穿越淺埋偏壓長大不穩(wěn)定斜坡體進(jìn)洞施工技術(shù)

梁 偉

(中鐵十一局集團(tuán)一公司，湖北襄樊 441104)

1 隧道進(jìn)口段工程概況

湘桂鐵路梅子坳隧道為客運(yùn)專線隧道，位于湘桂鐵路廣西壯族自治區(qū)桂林市境內(nèi)，該段均為新修鐵路地段，且為橋隧相連地段，該隧道全長5 392 m，線路小里程側(cè)緊鄰全線最長隧道觀音巖隧道(全長6 387 m)，出口大里程側(cè)連續(xù)為長大橋隧相連，設(shè)計方從線路總體考慮，設(shè)置了該段靠山體右側(cè)淺埋進(jìn)洞的方案。

該隧道穿越范圍內(nèi)地質(zhì)條件較差，是全線的重、難點和控制工期工程。其中，隧道進(jìn)口處為傍山進(jìn)洞，坡體植被發(fā)育，斜坡堆積3～15 m厚的崩坡積粗角礫土，土質(zhì)松散;坡腳為洛清江支流，長年沖刷，對坡腳處長期侵蝕，斜坡穩(wěn)定性較差;下伏細(xì)砂巖偶夾頁巖，全～強(qiáng)風(fēng)化，巖芯破碎呈塊狀，巖厚10～15 m，以下為弱風(fēng)化砂巖。隧道進(jìn)口DK425+155～DK425+280段要穿越長大不穩(wěn)定斜坡，屬于典型的淺埋、偏壓地段，隧道洞頂?shù)乇砀采w層薄(3～11.0 m)。

2 施工方案論證

2.1 施工特點和難點

(1)梅子坳隧道進(jìn)口125 m均為V級圍巖，洞頂及洞身范圍內(nèi)多以松散角礫土為主。

(2)梅子坳隧道洞口段為嚴(yán)重淺埋、偏壓地段。

(3)梅子坳隧道洞身地處山體坡腳，坡腳多年受河水沖刷，地下水位高，土體含水量飽和。

(4)梅子坳隧道為客運(yùn)專線隧道，開挖斷面跨度大，隧道凈寬14.4 m，凈高12.5 m，結(jié)構(gòu)矢跨比小，受力條件差。

2.2 施工方案選定

結(jié)合以上工程實際特點，施工中必須解決2個主要問題:一是偏壓山體和開挖洞身的圍巖穩(wěn)定，二是減少開挖過程中人為對軟弱圍巖的擾動，盡早閉合開挖斷面。經(jīng)方案比較和安全性論證，施工中先對偏壓山體進(jìn)行刷坡并采取錨網(wǎng)噴防護(hù)，并對開挖洞身范圍內(nèi)地表和巖體進(jìn)行鋼花管注漿預(yù)加固處理，改變土體和圍巖物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化圍巖自身強(qiáng)度和整體性;洞身開挖采取長管棚加CRD工法(即交叉中隔壁法)施工，進(jìn)一步減小施工過程中對圍巖的擾動，實現(xiàn)順利穿越淺埋偏壓長大不穩(wěn)定斜坡體。

對于隧道洞口段125 m的淺埋偏壓斜坡體的處理方案，施工中按2階段組織施工。

第1階段，DK425+155～DK425+195段40 m長度范圍內(nèi)，由于洞身開挖范圍全部處于強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層，且最淺埋深不足3 m，采用明挖法施工，施作明洞，施工前先施工靠山體側(cè)抗滑樁和樁間重力式擋墻，右側(cè)坡積體先進(jìn)行了地表鋼花管注漿永久加固，穩(wěn)定了坡腳，明洞施作后，右側(cè)施作反壓擋墻，洞頂回填反壓平衡了山體造成的偏壓。

第2階段，DK425+195～DK425+280段85 m范圍，由埋深不足3 m逐步過渡到深埋地段，洞身左側(cè)半部分、仰拱及填充均位于中風(fēng)化地層，避開了地層分界線，位于牢固地層中。考慮到洞頂淺埋角礫土覆蓋層自穩(wěn)性差及山體存在偏壓，施工過程中對洞頂洞身中心兩側(cè)各15 m范圍內(nèi)的地表進(jìn)行了鋼花管注漿加固，加固深度要求進(jìn)入W2地層不小于1 m。

通過以上施工，可以確保施工和運(yùn)營安全。

3 進(jìn)洞前洞外加固措施

洞外地表預(yù)加固分2步，一是在洞身左側(cè)高邊坡和洞口邊仰坡采用砂漿錨桿錨網(wǎng)噴加固，坡度1∶0.75;在明洞段地表和洞身淺埋段設(shè)置地表注漿加固，注漿管采用φ75 mm無縫鋼花管，間距1 m×1 m，梅花形布置，打孔深度視圍巖情況而定，要求深入到W2地層以下1 m，洞頂范圍內(nèi)注入開挖線以上0.5 m，注漿采用1∶1單液水泥漿，注漿完成后在鋼花管上端用φ12 mm鋼筋連接，澆筑20 cm厚混凝土。

3.1 DK425+130～DK425+220段邊坡加固

梅子坳隧道于2009年6月20日開工。首先對左側(cè)高邊坡強(qiáng)風(fēng)化粗角礫土層進(jìn)行清方，并施作防護(hù)措施。清方順序為由上往下按1∶0.75穩(wěn)定坡度逐層清方，3 m一層，同時對邊坡進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)。施工時，先清方至隧道頂回填線一級臺階處，并施作永久錨網(wǎng)噴防護(hù)，噴C20混凝土厚15 cm，φ22 mm砂漿錨桿長6 m，間距1 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)格φ8 mm@20 cm×20 cm;洞口至分界里程段擋墻背后邊坡及明洞段回填面以下開挖邊坡施作臨時錨網(wǎng)噴防護(hù)措施，噴C20混凝土厚10 cm，φ22 mm砂漿錨桿長4 m，間距1 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)格φ8 mm@20 cm×20 cm。隧道進(jìn)口邊坡加固措施見圖1。

圖1 隧道進(jìn)口邊坡頂部加固措施(單位:cm)

3.2 DK425+150～DK425+195段明洞地表注漿加固

進(jìn)口段隧底位于不良山體中，DK425+150～DK425+195段以洞外邊墻底為平臺施作φ75 mm鋼花管注漿加固措施，加固范圍為明洞外8 m范圍，鋼花管加固深度至W2地層以下1 m，鋼花管間距1 m×1 m，梅花形布置，具體布置詳見圖2。

3.3 DK425+195～DK425+280段淺埋偏壓段洞身地表預(yù)加固

圖2 隧道進(jìn)口邊坡底部加固措施(單位:cm)

DK425+195～DK425+280段由于淺埋偏壓，為了確保土體自穩(wěn)形成自然拱，采取地表加固措施，φ108 mm及φ75 mm鋼花管注漿加固，加固寬度為隧道中線兩側(cè)各12.5 m，深度為隧道洞身開挖范圍內(nèi)加固至隧頂以上0.5 m、兩側(cè)至W2地層以下2 m。鋼花管間距1 m×1 m，梅花形布置。具體布置詳見圖3。

圖3 DK425+195～DK425+280段地表注漿鋼花管布置示意(單位:cm)

4 進(jìn)洞及淺埋段掘進(jìn)支護(hù)施工

梅子坳隧道進(jìn)口段DK425+195～DK425+280段Ⅴ級圍巖全風(fēng)化淺埋、偏壓地段，采用CRD法施工，洞口設(shè)置φ108 mm大管棚進(jìn)洞。

4.1 洞口大管棚施工

隧道洞口段DK425+195～DK425+235段設(shè)計拱部采用φ108 mm×6 mm熱軋無縫鋼管超前大管棚注漿預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)采用型鋼鋼架加強(qiáng)，管身鉆設(shè)注漿孔，孔徑10～16 mm，呈梅花形布置(最后一節(jié)管管尾2 m不鉆孔)。導(dǎo)向墻采用C20混凝土，縱向長度為1 m，厚度為0.8 m，為確保洞內(nèi)開挖后導(dǎo)向墻不發(fā)生落拱，導(dǎo)向墻基底采取打設(shè)φ75 mm鋼花管并注漿加固，同時導(dǎo)向墻基礎(chǔ)嵌入管棚作業(yè)平臺1 m。

為保證大管棚施工精度，導(dǎo)向墻內(nèi)按圍巖類型設(shè)I20b型鋼鋼架，鋼架外設(shè)導(dǎo)向鋼管。管棚采用管棚鉆機(jī)施工，利用套管跟進(jìn)的方法鉆進(jìn)，分節(jié)安裝，套筒絲扣聯(lián)接，長管安裝一次完成;注漿采用高壓注漿泵注漿，漿液為水泥凈漿，注漿壓力控制在1.0～2.0 MPa。洞口大管棚布置示意見圖4。

4.2 洞身CRD法掘進(jìn)支護(hù)施工

針對洞口段淺埋偏壓地形，為進(jìn)一步減小開挖對圍巖的擾動，施工采用CRD法。該工法在隧道中部設(shè)置隔墻，斷面分6部開挖，每步縱向長度3～5 m，開挖后初期支護(hù)通過中隔墻和臨時仰拱封閉成環(huán)，初期支護(hù)全部完成封閉后，施作二次襯砌的仰拱和填充，最后分段拆除中隔墻和臨時拱腰仰拱，一次灌注二次襯砌混凝土，其施工工序見圖5。

現(xiàn)場拆除中隔墻，主要采用位移量測監(jiān)控來判斷拆除各構(gòu)件的順序及安全度。

(1)選擇拆除長度 L=0.5 m，D=7.2 m，D 為洞身寬度。現(xiàn)場模注長度為10 m。先拆除③、④部橫撐(臨時仰拱)。拆除時，要考慮異常因素，切口要求窄小，便于迅速焊接。

(2)在③、④部橫撐拆除后，量測收斂值和下沉值。在無大變化情況下，進(jìn)一步拆除①、②部橫撐。

(3)拆除中隔墻。先拆除拱頂以下1 m范圍內(nèi)的混凝土，當(dāng)拆除長度在6 m時，其收斂值無變化，再切斷頂部工字鋼，再進(jìn)行量測，觀察收斂值情況，確保累積值都在設(shè)計允許值內(nèi)。

圖4 洞口大管棚超前支護(hù)示意(單位:cm)

圖5 CRD法施工工序示意(單位:cm)

5 監(jiān)控量測

施工過程中加強(qiáng)沉降觀測，定人、定時、定點進(jìn)行觀測，雨天時加密觀測頻率。

5.1 埋設(shè)點的布置位置、量測斷面間距及量測頻率

(1)根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》要求，洞內(nèi)每臺階設(shè)置1條水平測線(由線左及線右各埋設(shè)1量測點組成)，隧道中心設(shè)置1拱頂下沉量測點，即洞內(nèi)每一量測斷面共設(shè)置5個量測點，隨著開挖進(jìn)程逐步埋設(shè)。

(2)以DK425+200斷面為起始斷面開始埋設(shè)監(jiān)控量測點，此段監(jiān)控量測斷面間距為5 m。洞內(nèi)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)應(yīng)在開挖后12 h內(nèi)取得起始讀數(shù)，最遲不得超過24 h，且在下一循環(huán)開挖前必須完成。之后量測頻率根據(jù)量測斷面點距掌子面的距離和位移速度確定，如兩者的量測頻率有沖突時以頻率高者為準(zhǔn)。

(3)DK425+195～DK425+280隧道淺埋地段須進(jìn)行地表沉降觀測，觀測點在隧道暗洞開挖前布設(shè)。布設(shè)點采用水泥護(hù)樁，并且與洞內(nèi)觀測點布置在同一斷面里程，布設(shè)斷面里程間距為5 m，地表下沉量測頻率與洞內(nèi)量測頻率一致。

(4)DK425+130～DK425+220段洞口高邊坡地段按縱向5 m間距在邊坡頂部埋設(shè)20個邊坡觀測點，觀測頻率為2次/d;如出現(xiàn)邊坡下沉及位移較明顯的情況時，則每4 h 1次。

5.2 洞內(nèi)測點埋設(shè)及量測方法

(1)使用數(shù)顯收斂計進(jìn)行洞內(nèi)凈空收斂量測。埋設(shè)點設(shè)置方法:開挖后在設(shè)計的量測點位置分別向圍巖打入2 m長的φ22 mm螺紋鋼，預(yù)留伸出初支面5～8 cm，以備焊上量測掛鉤(測量精度為0.1 mm)。

(2)采用全站儀進(jìn)行拱頂下沉量測。拱頂監(jiān)控量測點亦采用預(yù)埋鋼筋頭的方式，且必須在鋼筋頭上標(biāo)出油漆觀測點(測量精度為1 mm)。

(3)采用全站儀進(jìn)行地表下沉量測。布設(shè)點采用水泥護(hù)樁，樁頭刻鉆十字花(測量精度為1 mm)。

(4)測試中按各項量測操作規(guī)程安裝好儀器儀表，每測點測讀3次，取算術(shù)平均值作為觀測值。每次測試都要認(rèn)真做好原始數(shù)據(jù)記錄，并記錄開挖里程、支護(hù)施工情況以及環(huán)境溫度等，保持原始記錄的準(zhǔn)確性。地表檢測每天1次，洞內(nèi)檢測頻率見表1。各項量測作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后2～3周后結(jié)束。

表1 根據(jù)位移速度確定的監(jiān)控量測頻率

5.3 監(jiān)控量測結(jié)果分析

(1)在梅子坳隧道進(jìn)口的施工過程中，邊坡發(fā)生了位移和沉降，從隧道開工至成功穿越淺埋段進(jìn)洞后邊坡趨于穩(wěn)定，期間最大位移量為58.0 mm，最大沉降量為32.0 mm，從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，邊坡在刷坡和明洞段坡腳開挖后坡面發(fā)生了少量的位移和下沉;尤其在明洞作業(yè)平臺開挖過程中，坡面位移變化顯著，下沉變化較小，其主要原因是坡腳受到擾動，但在地表進(jìn)行鋼花管注漿加固施工后期，坡面位移和沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)隧道進(jìn)口段洞內(nèi)拱頂下沉及收斂最大值發(fā)生在監(jiān)控量測斷面DK425+220，其拱頂下沉最大值為63 mm，斷面收斂最大值為34 mm;該處地表下沉亦較明顯，隧道內(nèi)左側(cè)偏壓也較大，在隧道進(jìn)洞開挖前如果不對洞身進(jìn)行長管棚和地表鋼花管注漿預(yù)加固等措施，勢必會影響隧道進(jìn)洞開挖后隧道洞身圍巖的穩(wěn)定和施工安全。

6 結(jié)論

(1)梅子坳隧道進(jìn)口段隧頂覆蓋層薄，地形淺埋偏壓，施工難度大;隧頂左側(cè)高邊坡穩(wěn)定對施工影響大，存在較大安全隱患，采取有效的加固方案、并根據(jù)動態(tài)的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工是取得成功的關(guān)鍵。

(2)在隧道進(jìn)洞開挖前，應(yīng)根據(jù)隧道洞口地形和地勢，并結(jié)合水文地質(zhì)情況選擇合理的施工處治方案，創(chuàng)造良好的洞外施工環(huán)境是確保下一步隧道施工安全和質(zhì)量的前提條件。

(3)淺埋偏壓隧道無論是在施工還是在今后的運(yùn)營過程中，均存在較大安全隱患，建議在鐵路選線設(shè)計時盡量避免將隧道設(shè)在不穩(wěn)定地層中。

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