渝萬鐵路客運專線淺埋隧道施工技術

王明慧，朱永波

(1.渝萬鐵路有限責任公司，重慶 400014;2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

1 工程概況

渝萬鐵路客運專線在長壽至梁平段地勢較平，該地段圍巖多為紅色的泥質砂巖及泥質頁巖，遇水易軟化，多為Ⅴ級圍巖。隧道屬剝蝕丘陵地貌，斜坡基巖大部分裸露。該地段隧道長度較短，埋深在17～35 m，隧道埋深淺，圍巖自穩(wěn)性差，尤其遇水時存在安全風險，所以加強超前地質預報及監(jiān)控量測，以圍巖狀況及圍巖變形數據來預測掌子面圍巖的穩(wěn)定性，隧道基本參數見表1。

表1 長壽至梁平段隧道

在開挖支護過程中增加臨時仰拱，軟弱地段及洞口段采用大管棚，掌子面開挖采用超前小導管，確保錨桿體系及鋼拱架質量也成為隧道施工安全保證的前提。確保仰拱及襯砌的及時跟進，使隧道及時封閉成環(huán)，同時加強洞頂及洞內的排水，亦可確保隧道施工正常進行。

2 淺埋隧道施工

2.1 超前地質預報

渝萬鐵路客運專線超前地質預報采用地質勘察、中距綜合物理探測和φ75超前鉆孔等方法，綜合應用，相互印證，增加判斷的準確性。根據現場開挖具體情況，對全線進行地質分析，記錄不同工程地質、水文地質條件下隧道圍巖穩(wěn)定性、支護方式以及初期支護后的變形情況;在地質分析的基礎上采用地震波反射法超前地質預報系統(tǒng)或同等性能的儀器全線探測，每次探測距離不小于100 m，而且兩次探測間應重復10～20 m;遇到圍巖變化處和地質異常帶采用地質雷達進行短距離超前地質預報，在異常帶前方10 m掌子面中上部超前水平鉆孔2～3個進行驗證，鉆孔深度應超過異常帶不少于10 m，在施工時，每施作5孔兩倍循環(huán)距離進行加深炮孔探測。

2.1.1 施工中地質勘察

洞內地質素描主要內容為:①地層巖性，描述地層年代、巖性、層間結合程度、風化程度等。②地質構造，描述褶皺、斷層、節(jié)理裂隙特征、巖層產狀等。斷層的位置、產狀、性質、破碎帶的寬度、物質成分、含水情況以及與隧道的關系，節(jié)理裂隙的組數、產狀、間距、填充、延伸長度、張開度及節(jié)理面特征、力學性質、分析組合特征、判斷巖體完整程度。③有害氣體及放射性等特殊地質危害存在的情況，煤層、含石膏層、膨脹巖等各項具體參數。④人為坑道及油壓溶，描述位置、規(guī)模、形態(tài)特征及所屬地層的構造部位，充填物成分、狀態(tài)，以及與隧道的空間關系。⑤地下水的分布、出露形態(tài)及圍巖的透水性、水量、水壓、水溫、顏色、泥沙含量測定，以及地下水活動對圍巖穩(wěn)定的影響，必要時長期觀測出水點及其與地層巖性、地質構造、巖溶、暗河等的關系。⑥水質與巖樣分析，判定地下結構材料的侵蝕性。⑦記錄不同工程地質條件、水文地質條件下隧道圍巖穩(wěn)定性，支護方式及初期支護后的變形情況。⑧隧道開挖面地質素描，地質預報人員對隧道開挖面的地質狀況作如實的調查和編錄，采集必要的數據，具體包括開挖面地層、巖性、構造節(jié)理發(fā)育程度及開挖面滲水、水的來源流量等。對受構造影響程度、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)等進行編錄。地質素描方法和預報成果見表2。

表2 地質素描方法和預報成果

2.1.2 物探法(TSP)

TSP203超前地質預報系統(tǒng)利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性預報隧道掘進面前方及周圍鄰近區(qū)域地質狀況，TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點(通常在隧道的左或右邊墻，大約24個炮點)用少量炸藥激發(fā)產生，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化界面等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收，數據通過TSPwin軟件處理，就可以了解隧道工作面前方不良地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

TSP203超前地質預報每次可探測100～350 m，為提高預報準確度和精度，采取重疊式預報，每開挖100～150 m預報一次，重疊部分≥20 m，每次探測結果與開挖揭示情況對比分析。

2.1.3 φ75超前鉆孔

地質物探法:采用單孔水平取巖芯鉆探法，超前探測20～30 m，驗證中近距離物探超前探測的異常地段。每25 m一循環(huán)，每孔長30 m，根據地質條件確定是否取芯。

對于巖溶、人工坑道影響范圍，施行各方向的鉆孔應作為查明其特征的必須措施。

2.2 初支加強

2.2.1 增加臨時仰拱

1)上臺階開挖后設置臨時仰拱以減小隧道斷面的收斂及沉降，臨時仰拱間距不大于2榀鋼架的間距，上臺階開挖后即初噴混凝土，鋪設鋼筋網，架立臨時仰拱鋼架并復噴混凝土至設計厚度。

2)臨時仰拱在主體結構的初期支護施工完畢并穩(wěn)定后拆除，拆除前后應加強拱頂下沉量及周圍變形量的觀測，每次拆除長度不應大于10 m。

2.2.2 洞口采用大管棚

洞口大管棚采用熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚6 mm;在拱部144°范圍設置;環(huán)向間距40 cm;外插角1°～3°為宜，可根據實際情況作調整;注漿采用水泥漿、水泥砂漿;當圍巖破碎、地下水發(fā)育時，可部分采用水泥—水玻璃雙液漿，要求漿液強度等級不小于M10;大管棚每環(huán)施作長度30～50 m不等。

2.2.3 超前小導管

超前小導管配合型鋼鋼架使用，應用于隧道Ⅴ級圍巖拱部超前注漿預支護，其縱向搭接長度不小于1 m。超前小導管采用熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm，單根長4 m環(huán)向間距0.4 m，縱向間距2.4 m;外插角1°～3°，可根據實際情況調整;注漿材料采用M20水泥漿或水泥砂漿;在拱部135°范圍設置。

2.2.4 錨桿體系及鋼拱架

本線隧道采用φ22砂漿錨桿和φ25中空注漿錨桿，錨桿均設置墊板。

隧道初期支護鋼筋網采用φ8的HRB335鋼筋，網格尺寸為20 cm×20 cm，全斷面布設鋼架支護由8個單元組成，可根據實際情況調整單元長度。鋼架間距0.6 m，型鋼鋼架主要由工字鋼彎制而成，隧道Ⅴ級圍巖采用型鋼拱架。本線隧道設計為全斷面支護。隧道各部開挖完成初噴混凝土后，分單元及時安裝鋼架，采用定位錨桿、徑向錨桿以及雙側鎖腳錨桿固定，縱向采用φ22鋼筋連接，鋼架之間鋪掛鋼筋網，然后復噴混凝土到設計厚度。

2.3 監(jiān)控量測

進行監(jiān)控量測，可以保證施工安全及結構的長期穩(wěn)定，驗證支護結構效果，確認和調整支護參數和施工方法，確定二次襯砌施作時間，監(jiān)控工程對周圍環(huán)境影響，為信息化設計與施工提供依據。根據圍巖條件、隧道工程規(guī)模、支護類型和施工方法等來選擇測試項目?，F場監(jiān)控量測項目分為必測項目和選測項目兩大類。

2.3.1 監(jiān)控量測內容(見表3)

監(jiān)測項目、測試方法和儀表等監(jiān)控量測內容見表3。

表3 監(jiān)控量測內容

2.3.2 監(jiān)控量測基準

1)淺埋隧道地表沉降測點在隧道開挖前布設。地表沉降測點和隧道內測點布置在同一斷面里程。一般條件下，地表沉降測點縱向間距按下表的要求布置。地表沉降觀測每個斷面布設7個點，中心線上1個點，每側各3個，橫向間距為2～5 m。在隧道中線附近測點適當加密，隧道中線兩側量測范圍不應小于Ho+B，地表有控制性建(構)筑物時，量測范圍應適當加寬，見表4。

表4 地表沉降測點縱向間距

2)測量方法采用精密水準測量方法?；c和附近水準點聯(lián)測取得初始高程。觀測時各項限差應嚴格控制在規(guī)定額度之內，對不在水準路線上的觀測點，1個測站不宜超過3個，超過時應重讀后視點讀數，以作核對。首次觀測應對測點進行連續(xù)3次觀測，3次高程之差應小于±0.5 mm，取平均值作為初始值。

3)地表沉降采用二級水準測量進行量測。

4)數據分析與處理。地表沉降測量隨施工進度進行，根據開挖部位、步驟及時監(jiān)測，并將各沉降測點沉降值繪制成沉降變化曲線圖、沉降變化速度、加速度曲線圖，并根據沉降變化曲線圖和沉降速率來判斷沉降變化趨勢，必要時采用回歸計算來推測沉降終值。

2.3.2.1 拱頂下沉量測

①拱頂下沉測點和凈空變化測點布置在同一斷面上。由于隧道全部為Ⅴ級圍巖，監(jiān)控量測斷面間距10 m。拱頂下沉測點原則上設置在拱頂軸線附近。當隧道跨度較大時，結合施工方法在拱部增設測點。②量測及計算方法:量測方法為由洞外基準點起測量洞內相對基準點高程，再由洞內相對基準點起測量拱頂下沉預埋件高程，通過計算前、后兩次拱頂下沉預埋件高程的變化值即可算得拱頂下沉值。這里的計算與地表略有不同，因為尺子是倒掛的。③根據變形值繪制沉降—時間曲線圖和變形—開挖距離的曲線變化圖，在隧道橫斷面圖上按不同的施工階段、以一定的比例把變形值點畫在分布位置上，并以連線的形式將各點連接起來，成為隧道支護變形分布形態(tài)圖。并與設計值進行比較，驗證設計結構形式的合理性，為施工安全提供可靠的依據。

2.3.2.2 凈空變化量測

①凈空變化測點和拱頂下沉測點布置在同一斷面上。隧道全部為Ⅴ級圍巖，監(jiān)控量測斷面間距10 m。凈空變化量測線數見表5。②量測及計算方法:通過測量兩個預埋件的距離，為了減小誤差，每次應測3次取平均值為本次測量結果，計算前、后兩次所測距離的差值即為該測點在這一段時間內凈空收斂值，其累計值即為該測點的凈空收斂值。③根據變形值繪制收斂—時間曲線圖和收斂—開挖距離的曲線變化圖。

表5 凈空變化量測線數

2.3.3 監(jiān)控量測頻率

監(jiān)控量測頻率由兩個方面決定，分別為位移速度和距開挖面的距離。原則上采用較高的頻率值。出現異常情況或不良地質時，應增大監(jiān)控量測頻率，監(jiān)控量測頻率見表6。各項量測作業(yè)均應持續(xù)到變形基本穩(wěn)定(水平收斂速度＜0.2 mm/d，拱頂下沉速度＜0.15 mm/d，圍巖基本達到穩(wěn)定)后2～3周結束。對于膨脹性和擠壓性圍巖，位移長期沒有減緩趨勢時，應適當延長量測時間。

表6 監(jiān)控量測頻率表(隧道開挖寬度B=14.32 m)

2.3.4 極限相對位移及監(jiān)控量測控制基準

監(jiān)控量測控制基準包括隧道內位移、地表沉降等，根據地質條件、隧道施工安全性、隧道結構的長期穩(wěn)定性，以及周圍建(構)筑物特點和重要性等因素制定。

1)極限相對位移(見表7)

表7 極限相對位移

2)監(jiān)控量測控制基準

①當位移變化速度，凈空變化速度持續(xù)＞5.0 mm/d時，表明圍巖處于急劇變化狀態(tài)，應加強初期支護系統(tǒng);當水平收斂(拱腳附近)速度＜0.2 mm/d，拱部下沉速度＜0.15 mm/d時，表明圍巖基本達到穩(wěn)定。②根據圍巖回歸位移時態(tài)曲線的形態(tài)，當圍巖位移速度不斷下降時表示圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當位移速度保持不變時表示圍巖不穩(wěn)定，當位移速度不斷上升時，圍巖進入危險狀態(tài)，必須立即停止掘進，加強支護。③位移控制基準見表8。④根據監(jiān)控量測結果按變形管理等級指導施工。

表8 位移控制基準

2.4 仰拱及二襯及時跟進

為保證盡早封閉成環(huán)，施工中應盡早修筑仰拱，以利于支護結構的整體受力。仰拱施工采取分段間隔作業(yè)，仰拱澆筑前清除浮渣，排除積水，兩側銜接部位搗固密實。

二次襯砌一般在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，且應滿足安全步距要求，即二襯距掌子面距離不得大于70 m。

3 效果分析

渝萬鐵路客運專線5座隧道采用上述施工技術，均取得了良好效果。

1)甘家灣隧道:于2013年5月1日開工，2013年8月30日貫通，期間地表沉降最大值為26.8 mm，變形速率最大為4.7 mm/d，拱頂沉降及洞內收斂值均小于規(guī)定報警值。

2)向家灣隧道:于2013年4月1日開工，2013年12月8日貫通。二襯已施作完畢，隧道處于安全狀態(tài)。期間圍巖收斂速率曾達到5.8 mm/d，超過5.0 mm/d的警戒值，經查為施工單位未按時施作臨時仰拱所致。為此要求施工單位立即施作臨時仰拱并及時觀測地表沉降，經觀測，直至洞通，未發(fā)現沉降及收斂總量及速率超標。

3)沙坡一號隧道:于2013年6月12日開工，11月22日后方20 m K152+433處收斂速率達到6.612 mm/d，超出警戒值。經分析后確定:仰拱初支未及時跟進，掌子面至仰拱安全步距過大所致，于是要求掌子面封閉，及時跟進仰拱初支。隨后該點觀測值趨于穩(wěn)定。

4)羅家灣隧道:于2013年7月施工完洞口大管棚后，嚴格按照設計要求施工并進行監(jiān)控量測，各種監(jiān)控數據均未超標，隧道安全貫通。

5)馬桑灣隧道:于2013年7月31日開挖進洞，進洞后停工2個月，至12月中旬進洞45 m，此時洞口段地表沉降最大值為42 mm，洞內最大收斂值為23.735 mm，收斂速率未超標，因而可以說圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

1)超前地質預報可以詳細掌握掌子面前方的地質狀況，為施工措施的可行性打下基礎，避免盲目施工帶來的安全風險。

2)超前大管棚作為淺埋隧道洞口段支護加強措施起著至關重要的作用，因淺埋隧道進出洞施工為風險最高階段，加強了洞口段防護，等于為全隧道安全開挖打下基礎。

3)臨時仰拱的施作是預防淺埋隧道圍巖變形超標的重要措施，尤其是在洞口段及富水段，增加臨時仰拱可以減小下臺階及仰拱開挖時的收斂變形，從而大大降低隧道因變形過大而坍塌的風險。

4)監(jiān)控量測是隧道安全施工的眼睛及守護神，因淺埋隧道上覆土層小，自穩(wěn)能力差，且為砂質泥巖或泥質頁巖，遇水后易軟化，強度大幅降低，因而及時進行監(jiān)控量測，及時發(fā)現圍巖狀況變化，可以為隧道開挖安全增加一道保險。

5)仰拱及二襯緊跟可以確保隧道盡早封閉成環(huán)，使隧道支護與巖體共同受力，盡早形成永久受力結構。

［1］雷春潔.超前支護在淺埋及軟弱圍巖隧道施工中的應用［J］.鐵道建筑，2009(5):37-39.

［2］中國路橋工程有限責任公司.甘家灣、向家灣隧道施工技術方案及監(jiān)控量測方案［R］.北京:中國路橋工程有限責任公司，2013.

［3］中交第二航務工程局有限公司.羅家灣隧道、馬桑灣隧道及沙坡一號隧道施工技術方案及監(jiān)控量測方案［R］.重慶:中交第二航務工程局有限公司，2013.

［4］鐵道部基本建設總局.鐵路隧道新奧法指南［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.