鐵路隧道淺埋軟巖大變形控制施工技術(shù)研究

王天喜 WANG Tian-xi

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

根據(jù)大量工程施工地質(zhì)揭示，西南地區(qū)地質(zhì)狀況在全國范圍內(nèi)一直以來都較為復(fù)雜，給施工帶來了很多考驗(yàn)，例如，廣西地區(qū)的隧道溶洞處治，四川地區(qū)的巖爆施工難題及云南的滇中紅層等等，無論哪一種都是棘手的施工難題。

滇中地區(qū)位于云南省中部，滇中紅層為該地區(qū)一種典型軟巖。根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦翁攸c(diǎn)及設(shè)計(jì)情況，部分隧道長距離穿越淺埋段，埋深在100m 范圍之內(nèi)，長度可能達(dá)幾百至近千米不等，長距離穿越軟巖淺埋段施工，可能面臨軟巖大變形、涌水突泥、圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)問題，無論是對(duì)于施工安全、質(zhì)量，還是對(duì)工期進(jìn)度等各方面，都將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。[1]

本文依托山田隧道，針對(duì)目前的變形沉降情況，對(duì)隧道淺埋段變形影響因素進(jìn)行研究，提供了一套淺埋段軟巖大變形控制技術(shù)，可為本工程后續(xù)可能出現(xiàn)的大變形施工及今后類似工程提供一定的參考和經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

山田隧道位于云南省會(huì)澤縣待補(bǔ)鎮(zhèn)與田壩鄉(xiāng)境內(nèi)，會(huì)澤至田壩區(qū)間。進(jìn)口里程DK589+742，出口里程DK591+450，全長1708m，進(jìn)口接田壩站大橋，出口接清河村大橋，為設(shè)計(jì)速度350km/h 鐵路雙線隧道。隧道地面高程1990～2237m，隧道最大埋深約為203m，最小埋深約7m。目前沉降量約5～30cm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，隧道范圍地層主要巖性為第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4 dl+el）粉質(zhì)黏土、下伏三疊系上統(tǒng)須家河組（T3X）泥巖、砂巖；中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）泥巖、灰?guī)r及斷層角礫地層。

2 技術(shù)原理分析

隧址位于云南滇中地區(qū)，淺埋段圍巖屬于典型滇中紅層軟巖，山田隧道洞身開挖后，掌子面基本穩(wěn)定，洞身圍巖經(jīng)擾動(dòng)，軟巖重力向洞身范圍內(nèi)釋放，在三臺(tái)階全環(huán)拱架閉合前，圍巖重力從上臺(tái)階開挖后開始釋放，方向向下，主要作用在上臺(tái)階的三段鋼拱架節(jié)段上，并在中、下臺(tái)階及仰拱開挖的過程中，圍巖持續(xù)沉降，形成累計(jì)拱頂沉降豎向變形量。

按照三臺(tái)階法施工，在仰拱鋼拱架施工完成，形成全環(huán)初期支護(hù)閉合受力環(huán)后，重力釋放自由端受到約束，圍巖壓力由豎向沉降轉(zhuǎn)變?yōu)樗绞諗浚绞諗孔冃挝恢弥饕w現(xiàn)在中臺(tái)階高度范圍內(nèi)。[2-5]

根據(jù)掌子面圍巖穩(wěn)定性、初支全環(huán)閉合前的圍巖作用力方向轉(zhuǎn)變情況，可以確定山田隧道該工況下圍巖變形的控制方向及對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施。初支鋼拱架主要受力體系轉(zhuǎn)換示意圖見圖1。

圖1 初支鋼拱架主要受力體系轉(zhuǎn)換示意圖

3 淺埋軟巖大變形控制關(guān)鍵技術(shù)[6-8]

3.1 山頂?shù)乇硖幚?/h3>

地表進(jìn)行清表處理，清表后，覆蓋洞身垂直投影面頂部及兩側(cè)覆蓋防水層，并在坡面較高一側(cè)修筑環(huán)向截水溝，防水層應(yīng)與截水溝相接，以將坡面上游匯水引流至坡腳，截水溝位置盡可能遠(yuǎn)離洞身投影面位置，減少淺埋層向洞身范圍的滲水，以免造成整體沉降。

3.2 預(yù)留變形沉降量設(shè)置

可在前期按設(shè)計(jì)或適當(dāng)放大預(yù)留變形沉降量，以滿足二襯厚度及凈空要求，在后續(xù)控制措施取得理想效果后，再及時(shí)調(diào)整預(yù)留沉降量，以減少施工成本投入。

超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管或中管棚，以減少拱部圍巖掉塊，同時(shí)形成安全的施工環(huán)境。圍巖監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位布置示意圖見圖2。

圖2 圍巖監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位布置示意圖

3.3 縮短臺(tái)階長度

減少縱向各部位臺(tái)階長度，以縮短初期支護(hù)閉合時(shí)間，臺(tái)階長度控制在2.5～3m 范圍，形成“微臺(tái)階”施工工藝。按照常規(guī)三臺(tái)階的臺(tái)階長度，從上臺(tái)階爆破到仰拱初期支護(hù)完成，全環(huán)閉合時(shí)間范圍需要15 天左右，三臺(tái)階七個(gè)部位的臺(tái)階長度在一定程度上決定了初支閉合成環(huán)的時(shí)間。

3.4 調(diào)整仰拱棧橋

根據(jù)目前施工標(biāo)準(zhǔn)化普遍要求定制的全液壓仰拱棧橋，并不適用于淺埋軟巖段施工，因?yàn)槿簤貉龉皸蛞话汩L度為24～36m，靈活性差，為了滿足施工組織要求，前方需要留出出渣車輛調(diào)頭空間，無形間就加大了仰拱距離掌子面的距離，延長了初支全環(huán)閉合的時(shí)間，增大了變形量累計(jì)時(shí)間，因?yàn)閲鷰r差，也不能充分發(fā)揮出全液壓仰拱棧橋一次施工長段落仰拱的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，還拉長了二襯與掌子面的安全距離，如果前方變形過大，將無法及時(shí)施作二襯。

將全液壓仰拱棧橋改為簡(jiǎn)易棧橋，每次可施工4～6m仰拱，能夠及時(shí)緊跟掌子面，完成初支全環(huán)閉合，車輛掉頭位置可挪到仰拱后方混凝土路面完成，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)二襯的跳打，明顯比全液壓仰拱棧橋更適合于淺埋軟巖施工。

如果掌子面附近圍巖沉降速率過快，可以將簡(jiǎn)易仰拱棧橋移至前方，先超前施工緊跟下臺(tái)階的仰拱初支，初支封閉成環(huán)后，回填洞渣，將簡(jiǎn)易仰拱棧橋移至原位置繼續(xù)施工，以阻止掌子面圍巖進(jìn)一步變形。三臺(tái)階施工縱斷面圖見圖3。

圖3 三臺(tái)階施工縱斷面圖

3.5 縮短工序時(shí)間

采用短進(jìn)尺開挖，暴露的圍巖自由面面積相對(duì)小，同時(shí)，加強(qiáng)工序銜接，減少單工序作業(yè)用時(shí)，即縮短了全環(huán)閉合時(shí)間，無論是單循環(huán)三臺(tái)階各部位，或是全環(huán)，盡快完成初期支護(hù)，就是減少了圍巖自由變形的時(shí)間。

3.6 強(qiáng)化鎖腳錨管（索）系統(tǒng)

因?yàn)閲鷰r重力主要作用在上臺(tái)階三節(jié)段鋼拱架上，特別是在初支閉合前尤為明顯，中、下臺(tái)階及仰拱施工期間，拱頂沉降最大，所以，應(yīng)盡可能確保上臺(tái)階三節(jié)段鋼拱架與圍巖之間錨固的穩(wěn)定性，可采取以下技術(shù)措施：

3.6.1 設(shè)計(jì)鎖腳錨管系統(tǒng)

可通過增大鎖腳錨管的直徑，并控制好注漿施工質(zhì)量，以獲得強(qiáng)度更大的鎖腳錨管錨固及支撐效果。另外，可使用如φ76 無縫鋼管等大直徑鋼管作為鎖腳錨管，效果更佳。

3.6.2 后植鎖腳錨管系統(tǒng)

上臺(tái)階初支已施工完成段發(fā)生沉降后，可在鋼拱架兩側(cè)鉆孔，植入大直徑鎖腳錨管，來提高初支的整體受力性，將圍巖系統(tǒng)重力轉(zhuǎn)化到初期支護(hù)系統(tǒng)上。

3.6.3 鎖腳錨索系統(tǒng)

在較嚴(yán)重的大變形段落，在鎖腳錨桿的基礎(chǔ)上，施作預(yù)應(yīng)力錨索，不僅可以解決沉降問題，同時(shí)還可以解決水平收斂問題。但是該技術(shù)措施所用時(shí)間較長，功效相對(duì)較低。

3.7 加大初支支護(hù)參數(shù)

主要是型鋼鋼架型號(hào)，要在鎖腳系統(tǒng)完善的基礎(chǔ)上，保證初支鋼拱架剛度能夠承受圍巖壓力，避免初支扭曲變形的情況發(fā)生。

3.8 臨時(shí)仰拱

在沒有施工鎖腳錨索的情況下，為解決水平收斂問題，同時(shí)兼顧拱頂沉降，增加臨時(shí)仰拱，并在上、中臺(tái)階連接板上下各50cm 處采用I14 型鋼縱向連接，以獲得整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在二襯施工前，根據(jù)實(shí)際情況拆除臨時(shí)仰拱。三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法施工工序橫斷面示意圖見圖4。

圖4 三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法施工工序橫斷面示意圖

4 施工控制要點(diǎn)

①“物探先行，鉆探驗(yàn)證”，超前鉆探是最能直接反映問題的工程地質(zhì)探測(cè)方法，具有直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，針對(duì)大變形段，可綜合采用地質(zhì)調(diào)查法+TSP+地質(zhì)雷達(dá)+瞬變電磁法+超前鉆探的超前預(yù)報(bào)方法。[9]

②應(yīng)做好初噴及復(fù)噴混凝土施工質(zhì)量的控制，避免拱架背后出現(xiàn)空洞，影響受力結(jié)構(gòu)的完整性。

③鎖腳錨管（索）系統(tǒng)是連接初支和圍巖的錨固系統(tǒng)，相對(duì)于硬巖自穩(wěn)能力而言，該系統(tǒng)實(shí)施后，初支與軟巖錨固后，同樣實(shí)現(xiàn)了在二襯前形成了穩(wěn)定的支護(hù)系統(tǒng)。

④初支系統(tǒng)盡早閉合成環(huán)，二襯及時(shí)跟進(jìn)，是淺埋段軟巖施工控制的關(guān)鍵所在，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)情況，及時(shí)調(diào)整各工序施作時(shí)間，保證整體受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。[10]

5 結(jié)束語

根據(jù)圍巖變形情況，選擇合理的支護(hù)措施，可有效控制變形的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)安全施工生產(chǎn)。該成套關(guān)鍵控制施工技術(shù)，可指導(dǎo)山田隧道下一步的長距離淺埋軟巖段施工，同時(shí)也可為滇中地區(qū)其他類似隧道施工提供借鑒參考。