昔格達地層大斷面隧道下穿既有建筑施工技術研究

王義春

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

昔格達地層[1]是分布于我國攀西地區(qū)的一種特殊半成巖，主要由黏土巖、粉砂質黏土巖和粉砂巖組成，具有孔隙比大、粘結力和水穩(wěn)性差等特點。

隨著我國成昆線如火如荼的建設，多達十幾條在建隧道需穿過昔格達地層，施工過程表現(xiàn)為圍巖自穩(wěn)能力差，隧道大變形問題嚴重、掌子面坍塌等現(xiàn)象。目前，國內(nèi)學者對昔格達地層隧道修建技術展開了研究。孟祥磊[2]以成昆線米攀段朱家隧道為依托工程，對軟弱圍巖隧道變形機理及支護技術展開研究。孫長升[3]采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法，開展含水率對昔格達地層隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究。周平[4]通過多種研究手段，考慮含水率對昔格達地層的影響，提出了一種圍巖穩(wěn)定及亞分級的方法。王志杰[5]等針對昔格達地層隧道的破壞形態(tài)進行現(xiàn)場調(diào)研，對昔格達地層隧道圍巖災變特征與致災因素展開研究。舒東利[6]等為研究昔格達地層隧道初期支護背后注漿時機和預留變形量的大小，通過現(xiàn)場實測與統(tǒng)計分析，得到了初期支護的變形規(guī)律和預留變形量。周平[7]等對昔格達地層隧道圍巖變形特征和變形機理進行研究。王志杰[8]等以冉家灣隧道為工程依托，采用強度折減法對昔格達地層隧道圍巖穩(wěn)定性進行了分析，并進一步探討了系統(tǒng)錨桿的作用。王立川[9]等以前家山隧道為依托，介紹了PBA進洞法在淺埋富水昔格達地層的成功實踐經(jīng)歷。王志杰[10]等針對昔格達地層隧道圍巖的失穩(wěn)特征，總結出有水和無水條件下隧道開挖工法。周平[11]等采用室內(nèi)土木試驗測試和數(shù)值計算方法，給出昔格達地層隧道遇水軟化的穩(wěn)定性判別方程。丁文富[12]等針對成昆鐵路修建過程中遇到的昔格達地層問題，采用試驗手段，提出了合理的地質參數(shù)與工程處理措施。

縱觀諸多學者對昔格達地層隧道施工技術的研究發(fā)現(xiàn)，目前幾乎沒有對昔格達地層隧道下穿既有建筑物的施工技術探索。鑒于此，本文以米攀鐵路攀枝花段中鐵二十三局承建的冉家灣隧道為工程依托，對昔格達地層隧道下穿既有建筑物施工技術展開研究，研究成果可為類似工程施工提供寶貴經(jīng)驗。

2 工程概況

成昆鐵路冉家灣隧道出口工區(qū)，設計為客貨共線雙線鐵路隧道，起始里程為D6K584+236，終點里程為D6K585+647，長1 411 m。隧道D6K584+681～D6K584+850段下穿三線建設博物館，而在D6K584+730～D6K584+770段上跨保安營2號隧道LSD4K0+735～LSD4K0+775段，于D6K584+850～D6K584+890段下穿炳仁路，D6K584+890～D6K585+006段下穿淺埋回填區(qū)(見圖1)。隧道洞身通過地段主要為成巖作用差的第三系昔格達地層，少部分為混合巖強風化帶(W3)，巖質軟、易風化，遇水易軟化崩解，水穩(wěn)性差，產(chǎn)狀平緩，陡傾節(jié)理發(fā)育，洞頂及洞壁易發(fā)生掉塊、坍塌。地下水主要為巖面滲水，工程地質條件差。

圖1 冉家灣隧道平面位置

如圖2所示，三線博物館為建設在斜坡上的多層框架建筑，總高46 m，對地基沉降變形敏感。三線博物館除了大廳為本土外，周邊全部為回填土。回填時由于工期緊，碾壓可能不到位，目前已經(jīng)發(fā)生多起沉降和變形。三線博物館的修建對隧道洞頂原有地貌破壞嚴重，洞頂覆蓋層變薄。冉家灣隧道和保安營2號隧道在博物館下方交叉穿越，根據(jù)竣工資料，博物館采用群樁基礎，樁底標高距離冉家灣隧道拱頂約31 m，保安營隧道拱頂距離冉家灣隧道拱底僅8 m(見圖3)。

圖2 三線博物館

3 施工技術

3.1 開挖工法

為避免和減少因設計、施工等原因引起地表周邊建筑物設施安全事故的發(fā)生，經(jīng)過專家多次分析探討，決定采用三臺階七步開挖法施工，如圖4所示。

圖4 三臺階七步開挖法示意

隧道開挖控制要點如下:

(1)隧道環(huán)形導坑應沿開挖輪廓線環(huán)向開挖，預留核心土，周邊部位預留30 cm人工開挖，其余部位采用機械開挖。

(2)根據(jù)隧道圍巖地質情況，合理確定循環(huán)進尺，每次開挖長度一般為0.6～0.8 m；開挖后立即初噴3～5 cm混凝土，以減少圍巖暴露時間，防止圍巖長時間接觸空氣而導致力學參數(shù)變差。

(3)在留足作業(yè)空間和臺階穩(wěn)定的前提下，盡量縮短臺階長度，核心土長度應控制在3～5 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。

(4)中、下臺階左、右側開挖應錯開，嚴禁同時施工，左、右側錯開距離宜為3～5 m。

(5)超前施作仰拱，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在40 m左右。

3.2 超前加固方案

為有效控制隧道變形，在隧道下穿三線博物館地段，增加大管棚、中管棚、超前小導管等預支護。為了提高預加固質量，減少隧道開挖對圍巖的擾動，應采取適當加密超前小導管數(shù)量、加強鎖腳錨桿參數(shù)、采用大拱腳進行支護、掌子面預加固等綜合措施控制隧道變形。

D6K584+681～D6K584+720段和D6K584+850～D6K584+971段拱部采用φ76中管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)51根，每根長10 m，搭接長度不小于3 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小導管，環(huán)向間距0.4 m，每2.4 m一環(huán)，每環(huán)51根，每根長3.5 m。

D6K584+720～D6K584+795段和D6K584+795～D6K584+850段拱部采用φ159大管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)51根，每根長80 m，搭接5 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小導管，環(huán)向間距0.4 m，每2.4 m一環(huán)，每環(huán)51根，每根長3.5 m。

鋼管前端做成尖錐狀，尾部設置箍筋，小導管、中管棚傾角5°～10°，大管棚傾角1°～3°。 注漿材料為水泥漿液，水泥漿液水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力0.5～1.0 MPa。注漿前先噴射厚度為5～10 cm的混凝土封閉掌子面，以防工作面坍塌。注漿按由下至上的順序進行，注漿量達到設計注漿量或注漿壓力達到設計終壓(1.5 MPa)時方可結束注漿。注漿后要將注漿孔堵塞密實，漿液強度達70%以上，或4 h后方可進行開挖工作。注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，分析注漿效果，注漿不飽滿應補注。大管棚支護如圖5所示。

圖5 管棚支護(單位：mm)

3.3 初期支護

隧道開挖完成后，應及時噴射混凝土、安裝鋼拱架。鋼拱架安裝前，應清理拱腳或墻角的虛渣，處理欠挖部位至設計斷面。型鋼鋼架按設計位置拼裝，型鋼鋼架與封閉混凝土之間間隙較大時增設墊塊定位，兩排鋼架間縱向按設計要求用鋼筋連接，形成縱向連接體系。

為盡可能減小三線博物館沉降量，需增強初期支護強度，D6K584+690～D6K584+850段采用雙層鋼拱架，其中拱墻部外層鋼拱架為HW175型鋼，內(nèi)層鋼拱架為 18型鋼，仰拱采用單層 20鋼拱架。

為保證鋼架穩(wěn)定，嚴格控制位移沉降，需增強鎖腳錨桿的支護參數(shù)。鎖腳錨管采用長4.5 m的φ42無縫鋼管+長8 m的φ76大鎖腳。在每個臺階支護施工時，每榀鋼架上臺階拱腳兩側各設置2根φ42鎖腳錨管和2根φ76大鎖腳，中、下臺階拱腳兩側同樣各設置2根φ42鎖腳錨管和2根φ76大鎖腳，位置為距離拱腳20 cm處，與拱架軸線呈45°夾角插入巖體。

縱向型鋼拱架及大鎖腳錨桿安裝如圖6所示。

圖6 縱向型鋼拱架和大鎖腳錨桿

3.4 二次襯砌

二次襯砌應在圍巖收斂變形穩(wěn)定后施作，但由于本工區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差，而且下穿既有建筑物，初期支護難以使其達到完全穩(wěn)定。為減小三線博物館沉降量，減少隧道開挖對既有建筑物的影響，根據(jù)支護情況及量測信息，及時進行二襯施工并增設二襯鋼筋，達到初期支護與二次襯砌共同受力的目的，充分發(fā)揮二次襯砌的作用。

4 施工效果分析

冉家灣隧道于2017年4月15日開始進行下穿三線博物館施工，2017年9月8日二次襯砌施作完成，成功下穿三線博物館，不到5個月的時間完成了昔格達地層隧道下穿三線博物館的施工任務。施工效果表明，在保證施工進度、質量和效益的前提下，采用三臺階臨時仰拱法施工，配合大管棚、超前小導管適當加密預支護，大拱腳、鎖腳加強，掌子面預加固等綜合施工措施可以有效解決昔格達地層下穿建筑物的施工難題。

根據(jù)設計要求，執(zhí)行《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB 50911-2013)標準進行監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，博物館廣場累計最大變化點為D6K584+705，累計下沉量為84.19 mm，變化速率為0.24 mm/d，沉降變化曲線如圖7所示。

圖7 博物館廣場最大沉降點沉降值隨時間變化曲線

博物館廣場沉降相對較大，通過施工過程反分析，筆者認為，由于圍巖太差，下臺階開挖后，圍巖遇水收縮，導致局部位置鋼拱架拱腳懸空，鎖腳錨桿不能充分發(fā)揮作用。鑒于此，應根據(jù)現(xiàn)場的實際施工情況，將鎖腳錨桿改為鎖腳錨管，并在鋼架薄弱節(jié)點增加鎖腳錨管，可以更好地控制地表建筑物沉降。

5 結束語

(1)昔格達地層大斷面鐵路隧道采用大管棚超前支護和三臺階七步開挖法成功下穿既有建筑物，沉降最大值為84.19 mm。

(2)三臺階七步法每循環(huán)進尺宜為0.6～0.8 m，開挖后初噴3～5 cm厚混凝土，核心土長度應控制在3～5 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。左右側錯開距離宜為3～5 m，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在40 m左右。

(3)采用φ159大管棚及φ42小導管的超前加固措施，可以有效保證昔格達地層超前預加固質量。

(4)從現(xiàn)場施工過程看，宜增強鎖腳錨桿支護參數(shù)、保證注漿質量，可以更好地控制地表建筑物沉降。