软弱围岩大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工技术研究

夏润禾

(中交第二公路工程局有限公司,西安 710065)

1 工程概况

新建贵阳至广州铁路工程 GGTJ-5标段,位于广西境内三都—五通间,线路全长 62.637 km,其中隧道28座,总长 47.723km,占线路总长的 76.2%。沿线地质变化多,施工环境差,技术标准高,环保工作难度大。全线地质特性属于华夏构造体系和新华夏构造体系联合影响带,构造线与线路大角度相交;为砂页岩相间分布区;地下水普遍具风化带网状裂隙水特征,埋藏较浅,属浅层潜水;沿线地表水系发达,大气降水丰富,补给充足。地下水类型有岩溶水(主要蕴藏于溶蚀裂隙、溶腔及管道)、裂隙水(主要分布于节理、裂隙发育的基岩中)和孔隙水(松散岩类孔隙水,多为孔隙潜水),由大气降水的渗入而形成,赋存于风化裂隙及构造裂隙之中,地下水埋藏较浅,属浅层潜水。

2 软弱围岩常见的施工方法的综合对比

高速铁路隧道工程与普通铁路隧道相比的特点是多为双线,隧道断面大,同级围岩的稳定性将大大降低,技术标准高,特别是对隧道支护技术和超前预支护系统提出更高的要求。而对于软弱围岩隧道施工一般采用施工方法有:环形开挖预留核心土法、双侧壁导洞法、CD法、CRD法等。表1将这几种方法进行了综合比较。

表1 软弱围岩隧道施工方法综合对比

3 大断面炭质页岩隧道施工关键技术

3.1 大拱脚台阶法施工技术

3.1.1 概念

大拱脚台阶法施工工法是指在隧道开挖过程中将作业面分为 6个开挖面,以前后 6个不同的位置相互错开同时开挖,然后分部同时支护形成支护整体,缩短作业循环时间,逐步向纵深推进的作业方法。对于软弱围岩承载力不足,扩大上部钢架拱脚及垫板或增加锁脚锚杆增大地基承载能力,每循环进尺 0.5～0.8 m,尽量缩短台阶长度,确保初期支护尽快合成环,仰拱和衬砌及时跟进,及时形成稳定的支护体系。

针对贵广铁路隧道埋深及地质条件进行优化调整,对常用软弱围岩隧道施工方法对比一些不足后,在总结三台阶工法经验的基础上,足能够充分发挥大型机械快速施工的优势,尽量避免刚性分隔,采用大拱脚台阶法施工,达到了快速安全施工的目的。以贵广铁路高培 3号隧道为工程背景,对煤系炭质页岩地质条件下应用大拱脚台阶法施工技术进行了研究,并结合现场工程实践,对存在低瓦斯的大断面煤系地层隧道成功应用大拱脚台阶法施工,达到了工程安全,质量可控的目的。

高培 3号隧道穿越剥蚀中低山地貌,绝对高程190～300m,主要地层为上覆 0～3m第四季全新统坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土、碎石土,下伏基岩为寒武系清溪组下段(Eq1)砂质页岩夹炭质页岩,薄～中厚层状,砂质结构,泥质胶结,部分弱硅质胶结,节理发育。地质特性属于华夏构造体系和新华夏构造体系联合影响带,构造线与线路大角度相交,多为碎屑岩区。根据设计文件资料,由于炭质页岩含炭较高,存在聚集少量的有害气体及瓦斯的施工风险。

3.1.2 大拱脚台阶法施工工艺流程(图1)

3.1.3 大拱脚台阶法开挖工序(图2)

图2 大拱脚台阶法开挖工序

第 1步:利用上一循环架立的钢架施作隧道拱部φ42mm超前小导管,开挖上部弧形导坑①部:在拱部超前支护后进行,环向开挖上部弧形导坑,预留核心土,核心土长度为 3～5m,宽度为隧道开挖宽度的 1/3～1/2。开挖后应及时施作①部初期支护,即进行初喷4 cm厚混凝土,挂钢筋网,架设钢架,施作大拱脚系统支护,并在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆,锁脚锚杆与钢架牢固焊接,钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定,一般 0.6m左右。

第 2步:左侧②部中台阶开挖。在滞后①部约 3～5m后,开挖左侧②部中台阶。开挖进尺根据初期支护钢架间距确定,开挖高度一般为 3.5～4m,开挖后及时施作②部初期支护,即进行初喷 4 cm厚混凝土,挂钢筋网,接长钢架,并设锁脚锚杆系统支护,钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

第 3步:右侧③部中台阶开挖。在滞后②部 2～3 m后,与左侧②部中台阶开挖支护方式一样,施作右侧③部中台阶。

第 4、5步:开挖上台阶④部、中台阶⑤部。在滞后③部 3～4m后,依次开挖上台阶④部、中台阶⑤部,开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

第 6步:开挖隧底⑥部。在滞后⑤部 4～5m后,开挖隧底剩余部分⑥部,开挖后初喷 4 cm厚混凝土,安设仰拱钢架并与左右侧落地钢架焊接牢固,复喷混凝土至设计厚度。为了不影响车辆进出,采用栈桥过渡方案,及时施作仰拱及仰拱回填,仰拱分段长度一般为 4～6m。

3.1.4 关键技术特点

(1)此项工法相对于 CRD法或 CD法较简单,施工空间大,多个作业面可以平行作业,施工速度快,提高施工效率,加快了施工进度。

(2)在地质结构复杂多变、软硬围岩变化或其他条件发生变化时,大拱脚台阶法可以较为迅速地转换为 CRD法或 CD法进行施工。

(3)此项工法能适应不同跨度和特大断面的施作,初期支护作业工序简单,投入劳动力少,没有需拆除的临时施工支护。

(4)此项工法将台阶法开挖与预留核心土相结合,左右前后错台开挖,有利于掌子面稳定。相对于CRD法或 CD法较简单,减少了多工序之间的相互干扰,便于现场大型机械施工,加快施工速度。

(5)此项工法结合了弧形导坑预留核心土法和三部台阶法的优点,通过优化超前支护及初期支护结构的整体刚度,辅以大拱脚加强处理措施,可以很好地控制拱顶围岩的沉降变形。

(6)大拱脚台阶法满足了新奥法施工原理对围岩加强控制的要求,减少分部开挖次数,加快了初期支护早封闭的时间,特别是拱部先期成环,避免了临时支护结构体系的转换,减少了施工过程中不安全因素的控制。

3.1.5 关键技术控制要点

(1)大拱脚台阶法施工应做好工序衔接,工序安排应紧凑,严格控制开挖长度,合理确定循环进尺,开挖后立即初喷 4 cm厚的混凝土,以减少围岩暴露时间,避免因长时间暴露引起围岩失稳。

(2)隧道垂直方向的变形控制主要依靠两侧拱脚,拱脚的稳定程度很关键。在上部钢架增加大拱脚为了增大拱脚的承载能力,可在开挖中台阶时发挥大拱脚支撑拱部结构的重要作用,同时在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边向拱脚的斜下方打设锁脚锚杆,锁脚锚杆与钢架牢固焊接确保钢架基础稳定,防止开挖中台阶时拱部下沉变形。

(3)大拱脚台阶法施工应严格按设计要求控制好超前锚杆支护外插角,施作外插角控制在 10°～12°,保证隧道开挖在超前支护的保护下安全施工。

(4)隧道周边部位预留 20～30 cm坚持人工开挖为主,机械开挖为辅。根据围岩情况局部如需爆破时,必须坚持弱爆破,减少对围岩的扰动。同时做好监控量测,确保围岩稳定和施工安全。

(5)钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设,上下断面初期支护钢架连接应平顺,螺栓连接牢固,拱脚应与连接板及锁脚锚杆焊接牢固,以增强拱脚承载力,减少拱架净空位移。

3.2 沉降变形控制措施

根据施工经验和现场采集的数据对比分析,隧洞围岩达到基本稳定条件为:隧洞周边水平收敛速度,以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降;隧洞周边水平收敛速度小于 0.1～0.2 mm/d,拱顶或底板垂直位移速度小于 0.07～0.15 mm/d;隧洞位移相对值已达到总相对位移量的 85%～90%以上。

隧道施工中监控量测的重要目的就是对初期支护实施动态管理,通过了解围岩的受力变形状态,判断隧道围岩和初期支护是否稳定和安全,及时进行信息反馈及预测预报,为施工二衬提供合理施作时间和为优化支护参数提供依据,指导现场施工。监控量测采用五点法,每个断面设置 2条净空变化基线,1个拱顶下沉测点,监测断面间距为 5～10m,所有初读数据须在开挖后 12h内测读,量测频次严格按照《铁路隧道监控量测技术规程》(BG10121—2007)的要求执行,根据量测结果及时调整预留变形量,确保了初支不侵入二次衬砌范围。根据现场监控数据分析,对于炭质页岩、泥灰质岩为主的隧道,建议施工开挖时隧道拱部预留变形量 25～35 cm,边墙预留变形量 15～20 cm,底部预留变形量 5～10 cm。

3.3 有害气体监控与预防措施

因隧道穿越含炭质页岩夹层的地层,地层中炭页岩含炭较高,为确保人员、财产及施工安全,所以必须将有害气体、瓦斯危险性预测放在第一位。在隧道开挖掌子面进行全断面超前探测,超前探孔孔径一般为89mm,单孔长度为 30m,搭接长度不小于 5m,掌子面布置 6个孔,并在超前探孔处采用光干涉式甲烷测定器,检测是否有有害气体涌出。加强通风和喷雾洒水,降低粉尘浓度,安排专职的经过瓦斯监测安全技术培训的人员携带瓦检仪对隧道进行巡回检查,特别是拱顶、开挖凹凸处等瓦斯易积聚部位的监测,并建立健全安全监测制度,制定应急预案,组织施工人员进行演练,以确保施工安全。

4 结语

(1)对于软弱围岩初期支护体系一定要快速封闭成环。在贵广铁路隧道成功应用大拱脚台阶法施工,有效地发挥了其施工空间大,机械化程度高的优点,成功穿越了煤系炭质页岩破碎地层,有效地防止了坍塌等事故。从而证明了此方法操作简便,可控性强,作业速度快,效果良好,形成一套软弱复杂地质条件特大断面隧道施工方法,有效地提高了开挖质量,保证了施工安全。

(2)特大断面隧道施工应特别注重对围岩初期支护的监控量测工作[6],对指导施工、修改支护参数具有很重要的意义。

(3)对于煤系含炭质页岩要特别注意有害气体的监控与预防,必须做到“监测预防第一,建立健全应急预案”,做到有备无患,安全施工。

(4)对于特大断面长大隧道,特别又是围岩情况差的隧道,应用综合超前地质预报技术,必须始终坚持以地质调查法为基础,加深炮孔为辅,结合 TSP203plus超前地质预报系统相互印证,实现对掌子面前方120m范围内地质状况的准确预报,对指导施工有效防止塌方起到了重要作用。

(5)任何一种施工方法都不是万能的,施工中应坚持因地制宜,采取针对性强、效果良好的工程措施和施工方法,做到“围岩变,施工方法变”的原则,对于围岩特别松散破碎,自稳能力差,地下水丰富的不良地质,还是应选择按照 CD法或 CRD法施工。

(6)大拱脚台阶法对于软弱地质大断面铁路客运专线隧道施工是一种先进的方法,只要强化现场施工作业管理,严格按照设计和验标要求施作,可以加快施工进度,优化资源,节约成本,值得类似工程参考借鉴。

[1]陈立保.三台阶法在客运专线山岭隧道软弱围岩中的推广应用[J].铁道工程学报,2008(12):72-74.

[2]项志敏,等.武广客运专线大断面隧道软岩地段快速施工技术[J].铁道标准设计,2007(S):61-63.

[3]TZ214—2005,客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].

[4]铁建设[2005]160号,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准[S].

[5]铁建设[2008]105号,铁路隧道超前地质预报技术指南[S].

[6]管德鹏,汶文钊.客运专线铁路隧道施工要点探索[J].铁道标准设计,2007(6):90-92.