黃土不良地質(zhì)下鐵路隧道的開挖及支護(hù)

李秋芳

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引言

黃土不良地質(zhì)具有濕陷特性，正常的鐵路隧道施工方法，難以保障施工質(zhì)量及安全性。開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是黃土鐵路隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)特性有充分的認(rèn)識(shí)和了解。鑒于此，施工單位需要切實(shí)做好地質(zhì)勘探工作，并立足黃土不良地質(zhì)的特點(diǎn)，選擇合適的開挖方法，同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，保證黃土不良地質(zhì)施工段的施工任務(wù)能夠順利完成。因而，開展黃土不良地質(zhì)下鐵路隧道的開挖及支護(hù)的分析研究，具有一定的意義。

1 工程概述

本工程隧道進(jìn)口(DK292+002)～(DK292+130)段128 m和出口(DK292+940)～(DK293+139.98)段199.98 m穿越地層巖性為第4系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)砂質(zhì)新黃土，具有濕陷性。根據(jù)臨近工點(diǎn)車新莊大橋資料，濕陷系數(shù)δs=0.016～0.030，為Ⅰ級(jí)(輕微)非自重濕陷性場地。根據(jù)鉆孔13-SND-687(DK292+450) 土壤含鹽量分析報(bào)告結(jié)果，環(huán)境土不具侵蝕性。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

由于本工程施工中穿越了黃土不良地質(zhì)，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，需針對(duì)不同段落里程采取與之相適的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，才能保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為后期鐵路隧道開挖和支護(hù)提供必要的參考和指導(dǎo)。例如：本工程(DK292+002)～(DK292+276)段，長度為274 m，地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等，采用掌子面素描和地質(zhì)調(diào)查就能滿足要求；而(DK292+276)～(DK292+955)段，長度為679 m，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，采用掌子面素描、加深炮孔、TSP、地質(zhì)調(diào)查等相互結(jié)合的方法，才能有效保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

3 黃土不良地質(zhì)下鐵路隧道開挖要點(diǎn)

3.1 洞口開挖

在洞口開挖之前，需要通過測量放線，確定洞口開挖的邊線，明確開挖范圍，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)選擇開挖方法。本工程洞口開挖時(shí)選擇了從上到下分層明挖的方法。其中洞口表層土比較松軟，為提升施工效率，擬采用機(jī)械開挖的方法。在硬質(zhì)巖和機(jī)械開挖難度大的區(qū)域，采取松動(dòng)爆破開挖方法，尤其是土方和風(fēng)化軟巖邊仰坡上需要預(yù)留出二次開挖層，選擇人工和機(jī)械設(shè)備相互聯(lián)合的方法進(jìn)行開挖，石方可預(yù)留出二次光面爆破層，以保證洞口邊坡和仰坡的平順性及穩(wěn)定性，為后期進(jìn)洞施工營造良好的環(huán)境。

3.2 洞內(nèi)開挖

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法適用于雙線隧道Ⅴ級(jí)圍巖黃土不良地質(zhì)施工中，具體的施工工序?yàn)椋孩傧壤蒙弦谎h(huán)架設(shè)的鋼架施作隧道超前支護(hù)，開挖上部臺(tái)階(含大拱腳)；②施作上臺(tái)階支護(hù)(含大拱腳)，同時(shí)施作臨時(shí)仰拱，開挖中臺(tái)階(含大拱腳)；③施作中臺(tái)階兩側(cè)初期支護(hù)(含大拱腳)，開挖下臺(tái)階；④施作下臺(tái)階兩側(cè)初期支護(hù)，開挖仰拱。仰拱開挖結(jié)束之后及時(shí)跟進(jìn)初期支護(hù)，進(jìn)行仰拱填充，做好測量結(jié)果分析。初期支護(hù)完成收斂之后，利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌注二次襯砌。

三臺(tái)階法適用于雙線隧道Ⅳ級(jí)圍巖地段施工中，在黃土不良地質(zhì)開挖中需要預(yù)留出核心土，具體的施工工序?yàn)椋孩倮蒙弦谎h(huán)架設(shè)的鋼架來施作鐵路隧道超前支護(hù)，開挖上臺(tái)階；②施作上臺(tái)階初期支護(hù)，進(jìn)行中臺(tái)階開挖；③施作隧道兩側(cè)的初期支護(hù)，開挖下臺(tái)階；④施作下臺(tái)階兩側(cè)初期支護(hù)，開挖仰拱，填充仰拱，做好量測結(jié)果分析，完成初期支護(hù)收斂之后，采用襯砌模板臺(tái)車進(jìn)行一次性灌注二次襯砌施工[1]。本工程隧道圍巖等級(jí)及開挖方法見表1。

表1 隧道圍巖等級(jí)及開挖方法

3.3 爆破開挖

案例工程施工的部分地段穿越了砂巖、泥巖等，硬度較大，機(jī)械和人工開挖效率低，因而采用了鉆眼爆破開挖方法。通過測量放線，確定鐵路隧道開挖輪廓線、周邊眼、掏槽眼、輔助眼等，充分利用隧道開挖斷面量測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，按照超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定的地質(zhì)條件調(diào)整爆破參數(shù)，以保證爆破效果。嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，并保證炸藥能夠沿著孔深均勻布置。在本工程爆破開挖中，裝藥結(jié)構(gòu)選擇了不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，其裝藥系數(shù)為1.4～2.0，選擇2#巖石乳化炸藥，采用塑料導(dǎo)爆管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)電起爆[2]。

4 黃土不良地質(zhì)下鐵路隧道支護(hù)施工要點(diǎn)

4.1 洞口支護(hù)

臨時(shí)開挖的仰坡和明暗洞分界位置采用噴錨方法進(jìn)行支護(hù)。隧道洞口大管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 隧道洞口大管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

錨桿的規(guī)格為：Ф22 mm砂漿錨桿，L=4.0 m，@1.5 m×1.5 m，錨桿布置呈梅花形，并噴射15 cm厚的C25混凝土；鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為：Ф8 mm，網(wǎng)格25 cm×25 cm。鐵路隧道進(jìn)口處的永久仰坡支護(hù)采取框架錨桿支護(hù)的方法，其余洞口永久邊仰坡采用骨架防護(hù)。

4.2 內(nèi)部支護(hù)

隧道內(nèi)部初期支護(hù)采用濕噴混凝土工藝，利用鎖腳錨管進(jìn)行內(nèi)部支護(hù)，隧道內(nèi)部支護(hù)選Ф76 mm鎖腳錨管，每處2根，t=5 mm，L=6.0 m?；炷猎谒淼劳饷婕邪韬秃弥筮\(yùn)輸?shù)匠跗谥ёo(hù)現(xiàn)場進(jìn)行濕噴。隧道開挖結(jié)束之后及時(shí)跟進(jìn)初期支護(hù)，先噴射4 cm厚的混凝土以封閉巖面，再打設(shè)錨桿、架設(shè)鋼架、掛鋼筋網(wǎng)，對(duì)初噴巖面進(jìn)行全面清理，再復(fù)噴到設(shè)計(jì)厚度。

4.2.1濕噴混凝土

選擇型號(hào)為HPS3016S型混凝土噴射臺(tái)車進(jìn)行施工，加大對(duì)混凝土質(zhì)量的控制力度，在具體噴射時(shí)，控制噴頭到隧道巖面之間的距離為5～10 m，噴頭呈S型，保證前后2圈噴射的混凝土相互搭接1/3[3]。如果需要噴射的混凝土厚度超過5 cm，需要分2次噴射，第2次噴射需要在第1次噴射終凝1 h后再進(jìn)行，噴射完成終凝2 h后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能低于7 d。

4.2.2打設(shè)錨桿

初凝之后達(dá)到一定強(qiáng)度，及時(shí)開展放樣測量，確定錨桿打設(shè)的位置，用手持YT-28風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔施工，所選擇的鉆頭直徑，要略大于錨桿的直徑。鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度之后，及時(shí)清孔，將錨桿插入鉆孔中，安裝止?jié){塞，保證錨桿插入的長度不小于設(shè)計(jì)長度的95%，且位于鉆孔中心位置。在外露的錨桿頭上接上注漿嘴，利用注漿罐、注漿管進(jìn)行注漿施工，控制注漿壓力在0.4 MPa以內(nèi)，待孔有漿液溢出時(shí)停止注漿。在錨桿注漿時(shí)，水泥砂漿要隨時(shí)使用，隨時(shí)制備，在初凝之前要全部使用完。

4.2.3鋼筋網(wǎng)施工

通過多功能作業(yè)臺(tái)架安裝預(yù)制好的鋼筋網(wǎng)片，焊接成一個(gè)整體。鋼筋網(wǎng)與錨桿及其他固定裝置相互連接，形成一個(gè)穩(wěn)定的整體。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)之后進(jìn)行第2次混凝土噴射，在噴射時(shí)需要減小噴頭到噴面的距離，合理調(diào)整噴射角度，促使混凝土能夠擠入到鋼筋背后，以保證混凝土能夠包裹鋼筋網(wǎng)[4]。

4.2.4格柵鋼架安裝

格柵鋼架安裝是鐵路隧道支護(hù)的最后一步，也是較關(guān)鍵的一步，在安裝之前需要清除腳下的虛碴和雜物，以保證鋼架底腳能夠牢固的立在基礎(chǔ)上，鋼架間距誤差控制在±5 cm，垂直度誤差控制在±2°。格柵鋼架基腳部位需要留出0.15～0.2 m的原始地基，進(jìn)行人工開挖，以免發(fā)生超挖和欠挖問題，以保證施工質(zhì)量[5]。

4.2.5拱架支護(hù)

隧道黃土地段拱架需設(shè)置錨管，其規(guī)格型號(hào)、長度及根數(shù)必須符合設(shè)計(jì)要求，即規(guī)格型號(hào)為Φ42 mm，t=5 mm熱軋無縫鋼管，每根長4.0 m(土石交界地段規(guī)格型號(hào)Φ76 mm，t=5 mm熱軋無縫鋼管，每根長6.0 m)，每個(gè)拱腳部位設(shè)置2根，每榀拱架設(shè)計(jì)4根。施工中若有必要，可按現(xiàn)場情況增加錨管個(gè)數(shù)，確保拱架加固牢靠。拱架制作完成后，及時(shí)施工鎖腳錨管，鉆孔前先標(biāo)出其位置，在拱腳上方30 cm處，呈30°進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度需超過95%錨管錨固長度，且超長值控制在10 cm內(nèi)。采用Φ42 mm、壁厚5 mm熱軋無縫鋼管，安裝時(shí)用鑿巖機(jī)直接將鋼管打入孔中。用L型卡筋焊接固定。

4.3 量測監(jiān)控

為保證施工的安全和質(zhì)量，需要加強(qiáng)量測監(jiān)控。對(duì)本工程而言，量測監(jiān)控的內(nèi)容包括：對(duì)Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖段開展洞內(nèi)外觀察、凈空變化、拱頂下沉監(jiān)控量測。其中，Ⅳ級(jí)圍巖段量測斷面間距為10 m，Ⅴ級(jí)圍巖段量測斷面間距為5 m。

在整個(gè)量測監(jiān)控中，需要嚴(yán)格控制基準(zhǔn)，以保證施工的質(zhì)量和安全性?？刂苹鶞?zhǔn)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，需要結(jié)合隧道工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件、施工安全性、長期穩(wěn)定性、重要性等進(jìn)行合理確定。在本工程量測監(jiān)控中，控制基準(zhǔn)包括地表沉降、隧道內(nèi)部位移、爆破振動(dòng)等[6-10]。其中，位移控制基準(zhǔn)依據(jù)測點(diǎn)距開挖面的長度確定。位移控制基準(zhǔn)見表2。

表2 位移控制基準(zhǔn)

地表沉降控制基準(zhǔn)按照周圍建筑物的安全要求和地層穩(wěn)定性分別確定，并取最小值。在二次襯砌測量監(jiān)控中，隧道拱頂垂直位移速度及水平凈空變化速度明顯降低，隧道位移相對(duì)值已經(jīng)達(dá)到總相對(duì)位移量的90%以上。

5 結(jié)束語

采用工程實(shí)例結(jié)合理論實(shí)踐的方法，分析了黃土不良地質(zhì)下鐵路隧道的開挖及支護(hù)。黃土不良地質(zhì)條件復(fù)雜，影響施工質(zhì)量和安全的因素比較多。為保證施工質(zhì)量，需要分別對(duì)洞口和洞身采取不同的開挖方法和支護(hù)方法，需要結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)選擇多種方法聯(lián)合使用，以最大限度上保證施工質(zhì)量。