高王鋒

(中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266100)

1 引言

近年來，隨著我國建筑施工管理水平的不斷提高，對安全質(zhì)量、工期、建造成本、機械化程度、節(jié)能環(huán)保等方面提出了更高要求[1]。不斷探索應用新技術、新材料、新工藝、新設備，成為建筑施工企業(yè)賴以生存的根本。

本文主要介紹蒙華鐵路黃土隧道施工過程中，通過傳統(tǒng)的三臺階大拱腳臨時仰拱法和設置圍巖應力釋放裝置兩種方法的實踐應用，從機械化程度、勞動作業(yè)強度、施工進度、工程成本、結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量等方面進行對比分析，結(jié)果表明使用圍巖應力釋放裝置具有明顯的優(yōu)越性；同時對圍巖應力較大段落的支護形式由剛性支撐向柔性支護的轉(zhuǎn)變提供了一個新思路，具有很好的借鑒作用。

2 工程概況

蒙西至華中地區(qū)鐵路運煤通道工程，線路全長1 837 km，采用國鐵Ⅰ級(重載鐵路)技術標準。中鐵二十局蒙華鐵路MHTJ-7標段全長35.7 km，其中隧道工程31.86 km，隧道占比高達89%。

麻科義隧道位于延安市寶塔區(qū)及延長縣境內(nèi)，起訖里程DK358＋192.4～DK366＋920.95，隧道全長8 728.55 m，為單洞雙線隧道，開挖斷面104 m2。該隧道屬于陜北高原梁峁區(qū)，沖溝發(fā)育，零星分布小面積黃土塬，溝谷切割較深，地勢總體自東向西傾斜，海拔在921～1 210 m之間，大部分地區(qū)覆蓋厚層黃土。

麻科義隧道出口DK366＋411～DK365＋748段掌子面地質(zhì)情況:黏質(zhì)老黃土，棕黃色，硬塑～堅硬，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，垂直節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面潮濕，隧道埋深53～87 m。開挖支護過程中有水滲出，部分段落兩側(cè)拱腰有掉塊現(xiàn)象，圍巖整體穩(wěn)定性較差，綜合判定圍巖級別為Ⅴ級。

3 施工方案的對比選擇

DK366＋411～DK366＋385段按照三臺階預留核心土法施工，初期支護采用H180格柵鋼架，間距0.75 m，噴射混凝土厚度25 cm。在初期支護封閉成環(huán)后，陸續(xù)在上、中臺階結(jié)合部持續(xù)出現(xiàn)縱向開裂，部分段落格柵鋼架變形扭曲嚴重，且監(jiān)控量測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不收斂狀態(tài)。

圖1 初期支護噴射混凝土剝皮、開裂

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合西南交通大學有關的初期支護內(nèi)力監(jiān)測及數(shù)值分析，判定該段落初期支護整體受壓，圍巖在左右兩側(cè)拱腰存在較大的相對剪切應變，壓縮拱頂區(qū)域，結(jié)構(gòu)壓應力超出抗壓強度導致壓剪破壞，進而引起初期支護變形開裂掉塊、鋼架扭曲變形[2]，如圖1所示。

3.1 三臺階大拱腳臨時仰拱法

為防止初期支護施工完成后再次出現(xiàn)起皮開裂，經(jīng)設計變更，在后續(xù)相同地質(zhì)段落采用三臺階大拱腳臨時仰拱法施工[3]。具體支護措施為:超前支護采用?42超前小導管，長度3.5 m；初期支護采用Ⅴa土復合式襯砌，H180格柵鋼架，間距0.75 m，鋼架腳部設置大拱腳，上臺階拱腳部位設置臨時仰拱；鎖腳采用 ?42無縫鋼管，壁厚5 mm，每節(jié)點2根，長度4 m，采用?25L型連接鋼筋與鋼架焊接緊密；采用?8 20×20鋼筋網(wǎng)片，C20噴射混凝土，厚度25 cm，如圖2所示。通過現(xiàn)場實踐，初期支護變形破壞得到了有效控制。

圖2 三臺階大拱腳臨時仰拱法施工橫斷面

3.2 設置圍巖應力釋放裝置

中鐵二十局蒙華鐵路MHTJ-7標段在施工過程中不斷探索，結(jié)合集團公司、蒙華公司、西南交通大學有關專家的研究指導，在黃土隧道圍巖應力較大段落設置圍巖應力釋放裝置，即在原設計格柵鋼架[4]圖紙的基礎上，在結(jié)構(gòu)關鍵受力部位(兩側(cè)拱腰)[5]設置圍巖應力釋放裝置；同時拱頂外擴10 cm，邊墻外擴5 cm，開挖預留變形量根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整。該部位在拱墻襯砌澆筑之前暫不噴射混凝土，可以適度釋放圍巖壓力，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，有效防止初期支護破壞問題。

設置圍巖應力釋放裝置，鋼架型號與原設計型號保持不變，拱頂40°范圍半徑不變，僅加大了拱部左右側(cè)各20°～60°范圍的半徑，左右拱腳向外放大15 cm。圍巖應力釋放裝置高度30 cm，縱向貫通，長度等于格柵鋼架間距，寬度等于噴射混凝土厚度。豎向采用高度28 cm、厚度8 mm的豎向鋼板與上下兩側(cè)10 mm厚的連接鋼板焊接，連接鋼板預留螺栓孔與鋼架連接，如圖3所示。

圖3 圍巖應力釋放裝置與鋼架連接

3.3 施工方法優(yōu)缺點分析

通過前期類似地質(zhì)采用三臺階大拱腳臨時仰拱法和采用圍巖應力釋放裝置現(xiàn)場實驗驗證，兩種方法均對控制初支混凝土起皮開裂、掉塊和鋼架扭曲變形具有很好地控制作用。

從機械化程度、工程成本、施工進度、監(jiān)控量測結(jié)果四個方面對兩種施工方法進行對比分析。

(1)機械化程度

三臺階大拱腳臨時仰拱法需設置臨時支撐，作業(yè)空間小，工序繁瑣，不利于大型機械化施工；使用圍巖應力釋放裝置，可簡化施工工法，作業(yè)空間大，有利于大斷面作業(yè)，適合大型機械施工[6]。

(2)工程成本

三臺階大拱腳臨時仰拱法增加了臨時仰拱鋼架及大拱腳部位鋼墊板、開挖及噴射混凝土數(shù)量；使用圍巖應力釋放裝置，在上中臺階兩側(cè)結(jié)合部位增加了一段鋼構(gòu)件、6根PVC管及增大預留變形量而增加的開挖數(shù)量，具體見表1。可見，設置圍巖應力釋放裝置與三臺階大拱腳臨時仰拱法相比較，可大大節(jié)約工程材料，降低工程成本。

表1 工程成本對比分析

(3)施工進度

三臺階大拱腳臨時仰拱法需要設置臨時支撐，無法采用大型機械，作業(yè)效率低?，F(xiàn)場統(tǒng)計，Ⅴa土段落平均每循環(huán)用時11 h，進度40～50 m/月；使用圍巖應力釋放裝置，Ⅴa土段落平均每循環(huán)用時8 h，進度55～65 m/月。

(4)監(jiān)控量測結(jié)果

三臺階大拱腳臨時仰拱法主要利用大拱腳及臨時仰拱較大的支撐力抑制圍巖塑性變形；而圍巖應力釋放裝置原理為充分發(fā)揮圍巖的自承能力，允許圍巖產(chǎn)生一定塑性變形，以適度釋放圍巖應力。因此設置圍巖應力釋放裝置時監(jiān)控量測數(shù)據(jù)較大，見圖4～圖5。

圖4 DK366＋368斷面拱頂下沉及水平收斂時程曲線(未設圍巖應力釋放裝置)

圖5 DK366＋342斷面拱頂下沉及水平收斂時程曲線(設置圍巖應力釋放裝置)

綜上所述，設置圍巖應力釋放裝置時圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)較大，但具有機械化程度高、工程成本低、施工進度快等優(yōu)點，因此設置圍巖應力釋放裝置更加經(jīng)濟合理?，F(xiàn)場使用效果見圖6。

圖6 設置圍巖應力釋放裝置段落

4 施工工藝及控制要點

4.1 施工工藝流程

設置圍巖應力釋放裝置施工工藝流程見圖7。

圖7 設置圍巖應力釋放裝置施工工藝流程

圖8 拱頂下沉測點和水平收斂測線布置示意

4.2 施工控制要點

(1)加強監(jiān)控量測工作，及時進行數(shù)據(jù)分析

采用圍巖應力釋放裝置后，圍巖變形較大，現(xiàn)場應成立專業(yè)監(jiān)控量測小組重點監(jiān)測。黃土隧道Ⅴ級圍巖段落每5 m布置一個量測斷面，每個斷面布置7個測點，測點布置見圖8，觀測頻率2次/d。如出現(xiàn)圍巖變形速率超過預警值(初期支護成環(huán)前變形速率連續(xù)≥20 mm/d或成環(huán)1周后數(shù)據(jù)仍不收斂，特別是水平收斂速率仍≥2 mm/d)、滲水嚴重、局部溜塌等情況，應增加測點及觀測頻率，并立即向上級匯報，以便及時采取加固措施[7]。

(2)選擇合理的支護參數(shù)及預留變形量

設置圍巖應力釋放裝置段落鋼架型號與間距、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土等措施維持原設計不變。

對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時進行整理分析，并繪制隧道變形量隨時間變化關系曲線圖，依據(jù)累計變形量結(jié)合專家現(xiàn)場指導，設置合理的預留變形量。

具體支護參數(shù)和預留變形量設計參考值見表2。

表2 支護參數(shù)和預留變形量參考值

(3)簡化施工方法，快挖快支，減少圍巖暴露時間

應充分發(fā)揮大型機械化施工優(yōu)勢，選擇三臺階和三臺階預留核心土法施工。采用人工配合帶松土器的挖掘機開挖各臺階；按照流水作業(yè)法及時安裝鋼架、圍巖應力釋放裝置、鋼筋網(wǎng)片、鎖腳錨管；采用HPS3016S型濕噴機械手快速噴射混凝土[8]。

(4)落實兩緊跟，初支仰拱及時封閉成環(huán)

下臺階及初支仰拱同步開挖，及時封閉成環(huán)[9]，嚴格實行兩緊跟，即上臺階鋼架緊跟掌子面、初支仰拱緊跟下臺階[10]。掌子面到成環(huán)距離控制在1～1.5倍隧道洞徑，確保掌子面施工安全。

(5)加強鎖腳錨管施工質(zhì)量

鎖腳錨管采用?42、壁厚5 mm無縫鋼管，長度4 m，每節(jié)點2根，角度斜向下30°～45°，與鋼架采用?25L型鋼筋焊接牢固。當滲水較大、圍巖軟弱、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)異常時應增加鎖腳錨管數(shù)量，每節(jié)點處設置兩排，共4根，環(huán)向排距80 cm[11]。

(6)加強拱腳支墊措施，嚴禁積水浸泡拱腳，保證洞內(nèi)排水通暢

上、中臺階鋼架底部設置輕質(zhì)泡沫鋁墊板，尺寸50 cm×30 cm×3.5 cm，其上鋪設10 cm厚砂墊層，以便下部開挖時與噴射混凝土脫離。

完善洞內(nèi)排水系統(tǒng)，保證洞內(nèi)排水通暢，掌子面設置集水坑和移動集水箱，專人負責及時抽排，嚴禁積水浸泡拱腳。

(7)噴射混凝土時應加強圍巖應力釋放裝置的保護

圍巖應力釋放裝置部位在施工拱墻襯砌之前暫不噴射混凝土。為防止噴射混凝土或其他雜物填充圍巖應力釋放裝置，應在外側(cè)覆蓋防水板，內(nèi)側(cè)填充河沙進行保護。

5 結(jié)束語

在大斷面黃土隧道施工過程中，因較大的圍巖應力引起初期支護鋼架扭曲變形、噴射混凝土開裂掉塊，甚至坍塌等災害，存在巨大安全隱患[12]。如何實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、高效、節(jié)能環(huán)保施工，越來越受到國內(nèi)隧道設計與施工專業(yè)人員的重視。

在中鐵二十局蒙華鐵路隧道施工過程中，通過在易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞部位設置圍巖應力釋放裝置，有效防止了黃土隧道初期支護變形開裂，簡化施工工法，全面施行機械化，實現(xiàn)初期支護快速封閉成環(huán)，在質(zhì)量、安全、進度、成本、效益等方面均取得了良好效果，具有廣闊的應用前景。