atmel sam4s:大风垭口特长隧道施工技术

      1. 工程概况    大风垭口隧道为分离式特长隧道，隧道单洞长分别为3343m及3337m。上下行线隧道两测中线间距离为：元江口约为52m，磨黑口约为44m。上行线隧道纵坡采用+0.5%、-1.29%的人字坡，最大埋深约为309m,。下行线隧道纵坡采用+0.5%、-1.47%的人字坡，最大埋深约为331m。隧道设计净跨为10.9m，净高为7.2m，上、下行线均设置5处紧急停车带及相应5条行车横洞。    隧道衬砌采用复合式衬砌断面，II类围岩采用Φ42小导管作为超前支护，初期支护采用I16工字钢，喷射18cm, 厚钢纤维混凝土，施作4m长WTD25锚杆，二次衬砌采用50cm, 厚C25防水混凝土，初期支护与二次衬砌间设置防水层，预留变形量12cm，其典型断面结构见图1所示。    2. 地质条件    大风垭口隧道跨越了哀牢山大断裂的次生带区，洞内岩性变化频繁，地下水极为丰富。隧道经历了自稳性极差的炭质板岩、泥岩；溶洞、溶缝极为发育的灰岩及较为富水的砂岩。隧道两次穿越南溪河的冲积层，线路在较长地段顺冲沟而行，地质条件较为恶劣，施工难度极大。    隧道围岩属上三叠统一碗水组T3Y地层，少量属路马组T3L地层，岩性相对比较复杂。硬质岩有炭质板岩、弱变质灰岩、超基性侵入岩；软质岩有砂岩、泥岩。由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影响，隧道基本上出露灰、深灰色板岩和炭质板岩。表层强风化破碎，围岩范围内板岩基本上呈现出弱风化碎块状或块状，节理裂隙发育，不均匀风化。弱变质深灰色灰岩及超基性侵入岩为弱风化大块状，隧道围岩出现的浅黄色砂岩和紫红色泥岩属软质岩类。                       图1 典型断面衬砌结构形式    隧道范围内有断裂穿过。断裂延伸30~90km不等，沿断裂带常见片理岩、糜棱岩、碎裂岩、挤压角砾岩及岩石破碎带等，并有超基性岩浆侵入，断面多倾向北东，局部倾角45º，为压扭性构造。    路线区域内分布松散层孔隙水，碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水三大类。基岩裂隙水分布最为广泛，其中以碎屑岩裂隙水为主。基岩裂隙水接受大气降水、地表水和其它水源补给，水力梯度大，排泄运移速度大。    3. 超前地质预报    3.1 地质预报的途径    多种超前地质预报的组合是隧道正常掘进的前提。施工中采取TSP203超前地质预报仪作为长期地质预报，一次预报150m；采取地质雷达作为中期的地质预报，一次预报20m；采取钻孔取芯作为短期的地质预报，一次预报5~10m。各种超前探测方法互相验证，达到准确预测前方地质情况的目的。同时，由于隧道较长，隧道路线跨越了数座山脊，并两次跨越了南溪河，进一步了解地质构造下地表地貌形成及河流发育历史，对推测隧道内地质及水文条件有一定的帮助。隧道路线跨越沟壑的地段，往往埋深较浅，相应隧道内就表现为岩层节理发育，岩石破碎，地下水较为丰富。通过对地表的分析比较，可以制订出超前预报的补充形式。另外，两条隧道的四个口均采取错洞60m左右施工，由于两条隧道相距较近，一条隧道已开挖完地段的地质描述，经过岩层倾角、走向的分析计算，又成为另一条隧道的超前地质预报的辅助形式。    通过对各种超前地质预报的分析比较，而得出前方围岩的开挖方法及支护形式，从而真正实现所谓“信息化施工”。    3.2 TSP203超前地质预报在隧道中的应用    （1）TSP203孔位的布设TSP203共计布设24个爆破孔及1个探测孔，第一个爆破孔距掌子面2m左右，以后的23个爆破孔相互之间的孔距为1.5m，探测孔距最后一个爆破孔的距离为15m。各种孔位须布置在一条直线上。爆破孔用Φ38的钻头进行钻孔，孔深为1.5m，孔位向下倾斜10~20º.；探测孔用Φ42的钻头进行钻孔，孔深为2.0m，孔位向上倾斜5~10º，以便于接收爆破地震波。    (2) TSP203操作程序    首先，用环氧树脂将探测器固定在探测孔里，并分别对距探测孔最近的5个爆破孔中的每个孔装100克炸药和一个电雷管，炸药装好后，再将爆破孔用水灌满，最后对这5个爆破孔从与探测孔最近的一个孔开始依次用起爆器起爆，从爆破震动波接收的效果来决定下面5个孔的装药量是增大（每个孔增加25g左右），还是减小（每个孔减小25g左右），依此类推，将所有的爆破孔都依次起爆完成，这就完成了TSP203的一次探测工作。    （3）TSP203接收数据的分析    TSP203采集到的数据，通过TSPwin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等成果。在提取的波形图中，以P波为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象遵循以下准则进行解释：①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；②若S反射较P强，则表明岩层饱含水；③V_p/V_s然增大，常常由于流体的存在而引起的；④若V_p，则表明裂隙或孔隙度增加。遵循以上原则，可对前方150m层进行分析，从而掌握前方围岩的软硬情况、节理发育情况及水文情况，通过对以上地质资料的掌握，就能据此指导施工，在软弱段采用加强支护，在节理发育地段采用增设小管棚，在富水区采用注浆堵水或增设排水管将水引出等作法，从而将地质灾害对隧道施工的影响降至最小。    （4）TSP302地质预报的特点    TSP203超前地质预报是一种采用小药量爆破，通过采集地震波在围岩中的传播速度来分析前方围岩类别、裂隙发育情况、含水情况、软弱岩层的分布情况及是否有无断层等地质情况，其特点是操作复杂，要求精度高，做一次TSP虽只要2~3个小时，但要求隧道内停止一切施工，因为TSP203接收仪器对环境要求严格，杂音过大都会影响数据的准确性。但由于其对软硬岩石的界面、节理发育、水文情况等分析的准确性，还可以初步测出岩石的弹性模量、密度、泊松比等指标作为预测的参考值，所预报的长度可达到150m以上，TSP203地质预报具有广泛的应用前景。    3.3 GPR地质雷达超前地质预报在隧道中的应用    （1）GPR地质雷达的预测原理    使用雷达探测，对采集到的雷达波进行分析，以确定掌子面前方20m范围内的围岩情况。如前方围岩有软硬岩石的界面，在波形图上此界面两端雷达波传波速度就不一样：硬岩层中雷达波的传播速度快，软弱岩层中雷达波的传播速度慢。通过分析比较波在距掌子面5m的传播速度与后面15m的传播速度，加上对掌子面岩性的观察情况，就可得到前方20m左右围岩的地质情况。    （2）GPR地质雷达的探测方法    首先将雷达探测器与接收器相连接，然后将探测器紧贴围岩，通过沿着事先布设好的测线移动探测器，就可以用雷达波对围岩进行探测了。   （3）GPR地质雷达的特点    地质雷达现场探测速度快，每次只需30min左右，操作简单，但其对较为复杂的地质条件下的超前预报不是很准确，特别不能在掌子面较为富水的情况下使用，因此要和其它超前地质预报配合使用。    3.4 地质钻孔在隧道超前地质预报中的应用    地质钻孔就是用地质钻对围岩进行钻进取芯，从进钻速度以及对钻出来的岩石颗粒或取出的岩芯来对前方围岩进行分析预测。    从进钻速度的快慢可以分析得到前方围岩的均质情况及软硬情况，进钻速度快，说明前方围岩软弱；进钻速度慢，说明前方围岩比较坚硬，岩石较完整；进钻速度不均匀，说明前方围岩整体性较差；如果进钻出现吃钻或卡钻，很可能在该位置处有较大的裂隙或软弱夹层存在。从钻出来的岩石颗粒或取出的岩芯进行分析研究，可得出前方围岩的岩性。对从孔中流出水量的大小可得出前方围岩的水文情况。该方法对穿过地质不良地段或岩性变化频繁的地段极为有效。    4. 开挖及初期支护    依据地质超前预报，并根据掌子面围岩的特性，施工中采取多种形式的开挖作业方式，如采用中导洞排水法（图2）、侧壁导坑法（图3）、核心土支撑法（图4）及六步流水作业法（图5）等施工方法，充分利用围岩的自稳时间，做到初期支护与围岩的自稳性相适应，追求“零”塌方。图2 中导洞排水法         图3 侧壁导坑法           图4 核心土支撑法        图5 六步流水作业法    （1）中导洞排水法适用于掌子面水量非常大，而岩石整体性相对较好，首先开挖中导洞，中导洞超前掌子面4~5m，以方便反铲出碴为宜。由于开挖了中导洞，在一定程度上降底了隧道顶拱的地下水位，同时可以减小扩挖时的单响药量，减轻对围岩的扰动，为围岩的自稳赢得了更多的时间，确保了施工的安全。如在下行线掌子面水量达76L/3，单孔喷出水射程达14m的灰岩地段，采用中导洞排水法安全地通过了富水地段。    （2）侧壁导坑法适用于掌子面的岩石软硬不一致，如果同时起爆，炸药量小了，硬的部分未能松动，炸药量大了，出碴结束，软的部分已开始掉块甚至塌方。在此种围岩的条件下，必须先开挖较软弱的一侧，并完成相应的初期支护，同时施作好钢支撑两个端头的锁脚锚杆，再开挖另一侧并控制爆破方向，以确保施工安全。    （3）核心土支撑法适用于掌子面的岩石较为破碎，节理裂隙发育，掌子面无自稳能力，必须依靠核心土来维持稳定状态。核心土支撑法先开挖出隧道上台阶环形部分，并及时进行支护，再挖出核心土。核心土预留长度为4~5m，以便开挖环形导坑时有足够的操作空间，以及有足够的重力来支撑掌子面的围岩稳定。    （4）六步流水作业法适用于掌子面的岩石比较松散，围岩几乎散失整体稳定性，核心土根本无法留得住，而将开挖断面分成六步来进行。第一步为上弧段部分，开挖高度为1.7m，以人能操作为宜。该部分开挖主要采用人工用铁锹及风镐进行开挖，局部辅助以小炮进行。开挖总进尺控制在10m以内， 以尽量降低施工作业难度。第二步及第三步为马口开挖，分左右两边交替进行，只有在马口一侧的开挖及初期支护完工后，才能进行马口另一侧的开挖。在进行第二步及第三步的马口开挖时，视其情况需将上弧段的力由临时支撑传到马口靠洞轴线一侧。第四步为两侧马口之间部分的开挖，拆除临时支撑后即可进行开挖。第五步及第六步为下部台阶左右交替开挖。采用六步流水作业法的地段必须及时施作二次衬砌混凝土，故该六步采用流水作业的方式进行。    为适应复杂多变的地质及水文条件，施工中始终遵循“重预报、管超前、短进尺、弱爆破、少扰动、快支护、多方法、勤量测”的24字方针。目前，该特长隧道开工两年就完成了80%以上的开挖任务，工期一再提前，为早日通车创造了条件。    5. 监控量测的应用    由于复杂多变的地质情况，造成各种围岩强度、受力特性及层间的相互作用力都发生变化，相应的围岩与隧道各点的变形、位移及安全稳定性也必然受到影响，相应的监测仪器设置在不同的围岩、不同的围岩类别及断面变化的地方，使隧道围岩的变化情况都得到全方位监控。    监控量测不但用来监测初期支护和二次衬砌的安全性，还用于决定二次衬砌施工的最佳时期，从变形观测结果可以得知，上台阶开挖支护后，围岩应力重新分布，支撑体系受围岩压力发生变形，而后达到稳定状态，下台阶开挖后，围岩应力再次重新分布，支撑体系随之变形，而后逐渐收敛，达到稳定状态，在此条件下，围岩已基本达到稳定状态，可进行二次混凝土衬砌。通过监控量测求得的二次衬砌混凝土最佳施作时间，使二次衬砌混凝土避免受到围岩在收敛期产生的应力而导致的裂缝，进一步增强了二次衬砌混凝土的防水能力。    监控量测另一项重要的作用是在选择适合各种地质条件下的支护参数。由于围岩的复杂多变，前方待开挖地段的支护参数必须随之而进行调整，监控量测则作为变更的反分析资料，根据前方围岩的TSP203超前预报的波形图及频谱图与已开挖的地段相类似的地方相对照，同时，在已开挖地段的收敛变形数值达到设计规定的预留变形量的最佳值时，该地段的支护方式被认为是最合理的支护方式，则前方围岩的支护方式与该地段的支护采用同一支护形式。    6. 质量检测手段    施工过程中，除了采用传统的质量检测手段外，还采取了以下质量检测手段：    隧道初期支护所用圆弧形工字钢采用专用工字钢弯曲机制作，制作完成的工字钢，其弧度采用固定模具及特制钢尺进行检测，不符合要求的立即调整弯曲机的顶推装置。    隧道内喷射的钢纤维混凝土，其施工质量的关键在于拌合料中的钢纤维必须均匀，才能确保喷射到岩面的钢纤维均匀分布。采用FSO23型钢纤维含量检测仪可随时对拌制好的钢纤维混凝土进行检测，该检测仪能将待抽样混凝土拌合物中的钢纤维与骨料自动分离，钢纤维由机内的强磁场吸收到固定位置，十分快速就测出钢纤维的比例，根据检测结果可以及时调整钢纤维混凝土的拌制工艺及喷射工艺。初期支护中钢纤维喷射混凝土的厚度检测采用地质雷达来进行，在洞内顺洞轴线方向每隔2m设置一条测线，共设置七条测线，然后用地质雷达探头顺着测线方向检测混凝土厚度，地质雷达将每隔2cm采集一组数据，因此对初期支护喷射混凝土的平均厚度、最大厚度、最小厚度及初期支护的脱空情况、填充情况、富水情况等都能有比较精确的描述，对检测出的质量缺陷，可以采取必要的工程措施，如补喷、灌浆等，以确保初期支护无质量隐患存在。    由于二次衬砌混凝土浇筑结束后无回填灌浆的后续工序，二次衬砌混凝土的厚度也采用地质雷达对成型混凝土进行检测。    通过采取多种形式的检测手段，对已施工的初期支护及二次衬砌进行全面无破损检测，对发现的缺陷部位采取工程措施，使施工的整条隧道无不合格点，追求隧道营运期“零”返修率的目标。    7. 几点体会    （1）对高覆盖层特长隧道的地质勘探工作，受各种条件的限制，不可能做得很细，在施工中，通过多种超前地质预报及与监控量测相结合的方式，可以实现设计的动态化，使隧道支护和围岩的地质条件及水文条件更加匹配，从而节约投资，加快工程进度。    （2）隧道开挖过程中出现石灰岩的地段，由于石灰岩地段地下水丰富，水和石灰岩在一定条件下极易产生化学发应，长期形成所谓的“水垢”，从而堵塞排水管，造成排水不畅。隧道内一旦出现排水不畅，极易造成防、排水系统失效，从而造成衬砌混凝土可能发生渗漏水。建议设计部门采取以“堵”为主的方式较好，目前设计部门较少考虑该问题。    （3）在隧道水量较为集中的地段，建议以“堵”为主的方式较以“排”为主的方式为好。过多的山体地下水被从隧道内排出，会使隧道上方山体内地下水位线下降，改变了自然水系，造成隧道上方山沟内无水，地表植被枯死，严重影响当地的自然环境条件。