武廣鐵路客運專線尖峰頂隧道復雜巖溶段施工技術

伍 帆,袁定安

(中鐵十一局集團有限公司,武漢 430071)

1 工程概況

武廣鐵路客運專線 SDIV標尖峰頂隧道位于廣東省英德市沙口鎮(zhèn),隧道全長1417m,雙線單洞,暗挖最大開挖面積157.65 m2。隧道穿越南嶺山脈的五蓋山與騎田嶺夾持地帶剝蝕低山丘陵區(qū),屬低山深丘地貌、地形起伏較大,植被茂密,最大埋深約 150 m,圍巖主要由泥盆系砂巖夾頁巖,砂巖和粉質黏土等組成,節(jié)理發(fā)育,隱藏型溶洞多。由于隧道穿巖溶段,開挖中出現(xiàn)了一次冒頂、多次坍方,并伴隨泥石流,施工難度極大,安全風險高,工程進度緩慢。

2 復雜巖溶段施工方案比選

2.1 復雜地質條件下隧道常用開挖方法的特點

客運專線大斷面隧道軟弱圍巖的開挖方法有:CD法、CRD法、雙側壁導坑法、三臺階預留核心土法等,各種施工工法有各自的優(yōu)缺點,適合于各種地質情況下的施工。施工期間,尖峰頂隧道為武廣鐵路客運專線剩余的幾個未貫通隧道之一,工期壓力巨大。

CD法和 CRD法是采取分部開挖的方式進行,作業(yè)面多但空間狹小,人員配備較少,由于機械設備配備無法大規(guī)模展開,效率不高,主要依靠人工,循環(huán)進尺短,施工進度慢;因工序繁多,轉換頻繁,存在很大的安全隱患;閉合成環(huán)速度慢,最突出的是左右分開施工,拱頂沉降問題無法解決;施工各種臨時工程材料消耗較大,成本較高。

雙側壁導坑法與 CD、CRD法相似,成環(huán)速度較慢,能抑制拱頂沉降問題,但周邊收斂難以解決,工序轉換非常復雜,循環(huán)進尺短,進度慢,最大的缺陷是由于先行施工的兩側不均勻沉降影響拱頂部分與兩側相連相當困難,存在很大的安全隱患,且臨時工程材料浪費大,成本較高。

2.2 三臺階法的優(yōu)缺點

三臺階法克服了以上三種工法的不利因素,具有機械臺班消耗小,利用率高,臨時工程量較小,材料消耗低,循環(huán)進尺長,用時少,功效快,成本低。其優(yōu)缺點如下。

2.2.1 優(yōu)點

(1)以弧形導坑開挖預留核心土為基礎,分上、中、下 3個臺階,各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進。

(2)施工空間大,方便機械化施工,可以多作業(yè)面平行作業(yè),土質地段可采用挖掘機直接開挖,工效較高,進度較快。

(3)在地質條件發(fā)生變化時,便于靈活及時轉換施工工序,調整施工工法。

(4)初期支護工序操作簡便,利于工序轉換,規(guī)避了其他工法拆除臨時支護受力轉換造成的不安全因素。

(5)在臺階法開挖的基礎上,預留核心土,左右錯開開挖,利于工作面穩(wěn)定。

(6)當圍巖變形較大或突變時,在保證安全和滿足凈空要求的前提下,可盡快閉合。

2.2.2 缺點

(1)三臺階法在遇到特殊地質如軟、流塑,粉質黏土、溶洞等情況下最突出的問題是隧道沉降和收斂難以控制。在淺埋、大跨度隧道,地質差,圍巖整體性不強,自穩(wěn)能力差,開挖過程中在地下水的穿透作用下,開挖后極易產(chǎn)生變形、坍塌。

(2)由于核心土的存在,拱部系統(tǒng)錨桿(管)施作困難,不施作好錨桿,對隧道拱部變形將產(chǎn)生很大危害。

2.2.3 施工方法的確定

經(jīng)項目部綜合比較,決定采用三臺階預留核心土法施工尖峰頂隧道溶洞段,在確保安全與質量的前提下加快進度。如何避免三臺階法在開挖過程中出現(xiàn)大沉降、大變形,確保隧道施工安全成為本隧道施工的關鍵。通過對武廣鐵路客運專線尖峰頂隧道三臺階開挖施工中所遇到的各種情況及處理措施,總結出八字處理措施:即套、壓、撐、噴、鎖、仰、連、注 ,有效地控制住了隧道大變形和大收斂,如期順利完成了施工任務。

3 復雜巖溶段快速通過八字法

3.1 施工總原則

以超前地質預報(包括 TSP超前地質預報、超前鉆孔)為指導,以圍巖監(jiān)控量測為依據(jù),根據(jù)現(xiàn)場情況動態(tài)制定施工方案,按照先加固,后掘進,少擾動、早噴錨、強支護、快封閉,勤量測,掌子面、仰拱、二襯同步推進的原則,以仰拱、二襯促掘進,以加快成環(huán)來減緩沉降收斂,在確保安全的前提下快速施工。

3.2 “八字方法”適用條件

尖峰頂隧道溶洞高約 30 m,隧道從接近底部穿過,填充物為粉質黏土,硬、軟、流塑狀,局部夾碎塊石等交匯一起,錯綜復雜,規(guī)律不一,在前期施工中曾出現(xiàn)過拱頂 1.6 m的大沉降,邊墻 1.2 m的大收斂,對穿越溶洞段施工構成了極大的風險,經(jīng)過對各種圍巖情況出現(xiàn)的問題所采取的各種應對方案,施工現(xiàn)場通過試、比,總結出“八字方法”順利地通過了復雜巖溶段,解決了大跨度隧道的大沉降和大收斂問題。需要注意的是,“八字方法”不是孤立運用的,根據(jù)現(xiàn)場條件要合理配套使用,以取得最佳效果。

3.2.1 大沉降、大收斂情況下采用“套、鎖、連、撐、注”處理法

尖峰頂隧道DIK2025+388～DIK2025+435段共47 m圍巖為軟、流塑狀土質,圍巖自穩(wěn)性差,伴有滲水情況,開挖后成拱困難。施工中在DIK2 025+393～DIK2 025+401段出現(xiàn)過拱頂沉降速率最大達 6 cm/d,周邊收斂速率達 5.5 cm/d,開挖掘進中掌子面還出現(xiàn)過外涌的現(xiàn)象,由于成環(huán)未跟上,導致拱頂下沉達1.1 m,上臺階邊墻內擠 0.8 m的情況,后封閉掌子面對侵限段進行了換拱,并使其盡快成環(huán)。針對施工現(xiàn)狀,對后續(xù)施工進行方案研討及細化,采用套拱、長鎖腳錨管注漿、鋼架之間用工字鋼連接等措施,再采取豎、斜支撐等輔助措施,在流塑狀土質段采取帷幕注漿的措施。在后續(xù) 34 m的掘進施工中沉降和收斂速率均控制在 2 cm/d以內,大沉降和大變形基本得到了解決。

3.2.2 大收斂條件下的“壓、仰、鎖”處理法

DIK2025+435～DIK2025+462段共 27 m為粉質黏土,軟塑狀,圍巖整體性較差,有滲水,基底承載力不足,施工后周邊收斂難以控制,收斂速率較大。在DIK2025+436～DIK2025+442段施工出現(xiàn)過拱腳處收斂速度較快,收斂速率最大達到 4 cm/d,后采取增加臨時仰拱、長鎖腳錨管和在兩拱腳處增加原狀土體和外運洞渣進行反壓回填等措施,收斂問題得到解決,控制在 2cm/d以內,在后續(xù)的 20m施工中拱腳未出現(xiàn)大的收斂。

3.2.3 掌子面易溜坍時的“噴、鎖”處理法

DIK2 025+462～DIK2 025+515段共 53 m為硬塑狀、局部夾碎石土,有滲水,圍巖自穩(wěn)能力較差,前期施工在開挖后 1 h內不支護會出現(xiàn)掌子面向外涌、小坍塌和掉塊,繼而影響周圍圍巖的穩(wěn)定,拱頂沉降和周邊收斂速率在 2～3 cm/d,通過采取對開挖面插鋼管、噴射混凝土封閉,對拱腳打長鎖腳錨管并注漿等措施,外涌、沉降和收斂等問題得到解決。

3.3 施工“八字方法”

3.3.1 套(即套拱,采用雙層拱架加強初期支護)

適用于軟、流塑狀土質,圍巖自身的穩(wěn)定性差、成拱困難地段。

整個上臺階(高度為 6 m左右)范圍內增設套拱(圖1),內外兩層鋼架間距相同,內外重疊,尺寸相匹配,外層鋼架在拱腳處向外擴大 60 cm,高 50 cm,呈大放腳形式,用 C25混凝土填充密實,由于土質很軟,在立套拱前先在拱腳打木樁,再鋪一層混凝土以加固基礎。套拱既可增加初期支護的剛度,又可增大拱腳的受力面積,外層鋼架和大拱腳混凝土還可在中臺階接腿時承受上臺階的壓力,有效減緩沉降。套拱鋼架采用 I18或 I20型鋼。尖峰頂隧道在此地質段,拱部沉降速率達 5cm/d以上,后通過采用雙層套拱,沉降速率降到了 1.5 cm/d,接腿時沒有出現(xiàn)大的沉降。

圖1 套拱斷面

3.3.2 壓(拱腳反壓)

適用于粉質黏土,圍巖收斂和沉降較大,圍巖自身的穩(wěn)定性較差地段。

開挖核心土后出現(xiàn)沉降速度加快,收斂突然變大時,立即對拱腳進行反壓。反壓可采用原狀土體、巖石或沙袋回填,拱腳反壓寬度不小于 2 m,高度不小于 1 m(圖2)。

圖2 拱腳反壓斷面

3.3.3 撐(斜撐或豎撐)

適用于粉質黏土,軟、流塑狀土質,大跨度,基底承載力較低的圍巖段。

臺階法開挖時,由于水平跨度過大(最大達 16 m),在初期支護剛度不是特別強的情況下,較易發(fā)生沉降。采取在拱部中央或距邊墻 2 m寬部位沿隧道縱向方向每 1～2 m增加豎撐或斜撐,底部設鋼板、枕木或混凝土基礎,既能保證作業(yè)空間,又能有效地減緩上臺階的沉降。拱部支撐采取豎撐或扇形支撐,邊墻支撐采取斜撐或“門”字形支撐,根據(jù)現(xiàn)場實際情況一般采用帶法蘭的 φ219 mm或 φ325 mm鋼管,方便裝拆(圖3)。

圖3 上臺階支撐斷面

3.3.4 噴(強噴射混凝土)

本隧道巖溶段填充物為粉質黏土,軟、流塑狀土質,局部夾破碎的塊狀巖石,原巖中有滲水,填充物遇水軟化,原巖自穩(wěn)時間為 1～2 h,開挖后周邊和核心土部分如不及時進行支護很快就出現(xiàn)溜坍,對掌子面進行及時封閉能有效防止坍塌(本隧道在 2 h內完成噴射混凝土封閉,噴射混凝土厚度 25 cm時解決了此問題),對于核心土部分采取插鋼管和噴混凝土相結合的方式能很好地防止掌子面外涌的情況發(fā)生。

在遇到特殊地質情況的圍巖,一般噴射混凝土的厚度(設計為 25～28 cm)已不能滿足隧道頂層巖體的壓力,可采取增加噴射混凝土的厚度(厚度為 35 cm及以上)和在噴射混凝土中摻加鋼纖維或合成纖維(摻量為 5%左右),對圍巖進行強噴,既可增加支護強度,又可增大初期支護的抗剪、抗裂能力,對控制沉降和收斂會起到一定的效果。

3.3.5 鎖(拱腳打鎖腳錨管)

適用于硬塑、土夾石,基底承載力較強的施工段。

在距上、中臺階的底腳 50 cm處采用大鎖腳錨管并注漿,把鋼管周邊圍巖通過注漿加固成一體,起到懸臂挑梁的作用,挑起鋼架,有效的控制沉降和收斂。鎖腳錨管采用 φ75mm或 φ89mm的無縫鋼管,并在管周圍鉆孔,孔間距控制在 50 cm左右,呈梅花形布置,鎖腳錨管呈 45°角打入周邊圍巖,長度 6～8 m(圖4)。

3.3.6 仰(臨時仰拱)

適用于基底承載力較弱,收斂速度較快的軟弱圍巖段。

圖4 鎖腳錨管橫斷面

如采取拱腳反壓不能解決收斂問題,可增加臨時仰拱解決。在施工過程中合理利用各級臺階的臨時仰拱,促使永(久)臨(時)支護結合,形成臨時的閉合環(huán),能有效的控制沉降和收斂。臨時仰拱具體設置為:為利于后期拆除,兩端設縱向 I18型鋼與已施工的各級臺階拱架焊接連在一起,再施作臨時仰拱的鋼架和混凝土,臨時仰拱鋼架兩端制作成弧形,中間可為水平,臨時仰拱鋼架的縱向間距可適當調整,一般控制在 1 m左右,鋼架和縱向連接工字鋼采用 I18型鋼。

3.3.7 連(工字鋼加強縱向連接)

適用于軟、流塑狀,土、石混合,分界不明,沉降不均圍巖段。

由于鋼架之間為 φ22 mm鋼筋連接,存在焊接面積小,承受壓力小、受剪能力弱等缺陷,在施工過程中由于周圍應力作用不均勻極易造成相鄰鋼架不均勻沉降,從而出現(xiàn)環(huán)向裂紋。取消兩鋼架之間的 φ22 mm鋼筋連接,改為 I18或 I20型鋼連接,由于工字鋼與工字鋼連接具有焊接面積大,前后鋼架連成整體性強,從而形成整個剛性結構,避免出現(xiàn)不均勻沉降。需要注意的是連接工字鋼要比鋼架尺寸小一個級別,以便連接工字鋼鑲入鋼架內,連接工字鋼的間距為 2～3 m。

3.3.8 注(向周圍圍巖注漿)

適用于軟、流塑狀,松散體有水圍巖段。

通過對周圍圍巖注漿加固,使松散、自穩(wěn)能力差的圍巖在很短的時間內迅速固化,達到一定的強度,以便開挖時增強自穩(wěn)能力。注漿分為超前大管棚注漿和全斷面帷幕注漿,循環(huán)長度一般以 30 m為宜。漿液分單液漿和雙液漿,雙液漿分水泥、水玻璃雙液漿和水泥、速凝劑雙液漿,單液漿的水灰比控制在 1∶(0.8～1),雙液漿的配合比控制在 1∶0.75～0.8∶0.1。由于雙液注漿最快可在 30 min內固化,一般采用雙液注漿以達到快速開挖的要求。帷幕注漿可采用長玻璃纖維錨桿進行注漿,玻璃纖維錨桿具有抗腐蝕、高強度、耐久性好的特點,質量小,僅為同長度鋼錨桿的 1/4,便于運輸、操作,易于切割,有利于在開挖過程中拆除。

4 結語

尖峰頂隧道復雜巖溶段采用的三臺階預留核心土施工方法,取得了一定的成效,進度由前期采取 CRD法 25 m/月的提升到 40 m/月,溶洞段施工在進度上節(jié)約了近 3個月,為全線早日貫通爭取了時間,取得了可觀的社會效益;由于節(jié)約了拆除臨時支護工程量和施工工序轉化所耗的時間,施工成本得到一定的控制,經(jīng)濟效益明顯得到提高,所采取的三臺階法相比 CRD法在經(jīng)濟上節(jié)約 1萬元/延米。

在武廣鐵路客運專線施工過程中,多座隧道處于類似地質條件,加上南方雨水充沛,地下水補給量大,給淺埋、大跨度隧道的施工進度和安全帶來極大的困難。采取以上的方法施工軟弱圍巖和特殊地質情況下的隧道,取得了較好的效果。

[1] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 經(jīng)規(guī)標準[2005]110 TZ214—2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[3] 鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準[S].

[4] 蔣爵光.隧道工程地質[M].成都:西南交通出版社,1991.

[5] 上海隧道工程股份有限公司.大直徑隧道與城市軌道交通工程技術[M].上海:同濟大學出版社,2005.

[6] 龔彥峰.巖溶隧道災害整治技術[J].鐵道標準設計,2009(5).

[7] 王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2005.