新烏鞘嶺隧道軟弱圍巖快速施工技術

黃毅功

0 引言

隨著我國鐵路建設的不斷發(fā)展，山區(qū)特長隧道的設計與施工越來越普遍，而穿越軟弱圍巖地層逐漸成為一種常態(tài)，如何安全快速地通過軟弱不良地層成為參建各方所關注的重點。本文介紹了蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道穿越 F4 斷層軟弱圍巖的施工重難點，為同類施工提供參考。

1 工程概況

蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道全長 17 125 m，為一座雙線一級高風險隧道，是我國第一座越嶺選線中利用既有斜井施工的隧道，設計時速 250 km/h，最大埋深 952 m，進口段 1 289.05 m及出口 1 696.13 m 分別位于R-6 000 m 和 R-9 000 m 的右偏曲線上，其余地段均位于直線上，洞內(nèi)最大坡度為 25 ‰。

2 軟弱圍巖地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)構造復雜

隧道洞身橫穿存在復雜高地應力、包含 F4、F5、F6、F7 四條區(qū)域壓性斷層（斷層寬度合計 1 587 m）的嶺脊寬大擠壓構造帶（寬度約 8 000 m）。破碎帶主要為斷層角礫、斷層泥和壓碎巖，巖體極破碎，圍巖由沉積巖、變質(zhì)巖和軟弱構造巖交互構成、由不均勻含水甚至富水的第四系、第三系、白堊系、三疊系、志留系和奧陶系等六套地層構成。

2.2 軟弱圍巖變形問題

隧道通過的 F4、F7 斷層破碎帶，志留系板巖及千枚巖在既有蘭武二線施工中均存在不同程度的圍巖大變形問題。隧道 F4 斷層破碎帶在施工過程中最大水平收斂達 324 mm；通過 F7 斷層時，最大拱頂下沉和水平收斂分別達1 209 mm 和 1 053 mm；在志留系板巖及千枚巖地層中，隧道收斂變形達 500～700 mm［1-2］。

3 施工技術

3.1 施工方案

為有效地控制圍巖收斂變形，減少掌子面坍塌掉塊風險，確保軟弱圍巖的快速施工，堅持“管超前、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、速反饋、控變形”的施工原則。通過總結(jié)新烏鞘嶺隧道 F 4 斷層的施工經(jīng)驗，形成了一套較為安全可靠、切合該型地層的施工方案，主要方案為：雙層小導管超前加固，臺階法施工，上導弱爆破開挖，預留核心土，下導機械錯挖槽口，中部仰拱弱爆破開挖，仰拱初支鋼架封閉成環(huán)，仰拱快速施工，二次襯砌緊跟施工。

3.2 施工方法及措施

3.2.1 超前支護

F 4 斷層內(nèi)無水段落拱部采用雙層Φ42 超前小導管，小導管長 5 m，環(huán)向間距 40 cm，內(nèi)層外插角5°～10°，外層小導管外插角 20°～40°，小導管縱向搭接長度≥1.5 m。采用 YT-28 風動鑿巖機鉆孔插管，小導管管壁四周按 15 cm 間距梅花形、鉆設 Φ8mm 壓漿孔，為防止漏漿，管尾端無孔部分長 1 m，管前端鍛成鐵尖，尾端焊上Φ6 mm 鋼筋加勁箍，導管頂入長度不小于鋼管長度的 90 %。注漿前對開挖面噴射厚 3～5 cm混凝土封閉，采用注漿機注入水泥漿，水泥漿水灰比在 0.5～1.0 之間調(diào)節(jié)，液漿由稀到濃逐級變換，即先注稀漿，然后逐級變濃至 1.0 為止，由兩側(cè)對稱向中間進行，自下而上逐孔注漿，出現(xiàn)竄漿或跑漿時，采用間隔注漿。注漿壓力控制在 1 MPa 內(nèi)，注漿達到設計注漿量和注漿壓力時可結(jié)束注漿（見圖 1、圖 2）。

圖1 雙層超前小導管正面設計圖

圖2 I-I 剖面示意圖

3.2.2 開挖

開挖采用兩臺階法開挖，上斷面一次開挖臺階高度為 7 m，下斷面一次開挖臺階高度 3 m，上下臺階距離控制在 35 m 之內(nèi)。上臺階預留核心土，采用弱爆破、局部機械配合開挖；核心土高度 4 m，核心土上寬 2 m、下款 4.5 m，核心土四周環(huán)形預留高度滿足臺架就位及拱架安裝的施作空間。

上臺階每循環(huán)進尺控制在 0.6～1.2 m，不超過 1.2 m 間距；下臺階左右側(cè)錯開開挖，錯開間距 3～5 m，每循環(huán)進尺控制在 1.2 m，采用開挖槽口的形式盡量減小開挖斷面，開挖槽口寬度 3.5 m，開挖采用機械開挖，局部配合松動爆破，減少擾動，下臺階開挖支護后及時反壓回填拱腳，減少收斂變形；中部巖層采用松動爆破、破碎錘配合開挖，嚴禁下臺階和中部同時開挖。

下臺階槽口開挖安排在上導開挖打鉆期間完成，兩道工序錯開，在確保上導正常施工的前提下，利用間隙完成左右側(cè)下導開挖和支護，因此下導的開挖與支護不影響上導的開挖與支護是軟弱圍巖快速施工的關鍵之一（見圖 3～圖 5）。

圖3 兩臺階法橫斷面圖

圖4 兩臺階法縱斷面圖

圖5 兩臺階預留核心土法橫斷面圖

3.2.3 上臺階支護

上臺階拱架采用 I22 型鋼，間距為 0.6 m，Φ8 雙層鋼筋網(wǎng)片，Φ42 系統(tǒng)錨管代替系統(tǒng)錨桿，間距為 1 m 梅花狀布置，鎖腳錨管直徑為Φ42 mm，長度為 4 m，初支厚度為 30 cm。

3.2.4 下臺階支護

下臺階接上臺階拱架，拱架采用 I22 型鋼，間距為0.6 m，Φ8 雙層鋼筋網(wǎng)片，Φ42 系統(tǒng)錨管代替系統(tǒng)錨桿，間距為 1 m 梅花狀布置，初支厚度為 30 cm。

3.2.5 仰拱

通過分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)下導槽口開挖后，相應斷面的拱架收斂變形平均為 5 cm，下導中部及仰拱開挖后平均收斂再增大 8 cm，仰拱初支鋼架及噴射混凝土完成封閉后，相應斷面的收斂值迅速得到了控制，每天平均收斂值≤3 mm，所以仰拱開挖后必須迅速地完成拱架安裝和噴射混凝土施工是確保軟弱圍巖安全通過的關鍵（見圖 6）。

圖6 仰拱棧橋側(cè)面圖（單位：mm）

仰拱開挖采用跨徑 28.5 m 長液壓移動棧橋輔助施工，仰拱開挖每循環(huán)開挖支護完成 4 m，支護完成后棧橋遷移繼續(xù)施工下一循環(huán)，直至滿足仰拱 12 m 為止，通過大跨度棧橋確保仰拱初支和仰拱可同時施工，實現(xiàn)仰拱開挖、初支、仰拱的流水化施工。

3.2.6 二次襯砌

二次襯砌澆筑采用整體式襯砌臺車，臺車長度為12 m，二次襯砌的澆筑一般在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，但考慮到軟弱圍巖的受力特點，經(jīng)設計院以及專家論證后，對于軟弱圍巖地段的二襯要求提前施作，二襯距離掌子面的距離≤80 m，二襯鋼筋采用雙層鋼筋，環(huán)向鋼筋為Φ22mm，間距 20 cm，縱向鋼筋為Φ14mm，間距 25 cm，二襯厚度為 55 cm，確保襯砌結(jié)構足夠的強度和剛度，二襯施作完成后，通過對應力元件的檢測，發(fā)現(xiàn)初支內(nèi)受力明顯趨于穩(wěn)定，二襯表面未發(fā)現(xiàn)結(jié)構性裂紋等病害。

4 經(jīng)驗與體會

1）新烏鞘嶺隧道地質(zhì)結(jié)構復雜，要實現(xiàn)軟弱圍巖的快速施工，靈活且穩(wěn)妥的爆破開挖方法是關鍵，只要能減少擾動、杜絕拱部塌腔，任何開挖技術均可采用；其次足夠強大的支護體系是保證，支護體系的加強可以通過增加型鋼尺寸、縮短拱架間距等措施實現(xiàn)。

2）鎖腳錨管對抑制收斂變形十分必要，在軟弱圍巖地段，要適當增加鎖腳錨管的長度和數(shù)量，長度由設計 4 m 增大為 4.5 m，數(shù)量由單側(cè) 2 根增加為單側(cè) 4 根。

3）適當增大預留變形量，確保沉降收斂后凈空滿足設計要求，減少因侵限造成的拆換拱問題。

4）必要情況及時設置套拱，有效抑制變形趨勢。日常要加強監(jiān)控量測的指導作用，一旦發(fā)現(xiàn)局部段落收斂或沉降值持續(xù)而未達到控制，要果斷采取增設套拱的措施。套拱應采取≥ I22 的型鋼，必要時采用H175 型鋼，間距≤60 cm，噴射混凝土厚度以有效覆蓋拱架即可，待該段仰拱澆筑完成后再對套拱進行拆除處理。

5）按照“設備先進、選型科學、成龍配套、滿足需要”的原則，對機械設備進行優(yōu)化配置，降低風險、提高工效，是實現(xiàn)軟巖隧道快速施工的必備條件。

5 結(jié)語

新烏鞘嶺隧道是蘭張三四線鐵路的重點控制性工程，也是既有蘭武二線烏鞘嶺隧道建設完成后的又一條特長隧道，在吸取既有烏鞘嶺隧道建設經(jīng)驗教訓的基礎上，通過合理的資源配置，并加強支護體系和施工工藝的優(yōu)化，進度指標得到了大幅提高，最終安全高效地實現(xiàn)了軟弱圍巖的快速施工，也為其他類似圍巖的隧道施工提供一定的參考作用。Q