張 風(fēng)

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)高鐵技術(shù)的日趨成熟，為滿足國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略需要，近年來西南地區(qū)高鐵建設(shè)迅猛發(fā)展。由于西南地區(qū)地形山高溝深，故高鐵線路工程多以橋隧為主。西南地區(qū)隧道工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，圍巖類型變化頻繁，不良地質(zhì)種類多，隧道工程施工難度大，施工周期長(zhǎng)，全線關(guān)鍵線路控制工程基本都是長(zhǎng)大隧道，如何在軟巖地層中實(shí)現(xiàn)安全快速掘進(jìn)是隧道施工的關(guān)鍵性技術(shù)。在高速鐵路隧道V級(jí)以上圍巖地段，設(shè)計(jì)針對(duì)深埋緩傾軟巖及水平巖層，經(jīng)常采用三臺(tái)階七步開挖工法[1]。但采用該工法掘進(jìn)進(jìn)尺慢，上臺(tái)階、下臺(tái)階及仰拱初支封閉時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致隧道拱頂下沉量及周邊收斂值較大，易出現(xiàn)初支開裂、拱架扭曲變形、初支脫落掉塊以致隧道塌方等不良問題。同時(shí)由于隧道開挖分步工序多，仰拱及二襯距離掌子面的安全步距也很容易超標(biāo)。針對(duì)上述難題，本文提出了一種兩臺(tái)階四步開挖的施工方法，較好地解決了大斷面水平軟巖隧道施工進(jìn)度慢、變形大、穩(wěn)定性差等難題[2]，既能安全快速通過圍巖較差地段，又能保證施工質(zhì)量。

2 工程概況

(1)地理位置及結(jié)構(gòu)形式

鄭萬鐵路重慶段位于重慶東北部，全線重點(diǎn)控制工程奉節(jié)隧道位于奉節(jié)縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)13 472 m，是單洞雙線隧道，最大埋深656 m，其中進(jìn)口至1＃斜井區(qū)間隧道正洞覆蓋層厚度為4～250 m。線路設(shè)計(jì)速度為350 km/h，按無砟軌道雙線設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)斷面面積為147 m2。

(2)水文地質(zhì)條件

奉節(jié)隧道進(jìn)口至1＃斜井正洞區(qū)間長(zhǎng)度為2 250 m，地勘揭示均為V級(jí)圍巖淺埋段，屬剝蝕丘陵地貌。地表上覆第四系全新統(tǒng)卵石土、碎石土、粉質(zhì)黏土等，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)巴東一段(T2b1)泥灰?guī)r、白云巖夾泥巖。受區(qū)域性的朱衣背斜影響，巖體構(gòu)造破碎現(xiàn)象嚴(yán)重。地表水發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，具有侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)為H2。隧道洞身穿越的主要地層有三層，第一層為<9-2>粉質(zhì)黏土地層，第二層為<15-7>W4地層(泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖地層)，第三層為<15-7>W3地層(泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖地層)。隧道進(jìn)口段開挖揭示主要為泥灰?guī)r與頁(yè)巖互層或泥灰?guī)r與泥巖互層，沿隧道軸向巖層緩傾，近似水平狀，巖層為薄層狀，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖層泥質(zhì)膠結(jié)，層間結(jié)合較差，個(gè)別地段有線狀滲水。

3 大斷面水平軟巖隧道施工特點(diǎn)及難點(diǎn)

奉節(jié)隧道進(jìn)口段在前期施工過程中，通過圍巖量測(cè)監(jiān)測(cè)顯示，拱頂沉降大于邊墻收斂變形。拱頂最大沉降量達(dá)到70 cm，平均下沉量大于25 cm；邊墻最大收斂值達(dá)到50 cm，平均收斂值大于15 cm。隧道圍巖受水的影響較大，剛進(jìn)洞時(shí)水量較小，開挖至2～3倍洞徑后，滲水量變大，圍巖在水的作用下軟化，承載力下降，導(dǎo)致初支開裂，拱架扭曲變形，噴射砼脫落，初支沉降變形最大速率達(dá)2 cm/d。開挖過程中，當(dāng)泥巖及泥灰?guī)r互層時(shí)，掌子面自穩(wěn)性較好；泥灰?guī)r與頁(yè)巖互層時(shí)，掌子面自穩(wěn)性較差，易出現(xiàn)掉塊或坍塌。為有效控制初支變形，通過在實(shí)施過程中反復(fù)摸索，逐步總結(jié)出兩臺(tái)階四步法開挖工藝[3]。

4 兩臺(tái)階四步法開挖技術(shù)

4.1 工藝說明

分步開挖順序和分步開挖立面分別如圖1～圖2所示。

圖1 兩臺(tái)階四步法分步開挖順序

圖2 兩臺(tái)階四步法開挖立面(單位:m)

(1)第1步:在上一循環(huán)的超前支護(hù)防護(hù)下，采用周邊弧形弱爆破開挖①部[4]，并及時(shí)施作①部臺(tái)階周邊的初期支護(hù)。先進(jìn)行混凝土初噴，架立拱部鋼架，打設(shè)錨管進(jìn)行鎖腳；然后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，并施作徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度；最后架設(shè)①部臺(tái)階底的 18型鋼臨時(shí)橫撐(拱部每2榀鋼架設(shè)臨時(shí)橫撐一道[5])。

(2)第2步:采用機(jī)械或弱爆破開挖②部，施作左側(cè)邊墻初期支護(hù)。先進(jìn)行混凝土初噴，接長(zhǎng)左側(cè)邊墻鋼架，打設(shè)錨管進(jìn)行鎖腳；然后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，施作徑向錨桿后再?gòu)?fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(3)第3步:采用機(jī)械或弱爆破開挖③部，施作右側(cè)邊墻初期支護(hù)。先進(jìn)行初噴混凝土，接長(zhǎng)右側(cè)邊墻鋼架，打設(shè)錨管進(jìn)行鎖腳；然后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，施作徑向錨桿后再?gòu)?fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(4)第4步:采用機(jī)械或弱爆破開挖④部，下臺(tái)階核心土與仰拱同步開挖，清除隧底虛渣后，先進(jìn)行混凝土初噴，連接底部鋼架，使初支鋼架閉合成環(huán)；然后立即澆筑仰拱與邊墻基礎(chǔ)混凝土，待仰拱初凝后，澆筑仰拱填充至設(shè)計(jì)高度[6]。

初期支護(hù)封閉成環(huán)后，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，分析確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)。拆除臨時(shí)橫撐，利用模板臺(tái)車一次性灌注拱部及邊墻襯砌混凝土。

4.2 工藝參數(shù)確定

(1)上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度

隧道開挖作業(yè)線所需長(zhǎng)度為開挖作業(yè)臺(tái)架長(zhǎng)度＋飛石影響的長(zhǎng)度；隧道出渣作業(yè)線所需長(zhǎng)度為渣堆長(zhǎng)度＋裝渣機(jī)＋出渣車及出渣車調(diào)頭長(zhǎng)度；噴錨初支作業(yè)線所需長(zhǎng)度為噴錨機(jī)械手＋砼運(yùn)輸車＋初支作業(yè)長(zhǎng)度。綜合考慮以上各工序大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)需求長(zhǎng)度和圍巖變形控制要求，確定采用機(jī)械噴錨作業(yè)長(zhǎng)度作為上臺(tái)階控制的最短長(zhǎng)度[7]。對(duì)于圍巖地質(zhì)較好地段，臺(tái)階長(zhǎng)度可適當(dāng)加長(zhǎng)，有利于隧道施工組織；對(duì)于圍巖地質(zhì)較差地段以及深埋軟巖地層段，要求盡量將臺(tái)階長(zhǎng)度縮短，減少圍巖變形，確保施工安全。

(2)上臺(tái)階開挖高度

傳統(tǒng)軟巖隧道開挖采用的CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階七步開挖工法，雖然每次開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)小，但工序轉(zhuǎn)換次數(shù)多，初支封閉成環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，最終導(dǎo)致初支沉降反而較大；同時(shí)由于每次開挖斷面小，也不利于組織大型機(jī)械化作業(yè)，施工進(jìn)度較慢，工期很難保證。采用兩臺(tái)階四步開挖法可將上臺(tái)階開挖至拱腰以下，上臺(tái)階高度滿足各類機(jī)械化作業(yè)要求，大大提高了施工效率，不僅加快了進(jìn)度，同時(shí)也能使初期支護(hù)快速封閉成環(huán)，確保了施工安全步距[8]。

經(jīng)綜合分析研究確定，上臺(tái)階長(zhǎng)度宜控制在25～30 m，高度宜控制在6.5～7.5 m，每循環(huán)開挖進(jìn)尺按1.2 m控制；下臺(tái)階開挖至拱腳位置，左右兩側(cè)分步開挖，先左側(cè)、后右側(cè)，左右兩側(cè)要錯(cuò)開2～3 m，不允許在同一個(gè)斷面；隧底仰拱開挖緊跟下臺(tái)階，中間核心土同步進(jìn)行，開挖滯后右側(cè)下臺(tái)階保持在2 m以上，且不超過5 m，保證仰拱初支及時(shí)封閉成環(huán)，嚴(yán)格控制圍巖變形[9]。

4.3 工序流水作業(yè)

(1)鉆爆作業(yè)線

軟巖隧道以機(jī)械開挖為主，盡量減少對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)，局部可采用弱爆破、短進(jìn)尺，控制周邊眼及抵抗線間距，周邊眼采取間隔裝藥。上臺(tái)階、左右下臺(tái)階及隧底仰拱和中間預(yù)留核心土可同時(shí)鉆孔、同時(shí)起爆，最大限度減少通風(fēng)排煙時(shí)間。

(2)出渣作業(yè)線

上臺(tái)階出渣采取“兩臺(tái)裝渣機(jī)＋出渣車”出渣。上臺(tái)階出渣完成利用挖機(jī)清理掌子面期間，進(jìn)行下臺(tái)階出渣，出渣車停在48 m長(zhǎng)仰拱棧橋前拱橋位置[10]，利用挖機(jī)出渣；仰拱出渣，借用仰拱棧橋前搭板作為通道出渣。

(3)初支作業(yè)線

上臺(tái)階出渣完成進(jìn)行排險(xiǎn)后，首先初噴拱墻四周及掌子面4～10 cm厚混凝土，然后架設(shè)上臺(tái)階鋼拱架；左右下臺(tái)階及仰拱出渣完成后，同步連接下臺(tái)階及仰拱初支拱架，使初支盡早封閉成環(huán)。待上臺(tái)階施工超前小導(dǎo)管后，再依次完成上臺(tái)階、下臺(tái)階、仰拱噴錨混凝土。

4.4 質(zhì)量保證措施

(1)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前支護(hù)

可選取超前探孔、TSP、加深炮孔等方式對(duì)前方圍巖提前進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果和實(shí)際開挖掌子面的自穩(wěn)性分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整超前支護(hù)導(dǎo)管的長(zhǎng)度、環(huán)向間距和縱向搭接長(zhǎng)度，并及時(shí)進(jìn)行注漿加固，確保開挖掌子面的穩(wěn)定。

(2)掌子面采取加固措施

上臺(tái)階開挖時(shí)，對(duì)掌子面圍巖較差地段，要弧形開挖預(yù)留核心土，等拱架架設(shè)完成后再開挖核心土；對(duì)掌子面圍巖較好地段，也可不留核心土，但開挖后需及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行封閉，防止掌子面掉塊或滑塌。

(3)拱腳處理

拱腳開挖時(shí)，采取機(jī)械開挖至拱腳標(biāo)高以上30 cm，剩余部分采取人工鑿除，避免拱腳基礎(chǔ)松動(dòng)，導(dǎo)致初支承載力不足[11]。

(4)加強(qiáng)滲涌水引排

由于隧道圍巖以泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖及頁(yè)巖互層為主，該地層遇水極易軟化，為此在初支施作時(shí)要設(shè)置徑向鋼花管引排滲涌水，以減小對(duì)初支的局部壓力，保證初期支護(hù)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

兩臺(tái)階四步開挖法介于兩臺(tái)階與三臺(tái)階之間，與傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)由于開挖分步減少，對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)次數(shù)降低，上臺(tái)階加臨時(shí)橫撐，下臺(tái)階和仰拱初期支護(hù)能及時(shí)封閉，拱頂沉降變形由原來的30 cm以上降至20 cm以內(nèi)，前期初支開裂及鋼架扭曲變形問題得到較好地控制[12]。

(2)分成上、下兩臺(tái)階，加大了上臺(tái)階高度和長(zhǎng)度，便于組織大型設(shè)備機(jī)械化作業(yè)，無論是開挖出渣還是噴錨支護(hù)，施工效率提升明顯，每月進(jìn)尺由原來的不足30 m提高至50 m以上，最高達(dá)到70 m，極大地加快了進(jìn)度，確保了工期要求。