大斷面黃土隧道三岔口區(qū)域前期變形分析及開挖優(yōu)化

王 玥，史繼堯

(中鐵隧道集團有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，我國客運專線鐵路建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展時期，西北、西南、東北等偏遠(yuǎn)地區(qū)是建設(shè)重點，由于以上地區(qū)山嶺較多，因此產(chǎn)生了很多長大隧道。對于長大隧道而言，利用斜井開辟工作面加快施工進(jìn)度是經(jīng)常采取的手段［1］，其中，斜井與正洞交叉的三岔口區(qū)域，位置結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)力分布復(fù)雜，是整個隧道的施工關(guān)鍵之一［2］。

近年來，對于斜井進(jìn)入正洞的三岔口施工方面的研究，大量的文獻(xiàn)均為技術(shù)總結(jié)性質(zhì)，涉及有包家山隧道［3］、桃樹坪隧道［4］、關(guān)角隧道［5］、西山隧道［6］、函谷關(guān)隧道［7］、新吉坪隧道［8］及馬家山隧道［9］等。這些研究闡述了特定地質(zhì)條件下，采用特定工法進(jìn)行三岔口施工的技術(shù)方案，總結(jié)的規(guī)律較淺顯。少量文獻(xiàn)在三岔口施工前進(jìn)行了不同的方案比選，涉及有渝利鐵路大梁隧道［10］及山西中南部鐵路通道干陽溝隧道［11］等。這些研究往往從安全、進(jìn)度、經(jīng)濟性等方面進(jìn)行對比分析，但在安全方面的分析，則沒有量化的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，也沒有不同方案的實際效果對比，指導(dǎo)參考作用不強。

本文根據(jù)寶蘭客專14標(biāo)的古城嶺隧道和蘭山隧道的多個三岔口施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對三岔口區(qū)域的變形特征進(jìn)行分析總結(jié)。

1 工程概況

新建鐵路寶雞至蘭州客運專線站前工程BLTJ－14標(biāo)段位于甘肅省蘭州市榆中縣境內(nèi)，起訖里程為DK1012+435.5 ～DK1028+332，全長 15.897 km。線路自花岔溝大橋蘭州臺引出，經(jīng)古城嶺隧道、大坪溝中橋以及蘭山隧道后，在蘭山隧道出口至本標(biāo)段的終點DK1028+332。

本標(biāo)段地處隴西黃土高原西北部，沿線地形起伏較大，位于黃土高原梁峁、溝壑區(qū)，地面高程1 704～1 897 m，區(qū)內(nèi)黃土梁峁起伏，溝壑縱橫，山坡上多為風(fēng)積黃土覆蓋，溝心多為第四系碎石類土層，局部第三系底層出露。

黃土梁峁區(qū)頂部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，洞身主要為沖積砂質(zhì)黃土及第三系泥巖夾砂巖及礫巖，局部為碎石類土。溝谷中分布有第四系全新統(tǒng)沖積黃土、洪積圓礫土和上更新統(tǒng)沖、洪積砂質(zhì)黃土及粗圓礫土。

1.目前的紀(jì)錄為300 千克。1931 年，世界重量級拳王麥克斯·貝爾在與對手俄尼·沙夫的對決中，揮出致命一拳。6 個月后，俄尼·沙夫因重傷身亡。

本標(biāo)段不良地質(zhì)主要為黃土陷穴，黃土陷穴主要分布于陡坎處。特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土，濕陷土層20～30 m;砂(黏)質(zhì)黃土屬松軟土，層厚5～15 m。

本標(biāo)段隧道工程有主隧道2座15 817.4 m，其中古城嶺隧道10 364.6 m、蘭山隧道5 452.8 m，共有斜井和橫洞7座。

2 施工方法

2.1 隧道正洞施工方法

本標(biāo)段隧道工程多為Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，隧道正洞主要采用三臺階七步法，根據(jù)地層土體強度的不同利用反鏟挖機、銑挖機、弱爆破等方式進(jìn)行土體開挖。

2.2 隧道三岔口施工工藝

斜井隧道進(jìn)入正洞的三岔口挑頂施工，采用的是小導(dǎo)洞法，在雙線大斷面隧道具有良好的適用性和優(yōu)異的安全性。具體為斜井進(jìn)正洞前，首先在斜井澆筑不少于5 m的二次襯砌混凝土;然后采用小導(dǎo)洞(尺寸4.5 m×4.0 m(寬×高))沿正洞開挖輪廓線爬行開挖，形成上臺階操作平臺;最后上臺階按設(shè)計圖紙要求進(jìn)行初期支護(hù)后，向蘭州方向進(jìn)行上臺階開挖至10 m長度后，再進(jìn)行寶雞方向上臺階開挖，開挖10 m后，進(jìn)行中(下)臺階開挖，形成標(biāo)準(zhǔn)臺階長度后，進(jìn)入正常工序開挖施工。具體施工步序見圖1。

3 實例選取及開挖方法

隨著寶蘭客專工程的開展，已有5條斜井陸續(xù)進(jìn)入正洞施工，依次為古城嶺隧道2#和4#斜井、蘭山隧道1#橫洞、古城嶺隧道1#和3#斜井，其工程地質(zhì)情況和采用的開挖工法見表1。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測布點設(shè)置及數(shù)據(jù)選取

根據(jù)鐵路隧道監(jiān)控量測規(guī)范要求，隧道正洞監(jiān)測斷面間隔為5 m，每斷面設(shè)置1個拱頂沉降監(jiān)測點，3組周邊收斂沉降測點(對應(yīng)3個臺階，見圖2)。本文選取了三岔口區(qū)域正洞隧道的3個監(jiān)測斷面，共計9個測值進(jìn)行重點分析(3個拱頂沉降值，6個周邊收斂值)。測點編號依次為:拱頂沉降——GD－L、GD－0、GD－B，收斂變形——SL－L－上、SL－L－中、SL－L－下、SL－B－上、SL－B－中、SL－B－下。

其中三岔口區(qū)域的斜井鎖口處，已提前施作二次襯砌混凝土。根據(jù)本工程多條隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:斜井鎖口處的監(jiān)測數(shù)據(jù)變形很小，施作二次襯砌后，拱頂沉降和周邊收斂的累計變化＜5 mm，變化速率＜0.5 mm/d，與三岔口正洞的開挖施工無明顯的響應(yīng)關(guān)系，故本文不作分析;斜井中軸線對應(yīng)的正洞監(jiān)測斷面，由于施工繁忙和空間條件制約，難以得到理想的周邊收斂數(shù)據(jù)，故本文未作采用。

監(jiān)測數(shù)據(jù)自開挖暴露出布點位置開始，24 h內(nèi)測得初值，終止于不可抗力因素，如:全斷面停測于臺車的拼裝、防水板的鋪設(shè)，中臺階有時停測于新延通風(fēng)管的遮擋，下臺階有時停測于仰拱鋼筋的綁扎。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

分析圖3曲線得知，本工程區(qū)域黃土隧道三岔口部位的變形規(guī)律如下:

1)三岔口區(qū)域中心處的拱頂沉降累計變形值最大，且圍巖級別越低，差異越明顯。其開挖暴露最早，變形時間最長，符合開挖施工的時空效應(yīng)規(guī)律，是評價三岔口區(qū)域施工安全的重要監(jiān)測指標(biāo)，見圖4。

2)以三岔口區(qū)域中心處拱頂沉降為衡量指標(biāo)，截至停測，在Ⅴ級圍巖條件下，變形發(fā)展快，上、中臺階開挖階段，累計變形占總比最大，超過70%;在Ⅳ級圍巖條件下，變形發(fā)展慢，中、下臺階開挖階段，累計變形占總比最大，約60%;綜合可以判斷，三岔口區(qū)域施工開挖中臺階部分，對隧道結(jié)構(gòu)變形影響最大，累計變形占總比約50%。

3)三岔口區(qū)域附近一旦完成仰拱封閉成環(huán)，則該區(qū)域所有測點的變形速率很快趨于穩(wěn)定，累計變形值幾乎不會再發(fā)展。

4)圍巖級別越低，三岔口區(qū)域變形風(fēng)險越大。盡管Ⅳ級圍巖容易開挖，施工連續(xù)性好，仰拱封閉早，但其變形發(fā)展速率很高，前期累計值很大，一旦因不可抗力(如雨雪阻斷原料供應(yīng)、機械故障、停電等)導(dǎo)致后續(xù)支護(hù)和仰拱施作有所延遲，將危及隧道結(jié)構(gòu)安全。

本工程兩例軟弱圍巖處三岔口施工變形值均大幅超過黃色預(yù)警值(設(shè)計黃色預(yù)警值為－60 mm)，說明傳統(tǒng)的三岔口施工方法有優(yōu)化改進(jìn)的空間。

圖1 三岔口小導(dǎo)洞法施工步序圖(單位:cm)Fig.1 Construction sequence of junction section by pilot heading method(cm)

表1 三岔口實例概況Table 1 Summary of junction sections

圖2 三岔口區(qū)域監(jiān)測布點示意圖Fig.2 Layout of monitoring points of junction section

5 施工建議及優(yōu)化

5.1 三岔口區(qū)域施工不利因素

1)傳統(tǒng)的七步三臺階開挖方法，三級臺階總長度為15 m，加挖土操作空間10 m，仰拱本身長度約5 m，所以仰拱遠(yuǎn)端距離掌子面大約30 m，這導(dǎo)致仰拱封閉成環(huán)時間較晚，本工程Ⅴ級圍巖三岔口處仰拱封閉完成時間約25 d，Ⅳ級圍巖三岔口處仰拱封閉完成時間約33 d。

2)原三岔口施工方案采用的是兩頭同時施工，工作面狹窄，且施工力量分散，施工速度慢，導(dǎo)致弱支護(hù)區(qū)域(未澆筑仰拱封閉成環(huán))大范圍長期暴露，變形長期發(fā)展。

5.2 三岔口區(qū)域開挖優(yōu)化措施

考慮到施工工期、工藝復(fù)雜性、配套設(shè)施成本等因素，本文從工藝和方案2個方面分別提出如下優(yōu)化建議:

1)工藝性。在三岔口區(qū)域局部優(yōu)化臺階長度，優(yōu)先縮短上、中臺階和仰拱距離，將仰拱遠(yuǎn)端與掌子面距離控制在25 m以內(nèi);

2)方案性。改兩頭施工為單頭先后施工，便于在有限空間內(nèi)集中力量，加快進(jìn)度，達(dá)到提早一端首先封閉的目的;同時，還減少了開挖暴露面積，一端預(yù)留的土體起到反壓土作用，能在一定程度上控制三岔口區(qū)域的變形。

圖3 各斜井三岔口部位測點歷時變形曲線Fig.3 Curves of time-dependent deformation of different junction sections

5.3 古城嶺隧道3#斜井三岔口施工應(yīng)用實例

在前文提到的4處三岔口施工完成后，古城嶺隧道3#斜井開始進(jìn)行三岔口施工，由于地層條件比較復(fù)雜，正洞底部為泥巖夾砂巖層，中上部為卵石土層，開挖時根據(jù)圍巖情況交替采用鉆爆法和反鏟機械法，同時地層富水、滲漏嚴(yán)重，施工方?jīng)Q定加大質(zhì)量管控力度，導(dǎo)致開挖速度緩慢，開挖約10 d才露出三岔口區(qū)域隧道正洞的上臺階部分，兩側(cè)小導(dǎo)洞還未延伸足尺。而與此同時，該隧道三岔口各測點變形一直呈線性快速發(fā)展，中心拱頂沉降累計值最大，沉降最快，約－3.5 mm/d，如按原施工進(jìn)度，該區(qū)域完成第一組仰拱澆筑約需35 d，預(yù)計該處累計變形可能超過－100 mm。沉降對比見圖5。

圖4 三岔口區(qū)域變形示意圖Fig.4 Sketch of deformation of junction section

圖5 各三岔口中心拱頂歷時沉降對比Fig.5 Curves of time-dependent crown settlement of different junction sections

基于對實測數(shù)據(jù)的分析和趨勢判斷，施工方經(jīng)過討論后，決定更改原開挖方案，采取前文列舉的開挖優(yōu)化建議，停止正洞寶雞方向的開挖，在有限的工作空間里集中力量向蘭州方向開挖施工，并對該局部的臺階長度和仰拱距離作了少量縮減，在不到3周的時間內(nèi)便澆筑完成了蘭州方向的第1組仰拱;由于三岔口區(qū)域有了這2處穩(wěn)定的封閉成環(huán)點(斜井、正洞蘭州方向)，使得后續(xù)寶雞方向的開挖變形也得到了有效控制，降低了該處隧道的結(jié)構(gòu)風(fēng)險。

從圖5中分析該三岔口區(qū)域的歷時變形特征，可以得出該優(yōu)化措施的2個優(yōu)點:

1)在最為不利的地質(zhì)條件下，較好的控制了變形，最大變形累計值為 －66.4 mm，小于古1#斜井(－77.4 mm)和古2#斜井(－85.1 mm)。

2)施工工藝和開挖方法比較簡便、快速，從工期和成本來說，優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

大斷面黃土隧道的三岔口施工是工程的重大安全風(fēng)險控制點之一，本文總結(jié)分析了寶蘭客專14標(biāo)段的多個三岔口施工實例，總結(jié)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，具有較好的實踐指導(dǎo)意義。

1)明確了三岔口區(qū)域施工安全的最重要監(jiān)測指標(biāo)，即三岔口區(qū)域中心處的拱頂沉降累計變形值，在本工程所有三岔口區(qū)域，該值為最大，且隨施工過程響應(yīng)變化十分清晰。

2)指出了三岔口區(qū)域施工的重點部位和階段，即中臺階開挖，其對隧道結(jié)構(gòu)變形影響最大，期間產(chǎn)生的變形約占總變形50%。

3)肯定了隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制措施，即仰拱封閉成環(huán)，三岔口區(qū)域正洞部分一旦完成仰拱封閉成環(huán)，則該區(qū)域所有測點的變形速率明顯趨緩，累計變形值幾乎不會進(jìn)一步發(fā)展。

同時依據(jù)此規(guī)律，對本工程古城嶺隧道3#斜井三岔口施工作出了變形預(yù)判和開挖優(yōu)化，改兩頭開挖為單頭先后開挖，微調(diào)了臺階長度，較好地控制了變形，確保了隧道安全，具有良好的操作性和經(jīng)濟性。

6.2 存在的問題

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠全面，限于三岔口區(qū)域施工繁忙、空間狹小，所以中心區(qū)域未能測得收斂變形值，只能依據(jù)正洞部分的收斂變形推斷該區(qū)域的邊墻變形特征，同時沒有分析底部隆起變形。

2)現(xiàn)場施工情況復(fù)雜，各因素干擾多，所得更偏于概括性結(jié)論，精確度不足。

6.3 進(jìn)一步研究建議

1)在三岔口區(qū)域設(shè)置幾個位移監(jiān)測點和底部沉降，不但可以全面體現(xiàn)該區(qū)域的初期支護(hù)變形特征，還可以揭示其位移規(guī)律;

2)利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行三維模擬計算，可以排除大量干擾因素，更精確的研究開挖工藝和方法對變形的影響。

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