三臺(tái)階法在高速鐵路山嶺隧道淺埋段中的應(yīng)用

李勇 孫鋒

目前,大量已建、在建和即將興建的山嶺隧道設(shè)計(jì)方案基本以礦山法施工為主,斷面均超過(guò)100 m2,屬于超大斷面隧道。但在修建過(guò)程中,傳統(tǒng)工法(諸如CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工方法)逐漸暴露出一些不足;經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和探索,實(shí)踐證明三臺(tái)階法在修建高速鐵路山嶺隧道軟弱圍巖段是一種先進(jìn)的快速施工方法。

1 施工方案比選

1.1 傳統(tǒng)工法存在的問(wèn)題

CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等施工方法適合于軟弱圍巖的隧道施工(見(jiàn)圖1)。這些工法均通過(guò)剛性分隔將大斷面隧道改為小斷面隧道,分塊施工,能夠發(fā)揮國(guó)內(nèi)施工單位修建傳統(tǒng)鐵路隧道經(jīng)驗(yàn)豐富的優(yōu)勢(shì)。另外,剛性分隔的存在,能盡早封閉成環(huán),有利于控制變形,穩(wěn)定掌子面,保證隧道施工的安全。

近年來(lái),隧道施工水平和施工機(jī)械化裝備不斷提高,參與高速鐵路修建的施工單位均配備了大型施工機(jī)械設(shè)備,如大型挖掘機(jī)、裝載機(jī)等。由于剛性分隔的存在,導(dǎo)致施工空間不足,不利于大型施工機(jī)械設(shè)備的使用,難以體現(xiàn)其快速施工的作用,甚至有些分隔內(nèi)大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)入,只能靠人工施作,這些嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

淺埋隧道開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響問(wèn)題已愈來(lái)愈受到關(guān)注,采用何種工法施工都會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng),引起地層位移和地表沉降。因此在隧道施工中,除嚴(yán)格規(guī)范施工管理外,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)反饋的信息和借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析結(jié)論,及時(shí)調(diào)整施工方法,優(yōu)化施工步序是十分重要和必要的。

1.2 臺(tái)階法的優(yōu)勢(shì)

隧道埋深、圍巖條件是隧道施工方法選擇需要考慮的因素,而圍巖條件是關(guān)鍵因素。

高速鐵路山嶺隧道施工工法采用的三臺(tái)階法可以根據(jù)隧道埋深及地質(zhì)條件隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整,具有靈活多變的特點(diǎn)。優(yōu)化的原則是能夠充分發(fā)揮大型機(jī)械快速施工的優(yōu)勢(shì),盡量避免剛性分隔,達(dá)到快速施工的目的。同時(shí)由于沒(méi)有剛性分隔,每個(gè)臺(tái)階都是工作面,可以多個(gè)工作面同時(shí)施工,充分發(fā)揮大型機(jī)械的作用,達(dá)到快速施工的目的。

三臺(tái)階七步開挖法適用于圍巖風(fēng)化程度較高的軟巖及強(qiáng)～全風(fēng)化的硬巖等情況。該工法的突出優(yōu)點(diǎn)是側(cè)墻初期支護(hù)能夠盡早落底,同時(shí)兩側(cè)開挖較早,對(duì)控制變形有利,也有利于地下水的匯集,同時(shí)預(yù)留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩(wěn)定性。該施工方法同樣適用于地質(zhì)條件較好的地段。

2 工程概況及施工難點(diǎn)

京滬高鐵西渴馬一號(hào)隧道進(jìn)口里程DK420+395,出口里程DK423+207,全長(zhǎng)2 812 m,隧道位于 R=7 000的曲線上,隧道最大埋深201 m,大部分基巖裸露,進(jìn)口段及山凹處地表覆蓋0.5 m～3 m新黃土,進(jìn)出口坡度15°,植被稀少。該隧道工程的施工難點(diǎn)是DK421+375～DK421+600淺埋段,為一山溝上游,隧道埋深相對(duì)較淺,其中埋深最淺處為20 m,15 m為泥夾石,5 m為灰?guī)r。

為消除淺埋段不良地層帶來(lái)的隱患準(zhǔn)確探測(cè),采用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備對(duì)淺埋段附近的地質(zhì)情況進(jìn)行了地層探測(cè),探測(cè)工作使用美國(guó)勞雷工業(yè)公司物探部生產(chǎn)的SIR2000探地雷達(dá)系統(tǒng),分別采用800 MHz和400 MHz天線對(duì)地層情況探測(cè),同時(shí)部分地段補(bǔ)100 MHz天線探測(cè),探測(cè)表明:

1)里程DK421+534～DK421+584段,該段節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖較為破碎,呈碎石松散結(jié)構(gòu),有軟弱夾泥及溶蝕現(xiàn)象,開挖時(shí)容易塌陷,應(yīng)提前加強(qiáng)防護(hù),圍巖參考等級(jí)為Ⅴ級(jí)。2)里程DK421+534～DK421+584段,該段節(jié)理裂隙發(fā)育,呈碎石狀松散結(jié)構(gòu),在DK421+554附近,疑有一溶洞,必要時(shí)可采取超前鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,并應(yīng)提前做好防范措施,圍巖參考等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

綜合以上分析,充分考慮經(jīng)濟(jì)、安全、進(jìn)度的要求,本工程淺埋段軟弱圍巖采用三臺(tái)階七步開挖法。

3 三臺(tái)階法施工工藝

隧道開挖前,為了保證前方施工的可預(yù)見(jiàn)性,加強(qiáng)安全施工,進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)素描和設(shè)計(jì)地質(zhì)巖性等信息綜合分析隧道前方圍巖情況,據(jù)此在施工中制定必要的手段及適當(dāng)調(diào)整施工參數(shù)。此段屬于淺埋段,根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行超前大管棚施工。當(dāng)超前支護(hù)經(jīng)檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求之后,進(jìn)行開挖施工。施工步驟如下(如圖2所示):

①上部弧形導(dǎo)坑開挖:在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行,環(huán)形開挖上部弧形導(dǎo)坑,并預(yù)留核心土,核心土長(zhǎng)度4.5 m,寬度5 m左右,開挖高度完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。然后分部施作上部周邊的初期支護(hù),即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后分批次復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。②,③左、右側(cè)中臺(tái)階開挖:中臺(tái)階開挖,開挖高度3.5 m左右,左右側(cè)錯(cuò)開2 m～3 m,開挖完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。而后分部施作中臺(tái)階周邊的初期支護(hù),即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后分批次復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。④,⑤左右側(cè)下臺(tái)階開挖:開挖高度3.5 m左右,左右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開2 m～3 m,開挖后立即初噴4 cm厚混凝土,并及時(shí)施作噴錨支護(hù)及掛網(wǎng)作業(yè),并接長(zhǎng)上臺(tái)階初支鋼架,打設(shè)系統(tǒng)錨桿,復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。⑥上、中、下核心土開挖:各臺(tái)階分別開挖預(yù)留的核心土,開挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺相一致。⑦仰拱開挖:每循環(huán)開挖長(zhǎng)度32 m,采用可移動(dòng)式仰拱棧橋開挖,開挖后及時(shí)架立初支鋼架及鋼筋網(wǎng),并噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度,完成左、右側(cè)仰拱開挖、支護(hù)循環(huán)后,進(jìn)行仰拱及矮邊墻澆筑作業(yè),最后填充C25混凝土至設(shè)計(jì)高程,仰拱混凝土應(yīng)整體澆筑,一次成型。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析,待初期支護(hù)收斂滿足規(guī)范要求后,利用襯砌模板臺(tái)車一次性澆筑二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

4 三臺(tái)階法的注意事項(xiàng)

三臺(tái)階法有利于大型機(jī)械的開展,體現(xiàn)快速施工、靈活多變易變的特點(diǎn),但施工過(guò)程中也要注意如下問(wèn)題:1)三臺(tái)階法施工的臺(tái)階長(zhǎng)度控制很關(guān)鍵,既要有利于大型施工機(jī)械設(shè)備的開展,又要保證隧道施工的安全,但三臺(tái)階法施工長(zhǎng)度至今沒(méi)有統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際的施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,在地質(zhì)條件差的情況下,應(yīng)盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度。2)由于三臺(tái)階法沒(méi)有中間剛性分隔存在,隧道變形控制,尤其是垂直方向的變形控制主要依靠?jī)蓚?cè)拱腳,拱腳的穩(wěn)定程度很關(guān)鍵。施工中可以增加鎖腳錨桿(鋼管)的數(shù)量,讓鎖腳錨桿插向拱腳的斜下方,以提高拱腳的承載能力。3)三臺(tái)階法應(yīng)該與超前支護(hù)配合使用,與采用剛性分隔的工法相比,三臺(tái)階法掌子面縱向成拱能力減弱,因此掌子面的穩(wěn)定性要差,這需要超前支護(hù)適當(dāng)加長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前,隧道已安全通過(guò)山嶺隧道淺埋段,沉降控制符合標(biāo)準(zhǔn),實(shí)踐證明三臺(tái)階七步開挖法是一種先進(jìn)的快速施工方法。

1)三臺(tái)階七步開挖法適用于圍巖風(fēng)化程度較高的軟巖及強(qiáng)～全風(fēng)化的硬巖等情況。該工法的突出優(yōu)點(diǎn)是側(cè)墻初期支護(hù)能夠盡早落底,同時(shí)兩側(cè)開挖較早,對(duì)控制變形有利,同時(shí)預(yù)留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩(wěn)定性。

2)三臺(tái)階法可以發(fā)揮大型施工機(jī)械設(shè)備多工作面快速施工的優(yōu)勢(shì),體現(xiàn)靈活多變易變的特點(diǎn)。但同國(guó)外一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比,我國(guó)在山嶺隧道施工工藝方面還存在著較大的差距,在隧道工法的設(shè)計(jì)、施工方面仍有待深入研究。

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