夏潤禾

(中交第二公路工程局有限公司,西安 710065)

1 工程概況

新建貴陽至廣州鐵路工程 GGTJ-5標(biāo)段,位于廣西境內(nèi)三都—五通間,線路全長 62.637 km,其中隧道28座,總長 47.723km,占線路總長的 76.2%。沿線地質(zhì)變化多,施工環(huán)境差,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,環(huán)保工作難度大。全線地質(zhì)特性屬于華夏構(gòu)造體系和新華夏構(gòu)造體系聯(lián)合影響帶,構(gòu)造線與線路大角度相交;為砂頁巖相間分布區(qū);地下水普遍具風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水特征,埋藏較淺,屬淺層潛水;沿線地表水系發(fā)達(dá),大氣降水豐富,補給充足。地下水類型有巖溶水(主要蘊藏于溶蝕裂隙、溶腔及管道)、裂隙水(主要分布于節(jié)理、裂隙發(fā)育的基巖中)和孔隙水(松散巖類孔隙水,多為孔隙潛水),由大氣降水的滲入而形成,賦存于風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙之中,地下水埋藏較淺,屬淺層潛水。

2 軟弱圍巖常見的施工方法的綜合對比

高速鐵路隧道工程與普通鐵路隧道相比的特點是多為雙線,隧道斷面大,同級圍巖的穩(wěn)定性將大大降低,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,特別是對隧道支護(hù)技術(shù)和超前預(yù)支護(hù)系統(tǒng)提出更高的要求。而對于軟弱圍巖隧道施工一般采用施工方法有:環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、CD法、CRD法等。表1將這幾種方法進(jìn)行了綜合比較。

表1 軟弱圍巖隧道施工方法綜合對比

3 大斷面炭質(zhì)頁巖隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大拱腳臺階法施工技術(shù)

3.1.1 概念

大拱腳臺階法施工工法是指在隧道開挖過程中將作業(yè)面分為 6個開挖面,以前后 6個不同的位置相互錯開同時開挖,然后分部同時支護(hù)形成支護(hù)整體,縮短作業(yè)循環(huán)時間,逐步向縱深推進(jìn)的作業(yè)方法。對于軟弱圍巖承載力不足,擴(kuò)大上部鋼架拱腳及墊板或增加鎖腳錨桿增大地基承載能力,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5～0.8 m,盡量縮短臺階長度,確保初期支護(hù)盡快合成環(huán),仰拱和襯砌及時跟進(jìn),及時形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。

針對貴廣鐵路隧道埋深及地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,對常用軟弱圍巖隧道施工方法對比一些不足后,在總結(jié)三臺階工法經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,足能夠充分發(fā)揮大型機(jī)械快速施工的優(yōu)勢,盡量避免剛性分隔,采用大拱腳臺階法施工,達(dá)到了快速安全施工的目的。以貴廣鐵路高培 3號隧道為工程背景,對煤系炭質(zhì)頁巖地質(zhì)條件下應(yīng)用大拱腳臺階法施工技術(shù)進(jìn)行了研究,并結(jié)合現(xiàn)場工程實踐,對存在低瓦斯的大斷面煤系地層隧道成功應(yīng)用大拱腳臺階法施工,達(dá)到了工程安全,質(zhì)量可控的目的。

高培 3號隧道穿越剝蝕中低山地貌,絕對高程190～300m,主要地層為上覆 0～3m第四季全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土、碎石土,下伏基巖為寒武系清溪組下段(Eq1)砂質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)頁巖,薄～中厚層狀,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),部分弱硅質(zhì)膠結(jié),節(jié)理發(fā)育。地質(zhì)特性屬于華夏構(gòu)造體系和新華夏構(gòu)造體系聯(lián)合影響帶,構(gòu)造線與線路大角度相交,多為碎屑巖區(qū)。根據(jù)設(shè)計文件資料,由于炭質(zhì)頁巖含炭較高,存在聚集少量的有害氣體及瓦斯的施工風(fēng)險。

3.1.2 大拱腳臺階法施工工藝流程(圖1)

3.1.3 大拱腳臺階法開挖工序(圖2)

圖2 大拱腳臺階法開挖工序

第 1步:利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道拱部φ42mm超前小導(dǎo)管,開挖上部弧形導(dǎo)坑①部:在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行,環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑,預(yù)留核心土,核心土長度為 3～5m,寬度為隧道開挖寬度的 1/3～1/2。開挖后應(yīng)及時施作①部初期支護(hù),即進(jìn)行初噴4 cm厚混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)鋼架,施作大拱腳系統(tǒng)支護(hù),并在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角45°打設(shè)鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接,鉆設(shè)系統(tǒng)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。開挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定,一般 0.6m左右。

第 2步:左側(cè)②部中臺階開挖。在滯后①部約 3～5m后,開挖左側(cè)②部中臺階。開挖進(jìn)尺根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定,開挖高度一般為 3.5～4m,開挖后及時施作②部初期支護(hù),即進(jìn)行初噴 4 cm厚混凝土,掛鋼筋網(wǎng),接長鋼架,并設(shè)鎖腳錨桿系統(tǒng)支護(hù),鉆設(shè)系統(tǒng)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

第 3步:右側(cè)③部中臺階開挖。在滯后②部 2～3 m后,與左側(cè)②部中臺階開挖支護(hù)方式一樣,施作右側(cè)③部中臺階。

第 4、5步:開挖上臺階④部、中臺階⑤部。在滯后③部 3～4m后,依次開挖上臺階④部、中臺階⑤部,開挖進(jìn)尺與各臺階循環(huán)進(jìn)尺相一致。

第 6步:開挖隧底⑥部。在滯后⑤部 4～5m后,開挖隧底剩余部分⑥部,開挖后初噴 4 cm厚混凝土,安設(shè)仰拱鋼架并與左右側(cè)落地鋼架焊接牢固,復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。為了不影響車輛進(jìn)出,采用棧橋過渡方案,及時施作仰拱及仰拱回填,仰拱分段長度一般為 4～6m。

3.1.4 關(guān)鍵技術(shù)特點

(1)此項工法相對于 CRD法或 CD法較簡單,施工空間大,多個作業(yè)面可以平行作業(yè),施工速度快,提高施工效率,加快了施工進(jìn)度。

(2)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、軟硬圍巖變化或其他條件發(fā)生變化時,大拱腳臺階法可以較為迅速地轉(zhuǎn)換為 CRD法或 CD法進(jìn)行施工。

(3)此項工法能適應(yīng)不同跨度和特大斷面的施作,初期支護(hù)作業(yè)工序簡單,投入勞動力少,沒有需拆除的臨時施工支護(hù)。

(4)此項工法將臺階法開挖與預(yù)留核心土相結(jié)合,左右前后錯臺開挖,有利于掌子面穩(wěn)定。相對于CRD法或 CD法較簡單,減少了多工序之間的相互干擾,便于現(xiàn)場大型機(jī)械施工,加快施工速度。

(5)此項工法結(jié)合了弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法和三部臺階法的優(yōu)點,通過優(yōu)化超前支護(hù)及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度,輔以大拱腳加強(qiáng)處理措施,可以很好地控制拱頂圍巖的沉降變形。

(6)大拱腳臺階法滿足了新奧法施工原理對圍巖加強(qiáng)控制的要求,減少分部開挖次數(shù),加快了初期支護(hù)早封閉的時間,特別是拱部先期成環(huán),避免了臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換,減少了施工過程中不安全因素的控制。

3.1.5 關(guān)鍵技術(shù)控制要點

(1)大拱腳臺階法施工應(yīng)做好工序銜接,工序安排應(yīng)緊湊,嚴(yán)格控制開挖長度,合理確定循環(huán)進(jìn)尺,開挖后立即初噴 4 cm厚的混凝土,以減少圍巖暴露時間,避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)。

(2)隧道垂直方向的變形控制主要依靠兩側(cè)拱腳,拱腳的穩(wěn)定程度很關(guān)鍵。在上部鋼架增加大拱腳為了增大拱腳的承載能力,可在開挖中臺階時發(fā)揮大拱腳支撐拱部結(jié)構(gòu)的重要作用,同時在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側(cè)邊向拱腳的斜下方打設(shè)鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定,防止開挖中臺階時拱部下沉變形。

(3)大拱腳臺階法施工應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求控制好超前錨桿支護(hù)外插角,施作外插角控制在 10°～12°,保證隧道開挖在超前支護(hù)的保護(hù)下安全施工。

(4)隧道周邊部位預(yù)留 20～30 cm堅持人工開挖為主,機(jī)械開挖為輔。根據(jù)圍巖情況局部如需爆破時,必須堅持弱爆破,減少對圍巖的擾動。同時做好監(jiān)控量測,確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。

(5)鋼架應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計及規(guī)范要求加工制作和架設(shè),上下斷面初期支護(hù)鋼架連接應(yīng)平順,螺栓連接牢固,拱腳應(yīng)與連接板及鎖腳錨桿焊接牢固,以增強(qiáng)拱腳承載力,減少拱架凈空位移。

3.2 沉降變形控制措施

根據(jù)施工經(jīng)驗和現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對比分析,隧洞圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定條件為:隧洞周邊水平收斂速度,以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降;隧洞周邊水平收斂速度小于 0.1～0.2 mm/d,拱頂或底板垂直位移速度小于 0.07～0.15 mm/d;隧洞位移相對值已達(dá)到總相對位移量的 85%～90%以上。

隧道施工中監(jiān)控量測的重要目的就是對初期支護(hù)實施動態(tài)管理,通過了解圍巖的受力變形狀態(tài),判斷隧道圍巖和初期支護(hù)是否穩(wěn)定和安全,及時進(jìn)行信息反饋及預(yù)測預(yù)報,為施工二襯提供合理施作時間和為優(yōu)化支護(hù)參數(shù)提供依據(jù),指導(dǎo)現(xiàn)場施工。監(jiān)控量測采用五點法,每個斷面設(shè)置 2條凈空變化基線,1個拱頂下沉測點,監(jiān)測斷面間距為 5～10m,所有初讀數(shù)據(jù)須在開挖后 12h內(nèi)測讀,量測頻次嚴(yán)格按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(BG10121—2007)的要求執(zhí)行,根據(jù)量測結(jié)果及時調(diào)整預(yù)留變形量,確保了初支不侵入二次襯砌范圍。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)分析,對于炭質(zhì)頁巖、泥灰質(zhì)巖為主的隧道,建議施工開挖時隧道拱部預(yù)留變形量 25～35 cm,邊墻預(yù)留變形量 15～20 cm,底部預(yù)留變形量 5～10 cm。

3.3 有害氣體監(jiān)控與預(yù)防措施

因隧道穿越含炭質(zhì)頁巖夾層的地層,地層中炭頁巖含炭較高,為確保人員、財產(chǎn)及施工安全,所以必須將有害氣體、瓦斯危險性預(yù)測放在第一位。在隧道開挖掌子面進(jìn)行全斷面超前探測,超前探孔孔徑一般為89mm,單孔長度為 30m,搭接長度不小于 5m,掌子面布置 6個孔,并在超前探孔處采用光干涉式甲烷測定器,檢測是否有有害氣體涌出。加強(qiáng)通風(fēng)和噴霧灑水,降低粉塵濃度,安排專職的經(jīng)過瓦斯監(jiān)測安全技術(shù)培訓(xùn)的人員攜帶瓦檢儀對隧道進(jìn)行巡回檢查,特別是拱頂、開挖凹凸處等瓦斯易積聚部位的監(jiān)測,并建立健全安全監(jiān)測制度,制定應(yīng)急預(yù)案,組織施工人員進(jìn)行演練,以確保施工安全。

4 結(jié)語

(1)對于軟弱圍巖初期支護(hù)體系一定要快速封閉成環(huán)。在貴廣鐵路隧道成功應(yīng)用大拱腳臺階法施工,有效地發(fā)揮了其施工空間大,機(jī)械化程度高的優(yōu)點,成功穿越了煤系炭質(zhì)頁巖破碎地層,有效地防止了坍塌等事故。從而證明了此方法操作簡便,可控性強(qiáng),作業(yè)速度快,效果良好,形成一套軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件特大斷面隧道施工方法,有效地提高了開挖質(zhì)量,保證了施工安全。

(2)特大斷面隧道施工應(yīng)特別注重對圍巖初期支護(hù)的監(jiān)控量測工作[6],對指導(dǎo)施工、修改支護(hù)參數(shù)具有很重要的意義。

(3)對于煤系含炭質(zhì)頁巖要特別注意有害氣體的監(jiān)控與預(yù)防,必須做到“監(jiān)測預(yù)防第一,建立健全應(yīng)急預(yù)案”,做到有備無患,安全施工。

(4)對于特大斷面長大隧道,特別又是圍巖情況差的隧道,應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù),必須始終堅持以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ),加深炮孔為輔,結(jié)合 TSP203plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)相互印證,實現(xiàn)對掌子面前方120m范圍內(nèi)地質(zhì)狀況的準(zhǔn)確預(yù)報,對指導(dǎo)施工有效防止塌方起到了重要作用。

(5)任何一種施工方法都不是萬能的,施工中應(yīng)堅持因地制宜,采取針對性強(qiáng)、效果良好的工程措施和施工方法,做到“圍巖變,施工方法變”的原則,對于圍巖特別松散破碎,自穩(wěn)能力差,地下水豐富的不良地質(zhì),還是應(yīng)選擇按照 CD法或 CRD法施工。

(6)大拱腳臺階法對于軟弱地質(zhì)大斷面鐵路客運專線隧道施工是一種先進(jìn)的方法,只要強(qiáng)化現(xiàn)場施工作業(yè)管理,嚴(yán)格按照設(shè)計和驗標(biāo)要求施作,可以加快施工進(jìn)度,優(yōu)化資源,節(jié)約成本,值得類似工程參考借鑒。

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[3]TZ214—2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

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[5]鐵建設(shè)[2008]105號,鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南[S].

[6]管德鵬,汶文釗.客運專線鐵路隧道施工要點探索[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2007(6):90-92.