西渝高鐵隧道零開挖進(jìn)洞技術(shù)研究

許志剛

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司,山西 太原 030032)

在我國早期隧道工程建設(shè)中,出于成本考慮多采用晚進(jìn)早出策略,以縮短隧道長度,節(jié)約造價(jià)[1]。但隨著隧道洞口高邊坡失穩(wěn)、垮塌問題的不斷出現(xiàn),工程環(huán)保意識的不斷增強(qiáng),工程界對隧道“早進(jìn)洞、晚出洞”的基本原則取得共識,如《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)中明確指出:隧道洞口設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則,洞口不得大挖大刷;《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2016)指出:洞口不應(yīng)大面積開挖邊仰坡,有條件時(shí)盡量采用不刷仰坡進(jìn)洞方案,為此眾多學(xué)者和工程師對“零開挖”進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行了研究。

張敏[2]建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道“零”進(jìn)洞工法技術(shù)體系,提出了“先加固邊坡,再采用套拱和管棚支護(hù)洞口,再進(jìn)洞”的“零開挖”進(jìn)洞工法。曹校勇[1]討論了“零開挖”進(jìn)洞方案適用條件,認(rèn)為在地質(zhì)條件較差的洞口淺埋段,難以產(chǎn)生拱效應(yīng),這些成洞困難段多采用“零開挖”進(jìn)洞方案。肖廣智[3]針對川藏鐵路隧道環(huán)保要求嚴(yán)格、生態(tài)脆弱、洞口邊仰坡高陡以及穩(wěn)定性差的工程特點(diǎn),提出“四不三全二盡一保護(hù)”的環(huán)保進(jìn)洞措施。賈海龍[4]對環(huán)保、震區(qū)隧道零開挖進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行了討論,認(rèn)為通過被動防護(hù)、超前支護(hù)、減震爆破開挖、支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)等措施,可有效地保證隧道進(jìn)洞安全。張兆杰[5]采用數(shù)值模擬方法對零開挖進(jìn)洞施工全過程進(jìn)行了模擬,認(rèn)為錨桿框架可有效保證山體穩(wěn)定,適用于洞口仰坡穩(wěn)定性較好的地段。

目前隧道“零開挖”進(jìn)洞技術(shù),針對邊仰坡和掌子面穩(wěn)定性問題,多采用地表加固和隧道超前支護(hù)技術(shù)對圍巖進(jìn)行加固,主要包括超前大管棚[6-7]、抗滑樁[8]、地表注漿[9]、擋土墻[10]、小導(dǎo)管注漿[11]等措施。抗滑樁和擋土墻主要針對坡面穩(wěn)定性薄弱問題,而地表注漿則用于應(yīng)對埋深較淺、掌子面穩(wěn)定性不足和地表沉降較大等問題。超前大管棚和超前小導(dǎo)管則主要針對掌子面崩塌和頂部垮塌等情況,尤其超前大管棚作為一種高剛度的超前支護(hù)方法,被廣泛用于隧道洞口的超前支護(hù),有效提升圍巖穩(wěn)定性并控制地表沉降;然而,超前大管棚的施工技術(shù)要求較高,成本較高,施工進(jìn)度相對較慢[12]。

雖然目前針對隧道零開挖進(jìn)洞技術(shù)研究較多,但多采用大管棚作為超前支護(hù)手段,且缺乏快速、經(jīng)濟(jì)、安全的進(jìn)洞施工工藝。本文以西渝高鐵七星坪隧道和高升一號隧道為研究對象,介紹了以超前小導(dǎo)管為主要預(yù)支護(hù)措施、以臨時(shí)防護(hù)明洞為主要手段的零開挖進(jìn)洞技術(shù),為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

開州至萬州連接線站前工程XYKYZQ-13標(biāo)段位于四川省達(dá)州市宣漢縣及重慶開州市境內(nèi),線路從樊噲車站引出,經(jīng)重慶開州至萬州銜接渝萬高鐵,主要包括七星坪隧道、謝家坪隧道、高升一號隧道,廟子壩1號大橋、廟子壩2號中橋和齊力大橋等。

七星坪隧道位于樊噲-開州區(qū)間,按左線拉通,隧道全長13 669 m。隧道進(jìn)口海拔約443 m,出口海拔約718 m。輔助坑道方案采用“1橫洞+2斜井”設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)口、出口附近有鄉(xiāng)村公路與省道相連,1號橫洞、1號斜井及2號斜井均有鄉(xiāng)村公路可利用,交通較為方便。其斜井?dāng)嗝娉叽缛鐖D1所示。七星坪隧道1#斜井全長1 331 m,與右線正洞相交于WD2K6+900。1#斜井Ⅳ、V級圍巖采用臺階法開挖,光面爆破,錨噴支護(hù)。

高升一號隧道起訖里程WD2K16+103-WD2K24+495,全長8 392 m,最大埋深約620 m。本隧道位于樊噲-開州區(qū)間,為單洞雙線隧道,設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。隧道進(jìn)口段位于7 000 m的左偏曲線上,出口段位于7 000 m的右偏曲線上,其余段落位于直線上。高升一號隧道斷面尺寸如圖2所示。洞口段為V級圍巖,具體支護(hù)參數(shù)包括:28 cm厚C30噴射混凝土;拱部為?25 mm的樹脂錨桿,邊墻為?22 mm普通砂漿錨桿,長度4 m,間距為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱);鋼架為I22a型工字鋼、間距0.6 m/榀設(shè)置,連接筋采用?22 mm鋼筋、環(huán)向間距1.2 m。

圖1 七星坪隧道斜井?dāng)嗝娉叽?單位:m) 圖2 高升一號隧道斷面尺寸(單位:m)

測區(qū)地表無大型河流水系,主要為溪溝水及水塘水,受大氣降水補(bǔ)給,水量受季節(jié)影響較大。大氣降水和地下水是溪溝的主要補(bǔ)給來源,溪溝洪期水量為枯期水量的數(shù)倍至十幾倍,屬易脹、易落型的山間溪溝。大部分大氣降水會順著各自的水系流動,少部分則通過地表巖溶裂隙直接滲入地下。

地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水潛水主要富存于河谷、溪溝槽覆蓋層中,由大氣降雨及溝水補(bǔ)給,水量較豐富。基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中,主要由大氣降水、地表水及壤中水下滲補(bǔ)給。

本標(biāo)段存在主要的不良地質(zhì)問題是危巖落石,其中高升一號隧道出口段的陡坡地形使危巖落石問題更為嚴(yán)重。由于節(jié)理裂隙較為發(fā)育,砂巖和泥巖的抗風(fēng)化能力相對較低,在差異性風(fēng)化作用下,下部泥巖發(fā)生風(fēng)化凹陷形成巖腔,而上部砂巖則受到構(gòu)造裂隙和卸荷切割后形成不穩(wěn)定的巖塊塊體,導(dǎo)致原本完整的巖石形成寬大的裂隙,從而形成危巖落石。

2 洞口仰坡防護(hù)技術(shù)

選取七星坪隧道1#斜井和高升一號隧道出口為零開挖進(jìn)洞試驗(yàn)工區(qū)。

2.1 清除浮石

在洞口高程60 m范圍內(nèi)清除坡面浮石,在清除坡面浮石前設(shè)置一排鋼筋竹排架作為臨時(shí)防護(hù),以確保危石影響范圍內(nèi)道路、房屋安全,鋼管竹排架高4 m、長125 m。

2.2 錨桿框架梁內(nèi)噴混凝土植生

洞口仰坡40 m高程范圍內(nèi)設(shè)置錨桿框架梁并內(nèi)噴混凝土植生護(hù)坡,防護(hù)范圍為線路左側(cè)9.6 m至右側(cè)65.0 m,防護(hù)寬度74.6 m。錨桿框架梁采用正方形布置,節(jié)點(diǎn)間距為3 m,采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。沿坡面方向設(shè)置錨桿,采用8 m長?32 mm的水泥砂漿錨桿。

2.3 設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)

在洞口仰坡設(shè)置一道柔性被動防護(hù)網(wǎng),長106 m,高度5 m,基礎(chǔ)采用C30混凝土,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸為0.8 m(長)×1.0 m(寬)×2.0 m(深)。

2.4 施作截水天溝

在開挖線5～10 m處施作截水天溝(b=40 cm,h=60 cm),截水天溝可根據(jù)地形向兩側(cè)排水(截水天溝布置見圖3)。在開挖過程中盡量減少對山體和周邊植被的破壞,同時(shí)務(wù)必將溝槽內(nèi)部的植被根系徹底清理并夯實(shí)整平,以防止后期的破壞。

3 零開挖進(jìn)洞技術(shù)

3.1 進(jìn)洞工藝流程

零開挖進(jìn)洞工藝流程如圖4所示。在洞口仰坡防護(hù)完成后,進(jìn)行洞口防護(hù)明洞施工,采用工字鋼拱架+噴砼結(jié)構(gòu);之后進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)施工,采用雙層小導(dǎo)管注漿工藝;超前支護(hù)完成后進(jìn)行暗洞開挖施工,采用短進(jìn)尺、弱爆破工藝。

圖3 截水天溝設(shè)置(單位:cm)

3.2 洞口位置確定

為真正做到零開挖,在原洞口位置向外延伸進(jìn)行明洞施工,長度為3～9 m。如七星坪隧道1#斜井仰坡坡度較小,防護(hù)明洞長度為3 m;高升一號隧道出口仰坡坡度較大,防護(hù)明洞長度為9 m。

3.3 防護(hù)明洞施工

防護(hù)明洞導(dǎo)向架采用I22工字鋼拱架,間距0.5 m,噴C30混凝土厚30 cm。現(xiàn)場工況如圖5所示。

圖5 防護(hù)明洞施工

采用人工開挖的方式進(jìn)行導(dǎo)向架兩側(cè)拱腳基坑土方開挖,使拱腳立于穩(wěn)固基礎(chǔ)上。隧道洞口施工應(yīng)避免在雨季進(jìn)行,合理安排工序,及時(shí)防護(hù)并施作護(hù)拱。

將槽鋼墊設(shè)在拱架拱腳處,把相鄰的兩個鋼拱架用?22 mm鋼筋連接,環(huán)距1 m進(jìn)行焊接固定。

3.4 小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)施工

采用雙層小導(dǎo)管注漿作為超前支護(hù)措施。小導(dǎo)管采用長5 m、?42 mm熱軋無縫鋼管,壁厚3.5 mm,縱向搭接長度2 m,鋼筋外插角為10～15°,沿拱部開挖輪廓線外緣布置(如圖6所示)。

圖6 超前小導(dǎo)管布置(單位:cm)

采用水泥漿液進(jìn)行注漿,注漿壓力控制為1 MPa。注漿前先噴射混凝土厚度5～10 cm封閉掌子面,形成止?jié){盤。注漿順序?yàn)橛上轮辽?注漿壓力由小到大,注漿完成后4 h后方可進(jìn)行開挖工作面的開挖。

3.5 暗挖進(jìn)洞

采用三臺階預(yù)留核心法進(jìn)行開挖,開挖尺寸如圖7所示,現(xiàn)場施工如圖8所示。堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則進(jìn)行開挖,循環(huán)進(jìn)尺為1 m。

圖7 臺階法預(yù)留核心土開挖(單位:m) 圖8 臺階法預(yù)留核心土開挖現(xiàn)場

4 施工效果評價(jià)

隧道洞口段地表下沉是進(jìn)洞施工過程中是否安全的重要判定依據(jù)[4]。在七星坪隧道1#斜井洞口XJ1K1+318里程地表設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn),如圖9所示。

圖9 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

以DB00監(jiān)測為例,圖10展示了沉降時(shí)程曲線和變形速率時(shí)程曲線。由圖10可知,洞口開挖21 d后地表沉降速率小于0.2 mm/d,變形趨于穩(wěn)定,地表最大沉降量僅為13.4 mm。最終進(jìn)洞后現(xiàn)場照片如圖11所示。上述結(jié)果表明,采用這些措施不僅有效減小了邊坡開挖的影響,還成功控制了地表沉降,保證仰拱穩(wěn)定。

圖10 地表沉降及變形速率時(shí)程曲線

圖11 零開挖進(jìn)洞后現(xiàn)場

5 結(jié)束語

針對西渝高鐵環(huán)保要求高以及隧道洞口仰坡穩(wěn)定性差的特點(diǎn),通過采用有效的仰坡防護(hù)手段、設(shè)置臨時(shí)防護(hù)明洞,以及采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)等措施,實(shí)現(xiàn)了高鐵隧道及輔助坑道的零開挖進(jìn)洞,有效地提高了施工效率,實(shí)現(xiàn)了工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)一致。