基于烏蒙山2號(hào)隧道論多線大跨車站隧道的修建技術(shù)

唐國(guó)榮,章慧健,仇文革,高 揚(yáng)

(1.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 3.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家,由于線路標(biāo)準(zhǔn)的提高,必然伴隨大量隧道工程的出現(xiàn)[1]。隨著路網(wǎng)建設(shè)不斷向山區(qū)的發(fā)展,由于受地形限制,使得某些車站不得不延伸入山體內(nèi)形成車站隧道?；谶@些因素使得隧道跨度變大,斷面也隨之增大,相繼出現(xiàn)了不少大跨度、大斷面的鐵路隧道工程。如內(nèi)昆線地處西南山區(qū),沿線有不少車站因地形限制而深入到隧道內(nèi),其中曾家坪1號(hào)隧道進(jìn)口車站入洞,最大開(kāi)挖寬度20.68 m；襄渝線狗磨灣車站隧道開(kāi)挖跨度為20.5 m,斷面積達(dá)260 m2；渝懷線杉樹(shù)陀三線車站隧道,隧道開(kāi)挖最大寬度21.18 m,最大高度15 m,開(kāi)挖斷面為243.46 m2；大麗線(大理至麗江)禾洛山三線大跨車站隧道,斷面積大于240 m2。此外,我國(guó)鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)已經(jīng)出現(xiàn)且還將出現(xiàn)大量的大跨度隧道。我國(guó)鐵路客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值最高達(dá)350 km/h,雙線隧道開(kāi)挖面積達(dá)140～160 m2,局部斷面達(dá)200 m2,開(kāi)挖跨度達(dá)20 m左右?！岸?、長(zhǎng)、大、深”即數(shù)量多、長(zhǎng)度大、大斷面、大埋深將是21世紀(jì)我國(guó)隧道工程發(fā)展的總趨勢(shì)[2～3]。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始在鐵路系統(tǒng)修建斷面面積超過(guò)100 m2的大斷面隧道,由于大斷面隧道的工點(diǎn)及工程經(jīng)驗(yàn)少,在設(shè)計(jì)的初期主要從施工和結(jié)構(gòu)的安全方面考慮,設(shè)計(jì)偏于保守,工程措施偏強(qiáng),工程造價(jià)高。另外過(guò)于強(qiáng)調(diào)二襯的作用,對(duì)初期支護(hù)的作用認(rèn)識(shí)不足。就目前的實(shí)際工程實(shí)踐來(lái)看,修建特大斷面隧道可供借鑒的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)也不多,國(guó)內(nèi)對(duì)特大斷面隧道巖石力學(xué)性質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)理研究滯后,尚無(wú)統(tǒng)一的勘察設(shè)計(jì)規(guī)范,同類工程在設(shè)計(jì)和施工方面差別比較大。就目前我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工的相關(guān)規(guī)范[4～5]而言,僅針對(duì)單線及雙線鐵路隧道的設(shè)計(jì)和施工做了相應(yīng)的規(guī)定。對(duì)于三線鐵路隧道,目前較多的仍是在借鑒雙線鐵路隧道、公路大斷面隧道經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索性設(shè)計(jì)和施工；對(duì)于四線鐵路隧道,更是無(wú)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)可循。

烏蒙山2號(hào)隧道是貴昆線六盤(pán)水至沾益段增建二線工程的工期控制工程,是全線最長(zhǎng)的隧道,長(zhǎng)12 266 m。本隧道為雙線,滿足開(kāi)行雙層集裝箱列車要求,旅客列車行車速度為160 km/h。出口段扒挪塊車站伸入隧道內(nèi)547 m,為4線大跨車站隧道,最大開(kāi)挖跨度達(dá)28.42 m,最大開(kāi)挖面積達(dá)354.30 m2,為單跨鐵路隧道的世界之最。隧道穿越地層主要為泥巖、頁(yè)巖夾砂巖、灰?guī)r等,節(jié)理較為發(fā)育。本文以此車站隧道為工程依托,鑒于車站隧道從地形地貌上來(lái)說(shuō)經(jīng)歷了洞口段、淺埋段、深埋段等具有不同開(kāi)挖力學(xué)特征的階段,因此本文以該三階段為出發(fā)點(diǎn),從開(kāi)挖穩(wěn)定性、施工工法、支護(hù)措施三方面對(duì)特大跨隧道的修建技術(shù)進(jìn)行分析探討,得出了一些有益的結(jié)論。

2 車站隧道的洞口段

進(jìn)洞是山嶺隧道施工工況較復(fù)雜、質(zhì)量及安全隱患較多的地段。特別是在陡坡、軟巖、淺埋、偏壓、雨季施工等不利條件下,安全進(jìn)洞問(wèn)題更為突出。洞口段一般位于圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差地段,合理選擇洞口位置和進(jìn)洞方案,并借助一些輔助施工措施,是有效解決洞口施工問(wèn)題的要點(diǎn)。洞口位置的選定應(yīng)最大限度地保護(hù)山體的自然狀態(tài),根據(jù)地形、地質(zhì)、水文條件,著重考慮隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定等因素,確保施工時(shí)安全進(jìn)洞,并有利于施工和運(yùn)營(yíng)安全和自然環(huán)境的保護(hù)。進(jìn)洞方案建議采用明洞暗進(jìn)的方法,以減少明洞土石方開(kāi)挖,待進(jìn)洞后,反過(guò)來(lái)根據(jù)地形延長(zhǎng)明洞或施作洞門。實(shí)踐證明[6],這種方法對(duì)保障進(jìn)洞安全是非常有效的,是實(shí)現(xiàn)“零仰坡”進(jìn)洞最有效、最實(shí)用的辦法。“零仰坡”進(jìn)洞在當(dāng)前日益重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)、確保運(yùn)營(yíng)安全的背景下變得越來(lái)越重要,主要有以下幾點(diǎn)原則：①施工中盡量減小對(duì)原地表的破壞,以保護(hù)土體的穩(wěn)定；②多回填、多支護(hù)、少開(kāi)挖,特別應(yīng)避免山體清方大開(kāi)挖；③采取由下而上的施工方法,先支護(hù)后開(kāi)挖,以減少高邊坡的威脅；④盡量不設(shè)仰坡環(huán)向截水溝,以保持地表的完整性；⑤隧道洞口存在地表滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害時(shí),應(yīng)先治理、后進(jìn)洞。

對(duì)于本工程,烏蒙山2號(hào)隧道出口地形較為陡峭,橋隧相連,仰坡存在產(chǎn)生工程滑坡風(fēng)險(xiǎn),在施工場(chǎng)地整理過(guò)程中也曾發(fā)生小范圍塌方。為保證施工和今后運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)仰坡進(jìn)行刷坡后,采用錨索框架梁進(jìn)行了邊坡加固(圖1),而后在框架梁內(nèi)進(jìn)行了植被恢復(fù)(圖2)。由于洞跨大,進(jìn)洞輔助措施采用了雙層超前大管棚,如圖3所示。管棚所用鋼管為熱軋無(wú)縫鋼花管,外徑108 mm,壁厚6 mm,長(zhǎng)度40 m,內(nèi)、外層間距50 cm,每層管棚環(huán)向管間距40 cm,雙層錯(cuò)位布置,外插角為1°～3°。

圖1 錨索框架梁護(hù)坡

圖2 錨索框架梁內(nèi)植被恢復(fù)

圖3 雙層大管棚進(jìn)洞

3 車站隧道的淺埋段

根據(jù)泰沙基理論,淺埋隧道不能形成壓力拱,其破壞模式一般是沿著破裂角整體滑塌,直至地表,如圖4所示。若定義破裂角為滑移面與水平面之間的夾角,則破裂角越大,波及的地表范圍越小,顯然,對(duì)于這種破壞方式,支護(hù)應(yīng)采用剛度較大的結(jié)構(gòu)。

圖4 淺埋破壞模式

對(duì)于大跨隧道,特別是圍巖條件較差的特大斷面隧道,選擇一種合理的施工方法對(duì)順利施工和保證施工安全具有十分重要的意義。從當(dāng)前的施工技術(shù)水平出發(fā),鉆爆法仍是隧道開(kāi)挖的主要方法。

經(jīng)過(guò)多種方案的比選,烏蒙山2號(hào)隧道出口四線大跨淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱法施工,如圖5所示。如前所述,淺埋段支護(hù)以剛性要求為主,且由于是車站隧道,考慮耐久性設(shè)計(jì),二襯模筑混凝土厚度在拱部從1.1 m(拱頂)漸變至1.25 m(拱腳),支承于先施作的大拱腳式邊墻之上,正是由于邊墻的強(qiáng)大支護(hù)和拱的受力特點(diǎn),致使仰拱可以做的較為平坦,而對(duì)于四線特大跨隧道,可能會(huì)因?yàn)檠龉扒€半徑的改變,而減小或增加十幾方甚至幾十方每延米的開(kāi)挖量。根據(jù)圖中施工順序,二襯可以較早形成,則第⑨部在二襯的強(qiáng)大支護(hù)下,完全可以大刀闊斧的進(jìn)行開(kāi)挖,采用這種“先啃骨頭,后吃肉”的辦法,既能保證安全,又可加快施工進(jìn)度。

圖5 淺埋段施工方法和支護(hù)參數(shù)

本工法的最大一個(gè)亮點(diǎn)是將預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)引入了四線特大跨鐵路隧道施工。由于拱部臨時(shí)豎撐的拆除必然引起結(jié)構(gòu)體系的受力轉(zhuǎn)換,從而使洞室變形出現(xiàn)一個(gè)突變過(guò)程,跨度越大,這種現(xiàn)象越顯著,也即施工風(fēng)險(xiǎn)越大。為有效減小風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的可能性,引入預(yù)應(yīng)力錨索代替臨時(shí)豎撐,在拆除豎撐后,預(yù)應(yīng)力錨索依然可以提供支點(diǎn)作用,較為理想的狀態(tài)是預(yù)應(yīng)力錨索提供與臨時(shí)豎撐大小相等的支點(diǎn)力,使得拆除豎撐類似于結(jié)構(gòu)體系中拆除零桿,不影響結(jié)構(gòu)體系的受力。

此外,值得一提的是,如果圖4中破裂角以內(nèi)的圍巖土體以整體剛性下沉,則拱部系統(tǒng)錨桿作用不大。而本工程由于節(jié)理較為發(fā)育,時(shí)常發(fā)生掉塊砸壞臺(tái)車現(xiàn)象,因此有必要全周施作系統(tǒng)錨桿以限制圍巖掉快。

4 車站隧道的深埋段

隨著埋深的增加,由于壓力拱的作用,圍巖自承能力得以發(fā)揮,破壞不可能一直無(wú)限制的發(fā)展到地表,理論上存在一個(gè)臨界深度,超過(guò)臨界深度后,即發(fā)生典型的深埋破壞模式(圖6)。臨界深度的確定存在一定困難,主要與圍巖性質(zhì)、洞室形狀、大小和施工方法等因素有關(guān),目前鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于深淺埋的界定采用統(tǒng)計(jì)法。文獻(xiàn)[7]根據(jù)隧道開(kāi)挖后應(yīng)力矢量的變化規(guī)律,通過(guò)數(shù)值模擬方法分析隧道頂部上方圍巖能否形成安全有效的壓力拱,從而判定隧道的深淺埋分界。但文中未考慮地表坡度對(duì)自重應(yīng)力場(chǎng)的影響,如圖7所示,根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,自重應(yīng)力由坡頂向坡腳轉(zhuǎn)移,零埋深處壓力不為零,但兩條曲線覆蓋的面積相等,總重力不變?；诖?建議用等效埋深代替實(shí)際埋深。

圖6 深埋破壞模式

圖7 坡地自重應(yīng)力場(chǎng)下垂直應(yīng)力分布

圖8 深埋段施工方法和支護(hù)參數(shù)(Ⅴ級(jí)圍巖)

深埋段的開(kāi)挖與支護(hù)要求(圖8)與淺埋段不同,以強(qiáng)度控制為主,要充分發(fā)揮圍巖的自承能力。但由于缺乏四線鐵路隧道的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn),實(shí)際操作按動(dòng)態(tài)反饋的信息化設(shè)計(jì)施工模式進(jìn)行。

有了淺埋段的預(yù)應(yīng)力錨索施工經(jīng)驗(yàn),深埋段取消了原設(shè)計(jì)中的橫撐,而是直接以“外錨”代替“內(nèi)撐”,考慮到錨索施工有一個(gè)漿液硬化、強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程,臨時(shí)豎撐暫時(shí)保留。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋,有條件的逐步取消臨時(shí)豎撐落底,直至取消臨時(shí)豎撐(可能的話)。在取消內(nèi)撐的同時(shí),分塊可以進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,以求減少多次開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度和加快施工進(jìn)度。

預(yù)應(yīng)力錨索作為一種強(qiáng)而有力的“主動(dòng)”支護(hù)方式,是高效、經(jīng)濟(jì)的巖體加固技術(shù)[8]。施加預(yù)應(yīng)力的大小具有很強(qiáng)的主動(dòng)調(diào)控性,小的可為幾百kN,大的可達(dá)幾十MN,預(yù)應(yīng)力損失較大情況下可以進(jìn)行后期補(bǔ)充張拉。與先有變形后有力的普通錨桿相比,預(yù)應(yīng)力錨索更能充分調(diào)動(dòng)工程地質(zhì)體的潛在自穩(wěn)能力,改變其內(nèi)部應(yīng)力分布形態(tài)和大小,限制有害變形的發(fā)生,提高工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。在目前大跨山嶺隧道主要以新奧法施工的背景下,“外錨”代替“內(nèi)撐”的優(yōu)勢(shì)是很明顯的,一方面錨索既是臨時(shí)支護(hù),又可以作為永久支護(hù),避免了臨時(shí)內(nèi)撐的材料浪費(fèi),且不存在拆除臨時(shí)內(nèi)撐帶來(lái)的結(jié)構(gòu)體系受力轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)；另一方面由于取消內(nèi)撐,減少了臨時(shí)支護(hù)施作時(shí)間,作業(yè)空間得以加大,易于上大型機(jī)械設(shè)備,從而加快了施工進(jìn)度,是一種應(yīng)用前景較好的支護(hù)方式,建議今后推廣使用。

5 結(jié)論

(1)山區(qū)鐵路車站隧道(作為車站的一部分,或路隧結(jié)合式或橋隧結(jié)合式)一般必然經(jīng)過(guò)地形由淺到深,地質(zhì)由壞到好的過(guò)程,因此“三段”法(洞口段、淺埋段、深埋段)修建技術(shù)具有普遍規(guī)律,值得研究、總結(jié)和規(guī)范、推廣。

(2)洞口段一般位于風(fēng)化嚴(yán)重的巖體中,圍巖穩(wěn)定性差,故在洞口段需采用超前支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)處理。大管棚是較為常用的一種超前支護(hù)方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,還可以采用超前地表注漿,旋噴注漿加固地層,超前預(yù)襯砌等輔助措施。

(3)淺埋段、深埋段的大跨度洞室開(kāi)挖都不可避免的要將大斷面化大為小,分層分塊開(kāi)挖、逐步形成隧道設(shè)計(jì)體形,并盡快地沿開(kāi)挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu),再開(kāi)挖核心部和仰拱。由于預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù),可以有效減少內(nèi)撐的使用,增加作業(yè)空間自由度,減少拆除內(nèi)撐作業(yè)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)、同時(shí)減少臨時(shí)支護(hù)材料的浪費(fèi)。貫穿始終的理念是“安全、可操作、快速、經(jīng)濟(jì)”地建設(shè)大跨度大斷面隧道。

(4)在采用上述支護(hù)技術(shù)情況下,有條件將斷面分部數(shù)量減少,甚至可采用臺(tái)階法,這樣有利于大型機(jī)械化作業(yè),加快施工進(jìn)度,這是一條科學(xué)合理的大斷面隧道安全快速施工之路。

(5)隧道工程的特殊性,尤其是大斷面隧道的復(fù)雜性,決定了其在設(shè)計(jì)施工中,勘察、設(shè)計(jì)和施工等諸環(huán)節(jié)允許有交叉、反復(fù),在此基礎(chǔ)上形成了采取與隧道施工過(guò)程中的地質(zhì)條件、力學(xué)動(dòng)態(tài)等不斷變化相適應(yīng)的“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工”。隧道工程中的信息化方法是一種連續(xù)的、管理的、整合的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控及反饋過(guò)程,在缺乏施工經(jīng)驗(yàn)的軟弱圍巖特大斷面隧道施工中,更凸顯其不可或缺性。

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