新烏鞘嶺隧道軟弱圍巖快速施工技術(shù)

黃毅功

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，山區(qū)特長(zhǎng)隧道的設(shè)計(jì)與施工越來(lái)越普遍，而穿越軟弱圍巖地層逐漸成為一種常態(tài)，如何安全快速地通過(guò)軟弱不良地層成為參建各方所關(guān)注的重點(diǎn)。本文介紹了蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道穿越 F4 斷層軟弱圍巖的施工重難點(diǎn)，為同類(lèi)施工提供參考。

1 工程概況

蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道全長(zhǎng) 17 125 m，為一座雙線一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，是我國(guó)第一座越嶺選線中利用既有斜井施工的隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速 250 km/h，最大埋深 952 m，進(jìn)口段 1 289.05 m及出口 1 696.13 m 分別位于R-6 000 m 和 R-9 000 m 的右偏曲線上，其余地段均位于直線上，洞內(nèi)最大坡度為 25 ‰。

2 軟弱圍巖地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

隧道洞身橫穿存在復(fù)雜高地應(yīng)力、包含 F4、F5、F6、F7 四條區(qū)域壓性斷層（斷層寬度合計(jì) 1 587 m）的嶺脊寬大擠壓構(gòu)造帶（寬度約 8 000 m）。破碎帶主要為斷層角礫、斷層泥和壓碎巖，巖體極破碎，圍巖由沉積巖、變質(zhì)巖和軟弱構(gòu)造巖交互構(gòu)成、由不均勻含水甚至富水的第四系、第三系、白堊系、三疊系、志留系和奧陶系等六套地層構(gòu)成。

2.2 軟弱圍巖變形問(wèn)題

隧道通過(guò)的 F4、F7 斷層破碎帶，志留系板巖及千枚巖在既有蘭武二線施工中均存在不同程度的圍巖大變形問(wèn)題。隧道 F4 斷層破碎帶在施工過(guò)程中最大水平收斂達(dá) 324 mm；通過(guò) F7 斷層時(shí)，最大拱頂下沉和水平收斂分別達(dá)1 209 mm 和 1 053 mm；在志留系板巖及千枚巖地層中，隧道收斂變形達(dá) 500～700 mm［1-2］。

3 施工技術(shù)

3.1 施工方案

為有效地控制圍巖收斂變形，減少掌子面坍塌掉塊風(fēng)險(xiǎn)，確保軟弱圍巖的快速施工，堅(jiān)持“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、速反饋、控變形”的施工原則。通過(guò)總結(jié)新烏鞘嶺隧道 F 4 斷層的施工經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為安全可靠、切合該型地層的施工方案，主要方案為：雙層小導(dǎo)管超前加固，臺(tái)階法施工，上導(dǎo)弱爆破開(kāi)挖，預(yù)留核心土，下導(dǎo)機(jī)械錯(cuò)挖槽口，中部仰拱弱爆破開(kāi)挖，仰拱初支鋼架封閉成環(huán)，仰拱快速施工，二次襯砌緊跟施工。

3.2 施工方法及措施

3.2.1 超前支護(hù)

F 4 斷層內(nèi)無(wú)水段落拱部采用雙層Φ42 超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng) 5 m，環(huán)向間距 40 cm，內(nèi)層外插角5°～10°，外層小導(dǎo)管外插角 20°～40°，小導(dǎo)管縱向搭接長(zhǎng)度≥1.5 m。采用 YT-28 風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔插管，小導(dǎo)管管壁四周按 15 cm 間距梅花形、鉆設(shè) Φ8mm 壓漿孔，為防止漏漿，管尾端無(wú)孔部分長(zhǎng) 1 m，管前端鍛成鐵尖，尾端焊上Φ6 mm 鋼筋加勁箍，導(dǎo)管頂入長(zhǎng)度不小于鋼管長(zhǎng)度的 90 %。注漿前對(duì)開(kāi)挖面噴射厚 3～5 cm混凝土封閉，采用注漿機(jī)注入水泥漿，水泥漿水灰比在 0.5～1.0 之間調(diào)節(jié)，液漿由稀到濃逐級(jí)變換，即先注稀漿，然后逐級(jí)變濃至 1.0 為止，由兩側(cè)對(duì)稱(chēng)向中間進(jìn)行，自下而上逐孔注漿，出現(xiàn)竄漿或跑漿時(shí)，采用間隔注漿。注漿壓力控制在 1 MPa 內(nèi)，注漿達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量和注漿壓力時(shí)可結(jié)束注漿（見(jiàn)圖 1、圖 2）。

圖1 雙層超前小導(dǎo)管正面設(shè)計(jì)圖

圖2 I-I 剖面示意圖

3.2.2 開(kāi)挖

開(kāi)挖采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，上斷面一次開(kāi)挖臺(tái)階高度為 7 m，下斷面一次開(kāi)挖臺(tái)階高度 3 m，上下臺(tái)階距離控制在 35 m 之內(nèi)。上臺(tái)階預(yù)留核心土，采用弱爆破、局部機(jī)械配合開(kāi)挖；核心土高度 4 m，核心土上寬 2 m、下款 4.5 m，核心土四周環(huán)形預(yù)留高度滿足臺(tái)架就位及拱架安裝的施作空間。

上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺控制在 0.6～1.2 m，不超過(guò) 1.2 m 間距；下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，錯(cuò)開(kāi)間距 3～5 m，每循環(huán)進(jìn)尺控制在 1.2 m，采用開(kāi)挖槽口的形式盡量減小開(kāi)挖斷面，開(kāi)挖槽口寬度 3.5 m，開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖，局部配合松動(dòng)爆破，減少擾動(dòng)，下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后及時(shí)反壓回填拱腳，減少收斂變形；中部巖層采用松動(dòng)爆破、破碎錘配合開(kāi)挖，嚴(yán)禁下臺(tái)階和中部同時(shí)開(kāi)挖。

下臺(tái)階槽口開(kāi)挖安排在上導(dǎo)開(kāi)挖打鉆期間完成，兩道工序錯(cuò)開(kāi)，在確保上導(dǎo)正常施工的前提下，利用間隙完成左右側(cè)下導(dǎo)開(kāi)挖和支護(hù)，因此下導(dǎo)的開(kāi)挖與支護(hù)不影響上導(dǎo)的開(kāi)挖與支護(hù)是軟弱圍巖快速施工的關(guān)鍵之一（見(jiàn)圖 3～圖 5）。

圖3 兩臺(tái)階法橫斷面圖

圖4 兩臺(tái)階法縱斷面圖

圖5 兩臺(tái)階預(yù)留核心土法橫斷面圖

3.2.3 上臺(tái)階支護(hù)

上臺(tái)階拱架采用 I22 型鋼，間距為 0.6 m，Φ8 雙層鋼筋網(wǎng)片，Φ42 系統(tǒng)錨管代替系統(tǒng)錨桿，間距為 1 m 梅花狀布置，鎖腳錨管直徑為Φ42 mm，長(zhǎng)度為 4 m，初支厚度為 30 cm。

3.2.4 下臺(tái)階支護(hù)

下臺(tái)階接上臺(tái)階拱架，拱架采用 I22 型鋼，間距為0.6 m，Φ8 雙層鋼筋網(wǎng)片，Φ42 系統(tǒng)錨管代替系統(tǒng)錨桿，間距為 1 m 梅花狀布置，初支厚度為 30 cm。

3.2.5 仰拱

通過(guò)分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)槽口開(kāi)挖后，相應(yīng)斷面的拱架收斂變形平均為 5 cm，下導(dǎo)中部及仰拱開(kāi)挖后平均收斂再增大 8 cm，仰拱初支鋼架及噴射混凝土完成封閉后，相應(yīng)斷面的收斂值迅速得到了控制，每天平均收斂值≤3 mm，所以仰拱開(kāi)挖后必須迅速地完成拱架安裝和噴射混凝土施工是確保軟弱圍巖安全通過(guò)的關(guān)鍵（見(jiàn)圖 6）。

圖6 仰拱棧橋側(cè)面圖（單位：mm）

仰拱開(kāi)挖采用跨徑 28.5 m 長(zhǎng)液壓移動(dòng)棧橋輔助施工，仰拱開(kāi)挖每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)完成 4 m，支護(hù)完成后棧橋遷移繼續(xù)施工下一循環(huán)，直至滿足仰拱 12 m 為止，通過(guò)大跨度棧橋確保仰拱初支和仰拱可同時(shí)施工，實(shí)現(xiàn)仰拱開(kāi)挖、初支、仰拱的流水化施工。

3.2.6 二次襯砌

二次襯砌澆筑采用整體式襯砌臺(tái)車(chē)，臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度為12 m，二次襯砌的澆筑一般在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，但考慮到軟弱圍巖的受力特點(diǎn)，經(jīng)設(shè)計(jì)院以及專(zhuān)家論證后，對(duì)于軟弱圍巖地段的二襯要求提前施作，二襯距離掌子面的距離≤80 m，二襯鋼筋采用雙層鋼筋，環(huán)向鋼筋為Φ22mm，間距 20 cm，縱向鋼筋為Φ14mm，間距 25 cm，二襯厚度為 55 cm，確保襯砌結(jié)構(gòu)足夠的強(qiáng)度和剛度，二襯施作完成后，通過(guò)對(duì)應(yīng)力元件的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)初支內(nèi)受力明顯趨于穩(wěn)定，二襯表面未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋等病害。

4 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1）新烏鞘嶺隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖的快速施工，靈活且穩(wěn)妥的爆破開(kāi)挖方法是關(guān)鍵，只要能減少擾動(dòng)、杜絕拱部塌腔，任何開(kāi)挖技術(shù)均可采用；其次足夠強(qiáng)大的支護(hù)體系是保證，支護(hù)體系的加強(qiáng)可以通過(guò)增加型鋼尺寸、縮短拱架間距等措施實(shí)現(xiàn)。

2）鎖腳錨管對(duì)抑制收斂變形十分必要，在軟弱圍巖地段，要適當(dāng)增加鎖腳錨管的長(zhǎng)度和數(shù)量，長(zhǎng)度由設(shè)計(jì) 4 m 增大為 4.5 m，數(shù)量由單側(cè) 2 根增加為單側(cè) 4 根。

3）適當(dāng)增大預(yù)留變形量，確保沉降收斂后凈空滿足設(shè)計(jì)要求，減少因侵限造成的拆換拱問(wèn)題。

4）必要情況及時(shí)設(shè)置套拱，有效抑制變形趨勢(shì)。日常要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的指導(dǎo)作用，一旦發(fā)現(xiàn)局部段落收斂或沉降值持續(xù)而未達(dá)到控制，要果斷采取增設(shè)套拱的措施。套拱應(yīng)采取≥ I22 的型鋼，必要時(shí)采用H175 型鋼，間距≤60 cm，噴射混凝土厚度以有效覆蓋拱架即可，待該段仰拱澆筑完成后再對(duì)套拱進(jìn)行拆除處理。

5）按照“設(shè)備先進(jìn)、選型科學(xué)、成龍配套、滿足需要”的原則，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，降低風(fēng)險(xiǎn)、提高工效，是實(shí)現(xiàn)軟巖隧道快速施工的必備條件。

5 結(jié)語(yǔ)

新烏鞘嶺隧道是蘭張三四線鐵路的重點(diǎn)控制性工程，也是既有蘭武二線烏鞘嶺隧道建設(shè)完成后的又一條特長(zhǎng)隧道，在吸取既有烏鞘嶺隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的資源配置，并加強(qiáng)支護(hù)體系和施工工藝的優(yōu)化，進(jìn)度指標(biāo)得到了大幅提高，最終安全高效地實(shí)現(xiàn)了軟弱圍巖的快速施工，也為其他類(lèi)似圍巖的隧道施工提供一定的參考作用。Q