基于乌蒙山2号隧道论多线大跨车站隧道的修建技术

唐国荣,章慧健,仇文革,高 扬

(1.铁道部经济规划研究院,北京 100038；2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 3.中国中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

我国是一个多山的国家,由于线路标准的提高,必然伴随大量隧道工程的出现[1]。随着路网建设不断向山区的发展,由于受地形限制,使得某些车站不得不延伸入山体内形成车站隧道。基于这些因素使得隧道跨度变大,断面也随之增大,相继出现了不少大跨度、大断面的铁路隧道工程。如内昆线地处西南山区,沿线有不少车站因地形限制而深入到隧道内,其中曾家坪1号隧道进口车站入洞,最大开挖宽度20.68 m；襄渝线狗磨湾车站隧道开挖跨度为20.5 m,断面积达260 m2；渝怀线杉树陀三线车站隧道,隧道开挖最大宽度21.18 m,最大高度15 m,开挖断面为243.46 m2；大丽线(大理至丽江)禾洛山三线大跨车站隧道,断面积大于240 m2。此外,我国铁路客运专线的建设已经出现且还将出现大量的大跨度隧道。我国铁路客运专线隧道设计行车速度目标值最高达350 km/h,双线隧道开挖面积达140～160 m2,局部断面达200 m2,开挖跨度达20 m左右。“多、长、大、深”即数量多、长度大、大断面、大埋深将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势[2～3]。

我国从20世纪60年代开始在铁路系统修建断面面积超过100 m2的大断面隧道,由于大断面隧道的工点及工程经验少,在设计的初期主要从施工和结构的安全方面考虑,设计偏于保守,工程措施偏强,工程造价高。另外过于强调二衬的作用,对初期支护的作用认识不足。就目前的实际工程实践来看,修建特大断面隧道可供借鉴的设计和施工经验也不多,国内对特大断面隧道岩石力学性质和支护结构的机理研究滞后,尚无统一的勘察设计规范,同类工程在设计和施工方面差别比较大。就目前我国铁路隧道设计、施工的相关规范[4～5]而言,仅针对单线及双线铁路隧道的设计和施工做了相应的规定。对于三线铁路隧道,目前较多的仍是在借鉴双线铁路隧道、公路大断面隧道经验的基础上进行探索性设计和施工；对于四线铁路隧道,更是无设计、施工经验可循。

乌蒙山2号隧道是贵昆线六盘水至沾益段增建二线工程的工期控制工程,是全线最长的隧道,长12 266 m。本隧道为双线,满足开行双层集装箱列车要求,旅客列车行车速度为160 km/h。出口段扒挪块车站伸入隧道内547 m,为4线大跨车站隧道,最大开挖跨度达28.42 m,最大开挖面积达354.30 m2,为单跨铁路隧道的世界之最。隧道穿越地层主要为泥岩、页岩夹砂岩、灰岩等,节理较为发育。本文以此车站隧道为工程依托,鉴于车站隧道从地形地貌上来说经历了洞口段、浅埋段、深埋段等具有不同开挖力学特征的阶段,因此本文以该三阶段为出发点,从开挖稳定性、施工工法、支护措施三方面对特大跨隧道的修建技术进行分析探讨,得出了一些有益的结论。

2 车站隧道的洞口段

进洞是山岭隧道施工工况较复杂、质量及安全隐患较多的地段。特别是在陡坡、软岩、浅埋、偏压、雨季施工等不利条件下,安全进洞问题更为突出。洞口段一般位于围岩强度和稳定性较差地段,合理选择洞口位置和进洞方案,并借助一些辅助施工措施,是有效解决洞口施工问题的要点。洞口位置的选定应最大限度地保护山体的自然状态,根据地形、地质、水文条件,着重考虑隧道洞口边仰坡的稳定等因素,确保施工时安全进洞,并有利于施工和运营安全和自然环境的保护。进洞方案建议采用明洞暗进的方法,以减少明洞土石方开挖,待进洞后,反过来根据地形延长明洞或施作洞门。实践证明[6],这种方法对保障进洞安全是非常有效的,是实现“零仰坡”进洞最有效、最实用的办法。“零仰坡”进洞在当前日益重视生态环境保护、确保运营安全的背景下变得越来越重要,主要有以下几点原则：①施工中尽量减小对原地表的破坏,以保护土体的稳定；②多回填、多支护、少开挖,特别应避免山体清方大开挖；③采取由下而上的施工方法,先支护后开挖,以减少高边坡的威胁；④尽量不设仰坡环向截水沟,以保持地表的完整性；⑤隧道洞口存在地表滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害时,应先治理、后进洞。

对于本工程,乌蒙山2号隧道出口地形较为陡峭,桥隧相连,仰坡存在产生工程滑坡风险,在施工场地整理过程中也曾发生小范围塌方。为保证施工和今后运营安全,对仰坡进行刷坡后,采用锚索框架梁进行了边坡加固(图1),而后在框架梁内进行了植被恢复(图2)。由于洞跨大,进洞辅助措施采用了双层超前大管棚,如图3所示。管棚所用钢管为热轧无缝钢花管,外径108 mm,壁厚6 mm,长度40 m,内、外层间距50 cm,每层管棚环向管间距40 cm,双层错位布置,外插角为1°～3°。

图1 锚索框架梁护坡

图2 锚索框架梁内植被恢复

图3 双层大管棚进洞

3 车站隧道的浅埋段

根据泰沙基理论,浅埋隧道不能形成压力拱,其破坏模式一般是沿着破裂角整体滑塌,直至地表,如图4所示。若定义破裂角为滑移面与水平面之间的夹角,则破裂角越大,波及的地表范围越小,显然,对于这种破坏方式,支护应采用刚度较大的结构。

图4 浅埋破坏模式

对于大跨隧道,特别是围岩条件较差的特大断面隧道,选择一种合理的施工方法对顺利施工和保证施工安全具有十分重要的意义。从当前的施工技术水平出发,钻爆法仍是隧道开挖的主要方法。

经过多种方案的比选,乌蒙山2号隧道出口四线大跨浅埋段采用双侧壁导坑先墙后拱法施工,如图5所示。如前所述,浅埋段支护以刚性要求为主,且由于是车站隧道,考虑耐久性设计,二衬模筑混凝土厚度在拱部从1.1 m(拱顶)渐变至1.25 m(拱脚),支承于先施作的大拱脚式边墙之上,正是由于边墙的强大支护和拱的受力特点,致使仰拱可以做的较为平坦,而对于四线特大跨隧道,可能会因为仰拱曲线半径的改变,而减小或增加十几方甚至几十方每延米的开挖量。根据图中施工顺序,二衬可以较早形成,则第⑨部在二衬的强大支护下,完全可以大刀阔斧的进行开挖,采用这种“先啃骨头,后吃肉”的办法,既能保证安全,又可加快施工进度。

图5 浅埋段施工方法和支护参数

本工法的最大一个亮点是将预应力锚索支护引入了四线特大跨铁路隧道施工。由于拱部临时竖撑的拆除必然引起结构体系的受力转换,从而使洞室变形出现一个突变过程,跨度越大,这种现象越显著,也即施工风险越大。为有效减小风险产生的可能性,引入预应力锚索代替临时竖撑,在拆除竖撑后,预应力锚索依然可以提供支点作用,较为理想的状态是预应力锚索提供与临时竖撑大小相等的支点力,使得拆除竖撑类似于结构体系中拆除零杆,不影响结构体系的受力。

此外,值得一提的是,如果图4中破裂角以内的围岩土体以整体刚性下沉,则拱部系统锚杆作用不大。而本工程由于节理较为发育,时常发生掉块砸坏台车现象,因此有必要全周施作系统锚杆以限制围岩掉快。

4 车站隧道的深埋段

随着埋深的增加,由于压力拱的作用,围岩自承能力得以发挥,破坏不可能一直无限制的发展到地表,理论上存在一个临界深度,超过临界深度后,即发生典型的深埋破坏模式(图6)。临界深度的确定存在一定困难,主要与围岩性质、洞室形状、大小和施工方法等因素有关,目前铁路隧道设计规范中对于深浅埋的界定采用统计法。文献[7]根据隧道开挖后应力矢量的变化规律,通过数值模拟方法分析隧道顶部上方围岩能否形成安全有效的压力拱,从而判定隧道的深浅埋分界。但文中未考虑地表坡度对自重应力场的影响,如图7所示,根据有限元计算结果,自重应力由坡顶向坡脚转移,零埋深处压力不为零,但两条曲线覆盖的面积相等,总重力不变。基于此,建议用等效埋深代替实际埋深。

图6 深埋破坏模式

图7 坡地自重应力场下垂直应力分布

图8 深埋段施工方法和支护参数(Ⅴ级围岩)

深埋段的开挖与支护要求(图8)与浅埋段不同,以强度控制为主,要充分发挥围岩的自承能力。但由于缺乏四线铁路隧道的设计施工经验,实际操作按动态反馈的信息化设计施工模式进行。

有了浅埋段的预应力锚索施工经验,深埋段取消了原设计中的横撑,而是直接以“外锚”代替“内撑”,考虑到锚索施工有一个浆液硬化、强度增长的过程,临时竖撑暂时保留。根据监测结果反馈,有条件的逐步取消临时竖撑落底,直至取消临时竖撑(可能的话)。在取消内撑的同时,分块可以进行适当简化,以求减少多次开挖对围岩的扰动程度和加快施工进度。

预应力锚索作为一种强而有力的“主动”支护方式,是高效、经济的岩体加固技术[8]。施加预应力的大小具有很强的主动调控性,小的可为几百kN,大的可达几十MN,预应力损失较大情况下可以进行后期补充张拉。与先有变形后有力的普通锚杆相比,预应力锚索更能充分调动工程地质体的潜在自稳能力,改变其内部应力分布形态和大小,限制有害变形的发生,提高工程结构的稳定与安全。在目前大跨山岭隧道主要以新奥法施工的背景下,“外锚”代替“内撑”的优势是很明显的,一方面锚索既是临时支护,又可以作为永久支护,避免了临时内撑的材料浪费,且不存在拆除临时内撑带来的结构体系受力转换风险；另一方面由于取消内撑,减少了临时支护施作时间,作业空间得以加大,易于上大型机械设备,从而加快了施工进度,是一种应用前景较好的支护方式,建议今后推广使用。

5 结论

(1)山区铁路车站隧道(作为车站的一部分,或路隧结合式或桥隧结合式)一般必然经过地形由浅到深,地质由坏到好的过程,因此“三段”法(洞口段、浅埋段、深埋段)修建技术具有普遍规律,值得研究、总结和规范、推广。

(2)洞口段一般位于风化严重的岩体中,围岩稳定性差,故在洞口段需采用超前支护对围岩进行预处理。大管棚是较为常用的一种超前支护方式。根据现场条件,还可以采用超前地表注浆,旋喷注浆加固地层,超前预衬砌等辅助措施。

(3)浅埋段、深埋段的大跨度洞室开挖都不可避免的要将大断面化大为小,分层分块开挖、逐步形成隧道设计体形,并尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构,再开挖核心部和仰拱。由于预应力锚索的支护,可以有效减少内撑的使用,增加作业空间自由度,减少拆除内撑作业时间和风险、同时减少临时支护材料的浪费。贯穿始终的理念是“安全、可操作、快速、经济”地建设大跨度大断面隧道。

(4)在采用上述支护技术情况下,有条件将断面分部数量减少,甚至可采用台阶法,这样有利于大型机械化作业,加快施工进度,这是一条科学合理的大断面隧道安全快速施工之路。

(5)隧道工程的特殊性,尤其是大断面隧道的复杂性,决定了其在设计施工中,勘察、设计和施工等诸环节允许有交叉、反复,在此基础上形成了采取与隧道施工过程中的地质条件、力学动态等不断变化相适应的“动态设计与施工”。隧道工程中的信息化方法是一种连续的、管理的、整合的设计、施工、监控及反馈过程,在缺乏施工经验的软弱围岩特大断面隧道施工中,更凸显其不可或缺性。

[1] 关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 孙 钧.山岭隧道工程的技术进步[J]. 西部探矿工程,2000(1):1-6.

[3] 王梦恕.21世纪山岭隧道修建的趋势[J].铁道工程学报,1998(增刊):4-7.

[4] TB 10003—2005，铁路隧道设计规范[S].

[5] TB 10204—2002，铁路隧道施工技术规范[S].

[6] 郭嘉陵,李 财.山岭隧道进洞施工方案浅析[J].铁道建筑,2004(10):32-34.

[7] 喻 波,王呼佳.压力拱理论及隧道埋深划分方法研究[M].北京：中国铁道出版社,2008.

[8] 王飞虎.地下洞室预应力锚杆支护机理及设计参数确定方法研究[D].西安：西安理工大学,2001.