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浏阳河隧道过风化槽段施工安全性评估

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2011年第3期

论文作者:黄戡 丁国华 彭立敏 彭建国 安永林 冯德山

文章页码:803 - 809

关键词:隧道工程;风化槽地段;强度折减法;安全系数

Key words:tunnel engineering; trough slot; strength reduction method; safety factor

摘    要:针对浏阳河隧道过风化槽地段施工过程中遇到的易坍塌等问题,分析其主要原因,据现场情况修正原方案,提出施工应对措施,如加强超前地质预报和初期支护,采用“台阶法+竖向钢支撑”的开挖方法,进而应用数值模拟和现场监测分析其安全性,并基于强度折减法研究隧道整体稳定性。研究结果表明:竖向支撑可以很好地减少拱顶沉降;隧道安全系数为1.8,且应以拱顶沉降作为围岩失稳的主要指标。其研究成果可为同类隧道工程过风化槽等地段施工提供参考。

Abstract: The causes of the problem such as collapse encountered during Liuyanghe tunnel construction in the weathered slot were analyzed. Based on geology condition, the original design was modified and some countermeasures were put forward, such as reinforcement geology forecast and preliminary support, setting vertical temporary steel support. Construction safety was adjusted using simulation software and in-site monitoring. The tunnel stability was analyzed by strength reduction method. The results show that vertical steel support can effectively reduce crown displacement. Tunnel safety factor is 1.8 based on strength reduce method, and the main indicators of rock failure is crown displacement. The research can give a reference for similar tunnel projects.



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浏阳河隧道过风化槽段施工安全性评估

黄戡1, 2,丁国华2,彭立敏1,彭建国2,安永林1,冯德山3

(1. 中南大学 土木建筑学院,湖南 长沙,410075;

2. 湖南省交通规划勘察设计院,湖南 长沙,410008;

3. 中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙,410083)

摘要:针对浏阳河隧道过风化槽地段施工过程中遇到的易坍塌等问题,分析其主要原因,据现场情况修正原方案,提出施工应对措施,如加强超前地质预报和初期支护,采用“台阶法+竖向钢支撑”的开挖方法,进而应用数值模拟和现场监测分析其安全性,并基于强度折减法研究隧道整体稳定性。研究结果表明:竖向支撑可以很好地减少拱顶沉降;隧道安全系数为1.8,且应以拱顶沉降作为围岩失稳的主要指标。其研究成果可为同类隧道工程过风化槽等地段施工提供参考。

关键词:隧道工程;风化槽地段;强度折减法;安全系数

中图分类号:U459.2           文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2011)03-0803-07

Safety accessment of Liuyanghe tunnel construction through weathered slot

HUANG Kan1, 2, DING Guo-hua2, PENG Li-min1, PENG Jian-guo2, AN Yong-lin1, FENG De-shan3

 (1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute; Changsha 410008; China;

3. School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract: The causes of the problem such as collapse encountered during Liuyanghe tunnel construction in the weathered slot were analyzed. Based on geology condition, the original design was modified and some countermeasures were put forward, such as reinforcement geology forecast and preliminary support, setting vertical temporary steel support. Construction safety was adjusted using simulation software and in-site monitoring. The tunnel stability was analyzed by strength reduction method. The results show that vertical steel support can effectively reduce crown displacement. Tunnel safety factor is 1.8 based on strength reduce method, and the main indicators of rock failure is crown displacement. The research can give a reference for similar tunnel projects.

Key words: tunnel engineering; trough slot; strength reduction method; safety factor

武广(武汉-广州)客运专线曾为当时我国在建线路最长、技术标准最高、投资规模最大的客运专线,其穿过的浏阳河隧道也是当时国内首座穿越城市、河流、高速公路的铁路隧道,属于国内特长、特大断面隧道。该隧道位于湖南省长沙市东部,起于长沙市开福区捞刀河镇,止于雨花区黎托乡,进口里程为DIIK1560+550 km,出口里程为DIIK1570+670 km,全长为10.120 km。浏阳河隧道在DⅡK1565+120~ DⅡK1565+250 km段出现风化槽谷,强风化最大深度达53.6 m,已深入至隧道开挖底部,若技术措施不当极易发生坍塌事故;因此,对于该风化槽地段隧道施工安全的研究具有十分重要的意义。目前,关于隧道施工安全的研究较多[1-2],但对过风化槽特殊地段的研究较少,目前文献报道的只有关于厦门海底隧道过风化槽地段的稳定性和施工技术研究[3-4]、利用范例推理方法评价浏阳河隧道过该风化槽地段的坍方风险[5-7]。在此,本文作者分析浏阳河隧道过风化槽地段存在的问题及其原因,及时修正施工方案,并结合数值仿真和现场监测研究施工方案的安全性。

1  风化槽地段地质情况与原设计方案

1.1  地质情况

浏阳河隧道在DⅡK1565+120~DⅡK1565+250 km段出现风化槽谷,强风化最大深度达53.6 m,已深入至隧道开挖底部,地质纵断面如图1所示。隧道主要穿越强至弱风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩,夹薄层状石膏和泥灰岩均为软岩,岩体完整性差,易风化、软化,且岩溶较发育,岩层破碎,节理发育不均,裂隙水发育,岩层风化极不均匀。

1.2  原设计方案

隧道原设计施工方法为三台阶临时仰拱法,如图2所示。超前支护采用直径为108 cm的大管棚套打  42 cm的超前小导管,在隧道拱部从隧道中线分别向左、右两则各约108°范围内设置管棚长度为18 m,搭接6 m,每12 m施作1环。初期支护设计参数为:全环设置I 20工字钢架,间距为60 cm/榀;采用掺用改

图1  风化槽谷段地质纵断面

Fig.1  Longitudinal geological distribution in weathered trough slot

图2  过风化槽谷隧道断面设计图

Fig.2  Design of tunnel cross section for trough slot

性聚酯纤维混凝土,强度等级为C25;拱墙初期支护设置钢筋网,钢筋直径为8 cm,网格为20 cm×20 cm;拱部系统锚杆采用带排气装置的中空注浆锚杆,边墙采用普通砂浆锚杆,锚杆长3.5 m,锚杆环向间距×纵向间距为1.0 m×1.0 m。

2  施工过程中遇到的问题与施工方案修正

2.1  施工过程中遇到的问题及原因

(1) 地质条件差。隧道穿越地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等Ⅴ级至Ⅵ级软弱围岩,且风化不均匀,地下水丰富,开挖断面大,在施工中易失稳,难以控制隧道的沉降变形。

(2) 地表上方为水塘洼地回填,回填土深度为8~12 m,隧道沉降容易引起地表结构物变形或破坏。受地形和建筑物影响,前期地质钻孔选位困难,设计地质勘测资料的精度不够。

2.2  新施工方案的确定

经过现场勘察,结合风化槽谷围岩的实际地质情况,从多方面综合考虑,从以下几方面进行改进和   优化[6-8]

(1) 加强超前地质预报。风化槽谷处于不均匀风化带上,且地表上方为密集工业园区,大型厂房、建筑物繁多,受地形和地理位置条件限制,前期设计地质钻探资料不够详细、准确,施工时存在不确定因素。采取TSP203隧道地质超前预报系统、红外探水、超前水平钻孔长短结合等超前预报方法进一步探明前方地质变化情况和地下水位情况。

(2) 加强超前支护。将与水平面呈12°斜插直径为108 cm的超前长管棚优化为水平超前管棚,管棚长度


由原设计12 m/环调整为40 m/环,管棚搭接长度仍为6 m,并加强超前注浆,以减少管棚施作次数,缩短管棚施作时间,以避免斜插管棚易造成拱部超挖,增强风化段围岩的整体稳定性。

(3) 改进开挖工法。根据实际地质情况,围岩上软下硬,采用三台阶临时仰拱加设竖向钢支撑的动态分部开挖工法施工。开挖时严格遵循“弱爆破、短进尺、快封闭”原则,严防出现坍塌,上台阶拱部采用机械进行开挖,人工加以修边。中、下台阶采用弱松动爆破,通过人工或机械出碴,每次开挖进尺不大于一榀钢架间距60 cm。

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