軟弱富水大變形炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層地段改良4步CD法快速開挖施工技術(shù)

王 鵬，王相森

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 概述

軟弱富水大變形炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層地段隧道開挖采用常規(guī)4步CD法開挖支護(hù)方式，由于地層軟弱，斷面較小，只能采取小型機(jī)械或人工開挖及運(yùn)輸作業(yè)，且工序繁多、復(fù)雜，進(jìn)度較慢，成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為尋求軟弱富水大變形炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層地段一種既滿足施工要求，又能使工期縮短，既降低施工成本、提高開挖質(zhì)量，又減少安全隱患的施工方法，在某鐵路隧道開挖過程中，積極開展科技創(chuàng)新，結(jié)合以往施工研究，采用“改良后4步CD法開挖+周邊深層錨固+多措施聯(lián)合控制拱腳下沉”系列方案，在該隧道軟弱富水大變形炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層地段開挖施工過程中獲得成功應(yīng)用。

該鐵路隧道位于福建省境內(nèi)，隧道最大埋深約77 m，最小埋深約5 m。隧道線路里程為DK44+660～DK47+201，全長(zhǎng)為2 541 m。隧道設(shè)計(jì)行車速度200 km/h，襯砌內(nèi)輪廓半徑為6.03 m，隧道內(nèi)軌頂面以上凈空有效面積為81.37 m2。隧道DK46+341～DK46+321段設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，實(shí)際揭露地層巖性為全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層，巖體極其松散破碎且強(qiáng)度低，遇水極易軟化，地下水發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力極差，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)預(yù)警，雖采取管棚鎖腳等措施控制變形，但效果不明顯，最終導(dǎo)致DK46+341～DK46+321段大變形，并多次出現(xiàn)不同程度的侵占初期支護(hù)限界情況，其中最大侵限值為76.2 cm[1]。

2 施工技術(shù)要點(diǎn)

施工工藝流程見圖1所示。

圖1 施工工藝流程示意

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道開挖前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，收集隧道實(shí)際圍巖地質(zhì)情況，為隧道開挖數(shù)值模擬提供參數(shù)，確定下一步開挖施工方案。主要預(yù)報(bào)方法見表1。

表1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)軟弱富水大變形炭質(zhì)泥巖與炭質(zhì)砂巖互層地段鐵路隧道實(shí)際地質(zhì)勘查資料、設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖工況，仿真模擬運(yùn)用MIDAS-NX軟件，建立數(shù)值分析模型，并導(dǎo)入FLAC3D軟件開展隧道施工過程和隧道結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性分析[2]，研究結(jié)論如下。

1) 隧道在開挖過程中會(huì)造成隧底應(yīng)力集中區(qū)，幅值為10～17 kPa。

2) 隧道在施工過程中基底會(huì)有一定程度的隆起現(xiàn)象，與隧道的大斷面開挖關(guān)系密切。

3) 隧道開挖過程中的圍巖位移發(fā)展規(guī)律在數(shù)值計(jì)算中的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本一致，都經(jīng)歷了“急劇變形→緩慢變形→趨于穩(wěn)定”的過程。各斷面的基本穩(wěn)定時(shí)間都在距離開挖面30 m左右，開挖與輔助加固施工可同時(shí)進(jìn)行，各工序可形成不間斷流水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圍巖隧道的快速掘進(jìn)[3]。

4) 隧道在實(shí)際施工中可能發(fā)生較大的水平向的變形，在隧道開挖后及時(shí)對(duì)側(cè)墻進(jìn)行支護(hù)和加固，必要時(shí)加強(qiáng)隧道的臨時(shí)支撐，以控制隧道側(cè)向變形[4]。

2.3 超前支護(hù)

超前支護(hù)采用洞身管棚配合超前小導(dǎo)管控制先行位移及掌子面正面擠出施工技術(shù)[5]。

管棚設(shè)計(jì)參數(shù)：采用熱壓無(wú)縫鋼管及鋼花管間隔設(shè)置，外徑為89 mm，壁厚為5 mm，長(zhǎng)為10 m，環(huán)向間距至中為40 cm，縱向間距7 m一環(huán)，外插角為3°～5°。

超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)：熱壓無(wú)縫鋼花管，單根長(zhǎng)為4.5 m，外徑為42 mm，壁厚為3.5 mm。小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm，設(shè)置于管棚之間，縱向間距為2.4 m，外插角為10°～15°(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可作適當(dāng)調(diào)整)。

2.4 改良4步CD法開挖施工

開挖方案采用改良4步CD法施工，斷面開挖分6步，即將隧道分為左、右導(dǎo)坑進(jìn)行開挖，每側(cè)導(dǎo)坑又分為2步臺(tái)階+仰拱，每側(cè)上下臺(tái)階步距保持10～15 m，左右側(cè)上臺(tái)階掌子面相距5～10 m，每次同時(shí)開挖①④⑥步或②③⑤步(對(duì)角同時(shí)施工)，不開挖側(cè)同步進(jìn)行深孔錨桿加固等輔助施工[6]。下臺(tái)階至上臺(tái)階通道采用洞渣墊坡實(shí)現(xiàn)，仰拱施工采用仰拱棧橋。改良4步CD法施工流程及橫縱斷面示意見圖2～5。

2.5 支護(hù)施工

系統(tǒng)錨桿為9 m長(zhǎng)Φ22深孔錨桿，錨桿間排距環(huán)縱向1.2 m×1.0 m。錨桿孔采用電煤鉆成孔，孔徑為5 cm，拱部采用Φ22組合中空錨桿，邊墻采用Φ22普通砂漿錨桿，錨桿接長(zhǎng)采用套筒連接[7]。

圖2 改良4步CD法施工工藝流程示意

圖3 改良4步CD法施工橫斷面示意

圖4 改良4步CD法施工縱斷面示意(單位：m)

圖5 改良4步CD法施工平面示意(單位：m)

2.6 監(jiān)控量測(cè)

結(jié)合實(shí)際情況位移管理等級(jí)及采取措施參照表2～3實(shí)施。

表2 位移管理等級(jí)

表3 措施對(duì)應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

采用“改良后4步CD法開挖+周邊深層錨固+多措施聯(lián)合控制拱腳下沉”系列方案，各工序形成不間斷流水作業(yè)，開挖與輔助加固施工可同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圍巖隧道的快速掘進(jìn)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了施工成本，縮短了施工工期[8]。該技術(shù)已于該鐵路隧道成功應(yīng)用，通過以質(zhì)量包安全，以安全保進(jìn)度，隧道建設(shè)實(shí)現(xiàn)了“零事故”的預(yù)期目標(biāo)，確保了隧道的順利貫通，為全線鋪軌奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該技術(shù)施工安全性高、工期短，為今后類似工程施工提供了有力的技術(shù)支撐，值得借鑒、推廣，技術(shù)社會(huì)效益顯著。