摘要 淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工復(fù)雜,質(zhì)量控制難度高。為提升大跨度鐵路隧道工程質(zhì)量,該文結(jié)合某鐵路隧道項目,分析淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)的應(yīng)用要點,以此明確軟弱圍巖區(qū)域,淺埋大跨度鐵路隧道支護(hù)、開挖的工藝要點,規(guī)范特殊鐵路隧道工程建設(shè)中的施工行為,為我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的完善打好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 淺埋軟巖;大跨度;鐵路隧道;施工技術(shù)
中圖分類號 U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949(2024)15-0123-03
0 引言
社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,鐵路隧道建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。但由于鐵路隧道建設(shè)范圍廣,施工環(huán)境復(fù)雜,部分淺埋軟巖區(qū)域的隧道施工風(fēng)險增加。為滿足大跨度鐵路隧道在軟巖區(qū)域的建設(shè)要求,應(yīng)結(jié)合淺埋、軟弱圍巖條件下的隧道施工特點,明確鐵路隧道施工技術(shù)要點,制定更完善的鐵路隧道施工方案,為我國鐵路隧道建設(shè)事業(yè)提供助力。
1 項目概況
某鐵路隧道工程,全長10 218 m,隧道里程DK127+610~DK155+708。隧道洞身位于直線,內(nèi)部縱坡分別為7‰、-19.5‰、-5.5‰、-1‰。2 #、3 #、出口橫洞交通條件良好,1 #隧道包含斜井,交通條件較差。隧道建設(shè)區(qū)域為軟弱圍巖,Ⅱ級圍巖長36 785 m,Ⅲ級圍巖長度為8 060 m,Ⅳ級圍巖長為2 017 m,Ⅴ級圍巖長230 m。圍巖結(jié)構(gòu)包含巖漿巖、變質(zhì)巖、構(gòu)造巖,由大理石巖、片巖夾片麻巖、夾片巖、剝離斷層糜棱巖組成。
2 軟弱圍巖相關(guān)概述
軟巖通常可分為地質(zhì)軟巖、工程軟巖兩種類型。相對于其他巖石類型,軟巖在一定條件下塑性應(yīng)變、流變規(guī)律特殊。其中,地質(zhì)軟巖是指孔隙率大、巖體膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低,部分巖體結(jié)構(gòu)面風(fēng)化嚴(yán)重的松、散、軟、弱巖層[1],如泥巖、頁巖、片巖等都屬于地質(zhì)軟巖。工程軟巖則是指因為工程施工荷載導(dǎo)致巖體塑性變形明顯的工程巖體。
鐵路隧道軟弱圍巖主要指地質(zhì)軟巖,具體包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育好,但巖體結(jié)構(gòu)被破壞或處于巖層之間破碎帶、斷層處的巖體,以及已經(jīng)風(fēng)化的巖體。部分軟弱圍巖是指黃土、泥巖等低強(qiáng)度巖體。軟弱圍巖特征較為明顯,即不承受拉應(yīng)力時,巖體結(jié)構(gòu)為均勻連續(xù)體,但因為施工荷載巖體需要承受壓應(yīng)力時,巖體結(jié)構(gòu)則具有彈塑性,且整體抗壓強(qiáng)度低,導(dǎo)致施工過程中的變形、位移風(fēng)險增加。
3 大跨度隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性影響因素
大跨度隧道軟弱圍巖施工中,隧道施工行為會與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響,使得圍巖穩(wěn)定性、工程施工安全受到影響。隧道開挖前,軟弱圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始應(yīng)力處于穩(wěn)定、平衡狀態(tài),隧道掘進(jìn)后,開挖作業(yè)會使巖體初始地應(yīng)力受到破壞,圍巖應(yīng)力重新分布。對于普通圍巖結(jié)構(gòu),其穩(wěn)定性良好,應(yīng)力重新分布后可維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[2]。但對于軟弱圍巖,巖體結(jié)構(gòu)塑性變形風(fēng)險大,應(yīng)力破壞后會存在圍巖開裂、頂板冒落、邊墻擠入、頂板彎曲下沉、底板鼓裂、巖爆等風(fēng)險隱患,圍巖穩(wěn)定性受損。影響隧道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多,具體可體現(xiàn)在以下方面:
(1)地質(zhì)因素。巖體在地殼運動作用下,地層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,巖體層包含裂隙、斷層、夾層等軟弱區(qū)域。該類巖體力學(xué)強(qiáng)度低,塑性變形阻力小,地質(zhì)條件差,隧道開挖時會直接影響巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,因此隧道開挖應(yīng)結(jié)合圍巖巖性特征進(jìn)行。比如,開挖軟弱圍巖時,需提前預(yù)測分析應(yīng)力重新分布后巖體結(jié)構(gòu)的塑性風(fēng)險、松動規(guī)律,通過超前支護(hù),保障圍巖穩(wěn)定性[3]。
(2)工程因素。隧道斷面形狀大小、開挖線路、支護(hù)工藝、矢跨比等因素都會影響隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。尤其是大跨度鐵路隧道,隧道跨度大,應(yīng)力分布不均,拱部應(yīng)力增加時,對圍巖擾動較大,繼而影響隧道圍巖整體穩(wěn)定。
(3)地下水因素。施工區(qū)域的地下水會導(dǎo)致隧道施工支護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道軟弱圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外荷載,圍巖內(nèi)摩擦力減小,巖體破壞風(fēng)險大。
4 淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)應(yīng)用要點
4.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法
項目隧道出口區(qū)域線路和站臺橋XX河特大橋相鄰,屬于橋隧連接形式。該區(qū)域隧道線路為過渡加寬段,大跨度鐵路隧道里程為DK139+720~DK139+767,開挖斷面15 m×20.1 m。地質(zhì)條件為片麻巖夾片巖,為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖,擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖施工,大跨段進(jìn)行超前支護(hù),支護(hù)參數(shù)如表1所示。
(1)施工準(zhǔn)備
隧道出口段為淺埋Ⅴ級圍巖,采用雙側(cè)導(dǎo)坑法開挖,錨桿、鋼管棚、注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。為保障隧道開挖時圍巖加固效果,應(yīng)結(jié)合雙側(cè)導(dǎo)坑法施工設(shè)計方案,試驗?zāi)M錨桿、長管棚超前預(yù)支護(hù)后,軟弱圍巖物理力學(xué)參數(shù),優(yōu)化隧道開挖施工[4]。比如,項目所用超前支護(hù)鋼架為I25a全環(huán)支護(hù)鋼架,間距0.5 m,初期支護(hù)時錨噴30 cm厚C35混凝土,配合雙側(cè)導(dǎo)坑法,可提升隧道出口段開挖時的初期支護(hù)彈性模量,使其物理力學(xué)參數(shù)符合《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2016)中的要求,如表2所示。
(2)技術(shù)要點
雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是基于新奧法,分割大斷面隧道,將其劃分為多個洞室,避免大斷面、淺埋隧道開挖的安全風(fēng)險,有助于減少對圍巖結(jié)構(gòu)的擾動,預(yù)防圍巖變形。
1)基于雙側(cè)導(dǎo)坑法施工設(shè)計,實施超前支護(hù)工藝。每循環(huán)進(jìn)尺1 m,支護(hù)區(qū)域不得小于1 m。超前支護(hù)、隧道開挖作業(yè)循環(huán)進(jìn)行。比如,先進(jìn)行拱頂小導(dǎo)管注漿支護(hù)作業(yè),后開挖左側(cè)導(dǎo)洞上臺階。
2)開挖上部兩側(cè)導(dǎo)坑時,應(yīng)在隧道拱部超前支護(hù)后,同時開挖左右兩側(cè)導(dǎo)坑。開挖后初噴C35混凝土,架設(shè)橫縱向鋼拱架、錨桿作為超前支護(hù)結(jié)構(gòu)。后噴射C35混凝土,直至混凝土厚度符合設(shè)計值。
3)開挖左、右兩側(cè)臺階。上臺階開挖長度大于5 m后,開挖中臺階,左、右臺階開挖面錯開3 m。中臺階開挖時,取消上臺階臨時支護(hù)結(jié)構(gòu),開挖后初噴混凝土,混凝土厚度4 cm。后實施噴射混凝土、設(shè)置錨桿、鋼筋網(wǎng)片等支護(hù)結(jié)構(gòu),連接鋼架,復(fù)噴混凝土[5]。噴射混凝土前,應(yīng)檢查開挖斷面,預(yù)防超欠挖風(fēng)險,隧道工程允許超挖值,如表3所示。
4)開挖上、中、下臺階中間區(qū)域的巖體。各臺階巖體因分區(qū)域開挖,開挖面錯開6 m,臺階開挖進(jìn)尺1 m,伴隨超前支護(hù)作業(yè),直至隧道底部結(jié)構(gòu)開挖、支護(hù)形成閉環(huán)。
5)左右兩側(cè)導(dǎo)坑施工時,應(yīng)拉開前后施工距離,施工間距應(yīng)大于10 m。開挖導(dǎo)坑中間土體時,應(yīng)超前支護(hù)約30~50 m。
6)導(dǎo)坑開挖后,隧道拱部鋼架、兩側(cè)壁拱架連接難度大,應(yīng)準(zhǔn)確定位鋼架結(jié)構(gòu),確保各區(qū)域支護(hù)鋼架處于相同垂直面,鋼架安裝允許偏差如表4所示。
4.2 超前支護(hù)工藝
超前支護(hù)針對淺埋軟弱圍巖隧道的“先支后挖”工藝,可控制大跨度鐵路隧道掌子面前圍巖結(jié)構(gòu)變形,預(yù)防掌子面坍塌、失穩(wěn)等風(fēng)險。項目基于雙側(cè)導(dǎo)坑法,輔以鋼管棚、注漿小導(dǎo)管等超前支護(hù)工藝,通過注漿、打入鋼管、錨桿等方式,使大跨度隧道橫斷面形成拱形連續(xù)體,加固隧道淺埋開挖面,支撐軟弱圍巖,確保開挖區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,控制地表沉降量[6]。
(1)項目采用鋼管棚為Φ108 mm、壁厚4 mm的鋼管。管棚、鋼拱架從隧道拱架穿過。施工人員應(yīng)沿隧道開挖輪廓線縱向鉆孔,外插角3 °,孔徑大于管棚鋼管直徑約20 mm。鋼管前端加工為尖錐形,尾部焊接Φ10 mm加勁筋。入巖區(qū)域設(shè)置梅花形注漿孔,孔徑Φ12 mm,注漿孔間距15 cm。
(2)進(jìn)行超前小導(dǎo)管施工。超前小導(dǎo)管為Φ42 mm、壁厚3.5 mm鋼管。施工時,應(yīng)先測量放線,確定隧道開挖線路,定位小導(dǎo)管中心線。其次,鉆孔施工,孔眼深度應(yīng)大于導(dǎo)管設(shè)計長度。鉆孔后頂入小導(dǎo)管,頂入長度大于實際管長90%。最后,應(yīng)用液壓注漿機(jī)注漿。注漿前噴射C35混凝土封閉隧道開挖面,預(yù)防漏漿,首次噴射厚度應(yīng)大于5 cm。注漿過程中,導(dǎo)管尾部設(shè)封堵塞,排氣孔出漿后應(yīng)停止注漿。
(3)設(shè)置φ22 mm超前錨桿。錨桿鉆孔前應(yīng)結(jié)合大跨度隧道設(shè)計要求、軟弱圍巖特點,標(biāo)記孔位。鉆孔應(yīng)圓而直,孔徑、孔深符合設(shè)計要求后,高壓風(fēng)吹孔,清理孔內(nèi)殘渣、積水。整平錨桿孔口后,安裝錨桿,配合特制墊板調(diào)整錨桿位置。最后灌注砂漿,張拉錨桿,預(yù)張拉力值為錨桿錨固力的55%,張拉后緊固錨桿。項目采用D25中空注漿錨桿,錨桿長度3.5 m。
(4)設(shè)置鋼筋網(wǎng)。項目采用φ6圓鋼鋼筋網(wǎng),鋼筋間距5 cm×15 cm?,F(xiàn)場單根安裝,連接錨桿,搭接長度大于200 mm。安裝后錨固鋼筋網(wǎng),確保噴射混凝土?xí)r鋼筋網(wǎng)不晃動。施工前應(yīng)清除鋼筋網(wǎng)片表面銹蝕,根據(jù)受噴面起伏安裝,安裝位置、受噴面間距小于3 cm??蓢娚?層混凝土后鋪裝鋼筋網(wǎng),首層噴射混凝土厚度大于5 cm。鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時,網(wǎng)格尺寸偏差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi),搭接長度偏差控制在50 mm以內(nèi)。
(5)噴射混凝土?xí)r,應(yīng)沿隧道開挖面垂直方向自下而上開挖,水平開挖面從左到右噴射。隧道圍巖表面凹凸不平時,應(yīng)先噴射凹處,找平后整體噴射混凝土,噴射速度不宜過快,應(yīng)均勻、緩慢噴射混凝土。分層噴射混凝土?xí)r,各層平均厚度應(yīng)大于設(shè)計厚度80%,最小厚度大于設(shè)計厚度2/3,噴射區(qū)域平整度應(yīng)符合要求,側(cè)壁平整度允許偏差5 cm,拱部平整度7 cm。注意控制混凝土水灰比、噴射角度,確保混凝土覆蓋支護(hù)面鋼筋網(wǎng),24 h強(qiáng)度大于10 MPa。
4.3 隧道襯砌及排水
(1)大跨度軟弱圍巖鐵路隧道仰拱、回填區(qū)域應(yīng)實施“仰拱先行”原則,配合仰拱棧橋進(jìn)行回填作業(yè)。施工過程中人工配合機(jī)械清底,基底無巖溶、無雜物后全幅段澆筑仰拱混凝土。
(2)分次填充仰拱,實時監(jiān)測隧道內(nèi)邊墻、拱部位置位移數(shù)據(jù),確定襯砌時間。項目采用洞身、拱墻一次襯砌工藝。隧道拱頂預(yù)埋壓漿管,壓漿管間距5 m,符合襯砌要求后,澆筑混凝土,襯砌圍巖結(jié)構(gòu)。為確保混凝土結(jié)構(gòu)密實度,混合料應(yīng)集中拌和,由混凝土專用運輸車運輸、泵送入模。
(3)全幅隧道二次襯砌時,拱部、邊墻、仰拱混凝土抗?jié)B等級應(yīng)大于P10??稍诔跗谥ёo(hù)、二次襯砌作業(yè)間隔時間內(nèi),設(shè)置EVA防水板、分離式土工布,設(shè)置防水緩沖層。EVA防水板厚度大于1.5 mm,用量為350 g/m2。
(4)環(huán)向施工縫采用1 m寬排水板、止水帶防水。縱縫內(nèi)埋設(shè)鋼板止水帶,外貼止水帶。變形縫采用內(nèi)埋鋼板止水帶+外貼止水帶+灌注嵌縫材料等復(fù)合防水工藝。
(5)隧道排水結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙側(cè)排水溝+隧道中心區(qū)域矩形水溝。雙側(cè)溝匯集內(nèi)部地表積水,中心區(qū)域矩形水溝負(fù)責(zé)排水。隧道內(nèi)積水配合環(huán)向、縱向排水管流入側(cè)面排水溝后,經(jīng)10 cm PVC管連接中心矩形排水溝排放積水。全隧道防水板后環(huán)向安裝透水盲管,邊墻腳設(shè)盲溝,盲溝間距3~6 m。
4.4 變形監(jiān)測
結(jié)合淺埋軟巖大跨度鐵路隧道地形特征、開挖及支護(hù)工藝,加強(qiáng)隧道洞內(nèi)外沉降、變形監(jiān)測,預(yù)防拱頂下沉、地表下沉等不均勻沉降風(fēng)險。項目采用無接觸圍巖量測技術(shù)、隧道施工監(jiān)測技術(shù),實時采集隧道雙側(cè)壁開挖時的隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形、地表沉降變形等數(shù)據(jù),全斷面監(jiān)控施工變形風(fēng)險。根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù),指導(dǎo)隧道施工作業(yè),完善淺埋軟巖大跨度隧道施工方案。
5 結(jié)語
綜上所述,為提升淺埋軟巖大跨度鐵路隧道建設(shè)質(zhì)量,應(yīng)結(jié)合隧道建設(shè)區(qū)域地質(zhì)條件、施工環(huán)境,應(yīng)用超前支護(hù)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等工藝,約束隧道開挖進(jìn)洞時的施工行為,預(yù)防圍巖變形風(fēng)險,保障淺埋軟巖區(qū)域大跨度隧道施工安全、施工質(zhì)量,提升鐵路隧道建設(shè)技術(shù)水平,滿足新時期鐵路隧道安全、高效建設(shè)要求,助力鐵路交通行業(yè)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]譚勇.淺析山嶺鐵路隧道構(gòu)造復(fù)雜區(qū)軟巖大變形施工控制技術(shù)[J].四川水泥,2024(3):239-241.
[2]宋洋,周林峰.特大跨度鐵路隧道淺埋段CRD工法臨時支撐拆除危險性評價研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2023(S1):19-25.
[3]普孟軍.風(fēng)化軟巖地層淺埋隧道施工圍巖穩(wěn)定性評價及影響因素研究[D].北京:北京交通大學(xué),2023.
[4]梁智超.超大跨高鐵隧道雙層初支作用機(jī)理及變形控制研究[D].北京:北京交通大學(xué),2022.
[5]劉天長.大跨度鐵路隧道順層偏壓軟巖大變形治理及施工技術(shù)[J].工程機(jī)械與維修,2021(4):240-242.
[6]史天龍.大跨度高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2021(8):44-46.
收稿日期:2024-05-12
作者簡介:林鵬(1991—),男,本科,工程師,目前從事工程管理工作。