復(fù)雜環(huán)境下某特大懸索橋隧道錨施工難點(diǎn)及安全應(yīng)對措施

余家富，王騰飛，蘇 楊，祁舒燕

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 工程概況

某懸索橋主跨1 060m采用有砟雙線鐵路鋼桁梁，主纜跨度為(245+1 060+270)m，主梁跨度為(130+1 060+90)m(見圖1)。為較好利用錨址區(qū)地質(zhì)條件，盡量減少破壞周邊環(huán)境，兩岸錨碇均采用隧道錨。

圖1 某特大懸索橋橋式立面布置(單位：m)

成都岸錨址區(qū)內(nèi)主要分布坡積碎石土，全、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖/花崗巖，弱風(fēng)化閃長巖/花崗巖，破碎弱風(fēng)化花崗巖/閃長巖，碎裂巖(構(gòu)造破碎帶)，微風(fēng)化閃長巖、花崗巖等。受瀘定斷裂剪切帶影響，錨址區(qū)巖體較破碎～破碎，且多有變質(zhì)，弱風(fēng)化巖體、破碎弱風(fēng)化巖體、碎裂巖體等均呈近南北向分布。勘探平洞揭露的碎裂巖(構(gòu)造破碎帶)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，風(fēng)化不均，主要為強(qiáng)風(fēng)化閃長巖、花崗巖，受地質(zhì)構(gòu)造擠壓破碎明顯。隧道錨址區(qū)碎裂巖(構(gòu)造破碎帶)巖體抗剪斷摩擦系數(shù)為0.51，抗剪斷黏聚力為0.2MPa，變形模量為0.35GPa；破碎弱風(fēng)化花崗巖/閃長巖巖體抗剪斷摩擦系數(shù)為0.80, 抗剪斷黏聚力為0.7MPa，變形模量為1.5GPa；弱風(fēng)化花崗巖/閃長巖巖體抗剪斷摩擦系數(shù)為0.84，抗剪斷黏聚力為0.8MPa，變形模量為5GPa。

2 隧道錨工程特點(diǎn)

1)三大 ①主纜拉力大 成都岸隧道錨主纜拉力4.3×105kN，為國內(nèi)主纜拉力最大隧道錨；②開挖角度大 隧道錨軸線豎向夾角為38°，開挖底部夾角>40°；③斷面尺寸大 隧道錨錨塞體段前錨面尺寸為13.82m×16.70m(寬×高)，后錨面尺寸為17.12m×24.60m(寬×高)(見圖2)。

圖2 隧道錨斷面(單位：m)

2)兩變 ①斷面多變 隧道錨主纜通過段、前錨室段、錨塞體段、后錨室段斷面均不一致，且除主纜通過段為等截面斷面外，均為前小后大的變截面；②地質(zhì)多變 錨址區(qū)弱風(fēng)化巖層、破碎弱風(fēng)化巖層、碎裂巖間隔分布，十分復(fù)雜。

3)一復(fù)雜 即周邊環(huán)境極其復(fù)雜。隧道錨與鐵路隧道最小距離僅16.782m，按照鐵路隧道施工組織籌措，鐵路隧道先通過平行導(dǎo)坑開挖至洞內(nèi)后返打出洞，鐵路隧道與隧道錨掌子面存在交叉施工問題(見圖3)。

圖3 隧道錨與鐵路隧道位置關(guān)系(單位：m)

3 施工難點(diǎn)分析

3.1 錨洞斷面大，成洞難度大

經(jīng)現(xiàn)場原位測試，碎裂巖變形模量比規(guī)范取值小，圍巖收斂變形大。錨洞范圍圍巖級別為Ⅳ1，Ⅴ1，圍巖抗剪強(qiáng)度低。隧道斷面大，錨洞最大寬度17.12m，最大高度24.6m。隧道錨開挖周期長，開挖期間難以施作二次襯砌控制圍巖變形，圍巖壓力由初期支護(hù)及初期支護(hù)形成的圍巖共同承擔(dān)。以上因素決定成洞難度大，面臨巨大施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 軸線傾角大，出碴困難

隧道錨錨體軸線傾斜角度為38°，其中前錨室軸線長62m，錨塞體軸線長85m，后錨室軸線長3m。隧道錨坡度大、距離長，錨洞出碴困難，開挖方量大(總計(jì)7.4萬m3，其中錨塞體及前錨室6.6萬m3)，采用傳統(tǒng)大角度有軌運(yùn)輸方式，運(yùn)輸效率低、施工工期長，需選擇快速出碴方式。

3.3 隧道錨洞與鐵路隧道施工相互影響

成都岸設(shè)置2個(gè)隧道錨，隧道錨間水平凈距為45～46m，二郎山鐵路隧道從2個(gè)隧道錨中間穿過。鐵路隧洞與隧道錨距離最近處為散索鞍基礎(chǔ)段，最小凈距16.782m，錨塞體置于鐵路隧道下方，與鐵路隧道最小距離約20m。按照鐵路隧道施工工序，鐵路隧道通過平行導(dǎo)坑開挖至洞內(nèi)后反打出洞，鐵路隧道與隧道錨存在掌子面交叉作業(yè)，鐵路隧道與隧道錨的施工工序影響成洞及錨固系統(tǒng)安全，需選擇合理的施工工序及控制措施，確保隧洞及隧道錨安全。

4 安全應(yīng)對措施

4.1 加強(qiáng)隧道錨初期支護(hù)設(shè)計(jì)

隧道錨暗挖段按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，隧道錨支護(hù)及襯砌參數(shù)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用工程類比結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算法確定：①初期支護(hù) 由格柵鋼架或工字鋼拱架、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，鋼拱架間用縱向鋼筋連接，并與徑向錨桿及鋼筋網(wǎng)焊為一體，與圍巖密貼，形成承載結(jié)構(gòu)；②二次襯砌 采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

隧道錨初期支護(hù)采用C30聚丙烯合成纖維噴射混凝土，設(shè)置直徑8mmHPB300鋼筋網(wǎng)，并設(shè)置工字鋼(或格柵)拱架，采用自進(jìn)式φ25×5(或φ32×6)中空注漿錨桿。

為保證圍巖收斂變形滿足要求，隧道錨錨洞在鞍室段、前錨室段、錨塞體段及后錨室段拱部及邊墻設(shè)置φ51×8自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，環(huán)向每隔3根系統(tǒng)錨桿設(shè)置1根，縱向間距與系統(tǒng)錨桿縱向間距均為15m，取消相應(yīng)位置系統(tǒng)錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿與系統(tǒng)錨桿同時(shí)施工，當(dāng)初期支護(hù)噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)70%，且錨桿砂漿強(qiáng)度達(dá)到70%后張拉預(yù)應(yīng)力。為確保成洞安全，隧道錨主纜通過段拱部采用φ108大管棚超前支護(hù)，其余地段拱部采用φ89長管棚+φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)。

按照隧道錨錨洞支護(hù)參數(shù)及設(shè)計(jì)確定的施工順序，采用FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論。

1)圍巖開挖變形總體表現(xiàn)為向臨空面發(fā)展的特點(diǎn)，位移大小與分布受地應(yīng)力大小、巖層分布影響明顯，整個(gè)錨洞圍巖開挖變形較顯著區(qū)域集中在碎裂巖(破碎帶)分布區(qū)域，埋深越大、開挖洞徑越大，圍巖變形越大。開挖完成后錨洞圍巖變形量最大約136.2mm，出現(xiàn)在下游側(cè)錨塞體靠近后錨室段邊墻部位，該部位是碎裂巖埋深較大部位。支護(hù)后錨洞相對收斂位移最大約1.6%，屬輕微擠壓變形。基于數(shù)值計(jì)算獲得的錨洞圍巖收斂變形基本滿足GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》要求。

2)計(jì)算得到的圍巖收斂變形值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，局部碎裂巖洞段支護(hù)后屬于輕微擠壓變形，圍巖損傷破壞較嚴(yán)重區(qū)域基本在錨桿控制范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大或屈服部位集中在碎裂巖洞段，但整體占比較小，滿足施工期錨洞圍巖穩(wěn)定要求。

4.2 采取合理的開挖方案

隧道錨施工前應(yīng)先做好邊坡、仰坡的防護(hù)和加固，施工時(shí)盡量減少圍巖擾動，按管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測的原則進(jìn)行開挖和支護(hù)。

隧道錨按新奧法原理組織施工，均采用控制爆破法，主纜通過段按照臺階法施工，其余地段采用臺階預(yù)留核心土分部開挖法施工，必要時(shí)設(shè)置臨時(shí)仰拱或采用CRD法，以減少圍巖擾動。洞室上臺階垂直錨洞軸線，其余臺階采用水平分層開挖，實(shí)現(xiàn)臺階法施工。臺階法開挖斷面如圖4所示。

圖4 臺階法開挖斷面

由于圍巖巖性較差，若支護(hù)不及時(shí)，隧洞存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)。因此要求開挖前在掌子面前方打長管棚和小導(dǎo)管等超前支護(hù)，開挖時(shí)根據(jù)鋼架間距，每開挖1榀及時(shí)施作初期支護(hù)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡快形成封閉，以控制圍巖應(yīng)力變形和塑性區(qū)發(fā)展。

4.3 利用泄水洞出碴

利用成都岸泄水洞作為隧道錨出碴運(yùn)輸通道，泄水洞采用單車道無軌運(yùn)輸斷面，從后錨室設(shè)出碴導(dǎo)洞至前錨室，沿洞室底部布置。隧道錨采用臺階法自上而下施工，棄碴利用自重從出碴導(dǎo)洞向下輸送至泄水洞尾段后，利用裝載車通過泄水洞外運(yùn)至棄碴場，如圖5所示。

圖5 利用泄水洞出碴方案

在隧道錨洞口及泄水洞洞口開設(shè)工作斷面，同步施工隧道錨主纜通過段及出碴導(dǎo)洞、泄水洞。出碴導(dǎo)洞采用斷面尺寸為內(nèi)凈空4.0m×4.0m的拱頂圓弧斷面，設(shè)初期支護(hù)。由于出碴導(dǎo)洞尺寸小、坡度大(40°)，自下往上施工風(fēng)險(xiǎn)高，因此，出碴導(dǎo)洞從上往下施工。

泄水洞按單車道無軌運(yùn)輸斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，寬為1.0m(人行道)+0.6m(側(cè)向?qū)挾?+2.8m(車寬)+0.6m(側(cè)向?qū)挾?，總寬5.0m，凈高3.85m，洞內(nèi)設(shè)1根通風(fēng)管。

泄水洞與出碴導(dǎo)洞貫通后，從上往下開挖隧道錨前錨室及錨塞體段，棄碴在重力作用下下滑至后錨室。

4.4 施工工序及影響控制措施

由于鐵路隧道開挖導(dǎo)致錨塞體向上產(chǎn)生位移，且爆破作業(yè)威脅錨固系統(tǒng)安全，為確保錨碇受力安全，應(yīng)在澆筑錨塞體混凝土前完成影響范圍內(nèi)的鐵路隧道爆破作業(yè)，鐵路隧道與隧道錨施工應(yīng)在此前提下合理安排施工工序。

為研究合理的施工順序，對先施工隧道錨再施工鐵路隧道(先錨后隧)、先施工鐵路隧道再施工隧道錨(先隧后錨)、隧道錨與鐵路隧道同步施工(錨隧同步)的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，隧道錨典型截面特征部位圍巖變形值對比如表1所示。可以看出，不同開挖方案中，全部開挖后隧道錨錨洞圍巖變形分布規(guī)律基本一致，增量變形值相差在1mm內(nèi)，其中錨隧同步開挖總體上比另兩種方案稍大。先錨后隧和先隧后錨方案中，全部開挖后圍巖塑性區(qū)基本一致。錨隧同步開挖方案中，在錨隧交叉部位圍巖塑性屈服區(qū)范圍開挖擾動相互影響有所增大，但范圍有限，一般<3.0m。可見，不同開挖實(shí)施方案對錨洞開挖完成后圍巖變形、塑性區(qū)分布影響較小。

表1 隧道錨典型截面特征部位圍巖變形值 mm

鐵路隧道與隧道錨先后開挖順序?qū)Τ啥窗踩杂绊懖淮螅┕H考慮爆破對相鄰洞室的安全性影響，由于洞室掌子面爆破導(dǎo)致另外的洞室掌子面掉塊，因此，按照施工期間開挖掌子面距離最大進(jìn)行施工組織籌措。鐵路隧道與隧道錨施工相互影響控制措施如下。

1)鐵路隧道及隧道錨采用合理的爆破控制振動措施。隧道錨影響段鐵路隧道采用數(shù)碼雷管控爆施工。隧道錨采用控制爆破施工，確保相鄰洞室爆破振動速率≤5.0cm/s。

2)根據(jù)現(xiàn)場施工時(shí)序合理調(diào)整相互影響段鐵路隧道開始施工時(shí)間，確保隧道錨澆筑錨塞體前在最短時(shí)間內(nèi)完成相互影響段鐵路隧道施工。

3)加強(qiáng)施工期的監(jiān)控量測及運(yùn)營期的健康監(jiān)測。

4)鐵路隧道施工單位及隧道錨施工單位應(yīng)相互配合，成立聯(lián)合指揮中心，合理布置臨時(shí)場地，加強(qiáng)施工配合，所有洞室嚴(yán)禁同時(shí)爆破，確保施工安全。

4.5 加強(qiáng)監(jiān)控量測及應(yīng)急預(yù)案

施工單位在施工過程中必須進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，及時(shí)掌握圍巖開挖過程中的動態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，提供有關(guān)隧道錨施工全面、系統(tǒng)的信息資料，以便及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

隧道錨和鐵路隧道施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道錨本體結(jié)構(gòu)的爆破振動速率監(jiān)測，如距離掌子面已實(shí)施的初期支護(hù)、散索鞍基礎(chǔ)、鄰近構(gòu)筑物等，爆破振動速率應(yīng)≤5.0cm/s。

成都岸地質(zhì)較復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合出碴導(dǎo)洞進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對揭露的碎裂巖范圍進(jìn)行必要的加固處理。

除常規(guī)應(yīng)急預(yù)案外，應(yīng)考慮以下特殊應(yīng)急預(yù)案：實(shí)際施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)掌子面后方圍巖變形監(jiān)測，若洞室局部位置超過變形預(yù)警值應(yīng)立即停止開挖，采用1 000kN預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固處理，作為施工預(yù)案。

5 結(jié)語

某特大懸索橋成都岸隧道錨穿越破碎巖層，具有“三大兩變一復(fù)雜”的工程特點(diǎn)，針對錨洞斷面大、成洞困難，軸線傾角大、出碴困難，與相鄰鐵路隧道施工相互影響等施工難點(diǎn)，通過加強(qiáng)隧道錨初期支護(hù)設(shè)計(jì)，采取合理的開挖方案，利用泄水洞出碴，合理組織鐵路隧道與隧道錨施工工序及進(jìn)行影響控制，加強(qiáng)監(jiān)控量測和應(yīng)急預(yù)案等措施，確保成都岸隧道錨及相鄰鐵路隧道施工安全。