淺埋偏壓碳質泥巖隧道施工技術研究

2016-01-15 19:09:07薛金海

中國高新技術企業 2016年2期

摘要：文章結合工程實例，介紹了隧道位于洞口淺埋偏壓、溝槽軟弱碳質泥巖等不良地質隧道的工程實踐，施工中運用了確定合理預留變形量、加強鎖腳及臨時仰拱（臨時橫撐）、洞內單層超前小導管注漿、全環鋼拱架、仰拱、嚴格控制開挖步長、二襯緊跟掌子面等措施，解決了此類地質條件下隧道變形侵線、坍塌冒頂等技術難題。

關鍵詞：淺埋偏壓；碳質泥巖；隧道工程；隧道變形侵線；坍塌冒頂文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2016）02-0101-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.050

中鐵一局蒙河鐵路工程指揮部施工的蒙河鐵路一標隧道35.226km，占標段總長的50%。隧道地質復雜，普遍存在斷層等不良地質，Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖占隧道長度的70%，其中軟弱圍巖地段主要是碳質板巖地質，新現1號隧道的炭質板巖地質尤為復雜，施工中防涌水突泥、防淺埋地段坍塌冒頂，加強軟弱圍巖施工控制，提高施工進度，是確保施工工期的關鍵。現筆者就蒙河鐵路新現1#隧道淺埋偏壓軟弱圍巖施工技術研究淺談匯報如下：

1 工程概況

新現一號隧道為Ⅰ級電力牽引單線隧道，設計行車速度120km/h。起訖樁號為DK46+048～DK46+620，隧道全長572m。隧道進出口位于右偏曲線（R=1600m）上，隧道處線路縱坡為單面下坡（進口段為18‰下坡，出口段為12‰下坡），變坡點里程為DK46+450，變坡點高程為1422.55m。隧道斷面內輪廓為三心圓曲邊墻斷面形式，斷面凈寬6.75m，拱頂凈高7.61m，洞內鋪設重型軌道碎石道床，鋪設Ⅲ型枕及60kg/m鋼軌，內軌頂面至道床底面高度為77cm。隧道進口采用翼墻式洞門，出口采用臺階式洞門，進出口邊仰坡采用人字型骨架護坡防護。洞身采用復合式襯砌結構。隧道左側設通信電纜槽，右側設電力電纜槽，全隧設小避車洞16個，大避車洞兼電纜余長腔3個。

2 研究目的

通過研究，經各方的共同努力，確定合理施工方案、施工工藝參數。為以后施工同類圍巖地質總結經驗，積累數據。

3 研究過程

3.1 原設計地質情況

新現一號隧道設計為<33～2>灰巖夾板巖（ε1m）：灰巖為深灰色，致密隱晶結構，中薄層狀，節理發育，充填有較多方解石細脈，局部有泥質灰巖；板巖成深灰色，風化后呈黃褐色，變余粉砂泥質結構及鈣質結構，中薄層狀，巖質較軟。節理發育，巖體破碎，鉆孔取芯基本呈塊狀，局部節理面可見炭質泥膜。

3.2 開挖揭示地質情況

新現一號隧道自2009年7月進洞開挖后，揭示地質為堆積狀碳質泥巖，呈黑褐色。受構造影響，巖體及其風化破碎，土質不均，含水量不均，具“流滑性”和蠕動作用，無自穩能力，在有臨空面的情況下極易產生下滑溜坍。巖體擠壓破碎嚴重，受地下水長期浸泡作用，大部分已成土狀、淤泥質土狀，在局部殘存的破碎巖塊上可見斷層擦痕。由于巖層無自穩能力，周邊圍巖側壓力大，致使開挖支護后的初期支護下沉及收斂變形嚴重。

3.3 變更設計支護參數

隧道自進洞至2010年3月，累計變更12次，均未能有效阻止初支變形，期間停工半年，經過多次專家評審，2010年10月確定如下措施：全環采用I18型鋼鋼架，間距0.6m，預留變形量0.3m，拱部設雙層Ф42超前小導管，水平小導管長3.5m，環向間距0.3m，縱向間距1.2m，斜向45?小導管長4.5m，環向間距0.3m，縱向間距1.2m，水平小導管與斜向小導管交錯布置。掛設Ф8鋼筋網，網格間距0.2m×0.2m，鎖腳采用Ф22砂漿錨桿，每根長4.0m，每榀4根，設在BC單元接頭處。襯砌設計為V級復合式襯砌（二），采用Ф18鋼筋混凝土，鋼筋間距33cm，襯砌厚度0.4m。

3.4 隧道埋深情況

3.6 前期施工情況介紹

由于前期對隧道圍巖認識不足，總認為圍巖松散，只采取加密超前小導管進行施工，阻止拱部出現流塌現象，沒有意識到隧道變形量大，上臺階掘進長度30m，中臺階25m，當進行下臺階僅施工5m后發現，初支已變形侵限，造成30m初期支護全部換拱。

由于現有的支護參數無法抵御圍巖側壓力，致使圍巖收斂過大，甚至有發生塌方的危險，施工人員安全得不到保證，于2010年3月停止施工，重新研究施工方案。

3.7 施工難點

綜合以上施工情況，經過設計、業主、集團公司專家多次親臨現場研究以及一年多的施工經驗來看，淺埋偏壓碳質板巖有以下四個特點：（1）圍巖為碳質板巖，遇水呈泥狀，無自穩能力，且具有“流滑性”和蠕動作用；（2）在施工過程中，初支在有擾動情況下，變形量大且不收斂；（3）在工序轉換工程中，受擾動，變形加劇，尤其是落D單元及仰拱開挖過程中，產生突變，極易塌方；（4）變形時間長，洞口段已施作的30m二襯左右邊墻由于圍巖側壓力原因，出現一條通長裂紋，裂縫最大寬度2～3mm。

4 方案制定及主要工程措施

4.1 研究時間

隧道自2010年3月停工，到2010年10月，經過專家多次會議研究，對存在的問題進行了針對性的分析，主要問題如下：（1）隧道圍巖破碎，遇水成塑狀，無自穩能力；（2）隧道圍巖淺埋偏壓且含水量大，給施工帶來更大麻煩；（3）隧道變形量大，在有擾動的情況下變形加劇，變形時間長。

針對以上問題，我們采取了以下措施：（1）加強超前支護，保證開挖過程中拱頂不流塌；（2）加強鎖腳錨桿施作，每個節點采用4根鎖腳錨桿，并增設臨時橫撐，阻止圍巖收斂過大，拱腳采用預制砼支墊密實，防止初支下沉量大，同時增加預留變形量，防止侵限；（3）加強監控量測，每循環進行量測工作，找出變形量大的工序，并加快該工序的施工時間，盡快成環；（4）二襯緊跟，保證洞內施工安全。

4.2 施工方案

依據設計、業主以及集團公司專家多次親臨現場研究，結合前期施工經驗和圍巖情況及監控量測數據，2010年12月制定以下方案組織施工。

“拱部輔單層小導管，開挖采用七步流水施工，預留核心土，仰拱及二襯緊跟，大循環成洞施工”的加固措施和施工方案。

施工中嚴格控制施工步序作為鐵的紀律來執行。

4.3 加強措施參數

全環I18工字鋼鋼架，鋼架間距0.5m，預留變形量增加到0.3～0.5m，拱部設Ф42小導管注漿加固，小導管長3.5m，環向間距0.2m，縱向間距1.0m，加強鎖腳錨管，每個節點設4根Ф42鎖腳錨管，錨管長度4.0m。全環共計16根，并增加2排工字鋼橫撐，分別布置在BC，CD單元接頭處，工字鋼縱向間距1.0m，橫撐縱向采用Ф22鋼筋進行連接，連接筋間距1.0m。4.4 換拱施工

2010年10月，根據方案進行換拱施工，拆換過程中必須采用“先加固，后拆除”的原則，確保在拆換工程中初支不會出現兩次變形。采用“自上而下，由外向里，逐榀拆除”的施工方法，“每3～4m為一個施工大循環”，即拆換、仰拱、二襯。保證施工安全。

首先采用I18鋼管橫撐進行加固，加固完成后打設徑向小導管注漿（環100×縱60cm）固結；其次采用風鎬在原有鋼架之間進行鑿除，鑿除一個臺階，鋼架安裝一個臺階，拆換后及時加設鎖腳錨管及橫撐，每3～4m完成后，及時進行仰拱施工，使之封閉成環，仰拱完成后二襯緊跟。2010年12月中旬換拱施工全部完成。

4.5 七步流水施工

隧道上臺階采用人工配合小型挖機的方式進行開挖，盡量減少擾動，架立鋼架并噴射砼，待噴射砼有一定強度后再打設鎖腳錨管，防止錨桿施工時擾動圍巖出現塌方，同時在B單元拱腳加設臨時橫撐，再進行中臺階C單元開挖，同樣在D單元開挖前，在C單元拱腳架加設臨時橫撐，依次進行開挖，并及時施作仰拱二襯。

4.6 研究完成情況

2010年10月開始進行換拱施工，截至2010年12月，30m侵限初支換拱全部完成，2011年1月正式進入軟弱圍巖施工，此時個節點里程如下：上臺階：DK46+560；中臺階：DK46+565；下臺階及仰拱二襯里程：DK46+570；二襯距掌子面步長僅10m。我們按照預定方案進行施工，2011年6月軟弱圍巖淺埋偏壓段全部施工完畢。

5 研究成果

截至2012年3月，新線1#隧道淺埋偏壓段已經全部施工完畢并順利貫通，經過長期研究總結了以下七點：

第一，嚴格控制開挖步長。針對軟弱變形隧道施工，工序步長控制是關鍵、工藝到位是保證、量測數據分析是依據，二襯施工速度決定掌子面的開挖速度：（1）上臺階步長控制在3～5m，每循環開挖1榀（0.5～0.7m）；（2）中臺階步長控制在5～8m，每循環開挖2榀（1.0～1.2m）；（3）仰拱距下臺階控制在3～5m，二襯距掌子面步長控制在25m以內（可根據二襯前隧道收斂值確定）。

第二，根據隧道的變形量測數據，確定合理的預留量，確保隧道二襯施工前不得侵入隧道二襯結構。

第三，加強鎖腳及臨時仰拱（臨時橫撐），抑制

變形。

每個節點設置4根鎖腳錨管，每根長4.0m，每榀鋼架共16根，并保證錨管與鋼架的鏈接質量。

安裝臨時橫撐時要保證接頭質量，在切割臨時橫撐時，橫撐需比凈空小2～3cm，安裝之前在鋼架上焊接角鋼架，橫撐放在焊接好的角鋼架上，橫撐與鋼架的間隙填實并焊接牢固，確保橫撐受力效果。

第四，延長C單元，減小落D單元時的臨空高度。

延長C單元一方面可以減少落D單元的臨空高度，防止D單元開挖時臨空面過高發生流塌；另一方面可以減少D單元工序時間，無論是從開挖及鋼架安裝工程量均有所減少，相應減少工序時間。

第五，鋼架拱腳部必須落在實處（基巖或砼墊塊），抑制拱架及初期支護的人為下沉降。

第六，針對軟弱變形隧道，應根據實際情況，確定合理的月施工進度，不可盲目追求隧道開挖進度。

第七，軟弱圍巖各工序的快速施工是施工組織的基礎，要做到早封閉。

軟弱圍巖隧道施工，其地質結構是復雜的，也是多變的，我們應不斷進行總結和積累經驗，為應對各種軟弱圍巖的施工打好基礎。

參考文獻