呂 超
(中鐵十二局第一工程有限公司,陜西 西安)
在鐵路隧道的出洞施工中,常用的方法有小導(dǎo)洞法出洞、三臺階七步法出洞等。從工程實踐來看,小導(dǎo)洞法具有施工流程簡單、施工速度較快等特點,但是對圍巖質(zhì)量要求較高。本文研究的鐵路隧道工程,經(jīng)檢測隧洞處圍巖級別為Ⅲ~Ⅴ級,穩(wěn)定性較差,不適合小導(dǎo)洞法。相比之下,三臺階七步法出洞則采取了注漿加固、預(yù)留核心土、開挖后立即初噴支護等措施,并在施工完畢后進行了沉降觀測,切實保障了隧道施工安全,避免了軟弱圍巖在出洞施工期間發(fā)生塌陷或大幅度變形的情況,有助于提升經(jīng)濟效益和社會效益。
某鐵路隧道起止里程DK504+618~DK505+477,總長度778 m,最大埋深118.4 m。隧道洞口基巖裸露,山坡覆蓋風(fēng)積黏質(zhì)黃土,自然坡度33~48°,洞身以頁巖為主,局部夾有砂巖。其中,隧洞出洞口仰坡較陡,并且上方有高速公路,需要采取仰坡防護措施。采用噴錨支護,清理邊坡后噴10 cm 后的C30 混凝土,然后處φ22 砂漿錨桿,并掛網(wǎng)。隧道設(shè)計支護參數(shù)見表1。
表1 隧道設(shè)計支護參數(shù)
為確保隧洞施工順利和維護施工人員安全,在隧道洞口天然坡面采取防護措施。施工人員首先將洞口周圍坡面的地表植被和松動巖石清理干凈,形成表面平整的坡面后,按照施工圖紙進行仰坡測量放線。在仰坡5 m 外施作截水天溝,溝內(nèi)使用25 cm 后的M10 漿砌片石砌筑,保證排水順暢,減少雨水滲透。完成隧道上臺階弧形導(dǎo)坑貫通施工后,使用挖掘機以1:1 比例進行仰坡刷坡。對于隧洞拱部的軟弱圍巖,采取超前小導(dǎo)管注漿法進行加固[1]。
小導(dǎo)管選用直徑為42 mm 的無縫鋼管,長度為4.2 m,外插角10~12°,采用十字型布置,漿液為普通水泥漿液。為減輕小導(dǎo)管插入阻力,將前端改為錐形,管壁上布置4 個間距為15 cm、直徑為10 mm 的注漿孔,小導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 超前小導(dǎo)管注漿施工流程
本次工程中,使用風(fēng)動鑿巖機在標(biāo)記出的孔位上進行鉆孔,要求鉆孔直徑略大于鋼管直徑(約2~3 cm)。鉆孔埋入鋼管后,再使用鑿巖機將小導(dǎo)管打入鋼管中,要求小導(dǎo)管的埋入長度超過鋼管長度的90%。小導(dǎo)管布置完畢后開始壓水試驗,確定密封良好后將水泥與水按照1:1 配制成漿液,由注漿泵加壓后完成注漿。超前小導(dǎo)管注漿流程如圖1 所示。
結(jié)合前期的地質(zhì)勘察結(jié)果,在隧道出洞時圍巖從Ⅳ級變?yōu)棰跫?,如果仍然沿用全斷面法施工,可能會出現(xiàn)圍巖變形情況,經(jīng)過討論后決定采用“三臺階七步開挖法”進行隧道出洞施工,流程如圖2 所示。
圖2 隧道三臺階七步流水法施工流程
2.2.1 開挖上部弧形導(dǎo)坑
在完成拱部超前小導(dǎo)管注漿支護后,開挖上部弧形導(dǎo)坑,即圖3 中“1”部。該隧道的洞口處為水平巖層,開挖時預(yù)留一部分核心土(1.2~1.8 m),其目的是提升縱向拱效應(yīng),盡量避免上部圍巖出現(xiàn)碎石掉落的情況。開挖過程中每向前進尺1 m,立刻在新開挖面上噴射5 cm 厚的C30 混凝土,對巖壁和掌子面進行封閉,待混凝土完成初凝后,依次進行錨桿和鋼筋網(wǎng)的支護[2]。完成支護后,現(xiàn)場施工人員需要做好地面渣土的清理工作,使拱腳平整干凈。若拱腳局部出現(xiàn)凹陷,使用槽鋼墊平,防止鋼架出現(xiàn)沉降、歪斜。
圖3 三臺階七步開挖法流程
在鋼架拱腳上方30 cm 和50 cm 位置,分別插入一組長度為3.5 m、直徑為24 mm 的鎖腳錨桿。每組包括2 根。與鋼架連接部位采用雙面焊的方式加以固定,復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。鎖腳錨桿的布置方式如圖4 所示。
圖4 鎖腳錨桿施工示意
2.2.2 開挖左右側(cè)中臺階
左右側(cè)中臺階為圖3 中的2、3 部分,左右側(cè)臺階錯開2.5 m,同樣每掘進1 m 需要暫停施工、立即支護。初噴混凝土的厚度為5 cm 即可,在混凝土初凝后插入錨桿、掛鋼筋網(wǎng),完成支護。在左右兩側(cè)靠近巖壁處架設(shè)邊墻鋼架,利用高強螺栓將邊墻鋼架和拱部鋼架固定。對于局部對接不夠緊密的,使用525 焊條進行焊接,現(xiàn)場施工時采取焊前預(yù)熱和焊后保溫,提高焊接質(zhì)量;同時在焊接完畢后檢查焊縫,清理焊渣。分別在鋼架墻腳的30 cm 和50 cm 位置打入鎖腳錨桿,布置方法與上文相同,最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。
2.2.3 開挖左右側(cè)下臺階左右側(cè)下臺階為圖3 中的4、5 部分,施工方法同左右側(cè)中臺階,不再贅述。
2.2.4 上中下臺階預(yù)留核心土
在開挖上、中、下臺階時,均需要預(yù)留核心土,即圖3 中的6 部分。預(yù)留核心土的作用是提供掘進空間,方便各臺階順利向前掘進。
2.2.5 開挖隧道底
隧道底部需要左右錯開施工,為圖3中的7 部分。隨地每循環(huán)開挖程度2 m。實際施工時,由于出洞處存在偏壓,需要按照先右后左的順序開挖,并且在開挖后立即布置仰拱初期支護,使洞口封閉成環(huán)[3]。
2.2.6 上臺階貫通
本工程中上臺階的開挖方式為弧形導(dǎo)坑開挖,預(yù)留核心土后以型鋼拱架之間的間距作為循環(huán)進尺距離,依次向前掘進直到洞口上臺階實現(xiàn)貫通。上臺階貫通后暫停施工,避免隧道斷面開挖范圍太大造成洞口段圍巖擾動進而出現(xiàn)圍巖坍塌事故。借助于上臺階貫通后產(chǎn)生的通道,在洞外完成邊仰坡的開挖與支護施工。檢查防護效果,確認達標(biāo)后從洞口向洞內(nèi)繼續(xù)開挖中、下臺階。正常情況下,為了提升施工效率可以做到中、下臺階兩頭同時開挖,但是本工程中圍巖強度較差,基于安全方面考慮采取了左右兩邊錯開開挖的方式。
采用三臺階七步法出洞施工,會對洞口圍巖產(chǎn)生一定的擾動,本次工程中對圍巖穩(wěn)定性進行了密切觀測,包括洞內(nèi)觀察、拱頂下沉測量等,具體如下:
(1) 洞內(nèi)觀測。觀察并記錄圍巖巖性、風(fēng)化變質(zhì)程度、掌子面節(jié)理裂隙以及噴射混凝土的表面狀態(tài)。特別關(guān)注噴射混凝土表面是否有明顯裂縫,如果有裂縫如實記錄裂縫數(shù)量、位置以及長度、寬度等參數(shù)。若觀察發(fā)現(xiàn)圍巖與支護結(jié)構(gòu)存在比較明顯的變形,則及時采取應(yīng)對措施。
(2) 拱頂下沉測量。在隧道拱頂最高處,沿著隧道方向縱向布置沉降觀測點,間隔為6 m。在每個觀測點上使用直徑為15 mm 的鋼筋垂直打入拱頂巖層中,嵌入深度為15~20 cm,并保證鋼筋端頭露出噴射混凝土4~6 cm。在鋼筋上粘貼反射片,利用全站儀觀測拱頂沉降量[4]。
洞內(nèi)觀測結(jié)果表明:掌子面情況良好,圍巖基本穩(wěn)定;噴射混凝土表面發(fā)現(xiàn)4 處微小裂縫,長度均在5 mm 以內(nèi),屬于混凝土干燥收縮產(chǎn)生的自然裂縫;錨桿和鋼筋網(wǎng)固定良好,未發(fā)現(xiàn)有脫出、松動情況。拱頂下沉量觀測結(jié)果如圖5 所示。
圖5 隧道拱頂沉降隨時間變化曲線
由圖5 可知,在拱頂沉降觀測的30 d 內(nèi),隨著時間的推移拱頂下沉量整體上呈現(xiàn)出“先快后慢”的上升趨勢。在觀測結(jié)束時,拱頂下沉量為3.48 cm,下沉速度為1.16 mm/d,在合理范圍之內(nèi)。
本工程中的洞口開挖采取了初期支護措施,最大程度減少圍巖開挖后的暴露時間,提高了圍巖穩(wěn)定性,整個施工期間未發(fā)生圍巖明顯變形和局部坍塌的問題。初期支護內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿支護、掛鋼筋網(wǎng)等。在支護施工中采取了以下質(zhì)量控制措施:
第一,噴射混凝土前進行圍巖表面清理工作,存在松動巖石或者壁面凹凸不平的情況下,噴射加固效果會變差。針對這一情況,現(xiàn)場施工人員使用工具清理壁面上的松動石塊,經(jīng)檢查壁面平整、穩(wěn)定后再噴射C30 混凝土,保證混凝土可以加固壁面,為下一步打設(shè)錨桿創(chuàng)造了理想的施工條件[5]。
第二,打設(shè)錨桿時,讓錨桿方向與圍巖頁面大角度相交。在錨桿的選用上,拱部和邊墻處均選擇直徑為24 mm、材質(zhì)為HRB325 的砂漿錨桿,并且要求錨桿的抗拔力不低于150 kN。每根錨桿加裝了尺寸為120 mm×120 mm×5 mm 的方形墊板,保證錨桿打入后墊板與混凝土面緊密貼合,提高錨固效果。
第三,鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時,讓鋼筋網(wǎng)隨開挖面起伏,盡量減少鋼筋網(wǎng)與開挖面之間的空隙。鋼筋網(wǎng)由直徑為5 mm 的鋼筋制成,網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm,相鄰兩片鋼筋網(wǎng)的搭接長度為2 網(wǎng)格。
在隧道出洞施工中,選擇三臺階七步法能夠顯著降低施工期間對隧洞圍巖的擾動,盡量避免出洞期間因為圍巖變形、塌陷而引發(fā)的施工安全問題。在應(yīng)用三臺階七步法時,現(xiàn)場施工人員除了要按照步驟依次完成上部弧形導(dǎo)坑、中部臺階和隧底的開挖外,還要做好初期支護和二次襯砌。在施工時,混凝土的噴射厚度、錨桿的布置方式以及后期的沉降觀測等,也是需要重點關(guān)注的技術(shù)要點。只有從細節(jié)上采取嚴格的質(zhì)量控制措施,才能保證隧道出洞施工順利完成。