论文部分内容阅读
1前言
受高地应力作用围岩被挤压变形，其变形量值特别大（小则几十厘米至一百多厘米） ，洞壁位移后往往侵入模注混凝土衬砌净空，严重者造成隧道封洞，给施工带来极大安全隐患，本文以中缅管道小断面高地应力隧道工程为例对高地应力挤压性围岩隧道施工技术进行阐述。
1.1工程简介
中缅油气管道工程博南山隧道位于云南省大理市永平县杉阳镇，隧道水平长度2842.10m，实长2847.79m，纵向坡度采用“人”字坡，坡度分别为9.7%（约5.6°）、0.3%（约0.2°），隧道衬砌断面3.8m×3.8m。
隧道内安装3条管道，分别为原油（管径φ813）、天然气（管径φ1016）和成品油。
隧道洞身穿越地层主要为第四系全新统残坡积层粉质粘土、碎石土；三叠系的灰岩、泥灰岩、砾岩；白垩系的变质砂岩、板岩、硅质岩、断层破碎带；隧址区内有滑坡、泥石流、岩溶等不良地质；大部分洞身段为高地应力区。实际施工开挖揭示博南山隧道出口段围岩极为松散破碎以断层角砾、断层碎屑为主，含少量断层泥，呈碎石角砾状～散体状结构，遇水即变形膨胀，且该段洞身埋深较深，地应力较大。
2012年7月15日出口掌子面上台阶里程为K2+008.3，累计掘进496.3m，下台阶里程为K2+011，发现已施工段K2+033-K2+011发生大变形，左侧最大累计收敛達60cm，拱顶下沉最大为45cm，钢架扭曲，混凝土开裂，部分连接螺栓崩断，锁脚锚杆脱落，洞身结构尺寸严重变形，左侧边墙也出现变形，特别是钢架连接处出现被剪切受力变形随后陆续出现全断面、底板等变形情况，变形数值已严重危及工程结构安全和施工安全。
1.2隧道和工艺特点及施工原则
1.2.1高地应力挤压性围岩隧道特点
地层的拉扯、挤压、倾覆、断裂、地下水的作用往往使地下结构物周边围岩处于高应力或应力分布极不均衡的状态，在各种地质运动中所形成的高地应力挤压围岩具有变形量大、速率高、持续时间长的变形特征，易发生扭曲、错动甚至突发性岩爆、坍塌的特点。
1.2.2工艺特点
高地应力软弱挤压性围岩隧道施工工艺主要强调“即时、快速”的工艺特点，及早控制围岩变形加剧；对于已变形严重地段进行分段错开处理，拆除一段补支护一段。
1.2.3施工原则
施工中针对高地应力挤压性围岩的特征、特点，严格遵循“勤观测、短开挖、强支护、早封闭、衬砌紧跟”的施工原则，以利尽早控制围岩变形，同时要适当加大预留变形量。
2施工工艺流程
2.1工艺流程 见图2-1-1
2.2地质预报
为探明前方围岩地质情况，需对掌子面前方围岩地质进行探明，仪器设备采用TSP203+超前地质预报仪对隧道掌子面前方围岩进行100～150m中期地质预报，明确前方围岩工程地质特性。
同时对每槽炮开挖横截面上的地质情况以及线路中线及两边墙在纵向截面上岩体结构面产状及发育状况、岩体的破碎程度，岩石的变质程度等特征进行及时的形象地质描述，直观形象地揭示已出露的当前地质状态。
通过对综合资料的分析，了解软弱岩层可能的出露位置，分析其可能造成的地质灾害，根据观测、汇集资料、分析结论和相应的管理等级，及时向有关各方发布地质预警信息。
2.3高地应力围岩支护体系
2.3.1采用型钢钢架+钢筋网+超前小导管+径向小导管+喷射混凝土的支护体系
（1）型钢拱架
根据型钢拱架设计图并结合现场开挖断面及运输能力分节，绘制型钢拱架装配图。型钢拱架采用冷弯制作。制作好的钢架节段必须按装配图用红油漆在其上标好节段号。
（2）钢筋网
钢筋网在钢筋加工房制作，制作前应调直钢筋。钢筋网原则上制成面积为1.5～5 m2的网片，其长为1.5～2.5m，宽为1.0～2m，网眼尺寸按设计，钢筋网节点采用绑扎或点焊。钢筋网的预制质量应满足设计和规范要求。
根据实际施工情况应随时准备不小于20张面积1.5 m2以上的网片备用。
（3）超前小导管
超前小导管按设计要求进行制作，小导管尾部安装注浆阀门并焊箍，头部成尖锥状，管上按梅花型布置小孔，一般间隔20cm，孔眼直径8mm，尾部与型钢焊接连接。
根据实际施工情况应随时准备不小于30根以上的超前小导管备用。
（4）径向小导管
径向小导管的制备同超前小导管，长度按设计，同时要根据实际情况分别制作一批长度为2m、4m、6m的径向小导管备用。
（5）喷射砼
采用湿喷工艺，喷射砼集中在洞外用强制式拌合机拌制，配合比应通过试验确定。每次拌制不超过3m3，用砼运输罐车或小型运输车辆运输，砼料必须随拌随用。
2.4支护体系检查
监控量测在任何隧道施工中都是一个重要环节，在高地应力挤压性围岩隧道施工技术中，它是关系到强支护体系的质量安全的必检项目，是高地应力挤压性围岩隧道施工技术中重要的组成部分，它为调整设计参数和调整施工方法都提供重要的基础资料。通常采用的监测项目有洞内观察裂纹、渗漏水情况，拱顶下沉，净空变化，隧底隆起，围岩内部位移，围岩压力，喷射砼或钢架受力。
通常所测设的断面相距5～10m，净空变化测设2条基线，拱顶下沉测设3点。监测频率根据规范要求实行，必要时进行加强监测。
2.5支护体系变形拆换
由于设计和施工等种种原因，即使采用了强支护体系，且预留了一定的变形空间，由于高地应力挤压性围岩的特性，初期支护仍可能受到严重的破坏，造成变形侵限，为了保证二次衬砌有足够的厚度，有时必须对已变形侵限的初期支护进行拆换。 2.5.1拆换原则
拆换前首先对待拆换区域及其影响区域进行加固（加固待拆换区域侵限范围之外一定距离的围岩），待加固完成并量测变形趋于基本稳定后，才能对侵限范围内的初支结构物进行拆换。其原则就是：先加固，后拆换。
一般采用径向注浆和径向锚杆等方式对拟加固区域内的围岩进行加固。
2.5.2安全防护
初期支护拆换施工期间，为减少扰动，掌子面及隧道内其他作业面不得进行爆破作业。拆换原初期支护主要支撑结构时，拆换工作面到掌子面之间不得进行任何施工作业。拆换施工必须设专职安全防护人员、有经验的现场施工管理人员以及技术负责人常驻现场，即时解决安全防护问题。
2.5.3拆除初期支护
（1）测量
用断面仪、水准仪间隔0.5m对变形侵限地段进行扫描，必要时还可加密间距。
（2）划定范围
将扫描数据与设计尺寸进行对比，确定变形侵限段的位置以及其高度、宽度，用红漆在初期支护表面进行标识，标识时要考虑必须拆换的钢筋网、型钢拱，所以红漆的标识一般要比对比所得的范围还要大。
（3）破除砼
采用風镐破除喷射砼，尽量不用爆破。
（4）割断钢筋网
为加快处理，可采用热割方式割断钢筋网。尽量预留足够长度（不小于150m）的钢筋接头。
（5）割断或拆除钢架
在割断型钢拱架之前，应对施工安全进行全面评估，必要时要对待割断的型钢拱架中不拆除部份设置临时钢支撑或径向锚杆加强。型钢拱架按划定的区域采用氧割拆除。
2.5.4侵限围岩的开挖
初期支护拆除后，若围岩仍侵入限界需处理，尽量采用风镐凿除，当必须采用爆破方法方能处理时，应于实施前作爆破试验，以试验参数指导施工。
2.5.5恢复初期支护
采用不含细石的配合比的喷射砼覆盖岩面；钢筋网与预留钢筋接头采用搭接焊或绑扎。钢筋网尽量紧贴岩（初喷砼）面。连接或架立钢架，认真测量已经拆除的钢架长度及形状，取相应长度及形状的型钢拱架，将其焊接到已割除部位（与原钢架焊接时，要用钢板两侧绑焊），恢复其支承受力状态。
3劳动机具组织
本项施工是对因围岩变形而引起初期支护变形侵入限界的处理，确保拆换施工安全是重点，与正常情况下的施工工序循环在劳动力、机械设备配置等有差异。劳动力配置以加强安全监控、侵限凿除为主，待将拟拆换区域侵限之外的围岩和受影响范围的区域预加固后方可组织本工序施工。
3.1劳动力组织
各工序作业人员配置应能满足现场施工需要，监控量测要及时跟进，及时为现场提供施工参数，确保拆换一次到位。现场管理人员要清楚掌握现场情况，并及时解决、协调各工序作业。本工序劳动力配置见表3.1-1
3.2机具设备配置
根据现场实际情况配备齐全相关凿岩、动力、通风、供电、运输的机械设备。
4安全质量控制
4.1加强施工安全质量监控
（1）加强监控量测，提高观测频率，以便根据变形趋势调整相应的施工参数和安全防护方案；
（2）严格对开挖处理变形、超前支护、环向注浆加固、拱架安装质量、钢筋网铺设质量、喷射混凝土质量进行检查，合格后方可进入下一施工工序。
（3）设置专职安全人员于施工过程中对拆换施工段及受影响段区域进行巡查，发现支护变形或损坏，即时整修。如果险情危急，应果断撤离施工人员。
4.2施工控制
（1）严格按既定施工方案所确定的区域施工；
（2）尽量采用风镐凿除侵限砼和岩面，必须采用爆破作业时，要有爆破设计并作相应爆破试验，以确定相应爆破参数，实施时，必须严格按方案执行；
（3）开挖后要即时初喷砼封闭围岩和实施替换构件；
（4）构件支撑不得支于活动的石块和虚碴上，必须在型钢拱脚下设钢垫或其他方法塞实、契紧；
（5）暂停施工时，强支护体系必须直抵开挖面；
4.3对变形围岩换拱的主要控制点
（1）对拟拆换区域及影响区域的预加固质量控制以及拟拆换区域位置选择；
（2）拆换区域内开挖净空控制；
（3）构件安装质量控制；
（4）与既有构件的连接质量控制。
5施工效果检查
该围岩段自2012年4月初发现初期支护变形到2013年2月底处理完成后，经不间断变形量测，其变形基本趋于稳定。
经验：对于小断面高地应力挤压性围岩隧道施工，加强监控量测，广泛收集水文、地质资料，基本能够判定围岩变形趋势；于初支增加径向长锚杆及加强径向注浆，对控制初期支护变形，效果较显著。
受高地应力作用围岩被挤压变形，其变形量值特别大（小则几十厘米至一百多厘米） ，洞壁位移后往往侵入模注混凝土衬砌净空，严重者造成隧道封洞，给施工带来极大安全隐患，本文以中缅管道小断面高地应力隧道工程为例对高地应力挤压性围岩隧道施工技术进行阐述。
1.1工程简介
中缅油气管道工程博南山隧道位于云南省大理市永平县杉阳镇，隧道水平长度2842.10m，实长2847.79m，纵向坡度采用“人”字坡，坡度分别为9.7%（约5.6°）、0.3%（约0.2°），隧道衬砌断面3.8m×3.8m。
隧道内安装3条管道，分别为原油（管径φ813）、天然气（管径φ1016）和成品油。
隧道洞身穿越地层主要为第四系全新统残坡积层粉质粘土、碎石土；三叠系的灰岩、泥灰岩、砾岩；白垩系的变质砂岩、板岩、硅质岩、断层破碎带；隧址区内有滑坡、泥石流、岩溶等不良地质；大部分洞身段为高地应力区。实际施工开挖揭示博南山隧道出口段围岩极为松散破碎以断层角砾、断层碎屑为主，含少量断层泥，呈碎石角砾状～散体状结构，遇水即变形膨胀，且该段洞身埋深较深，地应力较大。
2012年7月15日出口掌子面上台阶里程为K2+008.3，累计掘进496.3m，下台阶里程为K2+011，发现已施工段K2+033-K2+011发生大变形，左侧最大累计收敛達60cm，拱顶下沉最大为45cm，钢架扭曲，混凝土开裂，部分连接螺栓崩断，锁脚锚杆脱落，洞身结构尺寸严重变形，左侧边墙也出现变形，特别是钢架连接处出现被剪切受力变形随后陆续出现全断面、底板等变形情况，变形数值已严重危及工程结构安全和施工安全。
1.2隧道和工艺特点及施工原则
1.2.1高地应力挤压性围岩隧道特点
地层的拉扯、挤压、倾覆、断裂、地下水的作用往往使地下结构物周边围岩处于高应力或应力分布极不均衡的状态，在各种地质运动中所形成的高地应力挤压围岩具有变形量大、速率高、持续时间长的变形特征，易发生扭曲、错动甚至突发性岩爆、坍塌的特点。
1.2.2工艺特点
高地应力软弱挤压性围岩隧道施工工艺主要强调“即时、快速”的工艺特点，及早控制围岩变形加剧；对于已变形严重地段进行分段错开处理，拆除一段补支护一段。
1.2.3施工原则
施工中针对高地应力挤压性围岩的特征、特点，严格遵循“勤观测、短开挖、强支护、早封闭、衬砌紧跟”的施工原则，以利尽早控制围岩变形，同时要适当加大预留变形量。
2施工工艺流程
2.1工艺流程 见图2-1-1
2.2地质预报
为探明前方围岩地质情况，需对掌子面前方围岩地质进行探明，仪器设备采用TSP203+超前地质预报仪对隧道掌子面前方围岩进行100～150m中期地质预报，明确前方围岩工程地质特性。
同时对每槽炮开挖横截面上的地质情况以及线路中线及两边墙在纵向截面上岩体结构面产状及发育状况、岩体的破碎程度，岩石的变质程度等特征进行及时的形象地质描述，直观形象地揭示已出露的当前地质状态。
通过对综合资料的分析，了解软弱岩层可能的出露位置，分析其可能造成的地质灾害，根据观测、汇集资料、分析结论和相应的管理等级，及时向有关各方发布地质预警信息。
2.3高地应力围岩支护体系
2.3.1采用型钢钢架+钢筋网+超前小导管+径向小导管+喷射混凝土的支护体系
（1）型钢拱架
根据型钢拱架设计图并结合现场开挖断面及运输能力分节，绘制型钢拱架装配图。型钢拱架采用冷弯制作。制作好的钢架节段必须按装配图用红油漆在其上标好节段号。
（2）钢筋网
钢筋网在钢筋加工房制作，制作前应调直钢筋。钢筋网原则上制成面积为1.5～5 m2的网片，其长为1.5～2.5m，宽为1.0～2m，网眼尺寸按设计，钢筋网节点采用绑扎或点焊。钢筋网的预制质量应满足设计和规范要求。
根据实际施工情况应随时准备不小于20张面积1.5 m2以上的网片备用。
（3）超前小导管
超前小导管按设计要求进行制作，小导管尾部安装注浆阀门并焊箍，头部成尖锥状，管上按梅花型布置小孔，一般间隔20cm，孔眼直径8mm，尾部与型钢焊接连接。
根据实际施工情况应随时准备不小于30根以上的超前小导管备用。
（4）径向小导管
径向小导管的制备同超前小导管，长度按设计，同时要根据实际情况分别制作一批长度为2m、4m、6m的径向小导管备用。
（5）喷射砼
采用湿喷工艺，喷射砼集中在洞外用强制式拌合机拌制，配合比应通过试验确定。每次拌制不超过3m3，用砼运输罐车或小型运输车辆运输，砼料必须随拌随用。
2.4支护体系检查
监控量测在任何隧道施工中都是一个重要环节，在高地应力挤压性围岩隧道施工技术中，它是关系到强支护体系的质量安全的必检项目，是高地应力挤压性围岩隧道施工技术中重要的组成部分，它为调整设计参数和调整施工方法都提供重要的基础资料。通常采用的监测项目有洞内观察裂纹、渗漏水情况，拱顶下沉，净空变化，隧底隆起，围岩内部位移，围岩压力，喷射砼或钢架受力。
通常所测设的断面相距5～10m，净空变化测设2条基线，拱顶下沉测设3点。监测频率根据规范要求实行，必要时进行加强监测。
2.5支护体系变形拆换
由于设计和施工等种种原因，即使采用了强支护体系，且预留了一定的变形空间，由于高地应力挤压性围岩的特性，初期支护仍可能受到严重的破坏，造成变形侵限，为了保证二次衬砌有足够的厚度，有时必须对已变形侵限的初期支护进行拆换。 2.5.1拆换原则
拆换前首先对待拆换区域及其影响区域进行加固（加固待拆换区域侵限范围之外一定距离的围岩），待加固完成并量测变形趋于基本稳定后，才能对侵限范围内的初支结构物进行拆换。其原则就是：先加固，后拆换。
一般采用径向注浆和径向锚杆等方式对拟加固区域内的围岩进行加固。
2.5.2安全防护
初期支护拆换施工期间，为减少扰动，掌子面及隧道内其他作业面不得进行爆破作业。拆换原初期支护主要支撑结构时，拆换工作面到掌子面之间不得进行任何施工作业。拆换施工必须设专职安全防护人员、有经验的现场施工管理人员以及技术负责人常驻现场，即时解决安全防护问题。
2.5.3拆除初期支护
（1）测量
用断面仪、水准仪间隔0.5m对变形侵限地段进行扫描，必要时还可加密间距。
（2）划定范围
将扫描数据与设计尺寸进行对比，确定变形侵限段的位置以及其高度、宽度，用红漆在初期支护表面进行标识，标识时要考虑必须拆换的钢筋网、型钢拱，所以红漆的标识一般要比对比所得的范围还要大。
（3）破除砼
采用風镐破除喷射砼，尽量不用爆破。
（4）割断钢筋网
为加快处理，可采用热割方式割断钢筋网。尽量预留足够长度（不小于150m）的钢筋接头。
（5）割断或拆除钢架
在割断型钢拱架之前，应对施工安全进行全面评估，必要时要对待割断的型钢拱架中不拆除部份设置临时钢支撑或径向锚杆加强。型钢拱架按划定的区域采用氧割拆除。
2.5.4侵限围岩的开挖
初期支护拆除后，若围岩仍侵入限界需处理，尽量采用风镐凿除，当必须采用爆破方法方能处理时，应于实施前作爆破试验，以试验参数指导施工。
2.5.5恢复初期支护
采用不含细石的配合比的喷射砼覆盖岩面；钢筋网与预留钢筋接头采用搭接焊或绑扎。钢筋网尽量紧贴岩（初喷砼）面。连接或架立钢架，认真测量已经拆除的钢架长度及形状，取相应长度及形状的型钢拱架，将其焊接到已割除部位（与原钢架焊接时，要用钢板两侧绑焊），恢复其支承受力状态。
3劳动机具组织
本项施工是对因围岩变形而引起初期支护变形侵入限界的处理，确保拆换施工安全是重点，与正常情况下的施工工序循环在劳动力、机械设备配置等有差异。劳动力配置以加强安全监控、侵限凿除为主，待将拟拆换区域侵限之外的围岩和受影响范围的区域预加固后方可组织本工序施工。
3.1劳动力组织
各工序作业人员配置应能满足现场施工需要，监控量测要及时跟进，及时为现场提供施工参数，确保拆换一次到位。现场管理人员要清楚掌握现场情况，并及时解决、协调各工序作业。本工序劳动力配置见表3.1-1
3.2机具设备配置
根据现场实际情况配备齐全相关凿岩、动力、通风、供电、运输的机械设备。
4安全质量控制
4.1加强施工安全质量监控
（1）加强监控量测，提高观测频率，以便根据变形趋势调整相应的施工参数和安全防护方案；
（2）严格对开挖处理变形、超前支护、环向注浆加固、拱架安装质量、钢筋网铺设质量、喷射混凝土质量进行检查，合格后方可进入下一施工工序。
（3）设置专职安全人员于施工过程中对拆换施工段及受影响段区域进行巡查，发现支护变形或损坏，即时整修。如果险情危急，应果断撤离施工人员。
4.2施工控制
（1）严格按既定施工方案所确定的区域施工；
（2）尽量采用风镐凿除侵限砼和岩面，必须采用爆破作业时，要有爆破设计并作相应爆破试验，以确定相应爆破参数，实施时，必须严格按方案执行；
（3）开挖后要即时初喷砼封闭围岩和实施替换构件；
（4）构件支撑不得支于活动的石块和虚碴上，必须在型钢拱脚下设钢垫或其他方法塞实、契紧；
（5）暂停施工时，强支护体系必须直抵开挖面；
4.3对变形围岩换拱的主要控制点
（1）对拟拆换区域及影响区域的预加固质量控制以及拟拆换区域位置选择；
（2）拆换区域内开挖净空控制；
（3）构件安装质量控制；
（4）与既有构件的连接质量控制。
5施工效果检查
该围岩段自2012年4月初发现初期支护变形到2013年2月底处理完成后，经不间断变形量测，其变形基本趋于稳定。
经验：对于小断面高地应力挤压性围岩隧道施工，加强监控量测，广泛收集水文、地质资料，基本能够判定围岩变形趋势；于初支增加径向长锚杆及加强径向注浆，对控制初期支护变形，效果较显著。