高原高寒高應(yīng)力板巖隧道監(jiān)控量測技術(shù)

高原高寒高應(yīng)力板巖隧道監(jiān)控量測技術(shù)

1加強了對地下高、低應(yīng)力隧道的管理,進一步規(guī)范了高坂山隧道隨著隧道風(fēng)險的管理，各條線路的建設(shè)單位有義務(wù)規(guī)范其管轄范圍內(nèi)的高風(fēng)險隧道，尤其是對高密度隧道的監(jiān)督管理和量測量要求的更規(guī)范、更嚴(yán)格。在某種程度上，蘭新鐵路第二線路的高邊坡管理變得更加規(guī)范和困難。大坂山隧道是全線最長的一條高原高寒高應(yīng)力隧道,屬于Ⅰ級風(fēng)險隧道,如何有效地控制好高風(fēng)險隧道的安全、質(zhì)量,成為中鐵十八局大坂山隧道項目部工作的重中之重。在此形勢,項目部與陜西電子研究所合作,研發(fā)了一套全新的監(jiān)控量測系統(tǒng),可以隨時掌握隧道圍巖變化(沉降、位移、收斂等)情況,為進一步指導(dǎo)、規(guī)范、加固高應(yīng)力板巖隧道安全施工創(chuàng)造了前提條件。2山深斷裂與隧道內(nèi)部組成大坂山隧道起訖里程DK259+255～DK275+152,全長15.897km,建設(shè)工期38個月。隧道起點位于青海省西寧市大通縣境內(nèi),由東南向西北走行,終點位于青海省海北州門源縣境內(nèi)。通過地區(qū)為大坂山中高山區(qū),隧道洞身穿過大坂山主脊。隧道區(qū)位于大坂山深斷裂系大坂山結(jié)合帶主斷裂附近,為大坂山結(jié)合帶與中祁連陸塊的分界地帶。經(jīng)多次構(gòu)造活動的影響,其內(nèi)部組成與構(gòu)造變形十分復(fù)雜。隧道最大埋深達1085.5m,最大涌水量53229m3/d,區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均發(fā)育,因此推斷隧道區(qū)可能存在較高的地應(yīng)力,高地應(yīng)力易引起軟弱圍巖(主要指泥質(zhì)板巖斷層破碎帶)的流變失穩(wěn)及堅硬巖石(主要指板巖、片麻巖夾片巖、閃長巖、安山巖)的巖爆,尤其是板巖的巖爆難以控制。大坂山隧道地處高原,高寒缺氧,平均海拔約3000m,最高海拔為4211m,通過區(qū)屬亞寒帶半干旱氣候區(qū),常冬無夏,春秋相連,年平均氣溫5℃以下,極端最低氣溫-34.5℃,最大積雪厚度230cm,最大凍結(jié)深度184cm。正洞洞身處于海拔3000m以上。在高寒缺氧條件下,施工人員身體機能下降,機械設(shè)備功率降低,給施工組織帶來了較大困難。3圍巖破壞情況隨著大坂山隧道2號斜井掘進至X16+20時,板巖出現(xiàn),且其埋深在600～800m左右,圍巖狀況極差,隨時都能產(chǎn)生變形與坍塌,據(jù)統(tǒng)計變形量控制在100～545mm范圍之內(nèi),此段延續(xù)了約300m左右;施工至X12+65段時,埋深在800～1085m左右,圍巖顯板狀、層理薄、石質(zhì)相當(dāng)硬,為Ⅱ～Ⅲ級砂質(zhì)板巖,巖體內(nèi)部發(fā)出“吭吭、噼噼”的悶響聲,隨后圍巖表面出現(xiàn)裂縫,巖體自母體剝落,剝落面較平整,像板子一樣,板塊結(jié)構(gòu),在掌子面附近約50m之內(nèi)都有此種現(xiàn)象發(fā)生。項目部經(jīng)過查閱大量軟弱板巖及硬質(zhì)板巖方面的資料,確定了高地應(yīng)力對隧道影響從力學(xué)方面主要有兩種不同破壞形式,在硬巖中主要發(fā)生巖爆,在軟巖中引起大變形問題兩種地質(zhì)災(zāi)害。故針對以上現(xiàn)象發(fā)生,項目部根據(jù)國內(nèi)外的施工高應(yīng)力板巖的經(jīng)驗,制訂出一套行之有效的施工方案。3.1預(yù)防高應(yīng)力大變形板巖段施工方法3.1.1工藝應(yīng)力分析→超前預(yù)報→監(jiān)控量測→數(shù)據(jù)分析→控制開挖→加強支護→施作二襯3.1.2高地應(yīng)力區(qū)軟巖大變形圍巖分析根據(jù)國內(nèi)外資料調(diào)研和理論分析,高地應(yīng)力區(qū)軟巖大變形分為三級,其各級指標(biāo)見表1。3.1.3綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)做好地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報工作,項目部與鐵道部第一勘測設(shè)計院合作超前地質(zhì)預(yù)報工作,對此段巖層進行TSP203、地質(zhì)雷達、紅外探水、超前水平探孔等綜合地質(zhì)預(yù)報工作,隨時觀察和量測現(xiàn)場工程地質(zhì)和水文地質(zhì)變化情況,研究變異規(guī)律,制定施工對策,及時預(yù)報巖體穩(wěn)定情況和發(fā)生變形的可能性。施工中采用孔徑變形法、Kaiser效應(yīng)測試法和簡易應(yīng)力解除法進行地應(yīng)力測試。對巖石的礦物成分、含水率、單軸抗壓強度進行系統(tǒng)測試,預(yù)測產(chǎn)生大變形的可能性和變形等級。3.1.4次襯砌施工監(jiān)控量測在軟弱圍巖施工中,起到非常重要的作用,是指導(dǎo)施工的重要手段,在開挖、支護、二次襯砌中起著一個指示燈的作用;根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)技術(shù)人員來分析、判斷圍巖變化的規(guī)律,并根據(jù)此規(guī)律來決定施工所采用支護參數(shù)、開挖預(yù)留變形量及二次襯砌施作的時機等等。據(jù)此項目部與山西嘉科電子有限公司合作研發(fā)了一套適合隧道施工的監(jiān)控量測系統(tǒng),其作用機理及應(yīng)用如下。(1)監(jiān)控現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)控量測系統(tǒng)是利用數(shù)字傳感器的作用原理來實現(xiàn)此系統(tǒng)的操作,隧道的形變傳到靈敏傳感器(CPU)上,CPU經(jīng)過數(shù)字傳輸?shù)綗o線傳輸RFAD數(shù)字發(fā)射器上,經(jīng)過無線接收系統(tǒng)輸送至計算機,經(jīng)過處理軟件對現(xiàn)場實時監(jiān)控,并做出形變數(shù)據(jù)報告在電腦內(nèi)成型,通過電腦上傳至顯示屏上,顯示出隧道在三維空間的變形量(△X值、△Y值、△Z值);根據(jù)此值可以隨時撐控隧道內(nèi)的圍巖變化情況,以此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。如下圖1所示。(2)量測裝置的布置在隧道軟弱板巖地段,每隔5m布置一環(huán)監(jiān)控量測點;在硬質(zhì)板巖地段,每隔10m布置一環(huán)監(jiān)控量測點,每環(huán)布置7～10個點,實時進行監(jiān)控,同時利用萊卡全站儀(1201+R400)來復(fù)測此監(jiān)控系統(tǒng)所測的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,通過近一年的比較,校正,此監(jiān)控量測系統(tǒng)是一套比較完善、操作簡便、信息快捷、撐握及時、非常實用的一套數(shù)字監(jiān)控模擬系統(tǒng)。3.1.5量測成果的應(yīng)用至目前為止,已施工了1000多米板巖地段,對近200個斷面進行了數(shù)據(jù)采集、分析、統(tǒng)計和比較;項目部的技術(shù)人員很快掌握了板巖的變化規(guī)律和處理措施;一般情況下,軟質(zhì)板巖變形在120～346mm之間,先期采取了支護措施,變形在31～200mm之間,主要是因為在頭1～3d之內(nèi)變化相當(dāng)快在20～130mm之間,這樣對項目部采取施工方法及措施有非常大的指導(dǎo)意義;同時對軟弱圍巖的及時控制起著指示燈的作用。統(tǒng)計結(jié)果見表2。實時監(jiān)控量測成果如圖2所示。從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)和斷面變形情況來分析,在嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計和技術(shù)交底來進行施工,其變形量控制在20cm之內(nèi)的占總數(shù)的88%,采取的超前支護措施不到位的占總數(shù)的12%(其中包括2.1%前期沒有進行特殊超前預(yù)支護措施);在此情況下,項目部果斷采取措施,把預(yù)留變形量控制在25cm以下,同時對現(xiàn)場施工進行嚴(yán)格把關(guān)控制,由洞口口長、安質(zhì)部長和技術(shù)主管三班制進行現(xiàn)場把控,嚴(yán)格遵守“三檢制”;項目總工每天必須到施工現(xiàn)場檢查兩次以上,項目經(jīng)理必須每周到現(xiàn)場檢查兩次以上;對全體施工人員進行施工工法與操作工藝再教育培訓(xùn),把變形量控制在最小的范圍之內(nèi)。3.1.6變形地段施工通過對軟質(zhì)板巖變形的特征和規(guī)律的研究分析,最后確定的施工方法如下。(1)隧道變形地段施工中嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、早封閉、快襯砌、勤量測、速反饋的原則。(2)Ⅲ級圍巖采用臺階法施工,Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用三臺級七步法施工,仰拱控制在30m之內(nèi),二次襯砌控制在50m之內(nèi)。3.1.7加強公共支出項目部根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),對此段軟弱板巖施工進行了加固及支護參數(shù)調(diào)整措施。(1)噴混凝土錨桿噴射混凝土具有及時、密貼、早強、柔性四個特點,當(dāng)隧道開挖后及時封閉開挖面,但是因噴混凝土抗拉強度低,不能承受較大荷載,而錨桿可起到整體加固作用,尤其應(yīng)在邊墻部位設(shè)置長錨桿,使隧道周圍形成一個整體加固環(huán),為了提高噴混凝土抗拉性能,采用噴鋼(組合)纖維混凝土和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護,厚度為12cm,是大變形地段首選支護措施。(2)特殊錨桿支護方案①加強型鋼鋼架支護。為了提高支護系統(tǒng)的強度和剛度,采用I22工字鋼型鋼鋼架,間距0.5～0.8m/榀,環(huán)向連接筋為?22螺紋鋼筋,環(huán)向間距0.6～0.8m,系統(tǒng)錨桿擬采用了R32N自進式注漿錨桿(?32mm),錨桿的長度為4.0m,必須大于塑性區(qū)的厚度2m左右,并對此錨桿進行注漿,注漿壓力可達2.0MPa,漿液壓入巖層裂隙范圍內(nèi),通過現(xiàn)場對比,此錨桿的加固圍巖的效果明顯優(yōu)于普通錨桿。②超前支護措施。在高應(yīng)力大變形地區(qū),有時單靠開挖后支護不能起到良好的支護效果,必須采取超前支護措施;在隧道周邊向前方施做?22超前錨桿,錨桿間距:0.4～0.5m,錨桿長度:2～4m,錨桿外插角:10°;在隧道未開挖前,在隧道外輪廓140°度范圍內(nèi)施做?42×3.5小導(dǎo)管,無縫鋼管長度:3.5～6m,,間距:0.3～0.5m,注漿漿液:1∶1水泥漿液,注漿壓力:<2MPa,待漿液達到一定強度時再進行下一環(huán)節(jié)開挖。(3)隧道變形支護技術(shù)Ⅰ級大變形預(yù)留10～15cm;Ⅱ級大變形預(yù)留15～25cm;Ⅲ級大變形預(yù)留25～60cm。當(dāng)發(fā)生Ⅰ、Ⅱ級大變形時,可以通過以上支護措施進行加固;當(dāng)變形過大達到Ⅲ級大變形時可采用以下措施:①噴層間隙噴射。為了使噴混凝土具有更大的吸收變形能力,采用間隙噴射方法,沿隧道軸向(縱向)預(yù)留一定寬度的間隙,一般間隙寬度5～10cm,間距1～2m。這些間隙可允許隧道變形。②可縮式錨桿。因一般錨桿為不可縮的剛性錨桿,若在大變形條件下,則不能起到良好的支護效果;而可縮式彈簧型錨桿(即在錨桿中部設(shè)置一個可縮段,一般15～20cm可縮5～10cm),當(dāng)桿體達到2/3設(shè)計強度時,錨桿可自動變形。③U可縮型鋼架。在鋼架中預(yù)留20cm的伸縮縫,采用摩擦型構(gòu)件,當(dāng)鋼架受力到一定范圍時(一般為2/3設(shè)計強度),鋼架可隨之變形,這樣鋼架可以做到既有較大強度同時具用一定的變形能力。3.1.8控制初期支護不穿透二次襯砌的控制(1)施工中必須遵循“先柔后剛、先放后抗”的原則,根據(jù)監(jiān)控量測資料,分析二次襯砌施作前的變形總量,加上一定的富余量作為變形預(yù)留量,控制初期支護不侵入二次襯砌。(2)施工中必須貫徹“盡早封閉成環(huán),快速襯砌”的指導(dǎo)思想,在初期支護未完全失去支撐力和保證二次襯砌凈空的同時,盡早施作二次襯砌;同時為了提高二次襯砌的剛度,使其有足夠的安全儲備,在施工中必須加強受力鋼筋。3.2高地應(yīng)力板巖段巖爆建方法3.2.1工藝巖爆分析→超前預(yù)報→控制開挖→加強支護→監(jiān)控量測3.2.2高地應(yīng)力區(qū)巖爆等級分析根據(jù)國內(nèi)外資料調(diào)研和理論分析,按巖爆程度將巖爆分為三級,Ⅰ級巖爆為輕微巖爆活動、Ⅱ級巖爆為中等程度巖爆活動、Ⅲ級巖爆為劇烈?guī)r爆活動。3.2.3地質(zhì)觀察研究巖爆的預(yù)報:在隧道施工中,以地質(zhì)預(yù)報為先導(dǎo),其主要手段以超前探孔為主,輔以地震波、電磁波、鉆速測試等。開挖面及其附近的觀察預(yù)報,通過地質(zhì)觀察、素描,分析巖石的“動態(tài)特征”,主要包括巖體內(nèi)部發(fā)生的各種聲響和局部巖體表面的剝落等。采用工程地質(zhì)類比法進行宏觀預(yù)報。3.2.4控制挖掘(1)高地應(yīng)力地段循環(huán)破壞技術(shù)方案對于Ⅰ級、Ⅱ級巖爆,仍采用光面爆破,使隧道周邊圓順,降低巖爆發(fā)生強度;對于Ⅲ級巖爆采用松動爆破或震動爆破。在高地應(yīng)力地段,擬采用多空眼的掏槽技術(shù)措施釋放應(yīng)力,人為地開創(chuàng)良好的臨空面條件,以利于掏槽爆破破碎巖石,取得高效率的掏槽爆破效果。對于高強度完整堅硬巖體,除采用增加臨空孔外,根據(jù)炸藥與巖石阻抗匹配的關(guān)系,及掏槽爆破深部巖體夾制作用大,擬采用裝藥的技術(shù)措施,孔的前部及中部裝水膠炸藥,孔底裝膠質(zhì)炸藥,以進一步改善掏槽爆破的效果。(2)爆段三臺階七步法對于Ⅰ級巖爆采用全斷面開挖,Ⅱ級巖爆采用臺階法開挖,Ⅲ級巖爆采用三臺階七步法開挖。限制開挖規(guī)模,減緩施工進度,采取短進尺、多循環(huán)、微震爆破、及時噴錨,減少巖體暴露時間和暴露面積,減緩剩余能量的釋放速率和釋放量級,達到降低巖爆危害的目的。3.2.5高地應(yīng)力段的隧道設(shè)置巖爆的防治原則是:第一從設(shè)計上考慮到合理的選擇隧道軸線,這樣可以減少洞壁切向應(yīng)力,減少巖爆發(fā)生;第二選擇合理的隧道形狀,理論分析表明:洞室拐角處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,因此高地應(yīng)力的段應(yīng)采用曲墻斷面;以上兩點從勘察、設(shè)計中已經(jīng)解決,而至關(guān)重要的是,怎樣防治巖爆,調(diào)整圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及巖體特性,主動消除或減輕巖爆;項目部從查閱大量資料與現(xiàn)場結(jié)合,總結(jié)了以下3點措施。(1)錨點洞室開挖面排水效果差,巖爆段花架與地面膠凝①盡量選擇合理的洞軸方向,使之圍巖應(yīng)力場均勻。②盡量選擇合理的斷面形狀,改善圍巖應(yīng)力分布。③改善施工方法:減少一次裝藥量,拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔,延長起爆時間,減輕爆破對圍巖的影響,減小爆破動應(yīng)力場的疊加,從而降低巖爆的頻率和強度。改變洞室的開挖斷面形狀,把洞室直接或近似開挖成相應(yīng)于巖爆后圍巖穩(wěn)定的洞室形狀,從而減小巖爆的程度,在強烈?guī)r爆區(qū)用臺車打應(yīng)力釋放孔;采用短進尺多循環(huán),及時支護減少巖體暴露時間和暴露面積;其次開挖面灑水,可改善圍巖應(yīng)力條件。④超前應(yīng)力解除:臺車在工作面鉆眼時,在掌子面周邊拱線處鉆兩排4.5～5.0m深的炮眼(間距40～50cm,外插25°～35°),炮眼間隔裝藥500～700g?40mm的4號抗水銨梯炸藥,并與掌子面同時起爆。這樣,可以在拱部2～3m以上的巖體內(nèi)形成一個爆破松動圈,截斷巖體內(nèi)部應(yīng)力的集中,從而減小洞室?guī)r體的切線應(yīng)力,借助巖體可形成一個支護圈,即低彈性模量區(qū),使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部,從而降低了洞室周邊應(yīng)力,減少或減低巖爆危害。(2)加固鋼筋網(wǎng)①噴混凝土或鋼纖維噴混凝土加固。該手段是首先采用的,爆破后應(yīng)及時將開挖面封閉,必要時掌子面也要封閉。噴射厚度根據(jù)巖爆程度采用8～15cm。②網(wǎng)噴混凝土加固。為了增強噴混凝土抗拉能力,可采用網(wǎng)噴混凝土。鋼筋網(wǎng)可采用?8間距20cm×20cm鋼筋網(wǎng)或鋼纖維噴混凝土。③錨桿加固。按一定間距和長度施做錨桿可防止圍巖松動、劈裂和坍塌,是防治巖爆有效的方法。錨桿長度一般2.5～3.5m,間距1m×1m,若配合5cm×5cm的鋼篩網(wǎng)效果更好。④格柵鋼架加固。為了提高支護強度在Ⅲ級巖爆地段,增設(shè)格柵鋼架防護措施。(3)超前鉆孔預(yù)注①表面灑水或噴高壓水:爆破后立即向工作面及附近洞壁巖體噴灑高壓水,以降低巖體的強度,增強塑性,減弱巖體的脆性,降低巖爆的劇烈程度;同時可以起到降溫除塵的作用。②超前鉆孔預(yù)注水:在掌子面按一定間距鉆孔,孔間距一般1～2m,鉆孔孔深一般10～15m然后采用高壓水注入圍巖;必要時利用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水,以取得更佳效果。3.2.6各級巖爆保護參數(shù)(1)i級巖爆①掌子面灑水;②C30噴混凝土厚8cm;③局部錨桿(發(fā)生巖爆側(cè)施作):錨桿直徑?22長2.5m,間距為1m×1m。(2)凝土/纖維素噴混凝土網(wǎng)①掌子面灑水;②超前鉆孔注水;③C30網(wǎng)噴混凝土或纖維素噴混凝土厚12cm,鋼筋網(wǎng)?8,網(wǎng)格20cm×2