅以弱爆破；核心土长度同上台阶长度，核心土距拱顶开挖面1.5m，坡脚距拱脚开挖2.5m。中下台阶及仰拱采用微震光面爆破开挖，严格掌握炮眼数量、深度及装药量，以减少爆破震动对围岩的影响。各部开挖后及时初喷35cm混凝土封闭掌子面，网喷、锚杆、钢架联合支护作业。上导拱脚、中下导墙角增设锁脚锚管，拱架拱脚下方垫槽钢；仰拱紧跟下台阶施作，按每段4m开挖及时施做仰拱混凝土，使支护闭合成环。上、中台

46、阶开挖后挖掘机将洞碴扒至下台阶，同时上导开始架立钢架，挖掘机座于中台阶配合ZL50C装载机装碴，北方奔驰车出碴。施工过程中对开挖面、初期支护应加强围岩监控量测，根据量测结果，进行数据分析，确定是否调整支护参数和预留变形量大小，以控制拱顶下沉和围岩净空变化。初期支护及时封闭成环，各分步工序衔接紧密。完善洞内临时防排水系统，防止浸泡拱墙脚基础。施工中严格遵循“超前支护，分部开挖，随挖随护，密闭支撑，监控量测，适时衬砌”的原则，短台阶分步平行开挖一般包含上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护；混凝土仰拱紧跟下台阶并及时施作尽早封闭成环受力。5、施工注意事项（1）、开挖

47、掘进以三个台阶七个工作面同时进行。（2）、各部开挖后及时封闭掌子面，网喷、系统小导管、工字钢架联合支护作业，初期支护先上后下，分部实施，然后连成整体形成一个承载拱。（3）、根据量测结果，适时调整支护参数、预留量。（4）、初期支护及时成环，加强锁脚锚管、联接钢筋，钢架垫底，必要时拱脚、中下导墙角增设加长锁脚锚管，以控制围岩变形。（5）、仰拱开挖4m后施做仰拱。（6）施工中要做好临时排水设施，防止浸泡拱脚。五、大断面富水千枚岩隧道支护形式由于目前国内对富水千枚岩隧道施工经验不多，而本项目工期紧张，为了尽快确定一套安全、快速的施工方法和支护参数，2006年10月，我们请陕西省公路勘察设计院、长安大学

48、、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，决定确定30m的试验段，采用三台阶七步流水法，按下面的初期支护参数施工：505超前小导管，L5m，每3m施工一环，每环33根，外插角2530，钢管上每隔15cm交错布眼，眼孔直径68mm；I20工字钢架，间距75cm（50cm）；424周壁注浆小导管；82020cm钢筋网；喷射C25混凝土26cm。“三台阶七步开挖平行流水作业法”在富水段的初期支护是由系统小导管、钢筋网、I20a钢架和喷射混凝土组成的一种联合受力结构，虽然它能满足施工要求，但为保护围岩的天然承载力，初期支护要尽快施作，其施工流程见图5-1。初喷混凝土开挖后首先要

49、迅速喷射35cm混凝土封闭掌子面，以减少围岩暴露在空气中的时间，充分利用围岩的自稳能力，钢架、锚管、网片安设完成后按设计喷射混凝土。施作系统小导管，挂设钢筋网 由于千枚岩与水易软化，迅速丧失自稳能力，因此在富水千枚岩地段尽量减少水对围岩的作用对施工隧道非常重要，包家山特长隧道采用径向424周壁注浆小导管，对地下水进行再次封堵，以提高初支表面防水质量。1、按设计施工系统小导管，小导管采用424无缝钢管，管壁上每隔15cm交错钻眼，眼孔直径为68mm，小导管环向间距100cm，纵向间距随钢拱架间距，并与钢架焊接，施工采用YT-28凿岩机钻孔。2、系统小导管注水泥水玻璃浆液，在喷射混凝土完成后进行。

50、注浆机具、压力同超前注浆。3、挂设8钢筋网，搭接长度为12个网格，采用焊接。并与径向小导管焊接牢固。安装钢架1、制作加工型钢钢架采用冷弯成型。钢架加工的焊接不得有假焊，焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。每榀钢架加工完成后放在水泥地面上试拼，平面翘曲小于2cm。2、钢架架设工艺要求安装前清除底脚下的虚碴及杂物，为了增大接触面积，有效的防止下沉，拱脚下面垫设槽钢。钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置设计位置的偏差不超过5cm，高程不小于设计高程，垂直度误差为2。钢架拼装在开挖面以外进行，各节钢架间以螺栓来连接，连接板密贴，并焊接。沿钢架外缘每隔2m用钢楔或砼预制块楔紧。钢架尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢

51、固，钢架之间按设计纵向连接筋连接。钢拱架拱脚打设直径为42mm的锁脚锚管，锚管长度5m，数量为每侧4根。下部开挖后钢架及时落底接长，封闭成环。钢架与喷砼形成一体，钢架与围岩间的间隙用喷砼充填密实；钢架全部被喷射砼覆盖，保护层厚度不得小于20mm。施工注意事项：(1)安装前应清除脚下的虚碴、虚土及杂物。为了扩大钢拱架受力面积，抑制下沉，拱脚垫置槽钢。(2)为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、系统小导管、定位系筋和锁脚锚管焊接牢固。(3) 钢架连接板要密贴。连接板部位易发生塑性剪切破坏，故该部位接头除栓接外，还应四面帮焊，确保接头的刚度和强度。(4) 钢架和初喷层间有较大间隙时每隔2m应

52、用骑马或楔形垫块顶紧。喷射混凝土喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。喷射混凝土时喷射机的压力一般不宜超过0.2MPa。喷射作业应分段分片依次进行，喷射顺序应自下而上从拱脚或墙脚向上堆喷，分段长度不宜大于6m。以防止上部喷射回弹料虚掩拱脚（墙脚）而不密实，以致强度不够，造成失稳；先将凹洼部分找平，然后喷射凸出部分，并使其平顺连接。沿水平方向以螺旋形划圈移动，喷头与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离0.61.0m。施工注意事项：1、喷射中如有脱落的土块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清除后再喷射混凝土。2、分层喷射混凝土到设计厚度，每层厚56cm；钢架保护层不小于2cm。整个喷射混凝

53、土表面要平顺。喷射作业分段分片依次进行，喷射顺序自下而上。3、分层喷射时，后一层喷射在前一层砼终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，先用风水清洗喷层表面。4、喷射砼的一次喷射厚度：拱部不大得超过80mm，侧壁不得超过100mm。喷射砼终凝后4h内不得进行爆破作业。5、喷射混凝土终凝后2小时起，开始洒水养护，养护时间不少于7天。6、在喷射侧壁下部及仰拱时，需将上半断面喷射时的回弹物清理干净，防止将回弹物卷入下部喷层中形成“蜂窝”，而降低支护强度。其他1、以上介绍的支护措施适用于涌水量在100m3/h左右的情况，当涌水量在50m3/h以内时，可以不留核心土施工。2、在通过地下水较大的大的构造带时，

54、支护措施要加强。2007年9月24日，左线ZK154+910在通过F59断层时涌水量突然加大到210 m3/h，整个掌子面变为黑色的断层泥，前方两榀钢拱架被压跨，后方5m喷射混凝土出现剥落，原有支护已不能满足要求。在将掌子面封闭注浆后，进行开挖按20cm间距立拱架仍然变形较大，不能抑制围岩变形。最后采用H175钢架，喷射钢纤维混凝土，双排超前小导管的支护措施顺利通过此断层。3、反坡或者斜井施工时，抽排水设施要按最大预计涌水量并预留富裕一次配置到位。通风排烟降尘，清理危石，吹净岩面，处理欠挖检查超欠挖情况，初喷混凝土封闭岩面施作系统小导管，钢筋网质量检查施工放样安装钢架施作拱部超前支护喷射混凝土

55、至设计厚度质量检查围岩量测，信息反馈，修正支护参数图5-1 初期支护施工流程六、大断面富水千枚岩隧道衬砌施工仰供施工富水千枚岩属于软岩，仰供对于稳定软岩隧道围岩变形特别重要，包家山隧道通过监控量测发现一般仰供施工一周后，围岩变形基本稳定。为了尽快使支护封闭成环，使支护整体受力，仰供应紧跟掌子面。仰供采用栈桥全幅开挖，以解决与隧道掘进工序间的干扰问题，使仰拱施工紧跟隧道掘进进行，既对洞室结构稳定极为有利，同时也改善洞内路况便于机械通行。包家山特长隧道仰供距离掌子面控制在30m以内，仰供每循环开挖长度不超过4m。仰拱施工主要分两部分：仰拱开挖和仰拱浇注。混凝土仰拱施工流程见图6-1。1、测量放样，

56、由设计顶标高，反算仰拱基坑底标高；2、机械开挖仰供，人工辅助清理底部浮碴杂物，抽净基坑积水；设槽形挡头模板测量开挖清虚碴隐检浇注砼捣固抽排水接缝处理混凝土生产、运输养 护图6-1 仰拱砼施工工艺框图3、将上循环仰拱砼接头凿毛处理，按设计要求安装仰拱钢筋，并预留与边墙衬砌连接筋；4、自检合格后，报监理工程师隐蔽检查并签证，砼输送车运输灌筑，插入式振动棒捣固。仰拱砼施工符合下列要求：（1） 施工前，将隧底虚碴、杂物、泥浆、积水等清除，并用高压风水将隧底吹洗干净。（2）仰拱超前拱墙二次衬砌，其超前距离保持3倍以上衬砌循环作业长度。（3）仰拱砼整体浇筑，一次成型。（4）填充砼在仰拱砼终凝后浇筑，不得同

57、时浇筑。（5）仰拱施工缝和沉降缝作防水处理。防排水包家山特长隧道防水标准为一级。防排水遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。1、隧道在初期支护和二次衬砌间铺设土工布和防水板；二次衬砌沉降缝采用中埋式橡胶止水带止水，施工缝采用P-201止水膏。2、在初期支护中根据地下水量大小按规定间距设置排水半管将汇水引入衬砌两侧墙脚外侧设置的纵向排水管中，纵向排水管中的水通过横向连接引入中心排水管排出洞外。3、二次衬砌采用C25防水砼，抗渗标号不低于S8。4、二衬拱部预留回填注浆孔，待砼达到设计强度后，应进行充填注浆。防水层铺设利用轮胎式作业平台施作。监控量测表明支护变形已基本趋于稳定且净空满

58、足二次衬砌厚度、支护表面平整经地质雷达检测初期支护背后密实，满足质量要求后铺设防水板。防水层铺设作业区不得进行爆破，防止飞石损坏防水层结构。在衬砌台车就位前，对防水层进行全面检查，铺设过程中对接缝进行充气检查。防水层施工与二次衬砌砼灌筑之间相距20m左右。防水层采用无钉孔铺设工艺，施工工艺流程见图6-2。1、防水层铺设工艺（1）施工准备作业平台就位后，将支护表面外露的锚杆头、钢筋头用氧焊齐根切除，并抹砂浆将其覆盖。对支护表面凹凸不平的部位进行修凿抹平。将电源线接到位，检验爬焊机能否正常工作。（2）防水层铺设用穿有塑料焊垫的水泥钉在喷射砼表面从上至下梅花型布置，间距拱部0.50.5m，边墙1.0

59、1.0m。防水层沿轮廓展开并保持松紧适度，幅与幅之间的搭接长度不小于10cm。用双轮爬焊机进行焊接，接缝形成两条宽1.5cm间距4.5cm的焊缝。进行充气质量检验，检查接缝是否有漏焊现象，压强0.2MPa时稳定10分钟，不漏气为合格；针对虚焊及焊穿现象情况采用热风焊枪进行补焊。（3）施工要点固定防水层时，应视支护表面的平整度将防水层预留一定的富余量，以防过紧而被砼挤破；防水层每环铺设长度应比衬砌长度长0.51m，以利接头焊接施工；防水层接缝和衬砌施工缝应错开0.51m；防水层铺设好后，尽快灌筑砼；衬砌端部预留防水层接头采取防护措施，防止损坏；衬砌钢筋安装、各种预埋件设置、挡头模安装，及泵送砼等

60、工序作业中要防止破坏防水层；成股向外的涌水，根据水流量的大小，采取埋设多根大直径半圆塑料管来取代软式透水管；在淋水地段，防水层打湿后，焊缝质量难以保证，预铺一层排水板引水，然后再按设计铺设防水层。2、Yas排水半管按设计，排水半管安设在喷射混凝土中，在喷射完第一层后安装，现场经施工发现喷射混凝土中的石子会把包裹半管的速凝砂浆及半管打穿，通过与设计、监理、业主沟通变更为在初期支护表面安装。排水半管每5m一环，局部渗漏水地段，每3m一环。在初期支护趋于稳定的条件下，最终喷射三至四层混凝土封闭直至喷层表面干燥无水。在大面积淋水或地下水流量大的地段，亦按上述方法设置多层暗埋式Yas排水半管，通过排水管将水引入墙脚纵向排水管排出洞外，以达到“排水通畅，初支表面干燥无水”的要求后再铺设防水层和土工布。3、施工缝、沉降缝防水（1）沉降缝包家山特长隧道沉降缝采用中埋式膨胀橡胶止水带。进行模筑砼施工之前，采用专用钢筋卡将止水带固定在挡头板正中间，确保砼灌筑时止水准备工作地质雷达检测支护及背后密实情况并处理1.切除外露铁件头2.砂浆抹平3.防水板质量检查防水板固定防水板接缝焊接充气检查移走作业平台结 束