黃河高階地復(fù)雜地質(zhì)大斷面隧道施工技術(shù)

趙彥旭

線路與橋隧

黃河高階地復(fù)雜地質(zhì)大斷面隧道施工技術(shù)

趙彥旭

摘 要：結(jié)合蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營隧道施工，介紹不同圍巖地層斷面所采用的開挖方法和輔助施工方法，總結(jié)高階地復(fù)雜地質(zhì)大斷面不同地層組合隧道圍巖的施工技術(shù)，以期對類似工程有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：黃河高階地；蘭新鐵路第二雙線；孔家營隧道；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法；三臺(tái)階七步法

0 引言

隨著近年來鐵路建設(shè)的全面、快速發(fā)展，我國鐵路建設(shè)在隧道施工過程中面對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，特別是地質(zhì)單元的復(fù)雜性與多樣性時(shí)，較早期的鐵路建設(shè)有了很大的進(jìn)步。

蘭州黃河階地是國內(nèi)最為典型的河流階地，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，階地構(gòu)造變形劇烈[1]。對于黃河高階地復(fù)雜地質(zhì)條件下，大斷面隧道的開挖施工實(shí)踐較少，傳統(tǒng)施工方法的適用性及其參數(shù)的選擇有待論證[2-6]。通過蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營隧道的施工，在高階地復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的施工方法和施工組織方面獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

孔家營隧道為雙線隧道，全長2959m，位于甘肅省蘭州市西固區(qū)境內(nèi)，地處祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系前弧西翼與河西系武威蘭州構(gòu)造帶的復(fù)合部位（見圖1）。本區(qū)主要受北北西向及北西西向兩組構(gòu)造的控制，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，以間歇性垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，形成多級階地，各級階地臺(tái)面高差十分顯著。隧道洞身穿越地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積沖積黃土、沖積圓礫土及白堊系泥巖夾砂巖，鉆孔未揭示到地下水。

2 總體施工方案

2.1 進(jìn)洞方案比選

孔家營隧道進(jìn)口處于西固區(qū)馬耳山溝內(nèi)，溝谷較深且窄，洞口沒有施工場地，進(jìn)洞施工難度較大。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量，對3種進(jìn)洞方案進(jìn)行比選。

方案1：由馬耳山市場經(jīng)便橋沿溝直接進(jìn)入隧道洞口。該方案需經(jīng)馬耳山市場進(jìn)入馬耳山溝，即使能夠解決好市場賠償問題，但溝內(nèi)有常年流水，施工便道需修在半坡上，施工難度較大，且棄渣場選址較遠(yuǎn)。

圖1 孔家營隧道平面位置

方案2：由一分部便橋出發(fā)沿鄉(xiāng)村公路一分部棄渣場、垃圾場沿山盤旋路至隧道洞口。該方案利用一分部便橋和馬耳山隧道進(jìn)口的棄渣場便道，可減少重復(fù)投資。但垃圾場到隧道口高差63m，沿山盤旋進(jìn)入隧道洞口，按照8%的坡度，需640m才能到達(dá)隧道口。山溝需填高40m，棄渣和原材料運(yùn)輸困難，且經(jīng)過鄉(xiāng)村公路和馬耳山村，村民阻工風(fēng)險(xiǎn)較大。另外，該方案同樣面臨溝內(nèi)常年流水，無法棄渣，棄渣場選址較遠(yuǎn)的問題。

方案3：從蘭州石化林場開挖進(jìn)入隧道。該方案經(jīng)過鄉(xiāng)村公路1．7km。該處樹木較多，均屬于蘭州石化。賠償問題屬于與單位協(xié)商，較為簡單。同時(shí)可將開挖土方棄至同側(cè)溝內(nèi)，減少運(yùn)距。

經(jīng)比選，方案3較為合理，原因：（1）臨建總額低于前兩種方案；（2）棄渣場處于明挖段出口，較為方便，減少運(yùn)距。

2.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)隧道施工方案為：隧道采用無砟軌道運(yùn)輸。洞門段采用明挖法，Ⅴ級圍巖段淺埋段隧道，施工方法采用交叉中隔壁法（CRD法），Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖段深埋段隧道，施工方法采用三臺(tái)階七步法。

基于黃河高階地巖土體地質(zhì)特性，經(jīng)施工實(shí)踐，提出新方案，即Ⅴ級圍巖淺埋段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖段深埋段（圓礫土軟巖地層、黃土圓礫土軟巖地層）隧道，施工方法采用三臺(tái)階七步法。

3 施工方法

3.1 洞口明挖施工

3.1.1 洞口刷坡、防排水及防護(hù)

按設(shè)計(jì)要求的坡比，首先對邊坡、仰坡進(jìn)行開口線的放樣。由于洞口圍巖為黃土，在開口線5m以外做雙向截水溝，以攔截地表水，防止雨季地表匯流水對邊坡及洞口造成沖刷，導(dǎo)致邊、仰坡的失穩(wěn)及沖刷洞門造成危害。同時(shí)，也防止地表水滲入開挖面，影響明洞邊坡和成洞面的穩(wěn)定。截水溝施工完成后，根據(jù)測量放樣的開口線位置，利用挖掘機(jī)直接刷坡，人工配合修整邊坡。采用裝載機(jī)或挖掘機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)渣。

當(dāng)邊坡開挖整修完成，經(jīng)檢測合格后及時(shí)采用噴錨掛網(wǎng)方法進(jìn)行邊、仰坡的防護(hù)加固。

3.1.2 開挖方法及支護(hù)措施

孔家營隧道洞口地質(zhì)條件較差，為符合“早進(jìn)晚出”的原則，隧道進(jìn)、出口設(shè)置長度30m的大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。管棚鋼管采用節(jié)長5m和10m，從而保證隧道縱向同一橫斷面內(nèi)接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭錯(cuò)開5m。管棚采用φ108mm熱軋無縫鋼管及鋼花管，環(huán)向間距40cm，用φ114mm×5mm熱軋無縫鋼管及鋼花管，環(huán)向間距40cm，用φ114mm絲扣連接鋼管，連接鋼管長度30cm。每一洞口管棚共有50根鋼管。為了保證鉆孔方向及成洞面的穩(wěn)定，在明洞襯砌輪廓線外施作長1．0m、厚1m的C20鋼筋混凝土導(dǎo)向墻和φ140mm孔口管。鋼管設(shè)計(jì)仰角1°～3°，方向與路線中線平行。注漿漿液采用水泥漿液，水泥漿液以水泥為主，水泥漿水灰比1∶1。注漿壓力：初壓0．5～1．0MPa，終壓2．0MPa。一般按單管達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量作為注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓不少于20min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)，也可結(jié)束注漿。注漿結(jié)束后清除花管內(nèi)漿液，最后和普通管一起逐根壓填M20水泥砂漿。

3.2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法

隧道Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖法。老黃土土質(zhì)結(jié)構(gòu)膠結(jié)強(qiáng)度大，直立性好，有一定的自穩(wěn)能力，局部易坍塌掉塊。因此在該地層中施工時(shí)要求施工工序緊湊，及時(shí)封閉，否則將會(huì)出現(xiàn)噴層開裂、局部掉塊現(xiàn)象。

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖法是將隧道斷面分成上中下3部分進(jìn)行開挖的施工工法（見圖2），要求及時(shí)施作各部臨時(shí)仰拱，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開、平行推進(jìn)，具體施工步驟如下：

（1）開挖①部；施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)，鋼架設(shè)鎖腳錨管，拱腳采用鋼墊板，為保證拱腳基礎(chǔ)牢固，防止拱頂下沉量過大，對拱腳位置采用槽鋼或木板支墊；底部架立臨時(shí)仰拱，噴射10cm混凝土封閉。

（2）在滯后①部5～10m距離后，先拆除①部2～3榀臨時(shí)鋼架，再人工配合機(jī)械開挖②部，開挖進(jìn)尺為2～3榀鋼拱架間距；施作②部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)；架立臨時(shí)仰拱，打設(shè)鎖腳錨管，封閉臨時(shí)仰拱。

（3）在滯后于②部5～10m距離后，開挖③部，同時(shí)錯(cuò)開2m開挖④部兩側(cè)邊墻，以便施作鋼架，每循環(huán)開挖進(jìn)尺保持在2～3m；施作臺(tái)階周邊的初期支護(hù)。

（4）開挖④部其余仰拱部位，每次循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于3～4m。及時(shí)施作仰拱部位初期支護(hù)并封閉成環(huán)，封閉位置距離掌子面不得大于35m。

（5）根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，拆除②部臨時(shí)仰拱；澆筑Ⅳ部仰拱及Ⅴ部仰拱填充。

（6）利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌注Ⅵ部拱墻二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3.3 三臺(tái)階七步法工序

利用上一循環(huán)施工的鋼架作為隧道超前支護(hù)開挖①部→掌子面噴射混凝土封閉→①部導(dǎo)坑周邊初期支護(hù)施工→交錯(cuò)開挖②和③部→掌子面噴射混凝土封閉→周邊初噴、鋼拱架施工→④和⑤部交錯(cuò)施工→導(dǎo)坑周邊初噴、鋼拱架施工→分臺(tái)階開挖⑥部→開挖⑦部→灌筑Ⅷ部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充應(yīng)分次施作）→根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，利用襯砌模板臺(tái)車一次性澆筑Ⅸ部襯砌（拱墻襯砌一次施作）。具體工序示意見圖3。

4 結(jié)論

黃河高階地復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的開挖施工實(shí)踐較少。蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營、東坪村和小坪村等隧道穿越黃河Ⅲ級階地，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。其中，孔家營隧道被蘭新鐵路甘青有限公司定義為二級風(fēng)險(xiǎn)隧道。通過孔家營隧道的施工實(shí)踐，選用合理的施工方法、嚴(yán)密的施工組織，可以保證高階地復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的安全施工和質(zhì)量。

圖2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工法示意圖

圖3 三臺(tái)階七步法工法工序示意圖

（1）選擇合理的施工方法。經(jīng)過比選，黃河高階地隧道Ⅴ級圍巖淺埋段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道可采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖段深埋段（圓礫土軟巖地層、黃土圓礫土軟巖地層）隧道可采用三臺(tái)階七步法。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在隧道縱深開挖過程中挑選了黃土斷面DK14+190、黃土圓礫土斷面DK14+240、黃土圓礫土基巖斷面DK15+175、圓礫土基巖斷面DK15+226四個(gè)不同地層組合的典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測驗(yàn)證[7]，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法臨時(shí)仰拱能有效阻止水平方向圍巖壓力，減少隧道圍巖變形。三臺(tái)階七步開挖法可在不同的部位采用機(jī)械開挖和弱爆破等不同的開挖方式；尤其是斷面上部為圓礫土?xí)r，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，能盡快調(diào)整閉合時(shí)間，有效阻止拱頂圍巖壓力。

（3）三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階七步開挖法支護(hù)封閉時(shí)間短，初期支護(hù)變形小，圍巖穩(wěn)定快，二次襯砌支護(hù)可控制偏壓對隧道穩(wěn)定性的影響，確保隧道的施工安全，并加快施工進(jìn)度。

5 參考文獻(xiàn)

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趙彥旭：中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，教授級高級工程師，甘肅 蘭州，730000

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0025-03