成昆鐵路興隆山隧道施工方案淺析★

楊盼盼

(中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅 蘭州 730030)

新奧法的特點(diǎn)是通過錨桿和混凝土結(jié)合的方式加固圍巖，將圍巖視作支護(hù)體系的一部分，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力[1]。興隆山隧道的施工方案就以新奧法為基礎(chǔ)進(jìn)行組織設(shè)計(jì)。同為新奧法施工，但從現(xiàn)行隧道開挖案例中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多隧道施工現(xiàn)場對于施工信息收集反饋方面的工作有所欠缺，興隆山隧道在組織施工設(shè)計(jì)時(shí)特別注重信息收集反饋方面工作，其工作主要包括兩大方面，通過測量手段及時(shí)監(jiān)測圍巖的變形和松弛對后續(xù)的工程施作給予反饋[2]；通過綜合應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測手段預(yù)測圍巖和掌子面的地質(zhì)信息情況，有效的降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率和規(guī)模[3]。本文基于新奧法原理和信息反饋兩方面對興隆山隧道施工方案進(jìn)行分析。

1 工程概況

興隆山隧道是成昆鐵路的擴(kuò)能工程，位于四川涼山冕寧縣境內(nèi)。隧道全長1 923 m，里程起DK387+657～DK385+734。隧道最大埋深312 m。隧道為單洞雙線，線路設(shè)計(jì)為單面縱坡，坡度為12‰。隧道圍巖級別隨線路變化，DK385+734～DK386+414段Ⅲ級圍巖總計(jì)680 m，DK386+414～DK386+644為Ⅳ級圍巖總計(jì)230 m，DK386+644～DK387+657為Ⅴ級圍巖總計(jì)1 023 m。隧道依傍安寧河，地下水豐富多儲。隧道線路段所處地貌大致分為構(gòu)造剝蝕中高山和河谷階地兩地貌。隧道覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)粘土，下伏基巖為第三疊系花崗巖。前期地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)隧道里程DK385+806～DK385+856段水文地質(zhì)條件較差，容易出現(xiàn)地質(zhì)問題。

2 施工設(shè)計(jì)方案

隧道洞口、洞門的施工方案依照現(xiàn)場情況和規(guī)范進(jìn)行組織設(shè)計(jì)，明洞和洞身的開挖方案設(shè)計(jì)依照新奧法施工組織原理，采用光面爆破、錨噴支護(hù)、按照少擾動(dòng)、勤支護(hù)、早測量進(jìn)行。將監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段作為隧道信息收集反饋的施工工序。

2.1 洞口與洞門施工

洞口施工首先要作好洞頂和邊坡的截排水工作，邊坡施工同時(shí)要做好防護(hù)和監(jiān)測工作，注意邊坡過量形變發(fā)生坍塌的隱患，對存有位移發(fā)生可能的石頭要及時(shí)清理，高邊坡的石方開挖應(yīng)采用弱爆破的方法減少擾動(dòng)，坡度削減時(shí)由上至下逐次土石方挖除，擾動(dòng)后的坡面要盡早的進(jìn)行錨噴支護(hù)。

洞門施工，斜切類整體式洞門施作方法采用整體澆筑法；端墻類洞門采取分布施工，先施作洞門端墻再施作洞門翼墻；對于洞門的附屬工程，需要等洞門主體結(jié)構(gòu)的混凝土凝結(jié)硬化、養(yǎng)護(hù)到規(guī)范強(qiáng)度后再進(jìn)行施作。

2.2 明洞施工及洞身開挖

明洞墻頂起坡防護(hù)采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土防護(hù)。明洞襯砌施工方式，縱向由洞內(nèi)向洞外進(jìn)行施工，豎向由下部向上部模筑施工，先完成仰拱回填及仰拱、墻腳的模筑，之后完成邊墻、拱部模筑。模筑方式：下部構(gòu)件(仰拱、墻腳)采用人工立模和組合鋼模澆筑的方式；上部構(gòu)件(邊墻、拱部)采用模板臺車澆筑，澆筑時(shí)注意兩側(cè)平行施工。施工時(shí)要保證明洞襯砌、端墻、洞門之間的整體性，三者間的連接位置要預(yù)留鋼筋。

合理的鉆爆參數(shù)選定是洞身開挖首要確定的，并需要在施工的過程中不斷的優(yōu)化。通過調(diào)整選取合理的爆破參數(shù)，最大限度的減少爆破對圍巖的擾動(dòng)，又同時(shí)能滿足隧道開挖斷面的需要。除了調(diào)整爆破參數(shù)優(yōu)化開挖方式，本隧道根據(jù)不同的圍巖級別，采取不同的開挖方法，如表1所示。

表1 不同圍巖開挖方法

2.3 復(fù)合襯砌施工及防水措施

復(fù)合式襯砌主要構(gòu)成包括三方面：初期支護(hù)、防水隔離層和二次襯砌。本隧道復(fù)合式襯砌施工工序如下：

超前支護(hù)→掌子面開挖→初噴混凝土→系統(tǒng)支護(hù)→復(fù)噴混凝土→施作防水層→襯砌臺車定位→安裝止水帶及端頭擋板→泵送混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→臺車移位→模板清洗→下循環(huán)復(fù)合襯砌施工。

初期支護(hù)按照前后順序可分為超前支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)。對于超前支護(hù)方案：1)Ⅲ級圍巖地段采取超前錨桿；2)對于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段綜合利用長管棚或超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。系統(tǒng)支護(hù)在掌子面開挖完成以后進(jìn)行，圍巖穩(wěn)定性較差地段掌子面開挖完成以后要盡早的完成圍巖封閉，采用的方法為掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土。完成掌子面封閉以后進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，圍巖穩(wěn)定的地段系統(tǒng)支護(hù)主要采取鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、砂漿錨桿或組合中空錨桿組合施作，圍巖性質(zhì)較差地段可再加Ⅰ20b型鋼鋼架進(jìn)行加固。完成初期支護(hù)以后，安裝防水層進(jìn)行二襯結(jié)構(gòu)施工，其結(jié)構(gòu)主要包括兩方面曲墻和仰拱，其模筑施工方式采用二襯臺車進(jìn)行。施工時(shí)首先完成襯砌臺車的定位，之后安裝止水帶及端頭擋板，完成以后調(diào)運(yùn)混凝土使用地泵運(yùn)送澆筑入模，待襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度二襯施工方可進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。

防排水問題按照“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則解決。隧道防水以復(fù)合式襯砌自防水為主體，要達(dá)到防水可靠，經(jīng)濟(jì)合理[1]。對于二襯使用的混凝土，普通地段抗?jié)B等級要大于P10；地下水豐富或有侵性的地段抗?jié)B等級要大于P12。圍巖過量富水地段，因襯砌背后水壓過必須采取排的方式，設(shè)置環(huán)向和縱向的盲管進(jìn)行引流泄壓，縱向和環(huán)向盲管按10 m一環(huán)計(jì)列數(shù)量。隧道向外排水方式，洞內(nèi)兩側(cè)設(shè)置側(cè)溝，便于收集圍巖滲流水、盲管排水、襯砌養(yǎng)護(hù)及其他施工留下的多余用水；除設(shè)置側(cè)溝外，洞內(nèi)中心要設(shè)置中心水溝，以便側(cè)溝收集的水通過管道排至中心水溝，再排至隧道外。側(cè)溝和中心水溝之間每隔30 m布設(shè)φ100 mm PVC管進(jìn)行連接。對于用無砟道床板與側(cè)溝壁之間的水采用φ100 mm PVC管引至中心水溝，縱向每隔100 m設(shè)置一道。隧道結(jié)構(gòu)的三縫防水使用堵的方式，一般用橡膠止水帶和排水板組合方式，必要時(shí)還可添加使用聚乙烯泡沫塑料板及雙組分聚硫密封膏嵌縫。隧道洞口及邊坡的防排水使用截的方式，在洞口、邊坡5 m～10 m之外設(shè)置截水溝對自然降水和地上水進(jìn)行截流收集引排至安全區(qū)域，從而保證洞口和邊坡的穩(wěn)定不受水環(huán)境影響。

2.4 監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道的圍巖變化和水文地質(zhì)情況對后續(xù)的施工都有極大的影響，施工中應(yīng)將隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖監(jiān)控信息納入動(dòng)態(tài)管理，將其視為隧道施工的必要工序。關(guān)于興隆山隧道監(jiān)控測量方案設(shè)計(jì)如下，監(jiān)控量測可分為拱頂沉降和水平收斂測量兩項(xiàng)[4]。隧道開挖完成以后,應(yīng)盡快完成監(jiān)控點(diǎn)標(biāo)識布設(shè)，一般小于12 h。測點(diǎn)布設(shè)以后按時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。測量斷面依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范布置，如圖1所示。拱頂?shù)某两禍y點(diǎn)、水平收斂點(diǎn)布置在一個(gè)斷面上，誤差小于30 mm[5]。

根據(jù)現(xiàn)場的施工情況，觀測標(biāo)必須按照規(guī)范進(jìn)行埋置，觀測標(biāo)的埋置示意圖如圖2所示。為了避免爆破產(chǎn)生的飛石對觀測標(biāo)產(chǎn)生影響，選擇直徑22 mm的鋼筋，觀測標(biāo)探出初支混凝土距離小于10 cm。觀測標(biāo)深入基巖的深度應(yīng)大于20 cm。觀測標(biāo)的組成5 cm×5 cm鋼板、4 cm×4 cm反光片、直徑22 mm的鋼筋。安裝后的觀測標(biāo)應(yīng)避免施工干擾，如懸掛電線、水管等。噴射混凝土的時(shí)候應(yīng)對觀測標(biāo)進(jìn)行包裹，避免水泥對其覆蓋，在噴射完成以后將反光貼片粘貼在鋼板上。并提醒施作人員和機(jī)械手對觀測標(biāo)進(jìn)行保護(hù)。

隧道的監(jiān)控測量方法以拱頂監(jiān)控測量為例細(xì)述：拱頂?shù)南鲁帘O(jiān)控T1時(shí)間對測點(diǎn)測量3次取其平均值H1，T2時(shí)間測點(diǎn)在測3次取其平均值H2，然后將兩次高程相減除以兩次測量之間的時(shí)間間隔，公式如下：

(1)

(2)

ΔH=H1-H2

(3)

v(t)=ΔH/Δt(Δt=T2-T1)

(4)

(5)

對于地質(zhì)信息預(yù)測收集工序，如表2所示。除此以外，對于穿越不良地質(zhì)帶的線路段隧道，由于圍巖性質(zhì)惡化嚴(yán)重，突水突泥風(fēng)險(xiǎn)概率增大，根據(jù)現(xiàn)場情況加密超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。另外現(xiàn)場的技術(shù)人員要保證掌子面每次開挖后都要及時(shí)的進(jìn)行地質(zhì)素描。

表2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)計(jì)劃表

3 施工存在的問題及方案調(diào)整

3.1 超前小導(dǎo)管注漿問題及施工方案調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)場小導(dǎo)管注漿施工情況反饋出現(xiàn)了如下問題：1)頂管問題，小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)時(shí)施工首要步驟是用風(fēng)鉆在圍巖上形成導(dǎo)孔，再借助風(fēng)鎬或風(fēng)鉆將注漿的鋼管頂入，而對于DK385+806～DK385+856段興隆山隧道地質(zhì)情況，受圍巖風(fēng)化的影響，風(fēng)鉆成孔困難，施工鉆孔時(shí)孔深大于4 m時(shí)塌孔現(xiàn)象普遍。2)孔口止?jié){問題，注漿孔采用風(fēng)鉆成孔帶來的問題是孔口止?jié){效果較差，注漿的壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，注漿量小漿液的擴(kuò)散不理想。3)小導(dǎo)管角度控制問題，由于風(fēng)鉆作業(yè)面狹窄及人工控制偏差的原因?qū)е滦?dǎo)管插入圍巖的角度的控制效果不好。小導(dǎo)管的數(shù)量多作業(yè)時(shí)間占比隧道開挖循環(huán)時(shí)間比較大，出現(xiàn)問題對施工進(jìn)度負(fù)面影響較大。根據(jù)現(xiàn)場超前小導(dǎo)管注漿加固問題信息反饋，調(diào)整后的參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化后的小導(dǎo)管注漿參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)小導(dǎo)管長度3.6 m較為合理，塌孔問題不再普遍發(fā)生。在注漿壓力方面，首要解決孔口止?jié){問題，注漿前用C25噴射混凝土對開挖面封閉，噴射厚度大于10 cm，同時(shí)在注漿孔安裝橡膠止?jié){密閉閥，注漿材料選用P.O42.5純水泥漿，水灰比和水玻璃摻量見表3。注漿壓力的范圍在1.2 MPa左右，終壓持續(xù)時(shí)間大于3 min。對于小導(dǎo)管安裝角度問題多為工人施作原因，需要現(xiàn)場技術(shù)人員勤測量勤指導(dǎo)對現(xiàn)場導(dǎo)管施工作業(yè)進(jìn)行監(jiān)督。

3.2 突泥地段施工方案調(diào)整

在進(jìn)入DK385+806里程之后時(shí)有突水突泥現(xiàn)象的發(fā)生，此里程以后加密使用地質(zhì)超前預(yù)測，地質(zhì)信息預(yù)測DK385+816～DK385+836里程段突泥現(xiàn)象可能加重，里程DK385+836～DK385+856之間突水突泥現(xiàn)象會逐漸減緩。根據(jù)地質(zhì)超前采集的信息和DK385+806掌子面現(xiàn)場狀況對超前支護(hù)方案進(jìn)行修改，采用管棚預(yù)支護(hù)及小導(dǎo)管注漿的方法對突泥的問題進(jìn)行解決。

1)初期支護(hù)加強(qiáng)，在DK385+806～DK385+856段的圍巖采用格柵嵌補(bǔ)Ⅰ20b型鋼鋼架對支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。掌子面掛上鋼筋網(wǎng)之后噴射10 cm左右的混凝土進(jìn)行封閉，也為后期的注漿做準(zhǔn)備。

2)護(hù)拱安裝，根據(jù)地質(zhì)預(yù)測信息管棚的起始里程為DK385+816，先在DK385+816～819段架設(shè)護(hù)拱，護(hù)拱鋼架由6榀Ⅰ20b型鋼組成，Ⅰ20b型鋼之間的距離為0.5 m。為防止施作管棚時(shí)影響后期二襯施工，噴射混凝土之前應(yīng)預(yù)留足夠空間，空間不足時(shí)應(yīng)鑿出部分初支混凝土，也為后續(xù)施工作業(yè)提供充分的工作面。在護(hù)拱架安裝就位后安裝棚管導(dǎo)向管，護(hù)拱與導(dǎo)向管布置圖如圖3所示。導(dǎo)向管直徑108 mm，管棚設(shè)計(jì)長度30 m，保證其穿出突泥體進(jìn)入穩(wěn)定圍巖有一定的安全長度，管棚材料選用無縫鋼管，直徑89 mm，厚6 mm，設(shè)計(jì)仰角5°，導(dǎo)向管之間的間距0.5 m。關(guān)于護(hù)拱與導(dǎo)管的布置示意圖見圖3。

3)鉆孔時(shí)，引孔方法采取鉆桿上套沖擊鉆的方法，引孔完成以后采用無水鉆進(jìn)方法，在鋼管上安裝硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆孔中要保護(hù)好巖芯及時(shí)取樣調(diào)查，可以為后續(xù)隧道開挖提供超前地質(zhì)信息。

4)注漿加固時(shí)，將注漿鋼管插入管棚鋼管壁的預(yù)留孔。注漿前可以在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠以保證鋼管的剛度和強(qiáng)度，注漿時(shí)特別注意的是要保證注漿管和巖層之間要緊固連在一起。

根據(jù)突泥體工況，對超前小導(dǎo)管注漿方案又進(jìn)一步優(yōu)化。

1)注漿在圍巖中的擴(kuò)散半徑根據(jù)原設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)地質(zhì)條件重新調(diào)整，保證相鄰導(dǎo)管間的注漿范圍有疊壓區(qū)間，小導(dǎo)管布置參數(shù)調(diào)整如下，施工間距按照環(huán)向25 cm、縱向1.5 m進(jìn)行控制。

2)調(diào)查現(xiàn)場突泥體的狀況，天然含水量達(dá)到了45%，滲透系數(shù)小于10-8m/s，通過現(xiàn)場證明采用高壓劈裂注漿的加固方法高效可行，注漿后經(jīng)凝結(jié)硬化水泥和粘泥之間形成相對穩(wěn)定的膠石結(jié)合體。高壓劈裂注漿過程中特別要注意漿液損失和漿液凝固時(shí)間。同時(shí)要保證注漿過程壓力從初壓、工作壓和終壓滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)現(xiàn)場的實(shí)踐和查閱資料注漿壓力參數(shù)修改為初壓0.7 MPa左右，工作壓力在1.6 MPa左右，終壓在3.5 MPa左右。

3)注漿材料選用P.O42.5水泥，因?yàn)樗淼腊橛猩倭坑克F(xiàn)象，適當(dāng)提高水玻璃比例，具體比例根據(jù)現(xiàn)場注漿情況進(jìn)行調(diào)控，注漿的過程按照先稀后稠的原則，漿液水灰比采用0.5∶1，當(dāng)有嚴(yán)重失漿的情況出現(xiàn)可以適當(dāng)?shù)奶砑铀倌齽┰跐{液中。

4 結(jié)語

隧道的新奧法施工雖已在我國隧道施工中處于普及的狀態(tài)，但在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下如何極大的發(fā)揮新奧法的施工特點(diǎn)，保證圍巖的穩(wěn)定性，新奧法還需要優(yōu)化。隧道最大施工特點(diǎn)是前方地質(zhì)狀況處于盲區(qū)，工程問題出現(xiàn)大部分地點(diǎn)也集中在開挖面，因此隧道的穩(wěn)定性除了要控制初支和襯砌的施工質(zhì)量，還要對開挖施工動(dòng)態(tài)、圍巖變化信息高效收集，并快速反饋于后續(xù)施工作業(yè)。本隧道的施工注重施工信息收集和反饋，通過監(jiān)控測量、超前地質(zhì)手段高效收集圍巖變化信息，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)場小導(dǎo)管超前注漿的問題以及預(yù)判DK385+816～DK385+836突泥、突水概率變高問題。通過信息反饋收集發(fā)現(xiàn)和預(yù)判問題，通過方案整改優(yōu)化小導(dǎo)管注漿參數(shù)、重新制定突泥地段施工方案，使用管棚預(yù)支護(hù)及小導(dǎo)管注漿的方法避免了突泥、突水問題發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。通過興隆山隧道施工方案調(diào)整案例，反映了隧道施工信息收集反饋處理在新奧法隧道施工中的重要性，能有效的發(fā)現(xiàn)解決隧道開挖時(shí)出現(xiàn)的問題和潛在的問題，保證施工安全和進(jìn)度。