羅洪戈,譚澤意

(中鐵五局集團宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443500)

宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道高地應力軟巖大變形段施工技術

羅洪戈,譚澤意

(中鐵五局集團宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443500)

宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道穿越地層大部分為砂質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖,局部為炭質(zhì)頁巖,巖層軟弱、節(jié)理較發(fā)育;隧道埋深大,地應力高,圍巖強度低,高地應力軟巖大變形區(qū)段長,施工過程中發(fā)生了嚴重的大變形。主要介紹高地應力軟巖大變形段的施工措施,即:采用小導管注漿超前支護、采用短臺階和雙側(cè)壁相結合的開挖方法,初期支護采用噴混凝土+型鋼鋼架+錨桿+鋼筋網(wǎng)的支護措施,控制每環(huán)仰拱開挖長度不超過4m,及時封閉成環(huán),及時施做二次襯砌,對隧道高地應力軟巖段的預留變形量為15～30cm,確保了隧道順利通過軟巖大變形區(qū)段。

宜萬鐵路;鐵路隧道;高地應力;軟巖;施工

1 工程概況

1.1 工程簡介

堡鎮(zhèn)隧道是宜萬鐵路第二長大隧道,位于湖北省長陽縣賀家坪鎮(zhèn)和榔坪鎮(zhèn)之間,采用左右2座平行的單線隧道方案,線間距30m,是宜萬鐵路的重點控制性工程。左線隧道全長11563m(DK70+161～DK81+ 724),右線隧道全長11595m(YDK70+182～YDK81+ 777);隧道設人字坡,最大坡度15‰,最小曲線半徑R=2000m;右線隧道初期為輔助左線隧道施工的平行導坑,待左線隧道貫通后再擴挖成右線隧道。堡鎮(zhèn)隧道分2個標段進行施工,中鐵五局集團有限公司承擔了出口端左線5724m(DK76+000～DK81+724)和右線5977m(YDK75+800～YDK81+777)的施工任務。

右線隧道出口于2004年7月14日開始平導施工,左線隧道出口于2004年8月18日開工。

1.2 不良地質(zhì)

堡鎮(zhèn)隧道集“高地應力、單斜、順層、軟巖、深埋、偏壓、大變形”等特點于一身。

堡鎮(zhèn)隧道出口段穿越長陽背斜北翼,主要工程地質(zhì)有粉砂質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖、黑色薄層硅質(zhì)巖夾黑色頁巖、灰黑色頁巖與薄層含炭質(zhì)頁巖互層等,圍巖較為破碎,節(jié)理發(fā)育,地下水以基巖裂隙水為主。受隧道埋深(最大埋深600m)和構造影響,圍巖內(nèi)部地應力較大。

根據(jù)實際開挖揭示,堡鎮(zhèn)隧道出口端最主要的不良地質(zhì)是高地應力軟巖大變形。堡鎮(zhèn)隧道出口左右線受高地應力影響長度約7600m,穿越炭質(zhì)頁巖地層約2600m。巖層受高地應力影響褶皺明顯,圍巖松散破碎、遇水成軟塑狀、抗壓強度低,開挖后不能自穩(wěn),掌子面穩(wěn)定性極差,超挖嚴重,施工進度非常緩慢,支護難度大。在高地應力作用下,特別是進入富水的高地應力炭質(zhì)頁巖后,初期支護發(fā)生了很大的變形,最大日變形量達到190mm,累計最大水平收斂值為996.77 mm,累計最大拱頂下沉值為341.01mm。

在高地應力軟弱炭質(zhì)頁巖段施工時,掌子面巖石產(chǎn)狀扭曲,巖層破碎,局部圍巖有餅化現(xiàn)象,開挖后圍巖不能自穩(wěn),按照設計參數(shù)支護后,監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示開挖后變形值較大,已支護地段局部噴混凝土開裂、鋼架扭曲、圍巖長時間不收斂、支護侵入凈空,嚴重影響了施工安全和工程質(zhì)量,如何有效克服軟巖地段高地應力產(chǎn)生的大變形成為堡鎮(zhèn)隧道施工中的重、難點。

經(jīng)設計、監(jiān)理和施工等各方充分研究、現(xiàn)場實踐,逐步優(yōu)化開挖方法和支護措施,最終安全、平穩(wěn)地通過了高地應力軟巖變形段,取得了較好的效果。

2 施工原則

(1)以新奧法施工精髓“弱爆破、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”為總體施工原則。

(2)合理選用超前地質(zhì)預測預報技術,及時做好地質(zhì)預報工作,提前揭示掌子面前方及周邊圍巖狀況。

(3)根據(jù)地質(zhì)預報確定合理的超前支護措施、開挖方法和循環(huán)進尺并及時進行優(yōu)化,盡量減少對周邊圍巖的擾動和破壞,確保掌子面圍巖穩(wěn)定。

(4)開挖后及時施作初期支護,初期支護緊跟開挖掌子面;選用強有力的柔性支護體系,先柔后剛、先讓后抗。

(5)盡早施作仰拱或臨時仰拱,確保施工支護及時封閉成環(huán)。

(6)加強監(jiān)控量測工作,及時掌握圍巖的變形和支護的穩(wěn)定情況,合理確定開挖的預留變形量并提供調(diào)整和修正支護參數(shù)的依據(jù)。

(7)通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析提供判斷圍巖和支護系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù),確定二襯的合理施作時間并及時封閉。

3 具體措施

3.1 超前支護

因圍巖破碎,地應力高,圍巖開挖后不能自穩(wěn),為防止拱部圍巖發(fā)生垮塌,在掌子面掘進前,需采用φ42mm小導管注漿進行預支護。通過小導管將水泥漿強制注入至拱部巖石裂隙內(nèi),漿液和破碎的巖石膠結形成一個整體性較好的膠結體拱狀殼,再加上注滿漿的小導管自身所發(fā)揮的管棚作用,可以承受相當大的壓力,這樣就可以極大地提高了開挖作業(yè)的安全性,防止坍方。

小導管采用壁厚為3.5mm的φ42mm無縫鋼管制作,前端20cm范圍內(nèi)加工成圓錐形,以減少打入時的阻力;在小導管前部2/3范圍內(nèi)管壁上鉆小孔以利于漿液均勻擴散,孔徑約1cm,小孔間距50cm,呈梅花形布置。

施工時,通過拱部型鋼鋼架腹壁預留的孔洞沿拱部開挖輪廓線外10cm左右進行鉆眼,外挑角6°～10°,小導管環(huán)向間距0.4m,每環(huán)施工25根。為保證管棚作用的連續(xù)性,每環(huán)小導管縱向搭接長度不短于1.0m,一般情況下,每2循環(huán)施工1環(huán)超前小導管。漿液采用水泥漿,注漿壓力一般控制在0.2MPa左右。

3.2 隧道開挖

根據(jù)高地應力段軟巖易坍塌的特點,經(jīng)過逐步優(yōu)化,最后選用短臺階和雙側(cè)壁相結合的開挖方法。

此方法可以盡量減少一次性開挖面積,維持開挖面的穩(wěn)定;各部分均錯開開挖,有利于減少掌子面高度,增大其穩(wěn)定性;同時可以縮短開挖和支護之間的時間間隔,減少每次支護量,縮短每部分支護工作時間,使開挖的部分能及時進行支護,防止圍巖變形、坍塌。

具體開挖順序和臺階長度如圖1所示。

圖1 隧道開挖順序(單位:m)

施工時,掌子面配備EC140型挖掘機1臺,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ各部分爆破后,立即用挖掘機扒砟,及時采取錨噴支護和型鋼鋼架相結合的措施進行初期支護。

上臺階和下臺階每循環(huán)開挖長度應控制在1.5m以內(nèi),盡量減少爆破裝藥量,少擾動周邊圍巖,防止圍巖坍塌。

堡鎮(zhèn)隧道的開挖實踐證明,高地應力軟巖變形段采用短臺階和雙側(cè)壁相結合的開挖方法是比較穩(wěn)妥的。

3.3 初期支護

錨噴支護是新奧法施工的三大支柱之一,也是高地應力軟巖變形段施工成敗的關鍵。初期支護采用錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護結構,按照初噴混凝土→立鋼架→打錨桿→掛網(wǎng)→復噴混凝土至設計厚度的順序緊跟開挖面進行施工。局部地段采用雙層鋼架支護加強,在第1層支護施做完成且變形達70%左右施做第2層鋼架,第2層鋼架與第1層鋼架交錯布置,最后用噴射混凝土覆蓋并找平。

3.3.1 噴混凝土

堡鎮(zhèn)隧道高地應力軟巖大變形段施工中,噴混凝土強度等級為C20,噴射厚度根據(jù)型鋼鋼架型號的不同一般為26～30cm,施工時可分為初噴和復噴兩個階段,初噴約6cm,復噴20～24cm。

一般情況下,隧道開挖后應立即進行初噴。初噴混凝土作為圍巖的第一層支護,它起著極其重要的作用。

(1)可以有效地防止新出露的洞壁圍巖風化、崩落,從而最大限度地減少圍巖自承力的降低;

(2)還可以填平圍巖開挖輪廓的不平順,可以減輕或者消除局部應力集中,從而提高圍巖的穩(wěn)定性;

(3)通過封閉圍巖,可以提高下一步施工作業(yè)的安全性。

初噴完后,立即施工系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)和型鋼鋼架,并及時進行復噴混凝土施工。復噴完后,才允許進行下一循環(huán)開挖施工。

噴混凝土早期強度高(速凝劑的作用),與圍巖黏結較牢固,能在短時間內(nèi)與圍巖形成一個拱形整體,共同承受荷載,從而起到加固圍巖、提高圍巖的自承能力和穩(wěn)定性的作用。

當圍巖特別破碎、開挖后垮塌較嚴重時,初噴混凝土作用不大。此時,可不進行初噴,錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、噴混凝土一次到位。

3.3.2 錨桿

高地應力軟巖變形隧道中,錨桿的作用如下:

(1)錨桿可以使支護變被動為主動,提高支護效果;

(2)錨桿可以將洞壁周邊一定深度內(nèi)的圍巖進行擠壓加固,形成一個壓力拱圈,從而可以承受相當大的荷載,達到維護圍巖穩(wěn)定的作用。

一般情況下,錨桿施工宜在初噴后進行。錨桿桿體宜采用φ22mm螺紋鋼或WTD25中空錨桿,單根長度4～6m,環(huán)向、縱向間距均為1.0m,梅花形布置,錨桿方向應與巖面垂直。錨桿端頭設鐵墊板,施工時墊板用螺母擰緊,使之緊貼巖面。錨桿桿體插入孔內(nèi)長度不應小于設計長度的95%,外露長度不應大于噴混凝土厚度。注漿應飽滿,以提高錨桿的黏結力。錨桿鉆孔機械可采用風鉆或錨桿專用鉆機(長錨桿施工)。

3.3.3 鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)的作用是改善噴混凝土應力的分布,提高噴混凝土的抗拉和抗剪強度,改善其變形性能,增加支護的整體性和承載力;它還能有效地防止小塊松散圍巖掉落,增加施工的安全性;同時它在防止噴混凝土開裂、脫落方面也有一定的作用。

鋼筋網(wǎng)采用 φ8mm鋼筋焊接而成,網(wǎng)格間距20cm。為了提高施工速度,鋼筋網(wǎng)一般先在加工棚內(nèi)焊接成2.0m×2.0m片狀,現(xiàn)場再進行安裝、焊接?，F(xiàn)場施工時,利用已施工的錨桿作為鋼筋網(wǎng)的支承點,與鋼筋網(wǎng)焊接在一起。特別要注意的是,鋼筋網(wǎng)片之間一定要焊牢,以利于整體受力。

3.3.4 型鋼鋼架

型鋼鋼架是為了抑制圍巖大變形而采用的加強支護措施。它本身剛度大,與噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)組成聯(lián)合支護,有利于提高支護的強度和剛度。

型鋼鋼架宜采用I16～I20型鋼制成,鋼架間距宜為0.5～1.0m。鋼架加工時,每榀鋼架根據(jù)施工需要分解成幾個單元,各單元兩端由14mm厚連接鋼板焊接成型。為提高工字鋼與連接鋼板處的抗拉強度,每單元工字鋼與連接板之間設加勁肋,單元間用螺栓連接。安裝時在各節(jié)點處加1塊3mm厚的橡膠墊塊。為提高型鋼鋼架的整體性,縱向相鄰鋼架采用φ22mm螺紋鋼連接,縱向連接筋間距一般為1.0m。鋼架安裝時,要特別注意把鋼架底腳處的虛砟清除干凈,以利于型鋼受力。

3.4 仰拱

及時施工仰拱是抑制隧道變形的一項重要措施。通過封閉仰拱,可以增加隧底的強度和剛度,從而抵御較大的形變壓力。

高地應力軟巖大變形地段,為了提高仰拱抗變形能力,可以采用加大仰拱曲率、增加仰拱厚度、采用鋼筋混凝土結構等方法實現(xiàn)。

高地應力軟巖變形地段,仰拱應緊跟開挖面。一般來說,仰拱距開挖下臺階長度一般不超過15m。每環(huán)仰拱開挖長度不超過4m,開挖后立即用型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土進行支護,使整個支護體系封閉成環(huán),并及時施作仰拱混凝土,以利于整體受力。嚴禁因開挖過長等情況造成仰拱長時間無法支護、襯砌的情況,因為這樣極易引起隧道坍塌。

3.5 二次襯砌

為了保證隧道凈空,抵御巨大的形變壓力,高地應力軟巖變形段襯砌應采用鋼筋混凝土結構,混凝土最小厚度40cm。施做時間一般根據(jù)監(jiān)控量測結果在圍巖收斂后進行;對于部分地段圍巖長時間不收斂的情況,為了保證施工安全,不必拘泥于圍巖收斂全部完成,而是待其變形速度小于一定值(如10mm/d)時,立即施工鋼筋混凝土襯砌,讓襯砌承受部分形變壓力。實踐證明,此方法是可行的,堡鎮(zhèn)隧道左線出口凈空測量數(shù)據(jù)顯示,襯砌未出現(xiàn)侵限現(xiàn)象,襯砌表面也未出現(xiàn)高地應力引起的裂縫。

4 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是指導高地應力軟巖大變形隧道施工的一種重要手段。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可以及時掌握隧道圍巖動態(tài),以分析和判定圍巖的穩(wěn)定性;監(jiān)控量測數(shù)據(jù)也是確定預留變形量的重要依據(jù);同時,通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行回歸分析,還可以確定二次襯砌的合理施作時間。

一般情況下,隧道施工需作拱頂下沉和水平收斂量測,量測頻率以《鐵路隧道施工規(guī)范》要求為準。根據(jù)堡鎮(zhèn)隧道左線出口的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示,高地應力軟巖地段的變形值一般為15～30cm,個別地段可達80～100cm。為了防止支護因變形而侵入襯砌輪廓線,增加欠挖處理的難度和危險性,堡鎮(zhèn)隧道左線出口高地應力軟巖變形段大部分地段采用了30cm的預留變形值,個別地段因圍巖松散、地質(zhì)特別差而采用了更大值(60～100cm)。實踐證明,堡鎮(zhèn)隧道采用的預留變形值是比較合理的,雖然部分地段存在超挖回填,增加了成本,但未出現(xiàn)大面積欠挖處理和坍方現(xiàn)象,從安全性和進度方面考慮還是值得的。

5 結語

堡鎮(zhèn)隧道初始地應力高,圍巖強度低,軟巖大變形區(qū)段長,安全風險極大。通過業(yè)主、設計、監(jiān)理、施工單位等各方的共同努力,克服重重困難,堡鎮(zhèn)隧道終于順利完工。施工過程中,采取了多種有效的施工措施,為今后高地應力軟巖大變形隧道的施工提供參考。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.堡鎮(zhèn)隧道設計圖[Z].武漢:2004.

[2] TB10204—2002,鐵路隧道施工規(guī)范[S].

[3] TB10417—2003,鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準[S].

U455.49

B

1004 -2954(2010)08 -0131 -03

2010 05 17

羅洪戈(1973—),男,高級工程師,1995年畢業(yè)于長沙鐵道學院鐵道工程專業(yè),工學學士。