雙線鐵路隧道連續(xù)穿越斷層施工技術(shù)

摘要 文章通過合理優(yōu)化軟弱破碎圍巖的開挖進(jìn)尺，采用適合圍巖特點(diǎn)的短臺(tái)階施工方法，并圍繞該施工方法對(duì)超前支護(hù)措施及其他施工輔助措施進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合某鐵路隧道施工實(shí)例，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件頻繁穿越斷層隧道的施工技術(shù)要點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)。結(jié)果表明，在確保施工安全、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上加快了施工進(jìn)度，加快了初期支護(hù)的閉環(huán)速度，減少了在軟弱圍巖隧道中的初期支護(hù)收斂變形，降低了以往復(fù)雜地質(zhì)隧道的施工安全風(fēng)險(xiǎn)、施工投資，提高了復(fù)雜地質(zhì)隧道的施工進(jìn)度等。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜地質(zhì)；斷層；快速施工；軟巖

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0113-03

0 引言

隧道作為鐵路及公路工程的主要組成部分之一，其施工進(jìn)度常成為項(xiàng)目進(jìn)度控制的關(guān)鍵點(diǎn)。復(fù)雜地質(zhì)隧道施工進(jìn)度的控制，主要取決于圍巖開挖進(jìn)度?；谒淼蓝膛_(tái)階開挖技術(shù)，該文以某復(fù)雜地質(zhì)隧道為例，通過對(duì)隧道施工開挖進(jìn)尺的優(yōu)化，在保證安全、質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高復(fù)雜地質(zhì)隧道的施工進(jìn)度，降低復(fù)雜地質(zhì)隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)與施工投資。

1 工程概況

某隧道全長(zhǎng)5 550 m，洞身最大埋深約255 m，穿越10條斷層、甘莊背斜；其中1條活動(dòng)斷裂。DK98+600～DK99+120為隧道淺埋段，埋深60～75 m。該隧道設(shè)橫洞1座，位于正線線路左側(cè)，與正洞相交于DK100+850，與大里程方向夾角為82°，最大埋深約256 m。

該隧道屬構(gòu)造侵蝕低中山地貌。隧道區(qū)內(nèi)山體連綿，山間溝渠密布，地面高程為670～1 136 m，相對(duì)高差小于500 m。自然坡度一般為5°～40°，局部稍陡、近直立。地表植被密集，多為松林或雜木，平緩處被開墾為旱地。

地表上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）細(xì)角礫土、滑坡堆積層（Q4del）粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土、粗角礫土；坡洪積層（Q4dl+pl）軟黏土、粉質(zhì)黏土、碎石土；坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土、粗角礫土；下伏基巖為侏羅系下統(tǒng)馮家河組（Jlf）泥巖夾細(xì)砂巖，三疊系上統(tǒng)火把沖組（T3h）礫巖夾砂巖、黏土巖、炭質(zhì)頁巖、頁巖及煤層，前震旦系鵝頭廠組（Pte）板巖夾白云巖、砂巖，昆陽群大龍口組（Pt1d）白云巖、灰?guī)r夾板巖，黑山頭組（Pt1hs）粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖。

2 工程特點(diǎn)

該隧道穿越多個(gè)斷層，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體地質(zhì)情況如表1所示，同時(shí)也是全線8座工期極高風(fēng)險(xiǎn)的隧道之一。由于云南地區(qū)地質(zhì)變化頻繁，軟巖較多，綜合各種圍巖情況，選擇一種穩(wěn)定快速的施工方案，對(duì)確保施工安全及工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均具有較為重要的意義，同時(shí)具有很大的推廣價(jià)值。

3 施工方案

3.1 施工方案選定

在實(shí)際施工過程中，一般的隧道施工技術(shù)，軟弱破碎圍巖每循環(huán)開挖進(jìn)尺僅為0.6 m（1榀鋼架間距）[1]；上臺(tái)階最多可實(shí)現(xiàn)3個(gè)施工循環(huán)，即1.8 m的日進(jìn)度指標(biāo)，施工速度較慢，導(dǎo)致仰拱初支約20 d才能閉環(huán)。該隧道的初支日變形一般為1～5 cm，累計(jì)變形可達(dá)15～60 cm。初支侵限、開裂、換拱等情況經(jīng)常發(fā)生，無法達(dá)到安全高效的施工要求。由于隧道循環(huán)作業(yè)的特點(diǎn)，每日能夠達(dá)到的作業(yè)循環(huán)數(shù)有限，單循環(huán)進(jìn)尺較少，導(dǎo)致初支的閉環(huán)時(shí)間過長(zhǎng)，反而違背了軟巖施工初支早閉環(huán)的原則。

通過試驗(yàn)段的施工總結(jié)，總體上采用短臺(tái)階一次開挖2榀間距的施工方案，采取超前支護(hù)等輔助措施對(duì)該方案進(jìn)行調(diào)整，在確保施工安全、圍巖穩(wěn)定、超前支護(hù)質(zhì)量的前提下加快施工進(jìn)度。

3.2 施工工藝流程

施工大致流程：上、中臺(tái)階采用機(jī)械開挖或控制爆破開挖，挖掘機(jī)將隧道洞渣扒至下臺(tái)階；上、中臺(tái)階支護(hù)，下臺(tái)階開挖、出渣；上、中臺(tái)階噴錨，下臺(tái)階支護(hù)；下臺(tái)階噴錨，上、中臺(tái)階開挖，如此進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，具體施工工藝流程如圖1所示。

采用平行作業(yè)、同步推進(jìn)、部分工序交叉的原則組織施工，實(shí)現(xiàn)每日至少2個(gè)循環(huán)、4榀鋼架間距進(jìn)尺的進(jìn)度指標(biāo)。

3.3 隧道開挖支護(hù)方案動(dòng)態(tài)調(diào)整

采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法（超前水平鉆、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁、地質(zhì)素描、加深炮孔等相互結(jié)合），精準(zhǔn)預(yù)判前方地質(zhì)情況，選用合理的支護(hù)措施[2]。

根據(jù)開挖揭示圍巖情況及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，通過調(diào)整鋼架型號(hào)、增加連接筋、加大加長(zhǎng)鎖腳等方法，在初支變形收斂可控的前提下采用不同的鋼架間距。將原設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整的開挖進(jìn)尺固定為一次開挖2榀鋼架間距，進(jìn)一步提高單循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度。

一般仰拱距離掌子面為35 m，按日均3.2 m的掘進(jìn)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，從上臺(tái)階開挖到仰拱初支閉環(huán)的理論時(shí)間僅為11 d。

3.3.1 軟巖短臺(tái)階開挖技術(shù)

一是應(yīng)將下臺(tái)階作為主要作業(yè)區(qū)域，尤其是出渣作業(yè)必須在下臺(tái)階平臺(tái)上完成；二是根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及開挖揭示圍巖產(chǎn)狀進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，決定是否預(yù)留核心土及調(diào)整臺(tái)階高度；三是根據(jù)圍巖破碎程度合理調(diào)整中臺(tái)階長(zhǎng)度，原則上圍巖越破碎，臺(tái)階長(zhǎng)度越短，中層狀圍巖居多時(shí)可適當(dāng)增加臺(tái)階長(zhǎng)度。臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)置如圖2所示：

3.3.2 軟巖初期支護(hù)變形收斂控制技術(shù)

Ⅴ級(jí)圍巖一般的加強(qiáng)措施為采用I20b型鋼鋼架，0.6 m間距，針對(duì)不同的圍巖，應(yīng)采取試驗(yàn)段先行的辦法確定最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)。如果受力較大，可采取加強(qiáng)鋼架的措施，進(jìn)一步使用I22b、I25b型鋼鋼架控制變形。如果沉降較大，可采取加強(qiáng)鎖腳的措施，進(jìn)一步使用Ф60、Ф76、Ф89無縫鋼管作為鎖腳錨管，并注漿加固。

設(shè)置2組鎖腳，先在上臺(tái)階鋼架拱腳上1.5 m高度處施作一組鎖腳，待該榀鋼架避讓核心土后，再施作第二組鎖腳，施作高度位于上臺(tái)階鋼架拱腳上30 cm處。鑒于項(xiàng)目圍巖軟弱，采用鎖腳錨管注漿措施進(jìn)行圍巖的加強(qiáng)與穩(wěn)固。為減少施工干擾，可每天或兩天一次對(duì)已經(jīng)施作的鎖腳進(jìn)行集中注漿加固。極破碎、軟弱圍巖采用Ф42系統(tǒng)錨管代替系統(tǒng)錨桿，支護(hù)參數(shù)如表2所示：

3.4 破碎圍巖超前支護(hù)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)Ⅴ級(jí)圍巖一次開挖進(jìn)尺達(dá)到2榀鋼架間距，應(yīng)對(duì)超前支護(hù)措施進(jìn)行加強(qiáng)。必須采用與開挖進(jìn)尺相匹配的超前支護(hù)措施。對(duì)于較為破碎、軟弱的圍巖，超前支護(hù)宜在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加密打設(shè)，并應(yīng)在噴射混凝土對(duì)初支封閉后施作超前支護(hù)，能夠有效解決拱頂?shù)魤K、溜塌等問題。0.6 m鋼架間距會(huì)造成小導(dǎo)管打設(shè)角度過大的問題，可調(diào)整該榀鋼架間距至0.8 m以上，以滿足角度要求。

破碎圍巖自身的整體性很差，導(dǎo)致超前小導(dǎo)管對(duì)圍巖有切割作用，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制超前小導(dǎo)管或中管棚的外插角，一般為3°～5°，避免人為造成較大超挖[3]。

4 施工工效分析

對(duì)比傳統(tǒng)工法45 m/月的進(jìn)度指標(biāo)，采用新工法后可實(shí)現(xiàn)月進(jìn)尺80 m以上，平均增加進(jìn)尺35 m/月。按照每進(jìn)尺1m的施工成本為7萬元，則35 m×7萬元/m=245萬元，若按材料占比50%估算，在相同的管理費(fèi)、人工費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)情況下，可節(jié)省122.5萬元/月。在扣除激勵(lì)考核費(fèi)用后，共節(jié)省費(fèi)用約100萬元/月，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)論與建議

該隧道自實(shí)施該文提出的技術(shù)以來，將軟巖隧道日平均進(jìn)尺從1.8 m提高到3.2 m，加快了施工進(jìn)度。將軟巖隧道初支閉環(huán)時(shí)間從20 d減少至11 d，極大地縮短了初期支護(hù)變形收斂的時(shí)間。該文提出了軟弱圍巖隧道快速施工比慢速施工更為安全、施工質(zhì)量更好的理念。將主要機(jī)械設(shè)備作業(yè)區(qū)域設(shè)置在下臺(tái)階，將不同部位、不同工序之間的施工干擾最大可能地降低，逐步實(shí)現(xiàn)三個(gè)臺(tái)階共同推進(jìn)、部分工序交叉作業(yè)。通過合理調(diào)整臺(tái)階高度，避免因掌子面前方圍巖溜塌造成的超前支護(hù)懸空失效，減少了整修施工通道所用的時(shí)間，提高了工效。采用試驗(yàn)段先行的辦法，優(yōu)化了初期的支護(hù)參數(shù)，改善了由于鋼架變形造成初期支護(hù)整體受力狀況進(jìn)一步惡化的情況，降低了隧道初期支護(hù)大變形及隧道“關(guān)門”的風(fēng)險(xiǎn)，提高了超前支護(hù)效果，減少了隧道拱部溜塌、掉塊。

某鐵路作為泛亞鐵路中線中國(guó)境內(nèi)部分，是國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的重要基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。該隧道在連續(xù)穿越多條斷層過程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施該技術(shù)，未發(fā)生任何安全質(zhì)量問題，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，加快了施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉佳.復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017（6）：146-147.

[2]趙勇.隧道設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2019.

[3]高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南：鐵建設(shè)〔2010〕241號(hào)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.