李勇 孫鋒

目前,大量已建、在建和即將興建的山嶺隧道設(shè)計方案基本以礦山法施工為主,斷面均超過100 m2,屬于超大斷面隧道。但在修建過程中,傳統(tǒng)工法(諸如CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工方法)逐漸暴露出一些不足;經(jīng)過試驗和探索,實踐證明三臺階法在修建高速鐵路山嶺隧道軟弱圍巖段是一種先進的快速施工方法。

1 施工方案比選

1.1 傳統(tǒng)工法存在的問題

CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工方法適合于軟弱圍巖的隧道施工(見圖1)。這些工法均通過剛性分隔將大斷面隧道改為小斷面隧道,分塊施工,能夠發(fā)揮國內(nèi)施工單位修建傳統(tǒng)鐵路隧道經(jīng)驗豐富的優(yōu)勢。另外,剛性分隔的存在,能盡早封閉成環(huán),有利于控制變形,穩(wěn)定掌子面,保證隧道施工的安全。

近年來,隧道施工水平和施工機械化裝備不斷提高,參與高速鐵路修建的施工單位均配備了大型施工機械設(shè)備,如大型挖掘機、裝載機等。由于剛性分隔的存在,導(dǎo)致施工空間不足,不利于大型施工機械設(shè)備的使用,難以體現(xiàn)其快速施工的作用,甚至有些分隔內(nèi)大型機械無法進入,只能靠人工施作,這些嚴(yán)重影響了施工進度。

淺埋隧道開挖對周圍環(huán)境的影響問題已愈來愈受到關(guān)注,采用何種工法施工都會對地層產(chǎn)生擾動,引起地層位移和地表沉降。因此在隧道施工中,除嚴(yán)格規(guī)范施工管理外,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測反饋的信息和借助計算機數(shù)值模擬分析結(jié)論,及時調(diào)整施工方法,優(yōu)化施工步序是十分重要和必要的。

1.2 臺階法的優(yōu)勢

隧道埋深、圍巖條件是隧道施工方法選擇需要考慮的因素,而圍巖條件是關(guān)鍵因素。

高速鐵路山嶺隧道施工工法采用的三臺階法可以根據(jù)隧道埋深及地質(zhì)條件隨時優(yōu)化調(diào)整,具有靈活多變的特點。優(yōu)化的原則是能夠充分發(fā)揮大型機械快速施工的優(yōu)勢,盡量避免剛性分隔,達(dá)到快速施工的目的。同時由于沒有剛性分隔,每個臺階都是工作面,可以多個工作面同時施工,充分發(fā)揮大型機械的作用,達(dá)到快速施工的目的。

三臺階七步開挖法適用于圍巖風(fēng)化程度較高的軟巖及強～全風(fēng)化的硬巖等情況。該工法的突出優(yōu)點是側(cè)墻初期支護能夠盡早落底,同時兩側(cè)開挖較早,對控制變形有利,也有利于地下水的匯集,同時預(yù)留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩(wěn)定性。該施工方法同樣適用于地質(zhì)條件較好的地段。

2 工程概況及施工難點

京滬高鐵西渴馬一號隧道進口里程DK420+395,出口里程DK423+207,全長2 812 m,隧道位于 R=7 000的曲線上,隧道最大埋深201 m,大部分基巖裸露,進口段及山凹處地表覆蓋0.5 m～3 m新黃土,進出口坡度15°,植被稀少。該隧道工程的施工難點是DK421+375～DK421+600淺埋段,為一山溝上游,隧道埋深相對較淺,其中埋深最淺處為20 m,15 m為泥夾石,5 m為灰?guī)r。

為消除淺埋段不良地層帶來的隱患準(zhǔn)確探測,采用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備對淺埋段附近的地質(zhì)情況進行了地層探測,探測工作使用美國勞雷工業(yè)公司物探部生產(chǎn)的SIR2000探地雷達(dá)系統(tǒng),分別采用800 MHz和400 MHz天線對地層情況探測,同時部分地段補100 MHz天線探測,探測表明:

1)里程DK421+534～DK421+584段,該段節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖較為破碎,呈碎石松散結(jié)構(gòu),有軟弱夾泥及溶蝕現(xiàn)象,開挖時容易塌陷,應(yīng)提前加強防護,圍巖參考等級為Ⅴ級。2)里程DK421+534～DK421+584段,該段節(jié)理裂隙發(fā)育,呈碎石狀松散結(jié)構(gòu),在DK421+554附近,疑有一溶洞,必要時可采取超前鉆孔進行驗證,并應(yīng)提前做好防范措施,圍巖參考等級為Ⅴ級。

綜合以上分析,充分考慮經(jīng)濟、安全、進度的要求,本工程淺埋段軟弱圍巖采用三臺階七步開挖法。

3 三臺階法施工工藝

隧道開挖前,為了保證前方施工的可預(yù)見性,加強安全施工,進行超前地質(zhì)預(yù)報,結(jié)合地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)素描和設(shè)計地質(zhì)巖性等信息綜合分析隧道前方圍巖情況,據(jù)此在施工中制定必要的手段及適當(dāng)調(diào)整施工參數(shù)。此段屬于淺埋段,根據(jù)設(shè)計要求進行超前大管棚施工。當(dāng)超前支護經(jīng)檢驗符合設(shè)計要求之后,進行開挖施工。施工步驟如下(如圖2所示):

①上部弧形導(dǎo)坑開挖:在拱部超前支護后進行,環(huán)形開挖上部弧形導(dǎo)坑,并預(yù)留核心土,核心土長度4.5 m,寬度5 m左右,開挖高度完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。然后分部施作上部周邊的初期支護,即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后分批次復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。②,③左、右側(cè)中臺階開挖:中臺階開挖,開挖高度3.5 m左右,左右側(cè)錯開2 m～3 m,開挖完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。而后分部施作中臺階周邊的初期支護,即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后分批次復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。④,⑤左右側(cè)下臺階開挖:開挖高度3.5 m左右,左右側(cè)臺階錯開2 m～3 m,開挖后立即初噴4 cm厚混凝土,并及時施作噴錨支護及掛網(wǎng)作業(yè),并接長上臺階初支鋼架,打設(shè)系統(tǒng)錨桿,復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。⑥上、中、下核心土開挖:各臺階分別開挖預(yù)留的核心土,開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺相一致。⑦仰拱開挖:每循環(huán)開挖長度32 m,采用可移動式仰拱棧橋開挖,開挖后及時架立初支鋼架及鋼筋網(wǎng),并噴射混凝土至設(shè)計厚度,完成左、右側(cè)仰拱開挖、支護循環(huán)后,進行仰拱及矮邊墻澆筑作業(yè),最后填充C25混凝土至設(shè)計高程,仰拱混凝土應(yīng)整體澆筑,一次成型。根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析,待初期支護收斂滿足規(guī)范要求后,利用襯砌模板臺車一次性澆筑二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

4 三臺階法的注意事項

三臺階法有利于大型機械的開展,體現(xiàn)快速施工、靈活多變易變的特點,但施工過程中也要注意如下問題:1)三臺階法施工的臺階長度控制很關(guān)鍵,既要有利于大型施工機械設(shè)備的開展,又要保證隧道施工的安全,但三臺階法施工長度至今沒有統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。實際的施工過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,在地質(zhì)條件差的情況下,應(yīng)盡量縮短臺階長度。2)由于三臺階法沒有中間剛性分隔存在,隧道變形控制,尤其是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。施工中可以增加鎖腳錨桿(鋼管)的數(shù)量,讓鎖腳錨桿插向拱腳的斜下方,以提高拱腳的承載能力。3)三臺階法應(yīng)該與超前支護配合使用,與采用剛性分隔的工法相比,三臺階法掌子面縱向成拱能力減弱,因此掌子面的穩(wěn)定性要差,這需要超前支護適當(dāng)加長。

5 結(jié)語

目前,隧道已安全通過山嶺隧道淺埋段,沉降控制符合標(biāo)準(zhǔn),實踐證明三臺階七步開挖法是一種先進的快速施工方法。

1)三臺階七步開挖法適用于圍巖風(fēng)化程度較高的軟巖及強～全風(fēng)化的硬巖等情況。該工法的突出優(yōu)點是側(cè)墻初期支護能夠盡早落底,同時兩側(cè)開挖較早,對控制變形有利,同時預(yù)留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩(wěn)定性。

2)三臺階法可以發(fā)揮大型施工機械設(shè)備多工作面快速施工的優(yōu)勢,體現(xiàn)靈活多變易變的特點。但同國外一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)的國家相比,我國在山嶺隧道施工工藝方面還存在著較大的差距,在隧道工法的設(shè)計、施工方面仍有待深入研究。

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