堆積體大斷面隧道進(jìn)洞施工工法

張小明

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024)

1 工程概況及洞口圍巖分析

1.1 工程概況

上東京隧道起訖里程為GDK289+824-GDK295+151，全長(zhǎng)5 327 m，本隧道正洞圍巖主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，其中Ⅱ級(jí)占37.1%，Ⅲ級(jí)占51.8%，Ⅳ級(jí)占7.8%，Ⅴ級(jí)占3.3%。隧道進(jìn)口采用倒切式帽檐洞門(mén)(1∶1.25)，出口采用斜切式帽檐洞門(mén)(1∶1.5)。該隧道位于長(zhǎng)白山脈東北段，線路穿越低山丘陵區(qū)，多為“V”形河谷，少部分為“U”形河谷，谷底與分水嶺相對(duì)高差100～320 m，山頂一般呈渾圓狀，地面高程為142～510 m，山坡自然坡度較陡傾，變化較大，部分上陡下緩，部分下陡上緩，縱向自然坡腳為16°～28°，進(jìn)口縱向坡度19°，出口縱向坡度15°，隧址區(qū)多為闊葉與針葉混生林，植被覆蓋率約95%。工程地質(zhì)設(shè)計(jì)為隧道進(jìn)出口邊坡土質(zhì)分別為花崗閃長(zhǎng)巖的殘坡積層及全風(fēng)化層，抗剪強(qiáng)度低，且邊坡坡度較大，邊坡穩(wěn)定性差。但通過(guò)隧道進(jìn)口洞口開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)洞口圍巖以沙加石堆積體為主。

1.2 洞口圍巖分析

通過(guò)管棚及臨時(shí)邊仰坡施工過(guò)程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及記錄，將上東京隧道進(jìn)口洞口段圍巖情況通過(guò)圖表的方式經(jīng)過(guò)分析如下。

洞口段9 m范圍內(nèi)圍巖以沙加石堆積體為主，密實(shí)度差，孔隙多，部分空隙較大，巖體穩(wěn)定性差。拱頂松散體較厚，拱腰往下較薄，松散堆積體與基巖交界面坡度與山體自然坡度相近，坡度約為1∶0.9。線路左側(cè)松散體較薄，距基巖面較近，右側(cè)較厚，距基巖面較遠(yuǎn)。若不進(jìn)行相關(guān)的加固措施，開(kāi)挖后，松散體肯定會(huì)有局部以及大范圍的塌落，以松散堆積體與基巖交界面為滑動(dòng)面，產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)。

通過(guò)管棚施工，以及預(yù)注漿，洞口段松散的堆積體的整體穩(wěn)定性有所提高，滑動(dòng)面的摩阻系數(shù)加大，產(chǎn)生滑坡的可能性大大降低，但由于洞口段圍巖以沙加石堆積體為主，密實(shí)度差，孔隙多，預(yù)注漿及管棚注漿大部分流入洞口下部及兩側(cè)，滲透到拱部的較少，所以拱部范圍圍巖穩(wěn)定性還是較差。加上由于管棚施工誤差及操作不當(dāng)，會(huì)有部分管棚掉入洞內(nèi)，部分傾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)，故部分管棚將失去應(yīng)有的作用，這也將影響開(kāi)挖后拱部圍巖的穩(wěn)定性和滑動(dòng)面的摩阻系數(shù)。所以開(kāi)挖后還會(huì)有拱部掉塊及產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)。

2 施工方案

上東京隧道進(jìn)口洞口段根據(jù)工期要求應(yīng)優(yōu)先采用三臺(tái)階預(yù)留核心土七步流水作業(yè)(上臺(tái)階拱架預(yù)留臨時(shí)仰拱鋼板)，在施工過(guò)程中嚴(yán)格按照加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工，及時(shí)反饋圍巖變化情況，圍巖變形超過(guò)規(guī)范規(guī)定時(shí)，，采取上臺(tái)階加臨時(shí)仰拱穩(wěn)定圍巖，轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，如果圍巖持續(xù)變形，應(yīng)采取上臺(tái)階加豎向支撐減跨來(lái)穩(wěn)定圍巖變形，具體開(kāi)挖方法根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果反饋確定開(kāi)挖方法，施工方法如下。

2.1 采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)

對(duì)于上東京隧道進(jìn)口段洞口堆積體段，采取在超前管棚間加設(shè)超前小導(dǎo)管補(bǔ)充管棚注漿，以保證拱頂松散體注漿固結(jié)的效果，減少在開(kāi)挖拱頂松散體失穩(wěn)的幾率，同時(shí)施做洞口全環(huán)保溫層加固預(yù)注漿，擴(kuò)大在松散體中注漿的范圍，增大隧道固結(jié)圈，增強(qiáng)隧道的水平摩擦力，使隧道初支能抵消拱頂松散體對(duì)隧道初支的水平推力，如圖1所示。

預(yù)加固采用在大管棚間間隔使用超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管采用φ42 mm熱軋無(wú)縫鋼管加工，長(zhǎng)度為3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距3 m，超前小導(dǎo)管配合剛架使用，其縱向搭接長(zhǎng)度不小于1 m。

2.2 三臺(tái)階預(yù)留核心土七步流水作業(yè)法

三臺(tái)階預(yù)留核心七步流水作業(yè)法施工工序示意見(jiàn)圖2。

2.2.1 上中下導(dǎo)坑開(kāi)挖

隧道上部導(dǎo)坑采用挖機(jī)、風(fēng)鎬配合人工或弱爆破，爆破中應(yīng)采取預(yù)裂爆破，爆破中嚴(yán)格控制裝藥量，毫秒雷管的段位要錯(cuò)開(kāi)，形成交叉起爆，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng);上、中、下臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺為1榀拱架，上臺(tái)階開(kāi)挖至3.5 m時(shí)進(jìn)行中臺(tái)階開(kāi)挖，中臺(tái)階先開(kāi)挖圍巖相對(duì)較差的一側(cè)，中臺(tái)階左右兩側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)2.4 m，中臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度宜為2.4 m，兩側(cè)不能同時(shí)開(kāi)挖，拱架要錯(cuò)開(kāi)3榀以上，防止拱架懸空造成安全隱患;下臺(tái)階與中臺(tái)階保持2.4 m間距，兩側(cè)不能同時(shí)開(kāi)挖，拱架要錯(cuò)開(kāi)3榀以上，防止拱架懸空造成安全隱患，左右掌子面要先開(kāi)挖圍巖較差的一側(cè)，左右錯(cuò)開(kāi)2.4 m，各部開(kāi)挖時(shí)預(yù)留核心土，以保證掌子面的穩(wěn)定，各部開(kāi)挖后及時(shí)封閉子面，噴、網(wǎng)、錨及鋼架聯(lián)合支護(hù)作業(yè)，拱腳采取擴(kuò)大拱角的方法來(lái)穩(wěn)定上導(dǎo)坑、上中導(dǎo)墻角增設(shè)鎖腳錨管，拱架超挖部分應(yīng)回填密實(shí)。

圖1 超前預(yù)加固示意(單位:cm)

2.2.2 仰拱開(kāi)挖

為了使初期支護(hù)及早封閉成環(huán)，當(dāng)上中下臺(tái)階開(kāi)挖13 m時(shí)，封閉掌子面暫停掌子面施工，再進(jìn)行仰拱開(kāi)挖，仰拱開(kāi)挖長(zhǎng)度一次為3 m，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，非電毫秒雷管微差起爆，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)將地下水抽取干凈，不得有積水和浮渣并應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)施工及混凝土施工，及時(shí)封閉成環(huán)。

2.3 三臺(tái)階臨時(shí)仰供法

采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)。上部導(dǎo)坑采用風(fēng)鎬配合人工或弱爆破，中下導(dǎo)及仰拱采用風(fēng)鎬及挖掘機(jī)或控制爆破開(kāi)挖，以保護(hù)圍巖;各部之間的間距2.4 m。各部開(kāi)挖后及時(shí)封閉掌子面，噴、網(wǎng)、錨及格柵鋼架聯(lián)合支護(hù)作業(yè)，施作臨時(shí)仰拱。拱腳、中下導(dǎo)墻角增設(shè)鎖腳錨管，初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)。爆破時(shí)采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，非電毫秒雷管微差起爆，濕噴機(jī)濕噴作業(yè)。仰拱施工長(zhǎng)度3 m。各部實(shí)行平行作業(yè)，在監(jiān)控量測(cè)中如發(fā)現(xiàn)沉降過(guò)大應(yīng)在上臺(tái)階采用豎向臨時(shí)支撐，以穩(wěn)定圍巖，確保安全，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工工序流程見(jiàn)圖3。

3 施工運(yùn)輸

隧道進(jìn)入正洞后采用無(wú)軌運(yùn)輸方式，挖掘機(jī)械扒砟，側(cè)卸式裝載機(jī)裝砟，大噸位自卸汽車(chē)運(yùn)砟。

圖2 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工工序(單位:m)

圖3 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工工序(必要時(shí)加豎向支撐)(單位:m)

4 初期支護(hù)

本隧道進(jìn)洞初期支護(hù)全環(huán)采用I20鋼拱架，間距0.6 m;φ6 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm組合中空錨桿，邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿;拱墻采用28 cm厚 C30噴射混凝土，仰拱采用28 cm厚C25噴射混凝土，支護(hù)緊跟開(kāi)挖面及時(shí)施作，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛剝落。

鋼架、鋼筋網(wǎng)和錨桿在洞外鋼構(gòu)件廠加工，人工安裝鋼架，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，螺旋鉆施作系統(tǒng)錨桿，濕噴機(jī)噴射混凝土。

4.1 系統(tǒng)錨桿

本隧道系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm組合式中空組合錨桿及砂漿，錨桿采用廠家訂購(gòu)。

施工時(shí)錨桿鉆孔位置及孔深必須準(zhǔn)確;錨桿要除去油污、鐵銹和雜質(zhì);錨桿體插入孔內(nèi)不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%，注漿應(yīng)飽滿。

4.2 鋼筋網(wǎng)

隧道鋼筋網(wǎng)預(yù)先在洞外鋼構(gòu)件廠加工成型。鋼筋類(lèi)型及網(wǎng)格間距按設(shè)計(jì)要求施作。鋼筋冷拉調(diào)直后使用，鋼筋表面不得有裂紋、油污、顆?；蚱瑺钿P蝕。安裝搭接長(zhǎng)度為1～2個(gè)網(wǎng)格，采用焊接。先鋪掛鋼筋網(wǎng)，沿環(huán)向壓緊后再噴混凝土。鋼筋網(wǎng)隨受?chē)娒嫫鸱佋O(shè)，與受?chē)娒娴拈g隙一般不大于3 cm。與錨桿或其他固定裝置連接牢固。開(kāi)始噴射時(shí)，縮短噴頭至受?chē)娒娴木嚯x，并調(diào)整噴射角度，鋼筋保護(hù)層厚度不得小于5 cm。噴射中如有脫落的土塊或混凝土塊被鋼筋網(wǎng)卡住時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除。

4.3 鋼架

(1)鋼架按設(shè)計(jì)預(yù)先在洞外鋼構(gòu)件廠利用冷彎?rùn)C(jī)加工成型，在洞內(nèi)用螺栓連接成整體。

(2)鋼架架設(shè)要求

安裝前清除底腳下的虛砟及雜物。鋼架安裝允許偏差:鋼架間距、橫向位置和高程與設(shè)計(jì)位置的偏差不超過(guò)±5 cm，垂直度誤差為±2°。

鋼架拼裝可在開(kāi)挖面以外進(jìn)行，各節(jié)鋼架間以螺栓連接，連接板密貼。

沿鋼架外緣每隔2 m用鋼楔或混凝土預(yù)制塊楔緊。

鋼架底腳置于牢固的基礎(chǔ)上，不得有虛砟。鋼架盡量密貼圍巖并與錨桿焊接牢固，鋼架之間按設(shè)計(jì)縱向連接，連接牢固。

分步開(kāi)挖法施工時(shí)，鋼拱架拱腳打設(shè)鎖腳錨管(錨桿)，并設(shè)置“U”卡，加強(qiáng)錨桿與拱架的連接，錨桿長(zhǎng)度不小于5.0 m，數(shù)量為上、中臺(tái)階各4根。下臺(tái)階開(kāi)挖后鋼架及時(shí)落底接長(zhǎng)，封閉成環(huán)。

鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架與圍巖間的間隙用噴混凝土充填密實(shí);各種形式的鋼架全部被噴射混凝土覆蓋，保護(hù)層厚度不得小于50 mm。

4.4 噴射混凝土

噴射混凝土采用洞外自動(dòng)計(jì)量拌和站拌和，濕式噴射混凝土施工，濕噴混凝土可減少回彈量，降低粉塵，提高工作效率和施工質(zhì)量。

5 徑向注漿

采取在噴射混凝土預(yù)留注漿孔的方法進(jìn)行注漿，注漿范圍按2 m范圍設(shè)置，注漿孔按梅花形布置，孔口環(huán)向間距1.8 m，孔底間距2.5 m，縱向間距1.8 m，注漿采用風(fēng)槍開(kāi)孔，孔徑為52 mm，孔口管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的熱壓無(wú)縫鋼管，鋼管全長(zhǎng)1 m，孔口管設(shè)置牢固，并有良好的止?jié){措施，一般采取尾部焊接閥門(mén)的辦法來(lái)實(shí)施，注漿壓力宜為0.5～1.0 MPa，注漿材料選普通水泥漿，初次注漿完成后再進(jìn)行二次補(bǔ)漿，具體詳見(jiàn)圖徑向開(kāi)挖注漿如圖4所示。

圖4 環(huán)向3 m全斷面加固注漿布置(單位:cm)

6 二次襯砌施工

由于洞口段圍巖處于堆積體的特殊情況，要及時(shí)施工，施工之前要提前做好臺(tái)車(chē)的拼裝及鋪掛防水板臺(tái)車(chē)的拼裝，本隧道二襯臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度12 m，防水板及鋼筋臺(tái)車(chē)采用6 m臺(tái)車(chē)，當(dāng)仰拱距離洞口24 m開(kāi)始施工二襯混凝凝土，及時(shí)進(jìn)行封閉。

7 要素配置

隧道前期施工安排1個(gè)隧道施工隊(duì)伍，隧道施工隊(duì)伍配置70人，勞動(dòng)力安排見(jiàn)表1。

表1 勞動(dòng)力安排

結(jié)合工期和架子隊(duì)伍實(shí)際情況，配置相關(guān)機(jī)械設(shè)備，保證前期正常施工。機(jī)械設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械設(shè)備配置

8 預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案

突發(fā)事件應(yīng)急工作，遵循預(yù)防為主、常備不懈的方針，貫徹統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、分級(jí)負(fù)責(zé)、反應(yīng)及時(shí)、措施果斷、依靠科學(xué)、加強(qiáng)合作的原則。下列生產(chǎn)安全事故和自然災(zāi)害制定應(yīng)急救援預(yù)案。

8.1 可能出現(xiàn)的應(yīng)急事故

項(xiàng)目經(jīng)理部對(duì)隧道工程施工中可能發(fā)生的事故制訂應(yīng)急預(yù)案:隧道洞口松散體變形坍塌事故、機(jī)械事故等。

8.2 應(yīng)急管理措施

施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置調(diào)度人員值班，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)報(bào)告各項(xiàng)目經(jīng)理部領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)生事故迅速報(bào)告項(xiàng)目部，以便及時(shí)采取措施組織救援。

發(fā)生事故后，項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)組織工程管理、安全、質(zhì)量、物資供應(yīng)、設(shè)備管理等相關(guān)部門(mén)和現(xiàn)場(chǎng)架子隊(duì)進(jìn)行救援，按自救、互救的原則采取一切行之有效的措施，確保人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。

8.3 應(yīng)急預(yù)案

(1)現(xiàn)場(chǎng)搶救措施

接到險(xiǎn)情報(bào)告，應(yīng)急小組根據(jù)險(xiǎn)情性質(zhì)判斷啟動(dòng)營(yíng)救預(yù)案，由調(diào)度組織，通過(guò)高音喇叭、對(duì)講機(jī)、手機(jī)等聯(lián)系方式組織工程搶修組、救護(hù)組、運(yùn)輸組、物資組、外協(xié)組、作業(yè)隊(duì)長(zhǎng)、工班長(zhǎng)、工人進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，由衛(wèi)生所長(zhǎng)負(fù)責(zé)與當(dāng)?shù)蒯t(yī)院、急救中心聯(lián)系，安全部部長(zhǎng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)指揮并按救護(hù)車(chē)輛、工程車(chē)輛先后順序進(jìn)洞搶險(xiǎn)救人，控制事故蔓延，并且在洞口安排一人，通過(guò)對(duì)講機(jī)聯(lián)系，指揮車(chē)輛進(jìn)出。

由衛(wèi)生所組織救護(hù)組、運(yùn)輸隊(duì)及時(shí)、穩(wěn)妥地疏散現(xiàn)場(chǎng)人員，正確快速地引導(dǎo)救援、救護(hù)車(chē)輛。救護(hù)小組及時(shí)聯(lián)系當(dāng)?shù)蒯t(yī)院和急救中心作好搶救準(zhǔn)備。工地醫(yī)生在洞內(nèi)對(duì)受傷人員進(jìn)行初步搶救，并將傷員及時(shí)送到醫(yī)院進(jìn)行搶救，隨時(shí)將傷員的病情向指揮機(jī)構(gòu)通報(bào)。

待傷員被救出洞后，洞內(nèi)無(wú)險(xiǎn)情，工程搶修組、物資組由安全部部長(zhǎng)組織人員將洞內(nèi)機(jī)械、物資撤到安全地帶，由物資設(shè)備部部長(zhǎng)組織洞內(nèi)物資供應(yīng)，由安全部部長(zhǎng)組織將搶險(xiǎn)用的物資、機(jī)具分批運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)，由安質(zhì)部長(zhǎng)組織作業(yè)隊(duì)長(zhǎng)、工班長(zhǎng)、工人進(jìn)行塌方體的有效支護(hù)、清理。

(2)注意事項(xiàng)

①應(yīng)急事故領(lǐng)導(dǎo)小組成員要求堅(jiān)守崗位、隨時(shí)保持警惕狀態(tài)，觀察洞內(nèi)情況要仔細(xì)，對(duì)危險(xiǎn)地段更要密切關(guān)注。

②應(yīng)急事故領(lǐng)導(dǎo)小組成員要求心理素質(zhì)好，有經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚺R危不亂，遇到緊急情況要思路清晰、判斷準(zhǔn)確、指揮有力，并隨時(shí)與洞外保持聯(lián)系，以備發(fā)生緊急情況時(shí)能夠處理得當(dāng)，迅速指揮施工人員撤離危險(xiǎn)地段。

③洞內(nèi)施工人員要求臨危不亂、組織有序、服從指揮。各工班長(zhǎng)要起到帶頭作用，并清點(diǎn)、組織好本工班施工人員。

有下述現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，由安全部部長(zhǎng)組織指揮撤出工作面施工人員和機(jī)械設(shè)備:圍巖量測(cè)所反映的圍巖變形速度急劇加快;圍巖面不斷掉塊剝落;支護(hù)噴混凝土表面龜裂、裂縫或脫皮掉塊，鋼架?chē)?yán)重變形。

當(dāng)出現(xiàn)坍塌事故跡象時(shí)，快速組織工作面施工人員和機(jī)械設(shè)備撤離。在發(fā)生坍塌事件后，由隧道及地質(zhì)工程師對(duì)塌方處進(jìn)行觀察、記錄，以提供對(duì)該事件分析的原始資料，在確保安全的前提下，在后方起拱線、邊墻設(shè)置橫向支撐，必要時(shí)在拱部設(shè)傘形支撐以防坍塌向后方蔓延。經(jīng)綜合分析后制定相對(duì)安全、保守的處理方案和加固措施。在加固處理完成后經(jīng)綜合檢測(cè)處理措施達(dá)到預(yù)期的作用和目的，確認(rèn)險(xiǎn)情排除后方可恢復(fù)工作面施工。

當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械事故時(shí)，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情的人員立即向機(jī)械隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)報(bào)告。并在需要時(shí)，切斷電源。機(jī)械隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)召集搶險(xiǎn)小組進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，由架子隊(duì)隊(duì)員上報(bào)項(xiàng)目部調(diào)度，由項(xiàng)目經(jīng)理組織技術(shù)人員對(duì)險(xiǎn)情制定搶修方案。各小組按職責(zé)實(shí)施方案。

［1］項(xiàng)志敏，等.武廣客運(yùn)專(zhuān)線大斷面隧道軟巖地段快速施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S1).

［2］趙勇，等.鄭西客運(yùn)專(zhuān)線砂質(zhì)黃土大斷面隧道淺埋暗挖法施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S1).

［3］王武現(xiàn).客運(yùn)專(zhuān)線大斷面淺埋黃土隧道進(jìn)洞施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(8).

［4］賀廷西，蘇萬(wàn)軍.石太鐵路客運(yùn)專(zhuān)線大斷面黃土隧道施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(4).