軟弱圍巖大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工技術研究

夏潤禾

(中交第二公路工程局有限公司,西安 710065)

1 工程概況

新建貴陽至廣州鐵路工程 GGTJ-5標段,位于廣西境內三都—五通間,線路全長 62.637 km,其中隧道28座,總長 47.723km,占線路總長的 76.2%。沿線地質變化多,施工環境差,技術標準高,環保工作難度大。全線地質特性屬于華夏構造體系和新華夏構造體系聯合影響帶,構造線與線路大角度相交;為砂頁巖相間分布區;地下水普遍具風化帶網狀裂隙水特征,埋藏較淺,屬淺層潛水;沿線地表水系發達,大氣降水豐富,補給充足。地下水類型有巖溶水(主要蘊藏于溶蝕裂隙、溶腔及管道)、裂隙水(主要分布于節理、裂隙發育的基巖中)和孔隙水(松散巖類孔隙水,多為孔隙潛水),由大氣降水的滲入而形成,賦存于風化裂隙及構造裂隙之中,地下水埋藏較淺,屬淺層潛水。

2 軟弱圍巖常見的施工方法的綜合對比

高速鐵路隧道工程與普通鐵路隧道相比的特點是多為雙線,隧道斷面大,同級圍巖的穩定性將大大降低,技術標準高,特別是對隧道支護技術和超前預支護系統提出更高的要求。而對于軟弱圍巖隧道施工一般采用施工方法有:環形開挖預留核心土法、雙側壁導洞法、CD法、CRD法等。表1將這幾種方法進行了綜合比較。

表1 軟弱圍巖隧道施工方法綜合對比

3 大斷面炭質頁巖隧道施工關鍵技術

3.1 大拱腳臺階法施工技術

3.1.1 概念

大拱腳臺階法施工工法是指在隧道開挖過程中將作業面分為 6個開挖面,以前后 6個不同的位置相互錯開同時開挖,然后分部同時支護形成支護整體,縮短作業循環時間,逐步向縱深推進的作業方法。對于軟弱圍巖承載力不足,擴大上部鋼架拱腳及墊板或增加鎖腳錨桿增大地基承載能力,每循環進尺 0.5～0.8 m,盡量縮短臺階長度,確保初期支護盡快合成環,仰拱和襯砌及時跟進,及時形成穩定的支護體系。

針對貴廣鐵路隧道埋深及地質條件進行優化調整,對常用軟弱圍巖隧道施工方法對比一些不足后,在總結三臺階工法經驗的基礎上,足能夠充分發揮大型機械快速施工的優勢,盡量避免剛性分隔,采用大拱腳臺階法施工,達到了快速安全施工的目的。以貴廣鐵路高培 3號隧道為工程背景,對煤系炭質頁巖地質條件下應用大拱腳臺階法施工技術進行了研究,并結合現場工程實踐,對存在低瓦斯的大斷面煤系地層隧道成功應用大拱腳臺階法施工,達到了工程安全,質量可控的目的。

高培 3號隧道穿越剝蝕中低山地貌,絕對高程190～300m,主要地層為上覆 0～3m第四季全新統坡殘積層(Q4dl+el)粉質黏土、碎石土,下伏基巖為寒武系清溪組下段(Eq1)砂質頁巖夾炭質頁巖,薄～中厚層狀,砂質結構,泥質膠結,部分弱硅質膠結,節理發育。地質特性屬于華夏構造體系和新華夏構造體系聯合影響帶,構造線與線路大角度相交,多為碎屑巖區。根據設計文件資料,由于炭質頁巖含炭較高,存在聚集少量的有害氣體及瓦斯的施工風險。

3.1.2 大拱腳臺階法施工工藝流程(圖1)

3.1.3 大拱腳臺階法開挖工序(圖2)

圖2 大拱腳臺階法開挖工序

第 1步:利用上一循環架立的鋼架施作隧道拱部φ42mm超前小導管,開挖上部弧形導坑①部:在拱部超前支護后進行,環向開挖上部弧形導坑,預留核心土,核心土長度為 3～5m,寬度為隧道開挖寬度的 1/3～1/2。開挖后應及時施作①部初期支護,即進行初噴4 cm厚混凝土,掛鋼筋網,架設鋼架,施作大拱腳系統支護,并在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角45°打設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接,鉆設系統徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定,一般 0.6m左右。

第 2步:左側②部中臺階開挖。在滯后①部約 3～5m后,開挖左側②部中臺階。開挖進尺根據初期支護鋼架間距確定,開挖高度一般為 3.5～4m,開挖后及時施作②部初期支護,即進行初噴 4 cm厚混凝土,掛鋼筋網,接長鋼架,并設鎖腳錨桿系統支護,鉆設系統徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

第 3步:右側③部中臺階開挖。在滯后②部 2～3 m后,與左側②部中臺階開挖支護方式一樣,施作右側③部中臺階。

第 4、5步:開挖上臺階④部、中臺階⑤部。在滯后③部 3～4m后,依次開挖上臺階④部、中臺階⑤部,開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。

第 6步:開挖隧底⑥部。在滯后⑤部 4～5m后,開挖隧底剩余部分⑥部,開挖后初噴 4 cm厚混凝土,安設仰拱鋼架并與左右側落地鋼架焊接牢固,復噴混凝土至設計厚度。為了不影響車輛進出,采用棧橋過渡方案,及時施作仰拱及仰拱回填,仰拱分段長度一般為 4～6m。

3.1.4 關鍵技術特點

(1)此項工法相對于 CRD法或 CD法較簡單,施工空間大,多個作業面可以平行作業,施工速度快,提高施工效率,加快了施工進度。

(2)在地質結構復雜多變、軟硬圍巖變化或其他條件發生變化時,大拱腳臺階法可以較為迅速地轉換為 CRD法或 CD法進行施工。

(3)此項工法能適應不同跨度和特大斷面的施作,初期支護作業工序簡單,投入勞動力少,沒有需拆除的臨時施工支護。

(4)此項工法將臺階法開挖與預留核心土相結合,左右前后錯臺開挖,有利于掌子面穩定。相對于CRD法或 CD法較簡單,減少了多工序之間的相互干擾,便于現場大型機械施工,加快施工速度。

(5)此項工法結合了弧形導坑預留核心土法和三部臺階法的優點,通過優化超前支護及初期支護結構的整體剛度,輔以大拱腳加強處理措施,可以很好地控制拱頂圍巖的沉降變形。

(6)大拱腳臺階法滿足了新奧法施工原理對圍巖加強控制的要求,減少分部開挖次數,加快了初期支護早封閉的時間,特別是拱部先期成環,避免了臨時支護結構體系的轉換,減少了施工過程中不安全因素的控制。

3.1.5 關鍵技術控制要點

(1)大拱腳臺階法施工應做好工序銜接,工序安排應緊湊,嚴格控制開挖長度,合理確定循環進尺,開挖后立即初噴 4 cm厚的混凝土,以減少圍巖暴露時間,避免因長時間暴露引起圍巖失穩。

(2)隧道垂直方向的變形控制主要依靠兩側拱腳,拱腳的穩定程度很關鍵。在上部鋼架增加大拱腳為了增大拱腳的承載能力,可在開挖中臺階時發揮大拱腳支撐拱部結構的重要作用,同時在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊向拱腳的斜下方打設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接確保鋼架基礎穩定,防止開挖中臺階時拱部下沉變形。

(3)大拱腳臺階法施工應嚴格按設計要求控制好超前錨桿支護外插角,施作外插角控制在 10°～12°,保證隧道開挖在超前支護的保護下安全施工。

(4)隧道周邊部位預留 20～30 cm堅持人工開挖為主,機械開挖為輔。根據圍巖情況局部如需爆破時,必須堅持弱爆破,減少對圍巖的擾動。同時做好監控量測,確保圍巖穩定和施工安全。

(5)鋼架應嚴格按設計及規范要求加工制作和架設,上下斷面初期支護鋼架連接應平順,螺栓連接牢固,拱腳應與連接板及鎖腳錨桿焊接牢固,以增強拱腳承載力,減少拱架凈空位移。

3.2 沉降變形控制措施

根據施工經驗和現場采集的數據對比分析,隧洞圍巖達到基本穩定條件為:隧洞周邊水平收斂速度,以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降;隧洞周邊水平收斂速度小于 0.1～0.2 mm/d,拱頂或底板垂直位移速度小于 0.07～0.15 mm/d;隧洞位移相對值已達到總相對位移量的 85%～90%以上。

隧道施工中監控量測的重要目的就是對初期支護實施動態管理,通過了解圍巖的受力變形狀態,判斷隧道圍巖和初期支護是否穩定和安全,及時進行信息反饋及預測預報,為施工二襯提供合理施作時間和為優化支護參數提供依據,指導現場施工。監控量測采用五點法,每個斷面設置 2條凈空變化基線,1個拱頂下沉測點,監測斷面間距為 5～10m,所有初讀數據須在開挖后 12h內測讀,量測頻次嚴格按照《鐵路隧道監控量測技術規程》(BG10121—2007)的要求執行,根據量測結果及時調整預留變形量,確保了初支不侵入二次襯砌范圍。根據現場監控數據分析,對于炭質頁巖、泥灰質巖為主的隧道,建議施工開挖時隧道拱部預留變形量 25～35 cm,邊墻預留變形量 15～20 cm,底部預留變形量 5～10 cm。

3.3 有害氣體監控與預防措施

因隧道穿越含炭質頁巖夾層的地層,地層中炭頁巖含炭較高,為確保人員、財產及施工安全,所以必須將有害氣體、瓦斯危險性預測放在第一位。在隧道開挖掌子面進行全斷面超前探測,超前探孔孔徑一般為89mm,單孔長度為 30m,搭接長度不小于 5m,掌子面布置 6個孔,并在超前探孔處采用光干涉式甲烷測定器,檢測是否有有害氣體涌出。加強通風和噴霧灑水,降低粉塵濃度,安排專職的經過瓦斯監測安全技術培訓的人員攜帶瓦檢儀對隧道進行巡回檢查,特別是拱頂、開挖凹凸處等瓦斯易積聚部位的監測,并建立健全安全監測制度,制定應急預案,組織施工人員進行演練,以確保施工安全。

4 結語

(1)對于軟弱圍巖初期支護體系一定要快速封閉成環。在貴廣鐵路隧道成功應用大拱腳臺階法施工,有效地發揮了其施工空間大,機械化程度高的優點,成功穿越了煤系炭質頁巖破碎地層,有效地防止了坍塌等事故。從而證明了此方法操作簡便,可控性強,作業速度快,效果良好,形成一套軟弱復雜地質條件特大斷面隧道施工方法,有效地提高了開挖質量,保證了施工安全。

(2)特大斷面隧道施工應特別注重對圍巖初期支護的監控量測工作[6],對指導施工、修改支護參數具有很重要的意義。

(3)對于煤系含炭質頁巖要特別注意有害氣體的監控與預防,必須做到“監測預防第一,建立健全應急預案”,做到有備無患,安全施工。

(4)對于特大斷面長大隧道,特別又是圍巖情況差的隧道,應用綜合超前地質預報技術,必須始終堅持以地質調查法為基礎,加深炮孔為輔,結合 TSP203plus超前地質預報系統相互印證,實現對掌子面前方120m范圍內地質狀況的準確預報,對指導施工有效防止塌方起到了重要作用。

(5)任何一種施工方法都不是萬能的,施工中應堅持因地制宜,采取針對性強、效果良好的工程措施和施工方法,做到“圍巖變,施工方法變”的原則,對于圍巖特別松散破碎,自穩能力差,地下水豐富的不良地質,還是應選擇按照 CD法或 CRD法施工。

(6)大拱腳臺階法對于軟弱地質大斷面鐵路客運專線隧道施工是一種先進的方法,只要強化現場施工作業管理,嚴格按照設計和驗標要求施作,可以加快施工進度,優化資源,節約成本,值得類似工程參考借鑒。

[1]陳立保.三臺階法在客運專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應用[J].鐵道工程學報,2008(12):72-74.

[2]項志敏,等.武廣客運專線大斷面隧道軟巖地段快速施工技術[J].鐵道標準設計,2007(S):61-63.

[3]TZ214—2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[4]鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準[S].

[5]鐵建設[2008]105號,鐵路隧道超前地質預報技術指南[S].

[6]管德鵬,汶文釗.客運專線鐵路隧道施工要點探索[J].鐵道標準設計,2007(6):90-92.