大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術(shù)研究

馬占凱

摘要： 隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，越來越多的鐵路隧道工程得到了建設(shè)。在本文中，將以某工程實(shí)例對(duì)大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術(shù)進(jìn)行一定的研究。

Abstract： With the traffic development in China， more and more railway tunnel engineerings have been constructed. This paper stuies the tunnel construction and deformation control technology of the long-span double-track railway by taking a project as the example.

關(guān)鍵詞： 大跨度雙線鐵路；隧道施工技術(shù)；變形控制技術(shù)

Key words： long-span double-track railway；tunnel construction technology；deformation control technology

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0117-04

0 引言

在山區(qū)隧道工程施工中，隧道穿越軟弱圍巖時(shí)，初期支護(hù)常常出現(xiàn)大變形問題，如果再遇到地下水等不良地質(zhì)條件時(shí)，大跨度隧道圍巖變形更為嚴(yán)重。國內(nèi)多條隧道如關(guān)角隧道、烏鞘嶺隧道等，均出現(xiàn)過嚴(yán)重的變形。本文研究的山西中南部鐵路通道暖泉會(huì)隧道穿越了軟弱泥砂巖層，同時(shí)還存在隧道淺埋、拱頂粗圓粒土和豐富的地下水等不良地質(zhì)條件，遇到了初期支護(hù)嚴(yán)重變形的問題，施工難度很大。因此，如何控制軟巖變形，確保安全快速施工，是隧道施工階段亟待解決的技術(shù)問題。

本文提出運(yùn)用科學(xué)的圍巖量測(cè)手段和采取有針對(duì)性的工程措施來控制圍巖變形，大大提高了施工期間的圍巖穩(wěn)定性，為快速施工創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，取得了良好的施工效果。

1 雙線鐵路隧道施工特點(diǎn)、圍巖變形的成因及危害

1.1 雙線鐵路隧道施工特點(diǎn)

鐵路隧道是修建在地下或水下并鋪設(shè)軌道供機(jī)車車輛通行的建筑物。根據(jù)其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類，其中山嶺隧道是修建最多的隧道類型。綜合來看，鐵路隧道施工特點(diǎn)有三：

1.1.1 快速施工難度大

鐵路隧道施工的作業(yè)空間有限，處于一個(gè)相對(duì)封閉的空間內(nèi)，在有限的空間內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)開挖、裝車出碴、立架噴砼、仰拱及二襯砼等各道工序穿插施工，工序之間相互影響，緊前緊后工序相互制約，快速施工難度很大。

1.1.2 作業(yè)環(huán)境不佳

隧道處于一個(gè)相對(duì)封閉的狹小地下空間內(nèi)，受掌子面爆破開挖和機(jī)械設(shè)備作業(yè)等影響，洞內(nèi)粉塵較大；在爆破后，掌子面拱頂常有掉塊現(xiàn)象，施工人員存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；如地下水豐富時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)涌水和突泥等現(xiàn)象，作業(yè)條件十分惡劣。

1.1.3 隧道地質(zhì)條件差

隧道屬于地下結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道路段中存在斷層、地下水、軟弱圍巖等不良地質(zhì)條件時(shí)，施工時(shí)很可能發(fā)生大變形，如不及時(shí)得到控制，將會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的生命安全和施工設(shè)備造成嚴(yán)重的安全威脅，施工企業(yè)也會(huì)因此蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 隧圍巖變形的成因及危害

1.2.1 成因

根據(jù)變形成因，通?？蓪⒆冃螄鷰r分為受圍巖巖性控制、受圍巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制和受人工采掘擾動(dòng)影響三個(gè)主要的類型。在隧道施工中，圍巖變形往往是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，比如水文地質(zhì)條件的變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理、支護(hù)設(shè)備使用不當(dāng)、施工工藝或技術(shù)措施不恰當(dāng)、現(xiàn)場(chǎng)管理松懈等等。

1.2.2 危害

如果圍巖變形得不到及時(shí)控制，變形較小則導(dǎo)致拱頂?shù)魤K、初支侵限，需要更換初支鋼拱架，變形較大可導(dǎo)致隧道塌方、冒頂或地表下沉等問題，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全造成嚴(yán)重的威脅，施工方也將因返工而蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 雙線鐵路隧道施工工藝及圍巖量測(cè)

2.1 工程概況

我國山西中南部鐵路通道暖泉會(huì)隧道起訖里程改DK53+480～改DK55+923.68，全長2443.68m，為雙線鐵路隧道。隧道洞身拱頂為粗圓粒土，富含地下水，中下導(dǎo)坑穿過地層主要為水平薄層狀灰色泥質(zhì)砂巖，夾薄層紫紅色泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富；洞身穿越多處地表沖溝，有多處淺埋地段，Ⅴ級(jí)圍巖地段占隧道總長的81%。本隧道線間距5m，隧道開挖跨度最大為15.27m，屬于大跨度雙線鐵路隧道。

本隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，V級(jí)圍巖初期支護(hù)為？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)、100cm間距的20a工字鋼架、25cm厚C20噴射混凝土噴錨結(jié)構(gòu)， 45cm厚的C35鋼筋二襯砼。

2.2 施工工藝及施工方法

2.2.1 工藝流程

根據(jù)圖1所示隧道斷面結(jié)構(gòu)，本工程擬用正臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工，工藝流程如圖2所示。

2.2.2 施工方法

①超前支護(hù)。

本隧道V級(jí)圍巖采用3.5m長的？準(zhǔn)42小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施，環(huán)向間距40cm。為了利于導(dǎo)管入孔順利，將小導(dǎo)管的前端位置做成尖錐狀，每隔15cm在管壁位置進(jìn)行鉆眼，眼孔直徑控制在8mm。使用YT28手風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔直徑？準(zhǔn)45mm，沿著開挖輪廓線設(shè)6-10°的仰角，鉆孔完成后將事先加工好的導(dǎo)管打入孔中，并及時(shí)向?qū)Ч軆?nèi)進(jìn)行注漿，保證導(dǎo)管與巖體間縫隙填塞密實(shí)。

②洞身掘進(jìn)及初期支護(hù)。根據(jù)隧道斷面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們采用臺(tái)階法進(jìn)行施工，首先開挖上部導(dǎo)坑，再開挖下半斷面，最后進(jìn)行仰拱混凝土及二次襯砌，每次開挖完成后及時(shí)施作初期支護(hù)；下半斷面施工完成一定長度后施做仰拱；最后施工二襯和附屬工程。

上臺(tái)階采用支架式風(fēng)鉆鉆孔，Ⅴ級(jí)圍巖采用微震動(dòng)控制爆破工藝開挖。下臺(tái)階風(fēng)鉆鉆孔，人工裝藥，非電毫秒雷管微差控制爆破，上臺(tái)階開挖爆破施工完畢后，初噴混凝土封閉圍巖。待混凝土初凝后，按設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)施作砂漿錨桿。錨桿安裝完畢，在錨桿外端掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片或工字鋼架，復(fù)噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。開挖爆破后，采用挖掘機(jī)配合裝載機(jī)裝碴，自卸汽車運(yùn)輸。

③拱墻二次襯砌。

隧道襯砌采用12m長整體式液壓襯砌臺(tái)車，一次施工長度12m，采用混凝土輸送泵泵送作業(yè)，由下向上，對(duì)稱分層，先墻后拱灌筑，入模傾落自由高度不超過2.0m，通過插入式振搗器以及附著式振搗器進(jìn)行聯(lián)合振搗。

2.3 隧道圍巖量測(cè)方法

結(jié)合隧道臺(tái)階法開挖施工工法特點(diǎn)，本工程圍巖變形量測(cè)選擇拱頂下沉、洞內(nèi)收斂、地表沉降、洞內(nèi)外觀察、圍巖壓力、初支噴砼應(yīng)力、二次應(yīng)力等指標(biāo)，對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，本文主要介紹拱頂下沉、洞內(nèi)收斂、圍巖壓力的監(jiān)測(cè)方法。

2.3.1 拱頂下沉

拱頂下沉量測(cè)是通過監(jiān)測(cè)隧道拱頂?shù)南鲁林?，了解隧道斷面變化情況，判斷拱頂圍巖是否穩(wěn)定的一種量測(cè)手段。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)設(shè)于拱頂軸線上，開挖后，在拱頂圍巖內(nèi)壁鉆孔并預(yù)埋觀測(cè)標(biāo)。觀測(cè)標(biāo)采用直徑20mm螺紋鋼筋，具體長度根據(jù)噴射混凝土厚度+基巖打眼深度+外露長度確定，一般錨固深度20cm，外露長度不宜大于3cm。外露端粘貼反射膜片。在噴射混凝土?xí)r將反射膜片保護(hù)好，防止污損其反射膜表面。測(cè)點(diǎn)縱向間距Ⅴ級(jí)圍巖為5m，Ⅳ級(jí)圍巖為10m，采用水準(zhǔn)儀倒尺或全站儀反射片測(cè)量。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間為爆破完成后及時(shí)進(jìn)行，量測(cè)頻見表1，初始讀書最晚必須在下一循環(huán)開挖前完成。

2.3.2 洞內(nèi)收斂

洞內(nèi)收斂是通過量測(cè)洞內(nèi)兩點(diǎn)之間的距離變化來判定隧道圍巖的穩(wěn)定性。洞內(nèi)收斂量測(cè)在中臺(tái)階和下臺(tái)階各設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，與拱頂下沉測(cè)點(diǎn)聯(lián)合設(shè)置6條測(cè)線，2條水平側(cè)線和4條斜側(cè)線，見圖3，采用收斂?jī)x或全站儀反射片測(cè)量。洞內(nèi)收斂與拱頂下沉測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)于同一斷面，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量對(duì)稱布置，以便于整個(gè)量測(cè)形成信息體系，相互印證。洞內(nèi)收斂的量測(cè)頻率與拱頂下沉相同，見表1。

2.3.3 圍巖壓力量測(cè)

圍巖壓力量測(cè)是監(jiān)測(cè)地層與初期支護(hù)之間的接觸壓力，采用振弦式雙膜壓力盒配合頻率接收儀的二次儀表監(jiān)測(cè)。隧道開挖后，先掛細(xì)鐵絲網(wǎng)用水泥砂漿抹平，用水泥釘固定壓力盒，再分次噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，保證壓力盒的表面法線方向與圍巖壓力方向一致。在埋設(shè)之前測(cè)試一次頻率讀數(shù)，埋設(shè)后，再測(cè)讀一次傳感器頻率。

2.4 監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)的判定

2.4.1 根據(jù)位移變化速度判定

拱頂下沉、凈空變化速度持續(xù)達(dá)5mm/d或累計(jì)達(dá)100mm時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)停止掘進(jìn)，并及時(shí)分析原因，采取處理措施。

水平收斂（拱腳附近）速度小于0.2mm/d時(shí)，拱部下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。

在淺埋地段以及膨脹性、擠壓性圍巖等情況下，應(yīng)采用其它指標(biāo)判別。

2.4.2 根據(jù)位移時(shí)態(tài)曲線的形態(tài)來判別

將量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，目前，國內(nèi)主要選用以下三種非線性曲線函數(shù)中精度最高者進(jìn)行回歸分析，觀測(cè)數(shù)據(jù)不宜少于25個(gè)。

對(duì)數(shù)函數(shù) u=A+B/Lg（1+t）

指數(shù)函數(shù) u=Ae-B/T

雙曲函數(shù) u=t/（A+Bt）

u：變化值（mm）；A、B：回歸系數(shù)； t：監(jiān)測(cè)時(shí)間（d）。

回歸結(jié)果表明：對(duì)數(shù)函數(shù)用于初期支護(hù)變形可取得較高的回歸精度；初支基本穩(wěn)定后因?qū)?shù)函數(shù)為發(fā)散型函數(shù)，與實(shí)測(cè)值有較大偏差，而此時(shí)采用指數(shù)函數(shù)可獲得較滿意的結(jié)果；而雙曲函數(shù)則可預(yù)計(jì)最終位移值U∞=1/B。一般情況會(huì)出現(xiàn)如下兩種時(shí)間——位移特征曲線，見圖4所示。

圖4中，（a）圖表示絕對(duì)位移值逐漸減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，可施立模筑砼襯砌；（b）圖表示位移變化異常，反彎點(diǎn)噴錨支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重變形，這時(shí)應(yīng)及時(shí)通知施工管理人員，該段支護(hù)須采取加強(qiáng)措施，確保隧道不坍方；嚴(yán)重時(shí)施工人員須迅速撤離施工現(xiàn)場(chǎng)，保證施工人員安全。

2.5 量測(cè)成果分析與信息反饋

現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)中存在偶然誤差，具有一定的離散性，量測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間散點(diǎn)圖上會(huì)上下波動(dòng)，難于找出規(guī)律。故每次量測(cè)后應(yīng)立即對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和整理，包括原始數(shù)據(jù)的記錄、檢驗(yàn)和觀測(cè)物理量的換算以及填表、繪圖、誤差處理、曲線回歸分析、量測(cè)結(jié)果分析和異常值判別等日常工作。量測(cè)結(jié)果分析采用散點(diǎn)圖（時(shí)態(tài)曲線）和回歸分析法，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)判別標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)時(shí)態(tài)曲線的形態(tài)，結(jié)合圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的工件狀態(tài)、對(duì)周圍環(huán)境的安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，如有異常應(yīng)及時(shí)補(bǔ)測(cè)。位移-時(shí)間曲線最能直接明確的反映圍巖和支護(hù)受力狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。量測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：

①根據(jù)量測(cè)值繪制時(shí)態(tài)曲線。②選擇回歸曲線，預(yù)測(cè)最終值，并與控制基準(zhǔn)進(jìn)行比較。③對(duì)支護(hù)及圍巖狀態(tài)、工法、工序進(jìn)行評(píng)價(jià)。④及時(shí)反饋評(píng)價(jià)結(jié)論，并提出相應(yīng)工程對(duì)策建議。⑤監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，可采用指數(shù)模型、對(duì)數(shù)模型、雙曲線模型、分段函數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式等其中最合適的一種形式進(jìn)行計(jì)算分析，并預(yù)測(cè)最終值。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在正常預(yù)測(cè)曲線附近分部時(shí)則說明隧道圍巖變形正常，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)或每天的相對(duì)凈空變化超過1mm時(shí)，則說明圍巖變形出現(xiàn)異常性速率開始變大，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，并通知現(xiàn)場(chǎng)施工密切注意支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)需采取加強(qiáng)支護(hù)措施，必要時(shí)暫停開挖。分析如圖5、圖6。

3 圍巖變形控制措施

通過對(duì)各個(gè)圍巖量測(cè)指標(biāo)的觀測(cè)和分析，綜合判斷圍巖的穩(wěn)定性，建立信息反饋機(jī)制。有針對(duì)性的采取各種工程措施和組織措施，在施工中動(dòng)態(tài)控制圍巖變形，從而糾正各個(gè)監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)，使其處于安全范圍內(nèi)，最終保證隧道結(jié)構(gòu)安全和施工人員、機(jī)械設(shè)備的安全。

①徑向注漿，加固圍巖。

從提高圍巖力學(xué)性能著手，主動(dòng)加固圍巖，采取注漿加固圍巖，使之承受一部分荷載，提高圍巖的自穩(wěn)能力，減少圍巖松弛變形。

②加長加密錨桿，增設(shè)鎖腳錨管。

加長加密錨桿，增設(shè)拱腳鋼架的鎖腳錨管，使鋼架承受的荷載通過錨桿和鎖腳錨管傳入基巖深部，從而增大初期支護(hù)的承載能力，防止拱腳下沉和內(nèi)移，保證圍巖的穩(wěn)定，控制圍巖變形。

③采取適宜的開挖工法。

對(duì)不同圍巖，可采取短臺(tái)階法、帶臨時(shí)仰拱的臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等開挖方法。開挖時(shí)，支護(hù)要及時(shí)，縮短支護(hù)閉合成環(huán)時(shí)間。防止初支整體下沉，水平收斂增大，引起過大變形，導(dǎo)致拱部巖層坍塌。增設(shè)臨時(shí)仰拱，使其上半斷面先成環(huán)，保證上半斷面的相對(duì)穩(wěn)定。

④加大預(yù)留變形量，調(diào)整一次開挖進(jìn)尺。

預(yù)留足夠的變形量，使初期支護(hù)發(fā)生一定的變形，通過適量的柔性變形消耗圍巖中儲(chǔ)存的能量，并防止斷面侵限；同時(shí)縮減一次開挖進(jìn)尺，加密拱架間距，加強(qiáng)支護(hù)。

⑤加快仰拱及填充施工進(jìn)度，快速成環(huán)。

加快仰拱施工進(jìn)度，縮減仰拱至掌子面的距離，使其開挖段的初支盡可能多的封閉成環(huán)，成環(huán)后，受力結(jié)構(gòu)合理，對(duì)控制圍巖變形效果顯著。

⑥加強(qiáng)施工組織管理，規(guī)范作業(yè)。

嚴(yán)格控制作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范作業(yè)，杜絕各種違章施工，減少施工缺陷對(duì)圍巖變形的影響；控制爆破裝藥量，減小對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)。

總之，控制圍巖變形主要是從加固圍巖本身、加強(qiáng)支護(hù)措施、選擇適合的開挖工法和加強(qiáng)施工組織等幾方面進(jìn)行，各個(gè)方面相輔相成，往往是各種措施共同作用效果更佳。

4 變形控制效果

根據(jù)圍巖變形量測(cè)反饋信息，有針對(duì)性的采取工程措施和組織措施后，及時(shí)有效的控制了圍巖變形。在暖泉會(huì)隧道的施工中未出現(xiàn)不可控的大變形、未出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)劝踩录?，并按期快速完成了施工任?wù)，保證了工程質(zhì)量和施工工期。

5 結(jié)論

本文我們對(duì)大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，總結(jié)出一些控制大變形的技術(shù)手段和工程措施，希望今后在類似的工程實(shí)踐中，能起到一定的借鑒和參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周燁，李鵬飛，張翾.大斷面黃土隧道初期支護(hù)合理施作時(shí)機(jī)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（01）：41-47.

[2]李健，譚忠盛，喻渝，倪魯肅.淺埋大跨黃土隧道管棚受力機(jī)制分析[J].中國工程科學(xué)，2011（09）：92-96.

[3]李健，譚忠盛，喻渝，倪魯肅.下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究[J].巖土力學(xué)，2011（09）：2803-2809.