王國棟
Research 研究探討
鐵路隧道變形控制措施淺析
王國棟
(中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司機(jī)械分公司,河北 唐山 064000)
將鐵路隧道變形情況分級(jí),制定對(duì)應(yīng)的措施去及時(shí)控制處理,根據(jù)既有承建工程實(shí)踐應(yīng)用,分析其可操作性、安全性,達(dá)到控制圍巖失穩(wěn)、初期支護(hù)變形、防止初期支護(hù)侵限的目的。留足安全儲(chǔ)備,確保后續(xù)的仰拱、二次襯砌施工。
隧道變形;控制;措施;安全
目前我國鐵路隧道施工除盾構(gòu)法以外,大部分采用礦山法或淺埋暗挖法施工,而其原理就是“新奧法”。施工過程中由于種種因素制約,尤其是工期壓力、施工隊(duì)伍自身業(yè)務(wù)水平、地質(zhì)變化等原因,無法充分利用圍巖自身自承能力,從而造成圍巖失穩(wěn),初期支護(hù)變形。這時(shí)候就需要采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施來確保工程安全施工。本文主要針對(duì)不同的圍巖變形情況來分級(jí)、分項(xiàng),采取對(duì)應(yīng)的措施來控制變形,確保安全儲(chǔ)備,確保后續(xù)施工。同時(shí)分析其可操作性及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng),達(dá)到確保安全、經(jīng)濟(jì)可控、社會(huì)增效的目標(biāo)。
隧道開挖破壞了地層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài),隧道周邊的地層應(yīng)力將會(huì)由水平方向與豎直方向的主應(yīng)力,轉(zhuǎn)化為隧道徑向與法向的主應(yīng)力,大小主應(yīng)力方向?qū)?huì)發(fā)生變化,同時(shí)還將伴隨著地層剪切應(yīng)力的出現(xiàn)。
隧道開挖后,周邊地層將會(huì)臨時(shí)處于無支護(hù)的臨空狀態(tài),隧道周邊地層將出現(xiàn)向隧道方向位移的趨勢(shì)(拱頂下沉與周邊收斂變形),如果在隧道開挖斷面范圍內(nèi)存在地質(zhì)破碎帶或地層斷面,甚至可能引起地層的坍塌。但由于此階段時(shí)間相對(duì)較短,相應(yīng)的地層位移可能并不明顯,尤其是在地層條件較好的情況下。
開挖后應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)施加初期支護(hù),并盡早施作仰拱,將初期支護(hù)封閉成環(huán),達(dá)到“強(qiáng)支護(hù)”的目的。但由于初期支護(hù)施工過程中的種種不當(dāng),例如進(jìn)尺較深、工藝偏差、尤其是特殊圍巖及地形等原因,初期支護(hù)封閉成環(huán)之前圍巖的變形加劇,這時(shí)就應(yīng)該采取必要的措施來避免變形過大造成施工安全事故出現(xiàn)。
我單位承建的瓦屋里隧道、肖家塘隧道位于湖南省婁底市萬寶鎮(zhèn)西北約200m處。兩座隧道分別屬于滬昆客專湖南段婁邵聯(lián)絡(luò)線上行線和下行線,中間是其他單位正在施工的正線萬寶坪隧道。三座隧道平行施工,且彼此間相鄰距離很小,最小平距只有27m,施工難度及干擾極大。
施工期間,監(jiān)測(cè)人員在每次監(jiān)測(cè)后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、水平位移等隨時(shí)間及工作面距離變化的時(shí)態(tài)曲線,了解其變化趨勢(shì),并對(duì)初期的時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行回歸分析,預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的最大值和變化速率。根據(jù)開挖面的狀況,拱頂下沉、水平位移量大小和變化速率,綜合判定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并根據(jù)變形管理等級(jí)及時(shí)反饋于設(shè)計(jì)和施工。變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2.1-1所示。
表2.2-1 變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表
管理等級(jí)管理位移施工狀態(tài) ⅠUo
當(dāng)管理等級(jí)為Ⅱ、Ⅲ級(jí)時(shí)就應(yīng)該對(duì)隧道的初期支護(hù)采取措施來控制其變形,隧道圍巖變形控制及分級(jí)見表2.3-1:
表2.3-1 隧道圍巖變形分級(jí)及控制措施表
管理等級(jí)施工級(jí)別圍巖量測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)觀察情況技術(shù)措施管理措施 Ⅱ輕度拱頂出現(xiàn)輕微沉降,噴砼面出現(xiàn)細(xì)小裂痕,無明顯掉塊現(xiàn)象,收斂情況可控增設(shè)鎖腳錨桿,錨桿端頭處與鋼架“L”形焊接現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員、施工隊(duì)工班長注意觀測(cè)、控制;量測(cè)頻率正常 Ⅲ中度拱頂出現(xiàn)明顯沉降,累計(jì)沉降量在5cm以上,但是日沉降量曲線較為平緩;噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、隆起,鋼架出現(xiàn)輕微變形拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿,上臺(tái)階設(shè)臨時(shí)橫撐閉合,拱部視情況小導(dǎo)管注漿隧道主管帶領(lǐng)技術(shù)員及施工隊(duì)各負(fù)責(zé)人密切關(guān)注,增加量測(cè)頻率,避免發(fā)展成為重度 Ⅲ重度拱頂出現(xiàn)明顯沉降,累計(jì)沉降量在10cm以上,同時(shí)有較為明顯的日沉降量;噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊;鋼架出現(xiàn)明顯變形,上下臺(tái)階連接板處發(fā)生扭曲1.上、下臺(tái)階設(shè)臨時(shí)橫撐閉合,上下臺(tái)階連接板處下方設(shè)斜撐與底層橫撐相連,拱部及周邊小導(dǎo)管注漿2.全環(huán)設(shè)護(hù)拱施工,并將護(hù)拱連接成為整體,防止塌方項(xiàng)目主管領(lǐng)導(dǎo)值班,現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人跟蹤觀察指導(dǎo),避免坍塌事故,出現(xiàn)特殊情況及時(shí)撤離
2.3.1輕度級(jí)別變形控制措施
2.3.1.1技術(shù)措施及施工工藝
當(dāng)拱頂出現(xiàn)輕微沉降,此時(shí)目測(cè)初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)細(xì)小裂痕,但是無明顯掉塊現(xiàn)象,沉降、收斂量測(cè)數(shù)據(jù)顯示較小但是還有繼續(xù)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)應(yīng)該按照隧道變形輕度級(jí)別進(jìn)行變形控制,具體施工過程如下:
a.沿初支鋼架45°夾角打設(shè)增強(qiáng)鎖腳錨桿,錨桿長度4m。
b.錨桿頭加工成L型,緊貼鋼架兩側(cè)各設(shè)置一根,錨桿L型接頭抱緊后與鋼架面板滿焊加固。
c.每側(cè)拱腳各增設(shè)2組鎖腳錨桿,錨桿安裝完成后注漿處理。
d.對(duì)初期支護(hù)噴砼開裂面復(fù)噴處理,并作出標(biāo)示,方便進(jìn)行后續(xù)的觀察噴砼面是否繼續(xù)開裂。
2.3.1.2管理措施
a.現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員及作業(yè)工班長對(duì)處理完成的初期支護(hù)進(jìn)行觀察,主要觀察拱部及拱腳噴砼面是否繼續(xù)開裂,裂縫寬度是否增大,錨桿錨固孔是否出現(xiàn)明顯下沉式開裂等。
b.增加隧道圍巖量測(cè)頻率,根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況,形成動(dòng)態(tài)控制。
2.3.2中度級(jí)別變形控制措施
2.3.2.1技術(shù)措施及施工工藝
拱頂出現(xiàn)明顯沉降,累計(jì)沉降量在8cm以上,但是日沉降量曲線較為平緩;目測(cè)初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、有部分隆起,鋼架拱腳處出現(xiàn)輕微扭曲或彎起變形,此時(shí)應(yīng)該按照隧道變形中度級(jí)別進(jìn)行變形控制,具體施工過程如下:
a.拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿,L=4m;每側(cè)拱腳設(shè)置2組,錨桿頭與鋼架抱緊滿焊;具體施工方法與輕度級(jí)別中描述一致。
b. 于上臺(tái)價(jià)拱腳處加設(shè)臨時(shí)橫撐。臨時(shí)橫撐使用Ⅰ18工字鋼,長度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)而得,兩端分別與兩側(cè)拱腳滿焊,形成封閉環(huán)狀體系。連接端頭也可以使用連接板螺雙連接,但是施工中不容易控制其緊密連接,故采用焊接連接方式。
c.臨時(shí)橫撐一般沿線路方向至少布置2道,安裝前確保其置于穩(wěn)定、堅(jiān)硬的地基上,為方便行車橫撐縱向間須鋪墊料碴或混凝土,待壓實(shí)后方可行走機(jī)械。
d.視圍巖情況考慮是否進(jìn)行小導(dǎo)管注漿處理,如圍巖松散、破碎較嚴(yán)重則必須注漿處理。
e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時(shí)橫撐,此時(shí)整體圍巖基本已同初期支體系形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu),但拆除時(shí)仍應(yīng)小心觀察,如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復(fù)。
2.3.2.2管理措施
a.出現(xiàn)中度級(jí)別變形施過程中應(yīng)由隧道主管領(lǐng)導(dǎo)帶隊(duì),密切關(guān)注變形段。要經(jīng)常對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行觀察,尤其是對(duì)施作完成的臨時(shí)橫撐的觀察。首先觀察初期支護(hù)表面裂縫是否繼續(xù)發(fā)展,拱腳處有無明顯變形,橫撐與鋼架焊接處是否出現(xiàn)開焊現(xiàn)象,這樣可以針對(duì)實(shí)際情況來進(jìn)行施工上必要的調(diào)整。
b.增加隧道圍巖量測(cè)頻率,根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況,形成動(dòng)態(tài)控制。
2.3.3重度級(jí)別變形控制措施
2.3.3.1技術(shù)措施及施工工藝
拱頂出現(xiàn)明顯沉降,累計(jì)沉降量在10cm以上,同時(shí)有較為明顯的日沉降量;目測(cè)初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊現(xiàn)象;鋼架出現(xiàn)明顯變形,尤其是拱腳及上下臺(tái)階連接板處發(fā)生扭曲現(xiàn)象嚴(yán)重,此時(shí)應(yīng)該按照隧道變形重度級(jí)別進(jìn)行變形控制,具體施工過程如下:
a.拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿,L=4m;每側(cè)拱腳設(shè)置2組,錨桿頭與鋼架抱緊滿焊;具體施工方法與輕度級(jí)別中描述一致。
b. 于上臺(tái)價(jià)及下臺(tái)階拱腳處加設(shè)臨時(shí)橫撐。臨時(shí)橫撐使用Ⅰ18工字鋼,長度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)而得,兩端分別與兩側(cè)拱腳滿焊,形成封閉環(huán)狀體系。
c.由于圍巖應(yīng)力集中,上、下臺(tái)階連接處極易出現(xiàn)變形、隆起、侵限現(xiàn)象,使用Ⅰ18工字鋼斜撐將上臺(tái)階拱腳與下臺(tái)階橫撐相連,形成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),可以有效的控制事故發(fā)生。
d.拱部小導(dǎo)管注漿處理,邊墻局部、尤其是連接板處注漿處理。
e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時(shí)橫撐、及斜撐,遵循拆除一段仰拱施工一段的原則,循序施工,保證臨時(shí)封閉結(jié)構(gòu)安全轉(zhuǎn)移成為仰拱封閉結(jié)構(gòu),具體施工同上文所述。,拆除時(shí)小心觀察,如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復(fù)。
f.如已施工完仰拱的初期支護(hù)仍出現(xiàn)突然的沉降收斂,或者量測(cè)曲線平緩但繼續(xù)下去會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)侵限,此時(shí)如果二次襯砌無法跟上施工,則應(yīng)該設(shè)置護(hù)拱(套拱)。護(hù)拱使用既有工字鋼鋼架全環(huán)安裝,下部連接板直接坐落于已施工仰拱混凝土面上??v向之間護(hù)拱使用連接筋連接,護(hù)拱與原初支面間空隙處使用墊板填塞密實(shí),確保應(yīng)力傳遞,并盡快安排后續(xù)二襯施工,護(hù)拱拆除也遵循拆除一段施工一段二襯原則,必要時(shí)采取跳槽施工二襯。
2.3.3.2管理措施
a.出現(xiàn)重度級(jí)別變形施過程中應(yīng)由項(xiàng)目部主管領(lǐng)導(dǎo)帶隊(duì),輪換制度密切關(guān)注變形段,確保洞內(nèi)全時(shí)間段均有人值班。出現(xiàn)特殊情況及時(shí)匯報(bào)并采取相應(yīng)措施,防止坍塌事故的發(fā)生。
b.隧道圍巖量測(cè)跟蹤進(jìn)行,確保洞內(nèi)隨時(shí)有人監(jiān)測(cè),獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù),避免坍塌事故。
c.組織隧道施工專家每天召開現(xiàn)場(chǎng)會(huì),實(shí)時(shí)分析并研究探討應(yīng)對(duì)措施,做到隧道施工安全萬無一失。
a.處理時(shí)間短,使用加強(qiáng)鎖腳錨桿,加設(shè)橫撐、斜撐具備施工時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),隧道施工安全控制拼的就是時(shí)間,尤其對(duì)于重度變形來說,早一個(gè)小時(shí)采用應(yīng)對(duì)措施控制住可能就會(huì)避免一次侵限、坍塌事故。而上述三種控制措施均可以原地取材,拆卸也很方便,時(shí)間短是其最大的優(yōu)點(diǎn)。
b.效果明顯。在實(shí)際應(yīng)用中,上述三種變形控制措施均得到了驗(yàn)證,實(shí)用效果很好,均控制住了隧道的變形,為后續(xù)的施工提供了非常好的安全保障。
c.工藝簡單,隧道內(nèi)大部分施工人員不需要培訓(xùn)均可快速施工,也為隧道安全風(fēng)險(xiǎn)快速處理原則提供了有力保障。
a.阻礙行車。安裝了橫撐、斜撐之后,對(duì)行車通暢有部分影響,機(jī)械施工過程中也需小心,防止碰到臨時(shí)支護(hù)而導(dǎo)致其扭曲、變形不起作用。
b.浪費(fèi)材料。安裝的橫撐、斜撐由于分散了圍巖應(yīng)力釋放,緩解了圍巖應(yīng)力集中,會(huì)輕微的變形,導(dǎo)致拆除后部分工字鋼不能再次循環(huán)利用。
隧道變形控制使用加強(qiáng)鎖腳錨桿,增加橫撐、斜撐等措施控制,能有效的控制隧道變形,分解及減緩圍巖應(yīng)力集中,避免出現(xiàn)初支侵限,隧道坍塌事故,為后續(xù)的仰拱閉合施工提供了安全保障,也為二襯施工提供了足夠了安全儲(chǔ)備;其工藝簡單,可操作性強(qiáng),施工時(shí)間很短,可靠性也經(jīng)過了實(shí)踐驗(yàn)證,是隧道變形控制的首選措施。
[1]中華人民共和國鐵道部:《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》
[2]中華人民共和國鐵道部:《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》
[3]由鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的長昆客專鐵路設(shè)計(jì)文件和施工圖紙。
G322
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1007-6344(2021)01-0329-02