试述岩溶地区铁路隧道工程施工

试述岩溶地区铁路隧道工程施工技术研发TECHN0L0GYANDⅣRKET试述岩溶地区铁路隧道工程施工王生涛Vo1.19No.3,2012(贵广铁路有限责任公司,贵州贵阳550002)摘要:铁路隧道工程由于开挖断面大,岩溶影响区域大,应充分考虑岩溶的危害,评价其影响程度,才能决定合适的岩溶处理措施.文章就岩溶地段铁路隧道的施工提出了一些施工过程控制环节和工程处理措施.关键词:岩溶;铁路隧道;超前地质预报;工程措施doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2012.03.0090引言我国华南和西南地区碳酸盐岩分布广,由于受气温,地形地貌,地质构造及地壳运动等因素影响,该区域岩溶较发育.岩溶是在以碳酸盐的可溶性盐分布区,由于水的作用,特别是地下水,对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸多现象综合(国际通用术语Karst,译名喀斯特).受溶蚀和由此引起的机械冲刷塌陷等共同作用,在地表与地下形成奇特地形形态有几十种,如溶沟和石芽,溶蚀裂隙,漏斗,溶蚀洼地,落水洞,地立谷,峰林,千谷,溶洞,暗河等.在此区域的铁路隧道建设应考虑岩溶的危害,评价其影响程度,以此来决定合适工程设计和工程施工处理措施.1岩溶对铁路隧道工程的影响岩溶对铁路隧道工程的影响主要有:突泥突水,洞穴填充物陷落冒顶,底板塌陷及隐伏岩溶潜在综合危害等4个方面.1)在岩溶地区进行铁路隧道施工,施工中有可能遇到水囊或暗河岩涌水的突然袭击,造成泥砂涌流,堵塞坑道,给施工安 全造成威胁.2)在岩溶洞穴发育或基底填充物松软;岩溶情况发育复杂,洞穴,暗河上下迂回交错,通道重叠;有的岩溶段顶板高悬不稳定,崩坠势能较大;有的溶蚀大厅临空面较大,几十上百平方米,当铁路隧道通道时,加固结构处理复杂,工程施工困难.3)由于洞穴围岩节理,裂隙发育,岩石破碎充填物松软,在施工中极易发生坍塌,危害施工安全.4)由于探测手段不完善或其他因素,导致在施工过程中未探明岩溶段,给工程后期运营造成危害.施工过程中,要加强超前地质预报,特别要以水平钻探为主,结百垲bt.表调查和物探法成果的综合方法,最大限度地探清岩溶发育隋况,及时与相关方联系,并根据不同情况采用相应处理措施.2岩溶地区铁路隧道工程施工需特别控制的环节岩溶地区铁路隧道工程施工除了常规的施工过程控制外,还应特别做好超前地质预测预报和风险管理两个环节的控制.2.1加强超前地质预报工序管理现行的铁路隧道工程施工质量验收标准已将超前地质预报纳入工序管理,对于岩溶地区隧道工程更应该加强超前地质预报工序管理,严格按照审批的超前地质预报实施大纲和实施方案进行,并以超前地质预报成果指导设计,施工,做到实时,动态管理.岩溶地区隧道工程超前地质预报工作,应严格按照以下3种方式方法进行综合分析评判:162.1.1地质调查法地质调查法包括地表调查和隧道内地质素描.通过地表调查,从宏观上推断,熟悉和确认不良地质,岩性在隧道地表的出露及接触关系,分析判断岩溶发育位置,规模及分布规律;隧道内地质素描可以判别地质构造,岩溶规模,形态,位置及所属地层和构造部位,充填物成分以及岩溶展布的空间关系,判定地 下水的分布,出露形态,地下水对结构材料的侵蚀性以及出水点和地层岩性,地质构造,岩溶,暗河等关系分析.2.1.2物探法物探法包括弹性波反射法(TsP203,202),电磁波反射法(地质雷达探测),红外探测法以及高分辨直流电法4种.以上4种物探法探明岩溶地区地质构造,不良地质体的厚度和范围,破碎带和软弱夹层等不均匀体,判断探测前方地下水体存在(如:断层破碎带,溶洞,溶隙,暗河等地质体的地下水)及其给出水量大小等参数.2.1.3超前钻探法超前钻探法常用的有超前地质钻孔和加深炮眼.在岩溶地区建议将超前地质钻孔作为超期地质预报工序管理的核心,通过这种钻取水平岩芯的方法,探测前方20～30m的地质条件,验证物探成果,提高超前地质预报成果的准确度.通过对地质调查法,超前钻探法以及根据不同岩性岩溶发育及富水情况选取的物探法3种方式方法预测预报的资料,进行综合分析与评判,相互印证,并结合现场实际揭示的地质条件,发展规律,趋势及前兆进行预测,判断,得出超前地质预测预报结果,依次来优化调整措施,工法及特殊处理措施,从而确保施工安全及结构安全,确保工程顺利实施.2.2风险管理为有效控制岩溶地区铁路隧道工程高风险,必须根据隧道工程实际情况,确立风险管理目标,建立完善的风险管理体系,制定切实可行的风险管理办法,对隧道风险进行分级管理.在必要的情况下,还需聘请专家组,对一些极高风险隧道专项方案及应急预案进行审查,评审.3岩溶地区铁路隧道常见工程措施在岩溶地区施工时,必须根据设计文件及现场情况查明岩溶发育分布范围,类型(规模,富水,发育,充填物),岩层的稳定 程度和地下水情况(补给情况,雨季水量异动情况)等,在技术可行,经济合理的条件下,采取加固,引排,截流,清除充填物或技术与市场技术研发第19卷第3期2012年对充填物注浆,回填夯实,跨越,封闭地表塌陷,疏排地表水等综合治理措施.下面对岩溶洞穴,充填物岩溶洞穴和岩溶水3种岩溶危害常见的工程措施进行讨论.3.1岩溶洞穴工程措施根据岩溶溶洞大小及洞穴与隧道不同的位置关系,采取加固,跨越及堵塞等处理措施.1)当岩溶溶洞规模较大,或溶洞虽小但需保持洞内水流畅通,基础处理工程修建困难或耗资巨大等情况时,根据现场具体条件采取相应的结构形式,如板跨,梁跨,拱跨或加大隧道净空宽度等措施.当隧道一侧遇到较深而狭长的溶洞,可加深该侧的偏强基础通过;当隧道底部遇到有较大溶洞并有流水时,可在隧道以下砌(浇)筑支承隧道的结构物,并在结构物内设涵洞引排溶洞水;当隧道到边墙部位遇到较大,较深的溶洞,且不宜加深边墙基础时,可在边墙部位或隧底以下筑拱跨通过;当隧道中部及底部遇到规模较大的溶洞时,可根据情况在边墙底及隧底设置桥台架梁通过;溶洞上大下小,且有部分充填物时,可将隧道顶部的充填物清除,然后在隧道底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁,横梁两端嵌入岩层.2)已停止发育的干小溶洞,可采取混凝土,浆砌片石或干砌片石堵塞,填实,必要时注浆加固以防止塌陷等方式进行封闭处理.3)根据工程实际情况,为与洞穴相适应,亦可采用如下一些特殊工程措施:如在岩溶塌陷点难以预测的平坦场地,可采取网格梁垫层;在跨越深,大洞穴时,可采取洞中桥跨越等. 3.2充填物岩溶洞穴工程措施岩溶洞穴充填物的特点是整体性差,松软,势能大,强度低,稳定性差,当隧道通过洞穴充填物地段时,可按不同情况采取如下措施进行综合处理.3.2.1设置桩基当洞穴中充填物不易清除且不流失时,以补强松散的洞穴堆积物部分基础,可根据地质条件及结构要求,设计支撑桩或摩擦桩作为工程处理措施.常见的桩基措施有:挖孔桩,旋喷桩,钻孔桩,木桩.3.2.2注浆加固当洞穴内充填物大量流塑性黏泥等松散物时,在拱顶,开挖面,拱底进行超注浆加固,固结松散体f溶蚀破碎岩石地段,可增设锚杆,再注浆加固).同时,要加强地面塌陷情况观察,必要时进行地面注浆.3.2.3换填根据岩溶溶洞形态及位置与隧道的关系,清除充填物表层软塑质黏土,基础以下换填人工基础,衬砌与岩壁之间空隙用浆砌片石,干砌片石紧密回填,采用有仰拱的衬砌,边墙基础襟边紧抵岩壁.3.2.4浮筏当洞穴堆积较厚且稳定,清除困难时,可采取类似淤泥层上的浮筏基础,直接浮放在松散土层上,防止不均匀沉陷(这种处理措施工后沉降不确定,故此在对隧道运营标准较高的铁路隧道工程不适应采取,在一些辅助坑道段可采取).3.3富水岩溶工程措施隧道穿越富水岩溶时,工程处理措施的基本原则是宜疏不宜堵,以采取截,排,防,堵,通综合措施为宜.为防止突水突泥,施工中采取超前钻探探测,查明工程范围内地下伏基岩埋藏深度和基岩面起伏情况,岩溶的发育程度和空间分布,岩溶水的 埋深,动态,水动力等特征.并且预备足够应急物资设备,以保障施工安全.3.3.1排泄排泄是指于水流方向一致而设的排水设施,其措施有:1)暗沟排水:隧道穿越无填充物的溶洞,顶部有常流水沿溶洞通道至消水洞排出.为了不阻塞水流,在隧道底设置石砌或混凝土暗沟,使岩溶水仍沿原有通道自行排出.2)管道排水:若隧道基底横穿溶蚀裂隙,且裂隙水压力较大,为疏导股状水流,在隧道仰拱采用管子引出,然后引入隧道原设计排水系统.3)涵洞,泄水洞排水:当暗河和溶洞有水流,并且雨季压力很大时,为避免危及隧道安全,在隧道底部设置涵洞和泄水洞将岩溶水排出.4)当水流的位置在隧道结构物上部或高于隧道时,在适当距离外,开凿引水槽,将水位降到隧道底部位置以下,引入隧道原设计排水系统.3.3.2截流截流是指与水流方向垂直而设的排水设施,其目的是截断岩溶水的入渗或达到疏干某一范围,其措施有:1)盲沟:适用于截阻或疏干水量小而分散的岩溶地下水,亦可降低地下水位.2)截水沟:为消除溶蚀洼地积水或改变暗河水流方向,可开挖明沟引排.3)截水洞:岩溶水大而集中,为保持隧道干燥,在地下水来向一侧,设置截水洞.3.3.3其他措施1)帷幕防渗:在隧道中渗水严重,可采取帷幕防渗措施处理(帷幕防渗即采取地面布孔压浆隔水帷幕,堵住隧道中的淌水,射水及线状股水的工程措施). 2)堵塞:当岩溶水小而分散时,可用水泥浆,砂浆,黏土等材料堵塞(流量,流速大可用浆砌排石,混凝土或钢筋混凝土等材料).4岩溶地区铁路隧道工程施工注意事项4.1开挖阶段开挖时应尽量减少对周边围岩的扰动,采取短进尺,严格控制用装药量的方法施工,小管棚进尺控制在1.5m,超前小导管进尺控制在1.0m之内.4.2初期支护阶段初喷混凝土要及时,以防围岩风化剥落.然后按设计要求施工锚杆,挂钢筋网和安装钢拱架,最后喷射混凝土将钢拱架喷平,喷满.4.3施工监测阶段严格按照监控量测设计中所确定的量测项目和频率对围(下转第19页)17技术与市场技术研发第l9卷第3期2o12年可以看出,网壳结构自振频率较为密集,振型复杂.前两个振型为X向及Y向平动,第三振型为扭转振型,结构刚度较均匀.Midas和3D3S计算得出的周期基本一致,计算结果准确.在自振特性分析的基础上,采用振型分解反应谱法对结构进行多遇地震作用下的抗震分析,分析中水平地震影响系数最大值d一为0.04,采用瑞利阻尼,阻尼比∈为0.O2.采用完全二次项组合公式(CQC).在水平地震作用下,网壳结构跨中节点最大动位移为竖向3mm,水平向6mm.动应力最大的杆件为沿地震作用方向的柱顶处杆件,最大为24Mpa.可知,在地震作用下,网壳杆件的动应力和节点动位移均很小,说明了该网壳结构具有良好的抗震 性能.位移验算:1)壳面位移D+L+T+组合下壳面下弦中心位移最大,为一129.3mm,129.3/60000=1/460<1/250,满足JGJ7—2010第3.5.1条挠度限值要求.21悬挑端位移D+L+0.6wx++T+组合下悬挑端位移最大,为27.1mm,27.1/10000=1/355<1/125,满足JGJ7—2010第3.5.1条挠度限值要求.构件强度及稳定验算:主要构件强度及稳定验算应力比小于等于0.8.从杆件应力比图可以看出验算结果比率均满足控制目标要求,大部分杆件应力较低,结构具有很好的延性.4稳定分析整体结构线性屈曲分析,前8阶屈曲模态均为悬挑部分局部失稳,第9阶屈曲模态为整体失稳模态,说明结构悬挑端刚度与中部壳体有较大差异.壳体整体失稳定义为由于薄膜应力向弯曲应力转化引起的刚度弱化,外圈悬挑端受力模式为弯曲应力并非膜面应力,其稳定性可通过杆件稳定保证.由于外环刚度对内部壳体稳定是有利的,此次稳定分析删掉外圈,仅分析壳面整体稳定性相对偏于安全.弹性全过程分析,通过30+荷载组合下完善模型的弹性全过程分析,找出具有最低安全因子的组合,进而以该组合为基础完成半跨活荷载分析,带缺陷的弹性全过程分析,验证安全因子K≥4.2.完善模型的弹性全过程分析,在恒载,活载,风荷载和温度作用及标准组合下的各种弹性全过程分析,验算安全因子均符合要求.下图举例为D+L荷载标准组合作用下的计算结果,图 中显示安全因子已大于5.5,最低安全因子K的组合为D+L+WX++Il+,约为4.8.完善模型半跨活荷载弹性全过程分析,半跨活荷载情况下安全因子大于满跨,故带缺陷弹性全过程分析采用满跨D+L+wx++T+组合计算,计算得出的最小安全因子为8.5.带缺陷弹性全过程分析,对初始几何缺陷,采用的是一致缺陷模态法,以结构线性屈曲分析中最低阶屈曲模态作为初始几何分布模态,最大缺陷值取跨度的1/300,以此引入结构模型中,进行非线性全过程迭代分析.综上所述,壳面整体稳定性满足规范要求.由于荷载较大,壳面对活荷载不对称布置不敏感,同时由带缺陷整体稳定性分析可以看出,壳面对缺陷较为敏感,施工时应注意控制安装精度,以免造成不利影响.5节点计算分析本工程主要有3种典型的节点类型:①弦杆与钢柱的连接节点;②双层网壳6杆节点;③柱脚节点.由于交汇杆件数量多,形式复杂,节点及支座须承担结构使用时杆件传来的拉,压,剪切等复杂的组合应力.设计时,首先必须根据国家相关规范进行计算;其次,根据经验对高应力区采取构造加强措施来保证节点设计安全.6结语1)相对于单层网壳,正交斜放双层网壳结构减少了竖向位移和支座推力;相对于四角锥体系结构,减少大量斜腹杆,既减少了用钢量,又提高了建筑室内美学效果,使结构显得轻盈美观.2)结构体系的稳定仍是控制因素之一,需进行线弹性和弹性全过程分析,确保结构的稳定承载力.3)矢高比和网壳厚度是结构内力分析很重要的参数.应与各专业加强沟通和协调,合理选择. (4)钢结构的节点构造是设计的关键之一,通过设计尽量使其传力直接,构造简单和施工方便.参考文献:[1】GB50009—2001建筑结构荷栽规范[S】.北京:中国建筑工业出版社.2006.[2】GB50017-2003钢结构设计规范[S】.北京:中国建筑工业出版社.2003.[3]JGJ7—2010空间网格结构技术规程【S】.北京:中国建筑工业出版社.2010.『4]孟美莉,吴兵,傅学怡,等.第26届世界大学生运动会篮球馆弦支穹顶屋盖结构设计叨.建筑结构,2011,41(4):24_28.(上接第17页)岩的变形和初期支护受力状态进行量测.5结语在铁路隧道工程中岩溶问题是不可忽视的,控制应从勘察设计做起,明确岩溶的发展阶段,围岩级别等实际情况,在技术可行,经济合理的情况下,综合确定工程措施.施工中,确定其合理施工方案,加强施工过程管理,精心组织施工参考文献:[1]隋修志.高少强.王海彦.隧道工程【M】.北京:中国铁道出版社.2011.[2]陈国亮.岩溶工程论文集[M].北京:中国铁道出版社,2009.[3】周伟.复杂地质条件下隧道岩溶处理方法的研究[J】.山西建筑.2007(5):277-278.『4]中铁一局集团有限公司主编.高速铁路隧道工程施工技术指南[Z】.铁建设,2010.79