高速鐵路偏壓隧道高邊坡零開挖進(jìn)洞施工技術(shù)研究

劉保成

(中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 301700)

高速鐵路在山區(qū)多以隧道方式通過[1]，但是受線路選線位置、山區(qū)地形、地質(zhì)情況等多方面因素的影響，隧道洞口段的差異較大。隧道洞口段是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，選擇合理的進(jìn)洞方案是確保隧道安全高效快速進(jìn)洞的關(guān)鍵[2]。在洞口高邊坡地段，放坡開挖進(jìn)洞方案不可避免地會(huì)產(chǎn)生“大挖大刷”問題，不僅會(huì)造成新的邊坡穩(wěn)定隱患，更不符合環(huán)保要求?！傲恪遍_挖進(jìn)洞技術(shù)逐漸體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)[3]。

1 工程概況

杭溫鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，西安隧道全長(zhǎng)2 021.28 m，起訖里程DK244＋764.72～DK246＋786，為雙線單洞結(jié)構(gòu)，跨度較大。隧址區(qū)地貌為低山地貌，地形起伏較大，溝谷發(fā)育，海拔在295～714 m。進(jìn)口段為山坡麓斜坡地形，坡度20°～40°。山體植被發(fā)育，地表水豐富，地下水為第四系松散巖類孔隙水，主要賦存在殘坡積土層中。

隧道進(jìn)口邊坡陡峭，地質(zhì)條件較差，隧道洞軸線與洞口等高線斜交，既有山體與軌道面交點(diǎn)在DK244＋776位置，洞口偏壓嚴(yán)重，洞口地貌如圖1所示。

圖1 西安隧道進(jìn)洞段現(xiàn)場(chǎng)地貌

2 進(jìn)洞施工技術(shù)方案

2.1 工程地質(zhì)特點(diǎn)

2.1.1 偏壓嚴(yán)重

線路緊貼山腳，隧道軸線與洞口等高線斜交，洞口偏壓嚴(yán)重，線路周邊坡腳施工會(huì)導(dǎo)致上部巖體失去支撐，誘發(fā)滑移趨勢(shì)，致使線路周邊的山體應(yīng)力急劇增加，容易造成坍塌和巖體失穩(wěn)滑坡[4]。

2.1.2 埋深淺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

隧道埋深淺，周邊巖體在垂直節(jié)理裂隙面上分布有大量的弱面，這些弱面大部分由節(jié)理和裂隙的切割形成，且由于自身的特性導(dǎo)致弱面被開挖工序的擾動(dòng)明顯，巖體在重力作用下很難形成結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為下沉變形量大、應(yīng)力釋放明顯、結(jié)構(gòu)破壞具有突然性等顯著特點(diǎn)[5]，是塌方事故的高發(fā)地區(qū)。施工不當(dāng)，容易引起工程滑坡[6]。

2.1.3 地下水位高，對(duì)施工影響大

隧道位于沖溝邊，溝內(nèi)常年有流水存在。因山體裂隙多，裂隙中會(huì)儲(chǔ)存大量的地表水，此地表水是地下水的有效補(bǔ)充，導(dǎo)致地下水位高。在雨季，降水及其他來(lái)源的水會(huì)通過裂隙圍繞在隧道的四周，在滲透壓力作用下不斷地涌入隧道內(nèi)。降低圍巖的力學(xué)性能，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)塌方冒頂事故[7]。

隧道內(nèi)各工序循環(huán)是緊密配合的，當(dāng)涌水隨著裂隙進(jìn)入洞內(nèi)后，會(huì)擾亂已經(jīng)流暢的施工工序，且滲水在隧道底板上形成較厚點(diǎn)的污泥漿液，不僅導(dǎo)致人員通行困難，而且機(jī)械設(shè)備的施工效率明顯降低[8]。

工序時(shí)間拉長(zhǎng)，洞內(nèi)圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露在外界的空氣中，很容易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)和坍塌[9]。

2.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

西安隧道洞口在現(xiàn)有偏壓、高邊坡特征的基礎(chǔ)上，計(jì)劃采用如下進(jìn)洞方案。

2.2.1 放坡開挖進(jìn)洞方案

常規(guī)放坡開挖進(jìn)洞法，通常采取邊仰坡刷坡和加固后進(jìn)洞方法，該方案施工技術(shù)起點(diǎn)低[10]，工藝簡(jiǎn)單但施工存在如下困難:

(1)若對(duì)洞口段邊仰坡進(jìn)行常規(guī)刷坡，開挖線需翻越原山脊，出現(xiàn)“大挖大刷”現(xiàn)象。

(2)常規(guī)刷坡會(huì)導(dǎo)致形成新的高陡邊坡，容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害事故，不利于山體的穩(wěn)定，容易導(dǎo)致后期運(yùn)營(yíng)修復(fù)工作復(fù)雜。

(3)洞口的原有植被勢(shì)必會(huì)遭到毀滅性的破壞。

2.2.2 “零開挖”進(jìn)洞方案

“零開挖”進(jìn)洞法可以利用山體既有的穩(wěn)定邊坡結(jié)構(gòu)，減少對(duì)洞口植被破壞[11]，施工存在如下困難:

(1)隧道洞口植被茂密，皆為淺層表土，偏壓條件下的淺層表土無(wú)法自穩(wěn)，施工不當(dāng)容易導(dǎo)致塌方、冒頂?shù)榷喾N安全事故。

(2)進(jìn)洞需要穿過山體的巖石風(fēng)化表層，這些巖石的風(fēng)化程度高，自身強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生滑坡問題。

(3)施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，圍巖容易發(fā)生大變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)容易開裂、嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體系整體失穩(wěn)。

2.3 進(jìn)洞技術(shù)方案

經(jīng)過綜合對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)際情況，最終采用“零開挖”進(jìn)洞方案，通過抗滑樁防偏壓、護(hù)拱補(bǔ)強(qiáng)、超前管棚預(yù)支護(hù)和注漿等施工手段，實(shí)現(xiàn)洞外護(hù)拱與山體合為一體，在預(yù)支護(hù)體系內(nèi)進(jìn)入山體腹部進(jìn)行洞內(nèi)施工，實(shí)現(xiàn)“零開挖”進(jìn)洞的目標(biāo)，過程中監(jiān)測(cè)淺埋段地表沉降觀測(cè)、護(hù)拱沉降及位移監(jiān)測(cè)、抗滑樁水平及豎向位移監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

2.3.1 洞外施工方案

(1)DK244＋770～DK244＋781段洞口右側(cè)設(shè)置2根抗滑樁，采用C35混凝土現(xiàn)澆，樁截面長(zhǎng)度2.5 m，寬度2.5 m。樁間距5 m，樁長(zhǎng)24 m，樁體外露9 m。洞口及明洞段右側(cè)邊坡采用錨桿框架梁結(jié)合客土植生防護(hù)，錨桿長(zhǎng)10 m，間距長(zhǎng)度3 m，寬度3 m，水平方向夾角15°。

(2)DK244＋770～DK244＋781段洞外施作護(hù)拱結(jié)構(gòu)，護(hù)拱采用C35鋼筋混凝土一次澆筑成型，預(yù)留200 mm變形量。為保證護(hù)拱拱腳穩(wěn)定，兩端拱腳處設(shè)置兩排φ89鋼管錨固，鋼管長(zhǎng)5 m，縱向間距0.5 m。護(hù)拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，進(jìn)行洞頂10%水泥土反壓回填，表層為50 cm厚黏土隔水層。

(3)DK244＋770～DK244＋800段(即洞外11 m護(hù)拱段和洞內(nèi)19 m暗洞段)采用30 m超前大管棚預(yù)支護(hù)措施，管棚在護(hù)拱混凝土內(nèi)插入巖體，將護(hù)拱與既有山體連成整體。管棚采用φ108 mm熱軋無(wú)縫鋼管，壁厚6 mm，中心間距40 cm，外插角1°。管棚內(nèi)放入鋼筋籠并用M30水泥砂漿填充密實(shí)。

洞外護(hù)拱及回填施工如圖2所示。

圖2 洞外護(hù)拱及回填施工示意

2.3.2 洞內(nèi)施工方案

管棚施工完成后，暗洞自DK244＋776位置采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，鋼架采用 22a鋼架，間距0.6 m，施工中采取監(jiān)控措施。支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 西安隧道進(jìn)口施工參數(shù)

2.3.3 水害解決方案

水害治理按照防水為主、排水為輔的原則，做好疏水、堵水、排水三項(xiàng)工作。

(1)進(jìn)洞前階段

山體地表處理時(shí)間避開雨季，線路左側(cè)開挖線外5 m處設(shè)置一道截水溝截排山體匯水。

(2)隧內(nèi)階段

施工前用地質(zhì)雷達(dá)探明掌子面前方是否有水，水壓大小及補(bǔ)給水源的分布情況。結(jié)合超前水平鉆孔的實(shí)測(cè)資料制定隧道內(nèi)的水害治理方案。

開挖前做好超前支護(hù)措施，用管棚和小導(dǎo)管做好超前支護(hù)。

隧道開挖時(shí)，設(shè)置好臨時(shí)排水溝，疏導(dǎo)掌子面滲水和附近積水[12]。

隧道每循環(huán)開挖后，盡快用噴射混凝土封閉裸露圍巖。

隧道二襯施工前，采用防水板和土工布滿鋪、排水板間隔鋪設(shè)的原則，防水板外側(cè)采用環(huán)向和縱向滲水盲管引流地下滲水。

2.4 施工流程

危巖落石處理→洞口截水天溝→洞口錨固樁施工→洞口邊坡清理及臨時(shí)防護(hù)→護(hù)拱施作→長(zhǎng)管棚施工及注漿→暗洞施工→護(hù)拱段回填→洞口永久邊坡防護(hù)。

預(yù)加固樁整體施工方案以人工挖孔為主，輔以水磨鉆配合成孔。

樁孔護(hù)壁襯砌及時(shí)緊跟開挖面，確保樁體的施工質(zhì)量。

預(yù)加固樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，確保山體穩(wěn)定后方可進(jìn)行護(hù)拱邊仰坡開挖與防護(hù)和拱頂施工，護(hù)拱整體預(yù)留20 cm變形量，采用模板一次澆筑法施工。

護(hù)拱強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后可進(jìn)行土石方反壓工序，反壓土石的頂部設(shè)置防水層和排水溝，防止雨水下滲。

3 監(jiān)控量測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含淺埋段地表沉降觀測(cè)、護(hù)拱沉降及位移監(jiān)測(cè)、抗滑樁水平及豎向位移監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

3.1.1 淺埋段地表沉降觀測(cè)

分別在 DK244＋778、DK244＋780、DK244＋790三個(gè)斷面布置沉降觀測(cè)斷面。

3.1.2 護(hù)拱沉降及位移監(jiān)測(cè)

沿線路方向在護(hù)拱頂部的線路中線及左右各3 m處布置 3條沉降變形監(jiān)測(cè)線，在 DK244＋771、DK244＋775、DK244＋779三個(gè)斷面布置位移觀測(cè)斷面。

3.1.3 抗滑樁水平及豎向位移監(jiān)測(cè)

分別在兩根抗滑樁頂部布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)樁體的水平和豎向位移。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料分析，暗洞施工期間山體穩(wěn)定，淺埋段地表沉降速率遠(yuǎn)低于0.2 mm/d。地表最大累計(jì)沉降量為13.4 mm，出現(xiàn)在DK244＋785斷面拱頂上方，地表無(wú)明顯的裂紋。

護(hù)拱結(jié)構(gòu)在暗洞上臺(tái)階和中臺(tái)階施工期間處于穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)明顯變形，在暗洞下臺(tái)階及仰拱開挖后，沉降值急劇增長(zhǎng)，增幅高峰值為0.9 mm/d，而后趨于穩(wěn)定，整體變形值滿足設(shè)計(jì)要求，護(hù)拱在水平方向無(wú)明顯變形值。

護(hù)拱結(jié)構(gòu)在DK244＋779斷面的沉降變形值明顯高于DK244＋771斷面，但二者的變形趨勢(shì)基本相同。

抗滑樁的豎向位移值較小，基本無(wú)變化，但水平位移存在明顯的階段性，在仰拱開挖后存在明顯的增幅，增幅高峰值為0.7 mm/d，仰拱施作后逐漸趨于穩(wěn)定。

分析數(shù)據(jù)表明:

(1)“護(hù)拱＋長(zhǎng)管棚注漿”預(yù)支護(hù)措施可以達(dá)到防止淺埋段山體圍巖過量變形，控制隧道變形的目的。

(2)暗洞施工期間，在管棚預(yù)支護(hù)體系下部的噴射混凝土、鋼拱架、錨桿形成的臨時(shí)支護(hù)體系對(duì)整個(gè)隧道的變形起到了有效的抑制作用。

(3)長(zhǎng)管棚的一端固定在護(hù)拱上，另一端固定在巖體上，在進(jìn)行暗洞施工時(shí)，管棚可以將圍巖的部分載荷傳遞到護(hù)拱結(jié)構(gòu)上，減輕暗洞圍巖的負(fù)荷。

(4)暗洞開挖會(huì)放大山體的偏壓效應(yīng)，抗滑樁對(duì)山體偏壓段的處理效果較好。

4 結(jié)論

西安隧道進(jìn)口自2020年9月份采用“零開挖”進(jìn)洞以來(lái)，通過抗滑樁防偏壓、護(hù)拱補(bǔ)強(qiáng)、超前管棚預(yù)支護(hù)和注漿等措施，實(shí)現(xiàn)洞外護(hù)拱與山體合為一體，達(dá)到了安全高效施工的目的。

零開挖進(jìn)洞方案可在保證山體穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的前提下，避免洞口“大挖大刷”的問題，減少植被破壞，保證洞口的安全。