昔格達(dá)地層大斷面隧道下穿既有建筑施工技術(shù)研究

王義春

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

昔格達(dá)地層[1]是分布于我國(guó)攀西地區(qū)的一種特殊半成巖，主要由黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖和粉砂巖組成，具有孔隙比大、粘結(jié)力和水穩(wěn)性差等特點(diǎn)。

隨著我國(guó)成昆線如火如荼的建設(shè)，多達(dá)十幾條在建隧道需穿過(guò)昔格達(dá)地層，施工過(guò)程表現(xiàn)為圍巖自穩(wěn)能力差，隧道大變形問(wèn)題嚴(yán)重、掌子面坍塌等現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)昔格達(dá)地層隧道修建技術(shù)展開(kāi)了研究。孟祥磊[2]以成昆線米攀段朱家隧道為依托工程，對(duì)軟弱圍巖隧道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究。孫長(zhǎng)升[3]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，開(kāi)展含水率對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究。周平[4]通過(guò)多種研究手段，考慮含水率對(duì)昔格達(dá)地層的影響，提出了一種圍巖穩(wěn)定及亞分級(jí)的方法。王志杰[5]等針對(duì)昔格達(dá)地層隧道的破壞形態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖災(zāi)變特征與致災(zāi)因素展開(kāi)研究。舒東利[6]等為研究昔格達(dá)地層隧道初期支護(hù)背后注漿時(shí)機(jī)和預(yù)留變形量的大小，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，得到了初期支護(hù)的變形規(guī)律和預(yù)留變形量。周平[7]等對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖變形特征和變形機(jī)理進(jìn)行研究。王志杰[8]等以冉家灣隧道為工程依托，采用強(qiáng)度折減法對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探討了系統(tǒng)錨桿的作用。王立川[9]等以前家山隧道為依托，介紹了PBA進(jìn)洞法在淺埋富水昔格達(dá)地層的成功實(shí)踐經(jīng)歷。王志杰[10]等針對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖的失穩(wěn)特征，總結(jié)出有水和無(wú)水條件下隧道開(kāi)挖工法。周平[11]等采用室內(nèi)土木試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算方法，給出昔格達(dá)地層隧道遇水軟化的穩(wěn)定性判別方程。丁文富[12]等針對(duì)成昆鐵路修建過(guò)程中遇到的昔格達(dá)地層問(wèn)題，采用試驗(yàn)手段，提出了合理的地質(zhì)參數(shù)與工程處理措施。

縱觀諸多學(xué)者對(duì)昔格達(dá)地層隧道施工技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，目前幾乎沒(méi)有對(duì)昔格達(dá)地層隧道下穿既有建筑物的施工技術(shù)探索。鑒于此，本文以米攀鐵路攀枝花段中鐵二十三局承建的冉家灣隧道為工程依托，對(duì)昔格達(dá)地層隧道下穿既有建筑物施工技術(shù)展開(kāi)研究，研究成果可為類(lèi)似工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

成昆鐵路冉家灣隧道出口工區(qū)，設(shè)計(jì)為客貨共線雙線鐵路隧道，起始里程為D6K584+236，終點(diǎn)里程為D6K585+647，長(zhǎng)1 411 m。隧道D6K584+681～D6K584+850段下穿三線建設(shè)博物館，而在D6K584+730～D6K584+770段上跨保安營(yíng)2號(hào)隧道LSD4K0+735～LSD4K0+775段，于D6K584+850～D6K584+890段下穿炳仁路，D6K584+890～D6K585+006段下穿淺埋回填區(qū)(見(jiàn)圖1)。隧道洞身通過(guò)地段主要為成巖作用差的第三系昔格達(dá)地層，少部分為混合巖強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)，巖質(zhì)軟、易風(fēng)化，遇水易軟化崩解，水穩(wěn)性差，產(chǎn)狀平緩，陡傾節(jié)理發(fā)育，洞頂及洞壁易發(fā)生掉塊、坍塌。地下水主要為巖面滲水，工程地質(zhì)條件差。

圖1 冉家灣隧道平面位置

如圖2所示，三線博物館為建設(shè)在斜坡上的多層框架建筑，總高46 m，對(duì)地基沉降變形敏感。三線博物館除了大廳為本土外，周邊全部為回填土?；靥顣r(shí)由于工期緊，碾壓可能不到位，目前已經(jīng)發(fā)生多起沉降和變形。三線博物館的修建對(duì)隧道洞頂原有地貌破壞嚴(yán)重，洞頂覆蓋層變薄。冉家灣隧道和保安營(yíng)2號(hào)隧道在博物館下方交叉穿越，根據(jù)竣工資料，博物館采用群樁基礎(chǔ)，樁底標(biāo)高距離冉家灣隧道拱頂約31 m，保安營(yíng)隧道拱頂距離冉家灣隧道拱底僅8 m(見(jiàn)圖3)。

圖2 三線博物館

3 施工技術(shù)

3.1 開(kāi)挖工法

為避免和減少因設(shè)計(jì)、施工等原因引起地表周邊建筑物設(shè)施安全事故的發(fā)生，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家多次分析探討，決定采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工，如圖4所示。

圖4 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法示意

隧道開(kāi)挖控制要點(diǎn)如下:

(1)隧道環(huán)形導(dǎo)坑應(yīng)沿開(kāi)挖輪廓線環(huán)向開(kāi)挖，預(yù)留核心土，周邊部位預(yù)留30 cm人工開(kāi)挖，其余部位采用機(jī)械開(kāi)挖。

(2)根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況，合理確定循環(huán)進(jìn)尺，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度一般為0.6～0.8 m；開(kāi)挖后立即初噴3～5 cm混凝土，以減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，防止圍巖長(zhǎng)時(shí)間接觸空氣而導(dǎo)致力學(xué)參數(shù)變差。

(3)在留足作業(yè)空間和臺(tái)階穩(wěn)定的前提下，盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，核心土長(zhǎng)度應(yīng)控制在3～5 m，寬度為隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。

(4)中、下臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，嚴(yán)禁同時(shí)施工，左、右側(cè)錯(cuò)開(kāi)距離宜為3～5 m。

(5)超前施作仰拱，仰拱距上臺(tái)階開(kāi)挖工作面宜控制在40 m左右。

3.2 超前加固方案

為有效控制隧道變形，在隧道下穿三線博物館地段，增加大管棚、中管棚、超前小導(dǎo)管等預(yù)支護(hù)。為了提高預(yù)加固質(zhì)量，減少隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，應(yīng)采取適當(dāng)加密超前小導(dǎo)管數(shù)量、加強(qiáng)鎖腳錨桿參數(shù)、采用大拱腳進(jìn)行支護(hù)、掌子面預(yù)加固等綜合措施控制隧道變形。

D6K584+681～D6K584+720段和D6K584+850～D6K584+971段拱部采用φ76中管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)51根，每根長(zhǎng)10 m，搭接長(zhǎng)度不小于3 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，每2.4 m一環(huán)，每環(huán)51根，每根長(zhǎng)3.5 m。

D6K584+720～D6K584+795段和D6K584+795～D6K584+850段拱部采用φ159大管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)51根，每根長(zhǎng)80 m，搭接5 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，每2.4 m一環(huán)，每環(huán)51根，每根長(zhǎng)3.5 m。

鋼管前端做成尖錐狀，尾部設(shè)置箍筋，小導(dǎo)管、中管棚傾角5°～10°，大管棚傾角1°～3°。 注漿材料為水泥漿液，水泥漿液水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力0.5～1.0 MPa。注漿前先噴射厚度為5～10 cm的混凝土封閉掌子面，以防工作面坍塌。注漿按由下至上的順序進(jìn)行，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓(1.5 MPa)時(shí)方可結(jié)束注漿。注漿后要將注漿孔堵塞密實(shí)，漿液強(qiáng)度達(dá)70%以上，或4 h后方可進(jìn)行開(kāi)挖工作。注漿過(guò)程中要隨時(shí)觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，分析注漿效果，注漿不飽滿應(yīng)補(bǔ)注。大管棚支護(hù)如圖5所示。

圖5 管棚支護(hù)(單位：mm)

3.3 初期支護(hù)

隧道開(kāi)挖完成后，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土、安裝鋼拱架。鋼拱架安裝前，應(yīng)清理拱腳或墻角的虛渣，處理欠挖部位至設(shè)計(jì)斷面。型鋼鋼架按設(shè)計(jì)位置拼裝，型鋼鋼架與封閉混凝土之間間隙較大時(shí)增設(shè)墊塊定位，兩排鋼架間縱向按設(shè)計(jì)要求用鋼筋連接，形成縱向連接體系。

為盡可能減小三線博物館沉降量，需增強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，D6K584+690～D6K584+850段采用雙層鋼拱架，其中拱墻部外層鋼拱架為HW175型鋼，內(nèi)層鋼拱架為 18型鋼，仰拱采用單層 20鋼拱架。

為保證鋼架穩(wěn)定，嚴(yán)格控制位移沉降，需增強(qiáng)鎖腳錨桿的支護(hù)參數(shù)。鎖腳錨管采用長(zhǎng)4.5 m的φ42無(wú)縫鋼管+長(zhǎng)8 m的φ76大鎖腳。在每個(gè)臺(tái)階支護(hù)施工時(shí)，每榀鋼架上臺(tái)階拱腳兩側(cè)各設(shè)置2根φ42鎖腳錨管和2根φ76大鎖腳，中、下臺(tái)階拱腳兩側(cè)同樣各設(shè)置2根φ42鎖腳錨管和2根φ76大鎖腳，位置為距離拱腳20 cm處，與拱架軸線呈45°夾角插入巖體。

縱向型鋼拱架及大鎖腳錨桿安裝如圖6所示。

圖6 縱向型鋼拱架和大鎖腳錨桿

3.4 二次襯砌

二次襯砌應(yīng)在圍巖收斂變形穩(wěn)定后施作，但由于本工區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差，而且下穿既有建筑物，初期支護(hù)難以使其達(dá)到完全穩(wěn)定。為減小三線博物館沉降量，減少隧道開(kāi)挖對(duì)既有建筑物的影響，根據(jù)支護(hù)情況及量測(cè)信息，及時(shí)進(jìn)行二襯施工并增設(shè)二襯鋼筋，達(dá)到初期支護(hù)與二次襯砌共同受力的目的，充分發(fā)揮二次襯砌的作用。

4 施工效果分析

冉家灣隧道于2017年4月15日開(kāi)始進(jìn)行下穿三線博物館施工，2017年9月8日二次襯砌施作完成，成功下穿三線博物館，不到5個(gè)月的時(shí)間完成了昔格達(dá)地層隧道下穿三線博物館的施工任務(wù)。施工效果表明，在保證施工進(jìn)度、質(zhì)量和效益的前提下，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，配合大管棚、超前小導(dǎo)管適當(dāng)加密預(yù)支護(hù)，大拱腳、鎖腳加強(qiáng)，掌子面預(yù)加固等綜合施工措施可以有效解決昔格達(dá)地層下穿建筑物的施工難題。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，執(zhí)行《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，博物館廣場(chǎng)累計(jì)最大變化點(diǎn)為D6K584+705，累計(jì)下沉量為84.19 mm，變化速率為0.24 mm/d，沉降變化曲線如圖7所示。

圖7 博物館廣場(chǎng)最大沉降點(diǎn)沉降值隨時(shí)間變化曲線

博物館廣場(chǎng)沉降相對(duì)較大，通過(guò)施工過(guò)程反分析，筆者認(rèn)為，由于圍巖太差，下臺(tái)階開(kāi)挖后，圍巖遇水收縮，導(dǎo)致局部位置鋼拱架拱腳懸空，鎖腳錨桿不能充分發(fā)揮作用。鑒于此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工情況，將鎖腳錨桿改為鎖腳錨管，并在鋼架薄弱節(jié)點(diǎn)增加鎖腳錨管，可以更好地控制地表建筑物沉降。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)昔格達(dá)地層大斷面鐵路隧道采用大管棚超前支護(hù)和三臺(tái)階七步開(kāi)挖法成功下穿既有建筑物，沉降最大值為84.19 mm。

(2)三臺(tái)階七步法每循環(huán)進(jìn)尺宜為0.6～0.8 m，開(kāi)挖后初噴3～5 cm厚混凝土，核心土長(zhǎng)度應(yīng)控制在3～5 m，寬度為隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)距離宜為3～5 m，仰拱距上臺(tái)階開(kāi)挖工作面宜控制在40 m左右。

(3)采用φ159大管棚及φ42小導(dǎo)管的超前加固措施，可以有效保證昔格達(dá)地層超前預(yù)加固質(zhì)量。

(4)從現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程看，宜增強(qiáng)鎖腳錨桿支護(hù)參數(shù)、保證注漿質(zhì)量，可以更好地控制地表建筑物沉降。