基于烏蒙山2號隧道論多線大跨車站隧道的修建技術(shù)

唐國榮,章慧健,仇文革,高 揚

(1.鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院,北京 100038；2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

我國是一個多山的國家,由于線路標準的提高,必然伴隨大量隧道工程的出現(xiàn)[1]。隨著路網(wǎng)建設(shè)不斷向山區(qū)的發(fā)展,由于受地形限制,使得某些車站不得不延伸入山體內(nèi)形成車站隧道?；谶@些因素使得隧道跨度變大,斷面也隨之增大,相繼出現(xiàn)了不少大跨度、大斷面的鐵路隧道工程。如內(nèi)昆線地處西南山區(qū),沿線有不少車站因地形限制而深入到隧道內(nèi),其中曾家坪1號隧道進口車站入洞,最大開挖寬度20.68 m；襄渝線狗磨灣車站隧道開挖跨度為20.5 m,斷面積達260 m2；渝懷線杉樹陀三線車站隧道,隧道開挖最大寬度21.18 m,最大高度15 m,開挖斷面為243.46 m2；大麗線(大理至麗江)禾洛山三線大跨車站隧道,斷面積大于240 m2。此外,我國鐵路客運專線的建設(shè)已經(jīng)出現(xiàn)且還將出現(xiàn)大量的大跨度隧道。我國鐵路客運專線隧道設(shè)計行車速度目標值最高達350 km/h,雙線隧道開挖面積達140～160 m2,局部斷面達200 m2,開挖跨度達20 m左右?！岸?、長、大、深”即數(shù)量多、長度大、大斷面、大埋深將是21世紀我國隧道工程發(fā)展的總趨勢[2～3]。

我國從20世紀60年代開始在鐵路系統(tǒng)修建斷面面積超過100 m2的大斷面隧道,由于大斷面隧道的工點及工程經(jīng)驗少,在設(shè)計的初期主要從施工和結(jié)構(gòu)的安全方面考慮,設(shè)計偏于保守,工程措施偏強,工程造價高。另外過于強調(diào)二襯的作用,對初期支護的作用認識不足。就目前的實際工程實踐來看,修建特大斷面隧道可供借鑒的設(shè)計和施工經(jīng)驗也不多,國內(nèi)對特大斷面隧道巖石力學性質(zhì)和支護結(jié)構(gòu)的機理研究滯后,尚無統(tǒng)一的勘察設(shè)計規(guī)范,同類工程在設(shè)計和施工方面差別比較大。就目前我國鐵路隧道設(shè)計、施工的相關(guān)規(guī)范[4～5]而言,僅針對單線及雙線鐵路隧道的設(shè)計和施工做了相應的規(guī)定。對于三線鐵路隧道,目前較多的仍是在借鑒雙線鐵路隧道、公路大斷面隧道經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行探索性設(shè)計和施工；對于四線鐵路隧道,更是無設(shè)計、施工經(jīng)驗可循。

烏蒙山2號隧道是貴昆線六盤水至沾益段增建二線工程的工期控制工程,是全線最長的隧道,長12 266 m。本隧道為雙線,滿足開行雙層集裝箱列車要求,旅客列車行車速度為160 km/h。出口段扒挪塊車站伸入隧道內(nèi)547 m,為4線大跨車站隧道,最大開挖跨度達28.42 m,最大開挖面積達354.30 m2,為單跨鐵路隧道的世界之最。隧道穿越地層主要為泥巖、頁巖夾砂巖、灰?guī)r等,節(jié)理較為發(fā)育。本文以此車站隧道為工程依托,鑒于車站隧道從地形地貌上來說經(jīng)歷了洞口段、淺埋段、深埋段等具有不同開挖力學特征的階段,因此本文以該三階段為出發(fā)點,從開挖穩(wěn)定性、施工工法、支護措施三方面對特大跨隧道的修建技術(shù)進行分析探討,得出了一些有益的結(jié)論。

2 車站隧道的洞口段

進洞是山嶺隧道施工工況較復雜、質(zhì)量及安全隱患較多的地段。特別是在陡坡、軟巖、淺埋、偏壓、雨季施工等不利條件下,安全進洞問題更為突出。洞口段一般位于圍巖強度和穩(wěn)定性較差地段,合理選擇洞口位置和進洞方案,并借助一些輔助施工措施,是有效解決洞口施工問題的要點。洞口位置的選定應最大限度地保護山體的自然狀態(tài),根據(jù)地形、地質(zhì)、水文條件,著重考慮隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定等因素,確保施工時安全進洞,并有利于施工和運營安全和自然環(huán)境的保護。進洞方案建議采用明洞暗進的方法,以減少明洞土石方開挖,待進洞后,反過來根據(jù)地形延長明洞或施作洞門。實踐證明[6],這種方法對保障進洞安全是非常有效的,是實現(xiàn)“零仰坡”進洞最有效、最實用的辦法?！傲阊銎隆边M洞在當前日益重視生態(tài)環(huán)境保護、確保運營安全的背景下變得越來越重要,主要有以下幾點原則：①施工中盡量減小對原地表的破壞,以保護土體的穩(wěn)定；②多回填、多支護、少開挖,特別應避免山體清方大開挖；③采取由下而上的施工方法,先支護后開挖,以減少高邊坡的威脅；④盡量不設(shè)仰坡環(huán)向截水溝,以保持地表的完整性；⑤隧道洞口存在地表滑坡、崩塌、泥石流等自然災害時,應先治理、后進洞。

對于本工程,烏蒙山2號隧道出口地形較為陡峭,橋隧相連,仰坡存在產(chǎn)生工程滑坡風險,在施工場地整理過程中也曾發(fā)生小范圍塌方。為保證施工和今后運營安全,對仰坡進行刷坡后,采用錨索框架梁進行了邊坡加固(圖1),而后在框架梁內(nèi)進行了植被恢復(圖2)。由于洞跨大,進洞輔助措施采用了雙層超前大管棚,如圖3所示。管棚所用鋼管為熱軋無縫鋼花管,外徑108 mm,壁厚6 mm,長度40 m,內(nèi)、外層間距50 cm,每層管棚環(huán)向管間距40 cm,雙層錯位布置,外插角為1°～3°。

圖1 錨索框架梁護坡

圖2 錨索框架梁內(nèi)植被恢復

圖3 雙層大管棚進洞

3 車站隧道的淺埋段

根據(jù)泰沙基理論,淺埋隧道不能形成壓力拱,其破壞模式一般是沿著破裂角整體滑塌,直至地表,如圖4所示。若定義破裂角為滑移面與水平面之間的夾角,則破裂角越大,波及的地表范圍越小,顯然,對于這種破壞方式,支護應采用剛度較大的結(jié)構(gòu)。

圖4 淺埋破壞模式

對于大跨隧道,特別是圍巖條件較差的特大斷面隧道,選擇一種合理的施工方法對順利施工和保證施工安全具有十分重要的意義。從當前的施工技術(shù)水平出發(fā),鉆爆法仍是隧道開挖的主要方法。

經(jīng)過多種方案的比選,烏蒙山2號隧道出口四線大跨淺埋段采用雙側(cè)壁導坑先墻后拱法施工,如圖5所示。如前所述,淺埋段支護以剛性要求為主,且由于是車站隧道,考慮耐久性設(shè)計,二襯模筑混凝土厚度在拱部從1.1 m(拱頂)漸變至1.25 m(拱腳),支承于先施作的大拱腳式邊墻之上,正是由于邊墻的強大支護和拱的受力特點,致使仰拱可以做的較為平坦,而對于四線特大跨隧道,可能會因為仰拱曲線半徑的改變,而減小或增加十幾方甚至幾十方每延米的開挖量。根據(jù)圖中施工順序,二襯可以較早形成,則第⑨部在二襯的強大支護下,完全可以大刀闊斧的進行開挖,采用這種“先啃骨頭,后吃肉”的辦法,既能保證安全,又可加快施工進度。

圖5 淺埋段施工方法和支護參數(shù)

本工法的最大一個亮點是將預應力錨索支護引入了四線特大跨鐵路隧道施工。由于拱部臨時豎撐的拆除必然引起結(jié)構(gòu)體系的受力轉(zhuǎn)換,從而使洞室變形出現(xiàn)一個突變過程,跨度越大,這種現(xiàn)象越顯著,也即施工風險越大。為有效減小風險產(chǎn)生的可能性,引入預應力錨索代替臨時豎撐,在拆除豎撐后,預應力錨索依然可以提供支點作用,較為理想的狀態(tài)是預應力錨索提供與臨時豎撐大小相等的支點力,使得拆除豎撐類似于結(jié)構(gòu)體系中拆除零桿,不影響結(jié)構(gòu)體系的受力。

此外,值得一提的是,如果圖4中破裂角以內(nèi)的圍巖土體以整體剛性下沉,則拱部系統(tǒng)錨桿作用不大。而本工程由于節(jié)理較為發(fā)育,時常發(fā)生掉塊砸壞臺車現(xiàn)象,因此有必要全周施作系統(tǒng)錨桿以限制圍巖掉快。

4 車站隧道的深埋段

隨著埋深的增加,由于壓力拱的作用,圍巖自承能力得以發(fā)揮,破壞不可能一直無限制的發(fā)展到地表,理論上存在一個臨界深度,超過臨界深度后,即發(fā)生典型的深埋破壞模式(圖6)。臨界深度的確定存在一定困難,主要與圍巖性質(zhì)、洞室形狀、大小和施工方法等因素有關(guān),目前鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中對于深淺埋的界定采用統(tǒng)計法。文獻[7]根據(jù)隧道開挖后應力矢量的變化規(guī)律,通過數(shù)值模擬方法分析隧道頂部上方圍巖能否形成安全有效的壓力拱,從而判定隧道的深淺埋分界。但文中未考慮地表坡度對自重應力場的影響,如圖7所示,根據(jù)有限元計算結(jié)果,自重應力由坡頂向坡腳轉(zhuǎn)移,零埋深處壓力不為零,但兩條曲線覆蓋的面積相等,總重力不變?；诖?建議用等效埋深代替實際埋深。

圖6 深埋破壞模式

圖7 坡地自重應力場下垂直應力分布

圖8 深埋段施工方法和支護參數(shù)(Ⅴ級圍巖)

深埋段的開挖與支護要求(圖8)與淺埋段不同,以強度控制為主,要充分發(fā)揮圍巖的自承能力。但由于缺乏四線鐵路隧道的設(shè)計施工經(jīng)驗,實際操作按動態(tài)反饋的信息化設(shè)計施工模式進行。

有了淺埋段的預應力錨索施工經(jīng)驗,深埋段取消了原設(shè)計中的橫撐,而是直接以“外錨”代替“內(nèi)撐”,考慮到錨索施工有一個漿液硬化、強度增長的過程,臨時豎撐暫時保留。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果反饋,有條件的逐步取消臨時豎撐落底,直至取消臨時豎撐(可能的話)。在取消內(nèi)撐的同時,分塊可以進行適當簡化,以求減少多次開挖對圍巖的擾動程度和加快施工進度。

預應力錨索作為一種強而有力的“主動”支護方式,是高效、經(jīng)濟的巖體加固技術(shù)[8]。施加預應力的大小具有很強的主動調(diào)控性,小的可為幾百kN,大的可達幾十MN,預應力損失較大情況下可以進行后期補充張拉。與先有變形后有力的普通錨桿相比,預應力錨索更能充分調(diào)動工程地質(zhì)體的潛在自穩(wěn)能力,改變其內(nèi)部應力分布形態(tài)和大小,限制有害變形的發(fā)生,提高工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。在目前大跨山嶺隧道主要以新奧法施工的背景下,“外錨”代替“內(nèi)撐”的優(yōu)勢是很明顯的,一方面錨索既是臨時支護,又可以作為永久支護,避免了臨時內(nèi)撐的材料浪費,且不存在拆除臨時內(nèi)撐帶來的結(jié)構(gòu)體系受力轉(zhuǎn)換風險；另一方面由于取消內(nèi)撐,減少了臨時支護施作時間,作業(yè)空間得以加大,易于上大型機械設(shè)備,從而加快了施工進度,是一種應用前景較好的支護方式,建議今后推廣使用。

5 結(jié)論

(1)山區(qū)鐵路車站隧道(作為車站的一部分,或路隧結(jié)合式或橋隧結(jié)合式)一般必然經(jīng)過地形由淺到深,地質(zhì)由壞到好的過程,因此“三段”法(洞口段、淺埋段、深埋段)修建技術(shù)具有普遍規(guī)律,值得研究、總結(jié)和規(guī)范、推廣。

(2)洞口段一般位于風化嚴重的巖體中,圍巖穩(wěn)定性差,故在洞口段需采用超前支護對圍巖進行預處理。大管棚是較為常用的一種超前支護方式。根據(jù)現(xiàn)場條件,還可以采用超前地表注漿,旋噴注漿加固地層,超前預襯砌等輔助措施。

(3)淺埋段、深埋段的大跨度洞室開挖都不可避免的要將大斷面化大為小,分層分塊開挖、逐步形成隧道設(shè)計體形,并盡快地沿開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu),再開挖核心部和仰拱。由于預應力錨索的支護,可以有效減少內(nèi)撐的使用,增加作業(yè)空間自由度,減少拆除內(nèi)撐作業(yè)時間和風險、同時減少臨時支護材料的浪費。貫穿始終的理念是“安全、可操作、快速、經(jīng)濟”地建設(shè)大跨度大斷面隧道。

(4)在采用上述支護技術(shù)情況下,有條件將斷面分部數(shù)量減少,甚至可采用臺階法,這樣有利于大型機械化作業(yè),加快施工進度,這是一條科學合理的大斷面隧道安全快速施工之路。

(5)隧道工程的特殊性,尤其是大斷面隧道的復雜性,決定了其在設(shè)計施工中,勘察、設(shè)計和施工等諸環(huán)節(jié)允許有交叉、反復,在此基礎(chǔ)上形成了采取與隧道施工過程中的地質(zhì)條件、力學動態(tài)等不斷變化相適應的“動態(tài)設(shè)計與施工”。隧道工程中的信息化方法是一種連續(xù)的、管理的、整合的設(shè)計、施工、監(jiān)控及反饋過程,在缺乏施工經(jīng)驗的軟弱圍巖特大斷面隧道施工中,更凸顯其不可或缺性。

[1] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

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[8] 王飛虎.地下洞室預應力錨桿支護機理及設(shè)計參數(shù)確定方法研究[D].西安：西安理工大學,2001.