隧道千枚巖地施工管理論文

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摘要：本文主要闡述了烏鞘嶺隧道千枚巖區地段快速掘進技術，從地質構造、圍巖特性及地下水等方面論述了施工方法根據圍巖情況而動態調整。

關鍵詞：隧道開挖千枚巖地質施工技術

1.工程概況

1）地理位置及設計概況．

烏鞘嶺隧道位于既有蘭新線蘭武段打柴溝車站和龍溝車站之間,設計為兩座單線隧道，隧道長20050m，隧道出口段線路位于半徑為1200m的曲線上，右、左緩和曲線伸入隧道分別為68.84m及127.29m，隧道其余地段均位于直線上，線間距40m，兩隧道線路縱坡相同，主要為11‰的單面下坡,右線隧道較左線隧道高0.56～0.73m，洞身最大埋深1100m左右。隧道左、右線均采用鉆爆法施工，右線隧道先期開通。隧道輔助坑道共計15座，其中斜井13座，豎井1座，橫洞1座。

烏鞘嶺隧道地層巖性復雜,沉積巖、火成巖、變質巖三大巖類均有,且以沉積巖為主，其分布主要受區域斷裂構造控制。區內出露地層主要有第四系、第三系、白堊系及三疊系沉積巖、志留系、奧陶系變質巖，并伴有加里東晚期閃長巖侵入體。隧道橫穿祁連褶皺系的北祁連伏地褶皺帶和走廊過渡帶兩個次級構造單元,褶皺及斷裂構造發育。主要不良地質為有害氣體，濕陷性黃土和膨脹巖。隧道預計最大涌水量為9621.81m3/d，施工中可能發生圍巖失穩，突然涌水涌泥、巖爆、熱害、含煤層有害氣體等地質災害情況。

烏鞘嶺隧道九號斜井工程井口位于天?？h垛什鄉龍溝村石頭溝組，距312國道約12公里，洞口海拔高度2802米，常年氣候寒冷、干燥，冬季及夏季多雨雪，最高峰終年積雪，雨雪天氣約占40%，春季多風沙，最大陣風達到12級，歷史記錄最低氣溫為零下30度。

9號斜井井口標高2804.20米，井底標高2525.23米，高差278.97米，綜合坡度11.9%，扣除會車道的影響，坡度達到13.5%，為盡量減少F7斷層的影響，并便于在正洞開設兩個工作面，經設計院勘查，斜井在1000米處轉向，轉向后斜井長達2429米，是烏鞘嶺隧道無軌運輸輔助導坑中坡度最大的斜井。

九號斜井所承擔的區段是控制工期的重點。

2.千枚巖圍巖的施工特點

1）地質情況

志留系板巖、千枚巖，以千枚巖為主，局部夾有石英脈，板巖薄層狀，層理不明顯，節理、裂隙發育，呈薄層狀角礫結構，產狀不穩定，圍巖破碎，局部結構面充填泥質物，面光滑、穩定性較差；千枚巖擠壓揉皺，松軟破碎，其中石英脈多呈酥碎砂狀，以散體結構為主。開挖后呈碎石、角礫狀，掌子面無明顯滲水，但開挖后有少量滲漏水、滴狀及面狀洇濕，量小，拱部有掉塊、坍塌現象。圍巖整體穩定性較差。為V級圍巖。

本隧道內出露的千枚巖為黑色至深灰色，千枚狀構造，顯微鱗片變晶結構，含水量大時呈團塊狀，含水量少時為鱗片狀，片理極其發育，層厚0.01~2mm，巖體破碎，片理面手感光滑，有絲絹光澤。千枚巖屬副變質巖，主要由沉積巖中的頁巖經區域變質作用形成，主要礦物成分是絹云母、石英、綠泥石等，基本已全部重結晶，軟弱礦物成分較多，因而千枚巖硬度小，單軸抗壓強度小于1MPa，膨脹率13%，易風化。擠壓緊密的炭質千枚巖層具有弱透水性，是相對隔水層。

2）地下水的影響

地下水在隧道施工中，對圍巖的穩定性起著很大的作用，特別是在軟弱的千枚巖區，更是起著控制作用。

當洞身開挖以千枚巖為主時，開始時無地下水，但不久即出現滴水，甚至股水。究其原因，可能是因為洞身的千枚巖層上部實為板巖層（由于受開挖斷面制約，開挖時未揭露出板巖層）。當含有層狀板巖時，在構造應力作用下，巖性較硬的板巖中會產生不同方位的貫通裂隙，這樣就為地下水的流動提供了通道。一般來說，圍巖洞身為千枚巖時，當千枚巖厚度達到一定程度，洞身就不會出現地下水。在開挖時圍巖產生應力重分布，發生變形，形成一定的松動區與塑性區。當塑性區的范圍還未接近板巖區時，而這個范圍不至于使板巖中的地下水由于滲透壓力而進入塑性區時，這時洞身也不會出現地下水；當初期支護不及時或初期支護強度不足以抵抗千枚巖的變形時，塑性區的范圍可能更大，當超過這一范圍時，地下水進入塑性區，而千枚巖遇水即軟化、泥化，使塑性區條件惡化，從而使塑性區加大，這又使地下水進一步發育。塑性區的加大與地下水的發育互相促進，互相作用，使圍巖穩定性不斷變差，變形不斷發展，產生各種病害。這一點體現在千枚巖層中地下水的延遲性（即塑性區在地下水作用下逐漸加大的過程）。

烏鞘嶺隧道千枚巖區施工難度較大，主要受變質巖的特征、地質構造、千枚巖的特性和地下水所決定。

3）隧道開挖

千枚巖與板巖互層區，軟硬巖相間，爆破藥量難以控制，一般來說，造成軟巖部分超挖、硬巖部分欠挖，導致開挖成型差。這使圍巖不同部位的應力釋放產生差異，不利于應力重分布，因而產生不同程度的掉塊或局部坍塌。

而在全千枚巖區，巖體相當破碎，呈團塊狀、片狀、鱗片狀。開挖時易于鉆進，但易塌孔。千枚遇水后軟化似彈簧土，泥化呈淤泥狀。初期支護施作以后，圍巖變形大，且長期不收斂，局部地段4~5個月不趨于穩定；開挖時無地下水，后期地下水增大。這些病害都危及到隧道施工安全與結構質量。

3、進行行之有效的各種技術參數的試驗

一）、錨桿施工

1、打眼

通過施工現場記錄用50mm的鉆頭打1根3m長的眼孔需要12分鐘，同樣的鉆頭4m的眼孔用時16分鐘，而6m的眼孔則需用時30~40分鐘，φ42的鋼管3m和4m深的眼孔進管時間需用1~2分鐘，而6m的鋼管進管時間則需用2~3分鐘，同時6m深的眼孔會有部分鋼管不能完全進到圍巖里，外露部分長約40~60cm，比例為10%。

2、注漿

注漿用的材料為甘肅永登水泥廠生產的祁連山牌普通硅酸鹽水泥P·032.5R水泥凈漿，水灰比W/C為0.6

3、張拉

3m長的φ42錨管注漿前的錨桿拉拔力為10.2KN，為1.04t，注好漿后的拉拔力為1.04t，注漿后1天的錨管拉拔力為51KN為5.2t

4m長的φ42錨管注漿前的錨桿拉拔力為12.2KN，為1.24t，注好漿的錨桿拉拔力為12.8KN為1.31t，注漿后1天的錨管拉拔力為51KN為5.2t

6m長的φ42錨管注漿前的錨桿拉拔力為28.6KN，為2.92t，注好漿的錨桿拉拔力為29.1KN為2.97t，注漿后1天的錨管拉拔力為61.2KN為6.24t

3m長的錨桿28天的拉拔力為6~8t。

4、2004年7月2日，在武威方向YDK175+375~+380段邊墻部位對φ32的錨管進行試驗，其中4m深的眼孔3根，6m深的眼孔3根，注漿漿液配比不變，36h后張拉，4m長的錨管張拉力為81.6KN、81.6KN、96.9KN，平均拉拔力為86.7KN，為8.85t，6m長的錨管張拉力為96.9KN、96.9KN、102.2KN，平均拉拔力為98.6KN，為10.1t。

通過以上試驗結果并對比，得出：在施工中采用φ32的錨管可以達到設計要求。

二）、水泥漿液的試配與配比選擇

1、2004年7月5日，對浙江金華華夏注漿材料有限公司生產的MC型注漿材料（以下簡稱超細水泥）摻水玻璃雙液漿進行試驗試拌

試驗條件：水玻璃S=30Be’，W/C=0.8，膠凝時間為24s，室溫17℃水溫11℃，雙液漿W/C=0.8C：S=1：1

試驗結果：

時間

4h

6h

8h

1d

2d

3d

強度值（MPa)

1.8

4.8

6.3

8.5

7.0

12.5

超細水泥摻水玻璃：

時間

1d

2d

3d

強度值（MPa)

摻量0%

1.6

1.6

摻量2%

4.1

3.1

摻量3%

3.1

4.1

4.7

2、2004年7月9日，對普通水泥摻早強劑與超細水泥摻早強劑進行強度對比試驗試拌

試驗條件：室溫17℃，水溫14℃，

試驗結果：

普通水泥

超細水泥

摻量

3d強度值（MPa)

摻量

3d強度值MPa

水灰比0.8

水灰比0.6

水灰比0.8

水灰比0.6

0%

5.5

8.7

0%

10.3

11.0

2%

15.1

2%

13.2

13.1

4%

15.8

4%

10.1

17.0

6%

14.1

6%

7.0

17.5

8%

19.5

8%

7.0

10%

19.5

10%

13.2

15.6

3、2004年7月13日晚，對普通水泥不摻早強劑與超細水泥不摻早強劑進行強度對比試驗

試驗條件：室溫15℃，水溫13℃，

試驗結果：

普通水泥

超細水泥

時間（h)

強度值（MPa)

時間（h)

強度值（MPa)

水灰比0.8

水灰比0.6

水灰比0.8

水灰比0.6

12

0.07

0.16

12

0.07

0.13

24

0.68

1.53

24

0.81

1.6

36

2.01

3.37

36

1.58

3.29

48

3.2

2.84

48

2.4

4.4

4、2004年7月14日晚，對HSC漿液與硫鋁酸鹽水泥加外加劑注漿強度對比

試驗條件：室溫15℃，水溫13℃，

試驗結果：

HSC

硫鋁酸鹽水泥（摻3%外加劑）

時間（h)

強度值（MPa)

時間（h)

強度值（MPa)

水灰比0.8

水灰比0.6

水灰比0.8

水灰比0.6

2

無

無

2

無

0.13

4

1.025

0.28

4

2.1

4.5

8

1.5

4.6

8

3.51

6.04

1d

4.2

8.5

1d

8.57

11.55

3d

5.20

9.45

3d

8.21

12.5

5、2004年7月15日，HSC摻1%封口外加劑強度

試驗條件：室溫17℃，水溫14℃，

試驗結果：

時間

強度值（MPa)

水灰比0.8

水灰比0.6

2h

1.00

3.75

4h

2.93

7.05

8h

4.55

8.17

1d

4.61

9.82

6、2004年7月16日，各種水泥強度對比(試件放在養護箱養護）

試驗結果：

普通水泥

硫鋁酸鹽水泥

硫鋁酸鹽水泥

摻3%外加劑

硫鋁酸鹽水泥

HSC

時間

強度值（MPa)

水灰比0.6

水灰比0.8

水灰比0.8

水灰比0.7

水灰比0.8

8h

無

3.42

4.67

5.87

4.18

24h

2.16

4.83

6.34.

7.82

7.54

48h

3.28

4.68

6.56

9.17

6.82

72h

8.1

5.51

6.62

9.60

9.12

三）、錨索施工

2004年6月29日在B通道開始進行錨索試驗，由于風鉆的原因直到2004年7月4日才開始錨索注漿工作，7月6日下午錨索注漿后33h進行錨索張拉試驗，錨索長度為10m，錨固段長度為2米，張拉結果為16.5t，千斤頂伸長值為34mm。2004年7月8日上午進行第2根錨索張拉試驗此時為注漿后3天，錨索長度為10m，錨固段長度為2米，張拉結果為6.4t，千斤頂伸長值為24mm試驗失敗。與此同時，在正洞YDK175+380~+395段進行錨索鉆孔施工，于7月8日打好6m長的眼孔6根，進行錨索下錨并注漿工作，其中錨固段長度為2m，7月11日錨索注漿3天后進行張拉試驗，試驗結果為錨索張拉力為15t，千斤頂伸長值為18~24mm，試驗成功，7月9日，在正洞YDK175+380~+400.5段又進行錨索打眼施工,眼深為9m、10m長度不等，7月12日進行下錨注漿工作，其中錨固段分別為2m、3m、4m和5m，2004年7月15日進行張拉，張拉結果為15t，千斤頂伸長值為17~20mm，通過量測資料表明，在錨索張拉后，正洞變形明顯下降，于是把錨索當作一種工序進行推廣，截止到目前在武威方面已經試做錨索45根，張拉30根，張拉力為3t，千斤頂伸長值為9~14mm，蘭州方向在橫通道拱頂及對面邊墻施做錨索16根已張拉。

4、采取動態的施工技術

主要施工方法

1、超前支護

超前支護采用Φ42小導管，拱部設置，間距25cm，數量40根。超前注漿排管長度4.0m，排距控制在2.0m以內（每循環進行一次），注水泥水玻璃雙液漿。

2、開挖

開挖采用微震光面爆破，輔以人工風鎬開挖。

3、扒碴、裝碴運輸

上斷面松碴采用挖掘機扒碴，裝碴采用312挖裝機，自卸汽車運輸。

4、初期支護

4.1立拱掛網

鋼支撐采用I20或H175型鋼；縱向連接鋼筋設雙層，為Φ22螺紋鋼筋，每層鋼筋的間距為1.0m；鋼筋網設雙層，采用Φ8圓鋼焊制而成，網片網格間距20х20cm。

鋼支撐架立后，立即打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿為φ42管式注漿錨桿，長度4.0m。每榀設置，上斷面8根，設置在拱腳和兩節拱架連接板0.5m范圍內，下斷面4根，設置在拱腳上1.0~1.3m范圍內。

4.2噴射混凝土

噴射混凝土采用鋼纖維混凝土，混凝土標號C20。9號斜井位于富水區，臨時支護噴砼中可添加微纖維，封閉毛洞壁、增加抗滲性，改善施工作業環境，加快進度。

4.3系統錨桿

系統錨桿采用φ32管式注漿錨桿，間距80х80cm，梅花形布置，拱部長度4.0m，數量16根，邊墻長度6.0m，數量10根。

管式注漿錨桿采用硫鋁酸鹽水泥漿液注漿，注漿結束36h以后安裝墊板和螺母。

4.4錨鎖

錨鎖采用單股鋼絞線，截面積15.2cm2，一般地段采用6m長的錨索，特殊地段采用10m長的錨索，錨固長度3m，剩余為自由段長度。注硫鋁酸鹽水泥注漿，注漿36小時以后開始張拉，初始預應力3t。

4.5回填注漿

對噴射混凝土背后可能存在空洞的地方進行注漿，注漿材料為普通水泥漿或水泥砂漿。位置為拱頂和上斷面拱腳。

5、仰拱施工

仰拱采用挖掘機開挖人工配合清碴，必要時進行弱爆破。開挖前加臨時橫撐，開挖后及時進行封閉，每次的開挖長度2~3m。

5.結論

烏鞘嶺隧道在千枚巖地段施工，必須值得引起足夠重視的是地下水的影響，在硬巖中裂隙發育，地下水的影響相對較小，而在軟弱的千枚巖段，地下水的作用加速了圍巖的變形，使圍巖穩定條件惡化，易形成大塌方。所以在開挖時如有地下水，就應該及時施作初期支護，而且變化超過正常水平時，應加強初期支護，抑制圍巖的進一步變形，防止發生坍塌。

2000m以上的長斜井，在我國鐵路建設中是極少見的，無軌運輸重車長距離上坡所產生的廢煙、廢氣對坑道的污染會相當嚴重，施工通風應能滿足規范允許的坑道施工環境要求。同時要有足夠的備用設備和零配件，以保證通風系統的正常運行。為保證施工的順利進行，施工用電也至關重要，在斜井口需配置保證不停電的備用電源和足夠的功率；為加快施工進度，斜井進入正洞后，承擔多個工作面的運輸任務，無軌運輸的單車道斜井斷面，其運輸能力明顯不足，需加強車輛調度系統管理。

由于烏鞘嶺隧道九號斜井采取了超強支護措施，靈活動態的施工方法，形成了快速的施工生產能力，受到了總指揮部和鐵道部的賀電表揚。