鐵路隧道的新奧法施工技術(shù)研究

何 鵬

(中鐵十八局集團(tuán) 第一工程有限公司，河北 廊坊 065000)

隨著現(xiàn)代交通事業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路隧道施工技術(shù)逐漸趨于完善、成熟。目前，常見的鐵路隧道施工技術(shù)包括盾構(gòu)法、礦山法以及新奧法等，其中，以新奧法應(yīng)用最為廣泛。新奧法在我國鐵路隧道施工中的應(yīng)用已經(jīng)有60多年的歷史，將巖體力學(xué)理論以及隧道工程施工作為基礎(chǔ)，施工充分考慮巖體承載力，避免對巖體擾動(dòng)的影響[1]。開挖采用光面爆破、預(yù)裂爆破的方式，具有操作簡單、工序少、干擾少以及便于管理等優(yōu)越性，將其應(yīng)用于隧道工程施工具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，新奧法施工技術(shù)應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，對工程質(zhì)量有著直接的影響，因此，必須嚴(yán)格把握新奧法技術(shù)特點(diǎn)，做好鐵路隧道施工，為鐵路建設(shè)服務(wù)。

1 新奧法施工原理

1.1 新奧法施工技術(shù)概述

新奧法又稱為錨噴構(gòu)筑法，最初是由奧地利L.V.Rabcewiez教授在二十世紀(jì)提出的，技術(shù)理論基礎(chǔ)為巖體力學(xué)理論、隧道工程經(jīng)驗(yàn)，該理論將圍巖作為承載機(jī)構(gòu)，采用錨桿、噴射混凝土等現(xiàn)代支護(hù)構(gòu)件，在鐵路施工支護(hù)環(huán)節(jié)廣泛地應(yīng)用。傳統(tǒng)工程認(rèn)為隧道圍巖為荷載機(jī)構(gòu)，在構(gòu)筑環(huán)節(jié)必須采用厚混凝土完成襯砌，支撐操作則應(yīng)采用重型鋼支架。新奧法施工技術(shù)下，圍巖具有承載作用，可以通過混凝土噴射、輕型鋼拱肋等進(jìn)行施工，在該技術(shù)下形成的薄層支撐環(huán)，能夠與圍巖緊貼，承受壓力[2]。按照相應(yīng)的施工工序，不僅能夠維持巖體穩(wěn)定性，而且不會(huì)導(dǎo)致松弛、垮塌等。隨著現(xiàn)代新奧法施工技術(shù)的發(fā)展，多種地層、大部分重難點(diǎn)地下工程都能夠采用新奧法解決。

1.2 新奧法施工原理

作為鐵路隧道的主要承載單元，巖體直接影響著隧道施工質(zhì)量及安全性。新奧法施工技術(shù)利用巖體自身承載力，強(qiáng)調(diào)對巖體予以保護(hù)，一方面減少對圍巖的過多干擾，以避免對圍巖整體性產(chǎn)生破壞；另一方面要密切關(guān)注圍巖的性質(zhì)，防止長時(shí)間處于暴露狀態(tài)出現(xiàn)劣化。與此同時(shí)，隧道開挖環(huán)節(jié)應(yīng)建立一個(gè)具有良好受體條件的洞室。通常，經(jīng)過開挖洞室?guī)r體會(huì)發(fā)生輕微變形，這些都是正常的，可以重新分配巖體應(yīng)力。將開挖面作為整體，巖體應(yīng)力上均勻分散圓形空洞，維持應(yīng)力平衡，能夠?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)起到良好的支撐作用。在這個(gè)過程中需要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測，避免出現(xiàn)變形。圍巖變形嚴(yán)重或出現(xiàn)過度松弛都會(huì)在一定程度上影響圍巖的承載能力。初步支護(hù)構(gòu)件主要包括拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等，將初步支護(hù)緊貼于圍巖表面，能夠形成一個(gè)強(qiáng)有力的圍巖-支護(hù)系統(tǒng)，使得兩者處于共同變形狀態(tài)，對圍巖巖體應(yīng)力進(jìn)行重新分配，在保障支護(hù)體系安全性的同時(shí)，能夠?qū)鷰r風(fēng)化起到抑制作用，并實(shí)現(xiàn)對變形及受力的有效控制。完成上述環(huán)節(jié)后，對巖體應(yīng)力予以監(jiān)測，確保其達(dá)到平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行二次襯砌，將巖體完全封閉。需要注意的是，二次襯砌目的是承受部分受力，起到美觀作用，并不能夠作為隧道受力結(jié)構(gòu)承載物。新奧法施工流程如圖1所示。

2 新奧法施工特點(diǎn)及適用范圍

2.1 新奧法施工特點(diǎn)

經(jīng)過多年的實(shí)踐應(yīng)用，新奧法施工技術(shù)趨于成熟，適用范圍越來越廣，最為突出的兩大特點(diǎn)是支護(hù)的及時(shí)性與有效性。新奧法技術(shù)下，支護(hù)能夠確保圍巖具有較好的封閉性。另外，支護(hù)結(jié)構(gòu)具有柔性特點(diǎn)，能夠在保障工期的基礎(chǔ)上，確保施工質(zhì)量，減少施工成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。復(fù)合式襯砌是新奧法施工的核心技術(shù)，采用內(nèi)外兩層先后施工的方法，完成隧道開挖后，先針對外層進(jìn)行噴錨支護(hù)，初期支護(hù)通常允許圍巖有輕微變形，但不得過度松動(dòng)壓力，會(huì)變形嚴(yán)重。當(dāng)圍巖變形處于穩(wěn)定狀態(tài)后，再實(shí)施內(nèi)層襯砌，也可以稱作二次襯砌。為確保新奧法施工的精準(zhǔn)性，需要加強(qiáng)對施工現(xiàn)場的監(jiān)測。即在隧道開挖環(huán)節(jié)，采用各類量測儀表及工具等監(jiān)測圍巖變化情況，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，以便為圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性提供參考依據(jù)?，F(xiàn)場監(jiān)測能夠幫助施工者及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患及險(xiǎn)情，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對支護(hù)設(shè)計(jì)作出相應(yīng)的調(diào)整，并對二次襯砌時(shí)間進(jìn)行確定。

2.2 新奧法適用范圍

近年來，新奧法技術(shù)不斷發(fā)展，其適用范圍也逐漸擴(kuò)大，在中等巖體、礫石、不穩(wěn)定礫巖以及強(qiáng)風(fēng)化巖石等施工中均具有極強(qiáng)的適用性。一般來說，新奧法施工隧道適用于穩(wěn)定地層，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、施工機(jī)具條件，盡量采用對圍巖擾動(dòng)少的支護(hù)方法。當(dāng)采用鉆爆法開挖巖石地層時(shí)，應(yīng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)，盡量減少欠挖、超挖。淺埋暗挖法適用于軟弱圍巖地層，通常為第四紀(jì)軟弱地層，適用于城市管網(wǎng)、地下構(gòu)筑物大型崆峒。以改造地質(zhì)條件為前提，以控制地表沉降為重點(diǎn)，按照“十八字”原則進(jìn)行施工。其適用條件為：①不允許帶水作業(yè)；②開挖面具有一定的自立性和穩(wěn)定性。

3 新奧法施工技術(shù)在鐵路隧道施工中的具體應(yīng)用

3.1 工程概況

大瑞鐵路全長約330 km，東起云南省大理市，西至中緬邊境瑞麗市，是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中完善路網(wǎng)布局和西部開發(fā)重要項(xiàng)目之一。鐵路自大理沿西洱河右岸而下，跨漾濞江、銀江、瀾滄江，穿大柱山后至保山市，再經(jīng)怒江、高黎貢山，終到瑞麗。建成通車后，大理至瑞麗的旅行時(shí)間將由現(xiàn)在約7個(gè)小時(shí)縮短至約3個(gè)小時(shí)，這對促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，提升云南對外開放水平，推動(dòng)我國與南亞、東南亞國家的交流合作具有深遠(yuǎn)意義。截至目前，大瑞鐵路全線44座隧道已經(jīng)貫通了29座;大理至保山段，路基工程已經(jīng)完成90%，橋梁工程已完成84%;保山至瑞麗段，路基工程已經(jīng)完成81%，橋梁工程已經(jīng)完成75%，復(fù)工復(fù)產(chǎn)以來，全線橋梁路基隧道工程已完成計(jì)劃的105%。大柱山隧道全長14 484 m、地處橫斷山脈，瀾滄江畔。

3.2 施工方案

結(jié)合該鐵路隧道實(shí)際情況，施工時(shí)宜采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的方案，盡可能減少對圍巖的擾動(dòng)。選擇超前錨桿或超前小導(dǎo)管的方式進(jìn)行新奧法施工，并與鋼筋網(wǎng)片相結(jié)合，相互協(xié)調(diào)、配合，達(dá)到相應(yīng)的效果。施工所用設(shè)備型號如表1所示。圍巖作為整個(gè)施工的承載體，緊貼圍巖構(gòu)建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，承受施工壓力的同時(shí)，維持圍巖整體穩(wěn)定性，防止對圍巖產(chǎn)生松動(dòng)、破壞等。在新奧法支持下，由錨桿與鋼筋網(wǎng)片形成一個(gè)具有極強(qiáng)性能的維護(hù)支護(hù)系統(tǒng)，有利于提升圍巖承載力。

表1 新奧法施工設(shè)備型號

3.3 施工準(zhǔn)備

為確保施工的順利進(jìn)行，施工前首先應(yīng)做好三方面準(zhǔn)備工作：(1)技術(shù)準(zhǔn)備。在施工前要對隧道工程施工圖紙進(jìn)行反復(fù)審查，確保準(zhǔn)確無誤后，對施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，主要包括隧道開挖施工、支護(hù)、襯砌等施工要點(diǎn)。與此同時(shí)，考察施工作業(yè)現(xiàn)場、復(fù)測導(dǎo)線、檢查導(dǎo)線點(diǎn)以及水準(zhǔn)點(diǎn)的加密情況，對施工現(xiàn)場方向進(jìn)行控制測量，明確高程控制測量。(2)現(xiàn)場準(zhǔn)備。施工現(xiàn)場涉及到通電、通水、施工便道修筑等工作，需要構(gòu)建一個(gè)平整的施工作業(yè)場地。根據(jù)隧道工程實(shí)際安裝拌合站，為強(qiáng)化施工現(xiàn)場作業(yè)管理，需要建立安全管理小組，實(shí)現(xiàn)對施工的安全管理。(3)機(jī)械設(shè)備與材料準(zhǔn)備。設(shè)備及材料種類、數(shù)量以及規(guī)格等都是按照隧道工程施工要求采購并運(yùn)送到施工現(xiàn)場。除此之外，還要準(zhǔn)備施工中必需的水泥、鋼筋、小導(dǎo)管、防水板等常用的施工材料。

3.4 施工要點(diǎn)

3.4.1 支護(hù)施工

開挖作業(yè)使得隧道圍巖應(yīng)力被重新分布，必須通過有效的支護(hù)確保結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并對圍巖實(shí)施加固處理，一旦發(fā)生變形或位移能夠產(chǎn)生共模效應(yīng)，建立受力環(huán)區(qū)域，控制圍巖位移速度在合理范圍，防止松動(dòng)。其施工應(yīng)用如下：(1)噴射混凝土。針對II、III圍巖，一般應(yīng)用素噴，作業(yè)前先對噴射面予以高壓風(fēng)水槍沖洗，為作業(yè)區(qū)域提供良好的照明視野，確保通風(fēng)良好。開展噴射作業(yè)時(shí)應(yīng)采用分段、分塊的方式，遵循由下到上、先墻體后拱的作業(yè)原則。分層噴射需要前層混凝土完全終凝，控制好噴層厚度，然后再進(jìn)行二次噴射。(2)鋼筋網(wǎng)片組成作業(yè)。對錨桿的使用不做時(shí)間限制，可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行排距以及錨桿布置。在對系統(tǒng)錨桿進(jìn)行施工時(shí)，首先應(yīng)明確施工時(shí)間，做好排距。布置鋼筋網(wǎng)時(shí)，要使其與巖面緊貼，并與錨桿端頭進(jìn)行焊接，形成一個(gè)蜘蛛網(wǎng)狀，混凝土噴射厚度宜8 cm～10 cm。(3)柔性結(jié)構(gòu)。為防止出現(xiàn)變形、擾曲斷裂等情況，一般在圍巖支護(hù)中采用的是薄型柔性結(jié)構(gòu)，其能夠在一定程度上提升圍巖韌性。巖石軟硬程度不同，其施工也存在明顯的差異性。一般軟巖隧道與地表距離近，荷載承受力差，受覆蓋土重力作用的影響，圍巖變形控制相對困難。而柔性結(jié)構(gòu)則能夠避免釋放過度，能夠預(yù)防坍塌事件的發(fā)生。

3.4.2 洞口、洞身開挖

新奧法施工應(yīng)堅(jiān)持及早封閉成環(huán)的原則，防止變形，完成開挖后應(yīng)立即進(jìn)行初噴混凝土施工，初期支護(hù)應(yīng)控制在12 h。為了降低對圍巖的擾動(dòng)，宜采用光面爆破的方法，盡可能減少超挖量，降低施工對圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)，以提升圍巖的承受能力。需要注意的是，每完成一次洞口及明洞開挖，就要立即完成初噴混凝土操作，還要安裝錨桿、掛網(wǎng)，對混凝土進(jìn)行復(fù)噴，與設(shè)計(jì)厚度相一致。在施工排水環(huán)節(jié)，要將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建為一個(gè)整體，整體性變形對于維持圍巖穩(wěn)定性及洞口安全性有著重要的作用。洞身開挖應(yīng)在洞口超前支護(hù)完成后進(jìn)行，采用臺階法對洞身段III類圍巖予以施工，常見施工方法包括三臺階法、三臺階臨時(shí)仰拱法。三臺階臨時(shí)仰拱適用于V類圍巖。需要注意的是，圍巖初期支護(hù)宜采用錨噴法，拱墻進(jìn)行一次襯砌。

3.4.3 二次襯砌

完成圍巖與初期支護(hù)后，確保變形穩(wěn)定后再進(jìn)行二次襯砌操作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控量測，當(dāng)位移率減緩時(shí)進(jìn)行。若圍巖破碎、淺埋段則應(yīng)盡早進(jìn)行二次襯砌。大部分情況下，圍巖及初期支護(hù)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)后便可以進(jìn)行二次襯砌操作。對變形是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷時(shí)，可以參照如下標(biāo)準(zhǔn)：①隧道周邊變形逐漸緩和，速度呈現(xiàn)降低趨勢；②水平收斂<0.2 mm/d，拱頂下沉速度<15 mm/d；③二次襯砌前累積為宜達(dá)到相對極限值80%以上；④已經(jīng)完成的初期支護(hù)，表面裂縫不會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

3.4.4 鋼架施工

通常，新奧法施工對于鋼架與圍巖施工很少有明確安排。拱部鋼架穩(wěn)定性差，將廢渣清除后，鋼架會(huì)降低，針對明顯下沉，一般采用石塊予以支墊，然后焊接鋼架與錨桿，此時(shí)鋼架與圍巖之間會(huì)形成間隙。通常，洞室開挖后，軟弱圍巖應(yīng)力會(huì)被重新分布，在洞室周邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)塑性區(qū)，朝向坑道位置進(jìn)行位移。隨著塑性區(qū)的擴(kuò)大發(fā)生破壞。開挖后及時(shí)進(jìn)行噴混凝土、錨桿等支護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對圍巖變形的控制。在柔性支護(hù)條件下，鋼架承擔(dān)了部分支撐作用，鋼架與圍巖的大間隙若處理不及時(shí)，未能予以阻擋，會(huì)降低圍巖承載力，存在坍塌等安全隱患。因此，可以通過預(yù)留變形量解決上述問題。

3.4.5 砂漿錨桿

砂漿錨桿主要用于對松弛區(qū)擴(kuò)大的控制，其不僅能夠完成懸吊、擠壓等操作，而且具有鎖腳作用，有利于發(fā)揮圍巖的支護(hù)能力，但是必須保障錨桿施工長度足以順利穿過應(yīng)力松弛區(qū)，且密度足夠。砂漿錨桿與土體有著良好的粘著力，可以設(shè)計(jì)砂漿錨桿，在提升圍巖支護(hù)能力的同時(shí)，確保施工安全。

3.4.6 監(jiān)控量測

新奧法施工質(zhì)量離不開嚴(yán)格的質(zhì)量把握，必須加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測，把控好隧道穩(wěn)定性與安全性。針對圍巖不穩(wěn)定問題，要積極采用支護(hù)措施，對于穩(wěn)定性較好的圍巖則要積極做好預(yù)防工作，強(qiáng)化加固效果。初次噴射完成后，要監(jiān)測噴層變形。初期支護(hù)后，圍巖變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以組織進(jìn)行二次襯砌。結(jié)合地質(zhì)考察結(jié)果進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，加強(qiáng)質(zhì)量把控。

4結(jié)語

新奧法施工技術(shù)在鐵路隧道施工中應(yīng)用廣泛，采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工，可以利用開挖施工面的時(shí)空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，防止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時(shí)性和有效性。在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。結(jié)合工程實(shí)例探究了新奧法施工要點(diǎn)，對于保障鐵路隧道施工進(jìn)度、施工質(zhì)量有著重要的借鑒意義。應(yīng)加強(qiáng)對新奧法施工的安全性控制，推動(dòng)鐵路機(jī)械化施工作業(yè)高效完成。