瀏陽河隧道穿越風化槽谷施工技術

彭友權

摘要:武廣客運專線瀏陽河隧道全長10.1km,為我國首條穿越地下城區的特長特大客運專線鐵路隧道,暗挖洞身段采用三豎井一斜井的施工方法。本文通過瀏陽河隧道2#豎井穿越風化槽谷的施工方法、超前地質預報、監控量測等綜合施工技術進行了詳細闡述,并提出了一些關鍵意見,以供類似工程參考。

關鍵詞:風化槽谷動態分部臺階法

中圖分類號:U455.4 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0047-03

1工程概況

武廣客運專線瀏陽河隧道全長10115m,施工里程為DK1560+785～DK1570+900,其中暗洞段長9935m,全隧道共設置三座豎井及一座斜井。其中2#豎井施工里程為DK1564+232～DK1565+743,施工長度1511m,全部為暗挖施工,該段隧道埋深為40m～50m,圍巖分級為Ⅳ～Ⅴ級。洞身暗段隧道穿越地層多為泥巖、泥質砂巖和砂質泥巖等Ⅳ級至Ⅴ級軟弱圍巖:地表上方原為凹地、水塘進行回填,人工填土厚度達8m～12m深不等,地層含水量豐富。隧道洞身主要穿越K2d2、K1d2強至弱風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖,夾薄層石膏和泥灰巖,巖體完整性差,均為軟巖,易風化、軟化。且巖溶較為發育,巖層破碎,節理發育不均,裂隙水發育,巖層風化極不均勻。

在2#豎井廣州端300m處DK1565+120 ～DK1565+250段出現風化槽谷,強風化最大深度達53.6m,已深入至隧道開挖底部。

2施工難點

(1)地質條件差,隧道穿越地層多為泥巖、泥質砂巖和砂質泥巖等五級至六級軟弱圍巖,且風化不均勻,地下水豐富,開挖斷面大,施工中容易失穩,隧道沉降變形難于控制;(2)地表上方為水塘洼地回填,回填土深度8m～12m,現已開發為長沙市隆平高科技園區,隧道沉降過大容易引起地表結構物變形或破壞。建筑物為結構廠房和辦公樓等大型建筑群,地表地基二次加固困難;(3)受地形和建筑物影響,前期地質勘探鉆孔選位困難,設計地質勘測資料存在一定的不確定性;(4)2#豎井廣州端任務923m,為瀏陽河隧道單口掘進任務最長的豎井,工期十分緊迫。

3過風化槽谷段施工技術

3.1 施工原則

(1)超前地質預報先行。為了掌握工作面前方的地質變化,開挖前對工作面前方的地質情況進行了探測,根據地質的變化情況調整支護參數,確保施工始終處于受控狀態。

(2)以量測資料進行反饋指導施工?？紤]到該段隧道圍巖嚴重風化、地下水發育及地表上方存在大型建筑的特點,采用較強的初期支護;在圍巖變形穩定以后,進行二次模筑襯砌,堅持以量測資料進行反饋指導施工。

(3)先注漿,后開挖。“先注漿,后開挖,注漿一段,開挖一段,封閉一段”的原則。

(4)“十八字”施工原則。施工采用“管超前、嚴注漿、短進尺、早封閉、強支護、勤量測”十八字原則。

3.2 施工方案比選

為了確保施工安全,保證隧道結構穩定及地表建筑物安全,前期曾提出如下幾種施工方案。

3.2.1 雙側壁導坑法

(1)雙側壁導坑法主要設計參數。主要設計支護參數:超前支護采用φ108長管棚套打φ42小導管超前注漿加固前方土體,環向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環向間距1m布置,并增設Φ50鎖腳導管組成初支系統錨桿進行加固。中隔壁及臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土組成臨時支護系統。

(2)雙側壁導坑法主要施工步驟。雙側壁導坑工法的主要施工步驟如圖1所示。①開挖與支護左側導坑上部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;②開挖與支護左側導坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;③開挖與支護右側導坑上部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;④開挖與支護右側導坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑤開挖與支護中間導坑上部;⑥開挖與支護中間導坑中部,安裝臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑦開挖與支護中間導坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑧拆除臨時支撐;⑨施作仰拱回填;⑩施作二次襯砌。

(3)操作要點。①1、2、3、4、5、6、7步開挖步驟均按短臺階法進行支護,每步錯開3～5m,及時安裝初支鋼架和臨時中隔壁及臨時工字鋼仰并噴射砼,快速封閉。②開挖必須堅持短進尺、弱爆破,每次循環進尺一榀鋼架間距。③仰拱襯砌及填充施作時,臨時支護一次拆除長度應控制在8m～10m以內,并加強監控量測,必要時須減短一次拆除長度,以確保隧道初支穩定。

3.2.2三臺階臨時仰拱法

(1)三臺階臨時仰拱法主要設計參數。主要設計支護參數:超前支護采用φ108長管棚套打φ42小導管超前注漿加固前方土體,環向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環向間距1m布置,并增設Φ50鎖腳導管組成初支系統錨桿進行加固。上臺階臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土,中臺階仰拱采用噴射10cm厚C20砼封閉組成臨時支護系統。

(2)三臺階臨時仰拱法主要施工步驟。三臺階臨時仰拱法的主要施工步驟如圖2所示。①開挖與支護上臺階初支,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及上臺階臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;③開挖與支護下臺階;④施作仰拱回填;⑤施作二次襯砌。

(3)操作要點。①1、2、3步開挖步驟均按短臺階法進行支護,上臺階長度應控制在3m～5m,中臺階根據圍巖地質狀況應控制在8m～10m并及時安裝初支鋼架和臨時工字鋼仰并噴射砼,快速封閉。②開挖必須堅持短進尺、弱爆破,減少對圍巖及初支的擾動。③仰拱襯砌及填充施及時緊跟。

3.2.3 動態分部臺階法

(1)動態分部臺階法主要設計參數。主要設計支護參數:超前支護采用φ108長管棚套打φ42小導管超前注漿加固前方土體,環向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環向間距1m布置,并增設Φ50鎖腳導管組成初支系統錨桿進行加固。上、中臺階臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土,并視圍巖的軟硬狀況和沉降收斂量測信息分別加設上臺階、中臺階中隔壁組成臨時支護系統。

(2)動態分部臺階法主要施工步驟。動態分部臺階法根據隧道的監控量測信息、開挖面范圍內圍巖的穩定程度可以分為以下兩種情況。

情況一:隧道上臺階圍巖軟弱,而中下臺階圍巖較硬。

該情況下,隧道的開挖方法如圖3所示,即用中隔墻將在上臺階分成左右2部分,開挖步驟如下。

①開挖1部臺階,初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結構的初期支護和臨時支護,安設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿要求與鋼架用Φ22鋼筋L形焊接,每榀2根。

②跟進開挖支護2部,步驟同1部。

③開挖3部,安裝鋼架,鉆設錨桿,錨桿要求L型焊接在鋼架上。噴射混凝土至設計厚度。

④開挖4部,及時封閉初期支護。

施工要點:①若上臺階圍巖不能自穩,又特別軟弱,可以在1部和2部采用環形預留核心土法進行開挖。②上臺階和中臺階的臨時仰拱視圍巖的穩定情況進行設置,若較好,可以不設臨時仰拱,否則要設置。③上臺階中隔墻一次拆除的長度不能過長。

情況二:隧道上、中臺階圍巖軟弱。

該情況下,隧道的開挖方法如圖4所示,即用中隔墻將在上、中臺階分成左右4部分。

①開挖1部臺階,初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結構的初期支護和臨時支護,安設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿要求與鋼架用Φ22鋼筋L形焊接,每榀2根。

②跟進開挖支護2部,步驟同1部。

③開挖支護3部,步驟同1部。

④開挖支護4部,步驟同1部。

⑤開挖支護5部,及時封閉初期支護。

施工要點:①若上臺階圍巖不能自穩,又特別軟弱,可以在1部和2部采用環形預留核心土法進行開挖。②上臺階和中臺階各部的臨時仰拱視圍巖的穩定情況進行設置,若較好,可以不設臨時仰拱,否則要設置。③中臺階的中隔墻可以和上臺階的保持一樣,即為工字鋼;也可以保留中間巖柱。

3.2.4 三種施工方案比較

(1)安全性比較。經過對開挖過程數值模擬分析,雙側壁導坑法施工很安全;三臺階法在圍巖強度發生變化時施工存在風險,在地下水較豐富時可能引起較大沉降,隧道變形難于控制;動態分部臺階法,根據地質變化條件,通過采取增加臨時仰拱和中墻,加大初支鋼架和噴射砼厚度等措施,施工安全能得到有效保證。

(2)施工技術難度。雙側壁導坑法施工工序復雜,不同工序轉換很難,在進、出軟弱圍巖地段工法轉換十分困難,施工技術要求高,難度大;三臺階法施工工序簡單,無施工工法轉換,技術難度低;動態分部臺階法施工工序較少,不同工序轉換容易,在進、出軟弱圍巖地段工法轉換簡單,施工技術難度中等。

(3)工程造價比較。三臺階法不需增加臨時措施費用,雙側壁導坑法臨時支護每米增加造價2.4萬元,動態分部臺階法臨時支護每米增加造價1.3萬元。

(4)綜合進度指標。Ⅳ級圍巖地段三臺階法開挖支護平均日進度為2.1m/d。采用雙側壁導坑法開挖支護平均日進度為0.5m/d,穿越130m風化槽工期為260d。動態分部臺階法開挖支護平均日進度為1m/d,穿越130m風化槽工期為130d。

(5)對地表建筑的影響。①三臺階法開挖,一次開挖面積大,弱爆破開挖對地表建筑的振動較大,且初支封閉時間長,隧道拱頂沉降、變形難于控制。②雙側壁導坑法全斷面共分7步進行開挖,開挖斷面小,采用弱爆破或人工進行開挖,支護封閉成環早,對地表建筑基本無影響,隧道拱頂沉降、變形小。③動態分部臺階法,根據圍巖的軟弱程度和監控量測信息,實時的增加臨時仰拱和豎向中墻,并采取加大初支型鋼鋼架和增加噴射砼厚度等措施,能有效保證地表建筑安全和控制隧道沉降變形。三種不同施工方案比較如表1。

3.2.5 方案選擇

綜合經濟、技術、安全、進度等各方面的因素,結合2#豎井廣州端任務923m,為瀏陽河隧道單口掘進任務最長豎井的實際情況,為了加快隧道穿越風化槽谷施工進度,保證施工安全,同時節約成本,最終選擇了如下方案。

(1)采取TSP、40m超前水平鉆孔取芯、紅外探水等對隧道圍巖地質狀況進行中長短距離全方位的超前探測,及時推斷出隧道掌子面前方的地層巖性、含水量等地質情況來指導施工。

(2)加強監控量測工作,監測頻率調整至一日兩次,及時分析隧道初支拱頂下沉、收斂情況來指導施工。

(3)以動態分部臺階法主選施工方案,充分利用該工法工序較為簡單,拆除臨時護少,在圍巖地質變化地段工法轉換快的特點,加快仰拱施工進度,拱墻襯砌同步緊跟。

(4)以上臺階深孔注漿為施工預案,如果超前地質預報顯示掌子面前方地質情況有變或是含水量較大,或初支拱頂及收斂速率較大,則立即封閉掌子面采用深孔注漿加固周邊圍巖。

4實施與效果

根據選定的以動態分部臺階法為主選施工方案,我們組織了施工。施工過程中加強了超前地質預報和隧道洞內外的監控量測變形,及時判斷和調整隧道支護參數,取得良好的效果。

主要采取的超前地質預報和監控量測技術措施如下。

(1)中、長距離地質控制預報,主要采用地質分析法,結合TSP200探測前方100m～150m范圍圍巖狀況。

(2)短距離地質控制預報,采用超前水平鉆孔進行預報。專門配備1臺水平地質鉆機,在上臺階掌子面鉆孔取芯,一次取芯長度為40m。一般地段取孔3個,拱頂和兩側拱腰各1個。開挖時每隔5m做好掌子面地質描述,并做好圍巖觀察記錄和分析。當圍巖發生變化或圍巖強度下降時,每開挖一次,記錄分析一次(如圖5)。

(3)采用精密電子水準儀、高精度全站儀無尺量測系統對初支拱頂下沉、收斂及地表沉降、建筑等進行了適時監控,掌握圍巖的變形和穩定情況(如圖6,圖7)。

2008年4月底2#豎井廣州端安全、順利的穿過風化槽谷,在整個風化槽谷施工過程中,取得了日平均進尺1.2m/d的較好成績。在DK1565+180～+200圍巖風化最嚴重地段,初支完成后最大隧道拱頂累計沉降量為35mm,最大收斂值為8.2mm,通過以上數據說明采用動態分部臺階法過風化槽谷施工方案是成功的,保證了隧道及地表建筑物的安全。