張集線舊堡隧道修建技術(shù)

孟慶余

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 工程概況

1.1 隧道概況

舊堡隧道是張集線最長的隧道，起訖里程為DK25+270～DK34+855，全長9585 m，隧道最大埋深為493 m。采用雙線雙箱限界，隧道軌上凈空88.29 m2。

1.2 地形地貌

隧道地處洋河斷陷盆地西緣之冀北低中山區(qū)，海拔高度950～1 550 m。區(qū)內(nèi)山體多基巖裸露，植被稀疏。隧道范圍內(nèi)地勢總體西北高，東南低，隧道頂部山勢雄偉，地形崎嶇復雜，溝谷切割強烈。隧道附近河流主要有洗馬林河、東洋河，主要流向為自北向南，均匯入洋河。進口端為洗馬林河，出口端為東洋河，沿線河流均屬海河流域洋河水系。

2 隧道修建過程中遇到的特殊情況

2.1 特殊工程地質(zhì)

隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過古老的太古界變質(zhì)巖，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運動作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動強烈，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈。施工揭示的地層普遍發(fā)育隱性節(jié)理、斷層、糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、巖脈等，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動力變質(zhì)及熱液蝕變礦物，并普遍含泥化夾層，圍巖自穩(wěn)性極差，且遇水易軟化。

2.2 地下水豐富

隧道洞身范圍地下水較發(fā)育，且水壓力較大，地質(zhì)鉆孔內(nèi)有地下水噴出地面高達2 m，在施工過程中出現(xiàn)多次突泥突水現(xiàn)象。

2.3 圍巖大變形

隧道施工過程中，一直伴隨著隧道圍巖大變形，這種變形狀態(tài)前期體現(xiàn)不明顯，在初期支護施作完成后12～17 d，隨著地下水的滲漏侵蝕，圍巖整體強度迅速下降，一旦變形難以控制，主要表現(xiàn)為作用延遲并且危害性大。

2.4 溜砟、突泥突水

隧道在施工過程中出現(xiàn)過多次突水突泥、溜砟、滑溜情況，使得施工進度比較緩慢，需要加強超前支護，穩(wěn)定掌子面，才能繼續(xù)施工，施工難度極大。

3 處理技術(shù)措施

3.1 大變形處理

(1)情況說明

DK29+385～DK29+406段隧道反復出現(xiàn)大變形，隧道右半邊拱腳一直是出現(xiàn)變形的主要部位，鋼架變形嚴重，從DK29+376～DK29+391段右側(cè)變形看，平均變形1.0 m，最大變形達到1.88 m。

(2)變形原因分析

隧道變形主要是因為其位于變質(zhì)巖地層，加之地下水等多種因素的共同作用，使得隧道在施工過程中總是遇到程度不同的變形，隧道拱頂始終存在縱向貫通的擠壓初期支護造成混凝土脫皮的裂紋，鋼架不同程度扭曲，從當時現(xiàn)場情況看，隧道變形還很可能由于隧道拱部右側(cè)存在順線路方向的構(gòu)造。

(3)隧道變形規(guī)律

從施工的情況看，隧道地質(zhì)條件比較差，隧道變形出現(xiàn)在初期支護施作完成后12～17 d時間段內(nèi)，在此時段內(nèi)，隧道圍巖由無水變?yōu)橛兴?，而且水量逐漸增大，隨著水的滲出，圍巖裂隙之間的薄層的粉末狀細顆粒被帶走，圍巖自承能力下降，初期支護開始變形，鋼架被壓扭曲，噴混凝土開裂。并且反復循環(huán)，直至初期支護喪失承載能力。

(4)隧道變形段工程措施

①加強錨桿。系統(tǒng)錨桿對控制圍巖大變形有很好的作用，要求加強錨桿的施作質(zhì)量。左側(cè)邊墻錨桿長4.5 m，縱向間距0.8 m，環(huán)向間距1.0 m，右側(cè)拱部及邊墻采用長8 m自進式錨桿，縱向間距0.8 m，環(huán)向間距1.0 m。

②加強初期后換拱。對 DK29+385～DK29+391段進行換拱，并先采取掛板混凝土加強初期支護，混凝土厚30 cm。對DK29+391～DK29+403段侵限的部位進行換拱處理，初期支護先采用掛板混凝土加強支護，換拱結(jié)束后，抓緊施工二次襯砌。

③注漿加固。對DK29+391～DK29+406段注漿加固，采用 φ42 mm小導管，長6.0 m，間距1.5 m×1.5 m;施工泄水孔，以減少地下水對初期支護的壓力。泄水孔間距3 m×3 m，梅花形布置。

④結(jié)構(gòu)加強。變形地段采用Ⅴ級加強型襯砌斷面，邊墻仰拱厚度60 cm，仰拱65 cm。初期支護噴混凝土厚度27 cm。

3.2 擋墻加固繞避

(1)方案背景

2010年8月18日1:56發(fā)生第6次突發(fā)涌水、涌泥，經(jīng)現(xiàn)場觀測上臺階右側(cè)拱腳DK29+416處發(fā)生翻漿冒泥，50 min后水量劇增，達270～320 m/h。2 h后水量向后發(fā)展至DK29+404附近拱頂和右側(cè)擋墻，中臺階右側(cè)擋墻出現(xiàn)多條裂縫，主要為剪切破壞產(chǎn)生，縱向裂縫最大寬度8 cm。

至8月21日右側(cè)擋墻趨于穩(wěn)定。由于本段水量比較大，施工受阻，經(jīng)過參建四方會議研究，為了確保安全，并能繼續(xù)向前施工，決定采取“擋墻加固繞避”技術(shù)措施進行施工，隧道貫通后再處理此處擋墻段。

(2)工程措施

①回填左側(cè)下臺階:預埋3根φ200 mm鋼管排水，回填碎石至中臺階底腳。

②施作左側(cè)臨時仰拱:采用I16b型鋼，鋼架間距1.2 m，縱向 φ22 mm連接筋連接，間距1.0 m，澆筑C25混凝土，厚度60 cm。

③加固DK29+389～+408右側(cè)擋墻:新?lián)鯄?nèi)布設(shè)I16b型鋼，鋼架間距1.2 m。擋墻縱向每4 m一段。

④施作DK29+408～+417上臺階右側(cè)擋墻，模澆混凝土。見圖1。

圖1 DK29+389～+408及DK29+408～+417右側(cè)擋墻(單位:cm)

⑤開挖DK29+417～+425上臺階:初期支護采用雙層拱架，第一層采用I25b型鋼，鋼架間距60 cm，雙層φ22 mm連接筋和雙層 φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，采用C25噴射混凝土封閉，厚35 cm。第二層采用I20b型鋼，鋼架間距60 cm，雙層φ22 mm連接筋，兩榀鋼架之間設(shè)置4根環(huán)向φ12 mm鋼筋，與縱向連接筋形成大鋼筋網(wǎng)，然后掛板現(xiàn)澆C25混凝土，預留變形量為50 cm。

3.3 永臨結(jié)合泄水洞

(1)背景

注漿段擋墻DK29+401處出現(xiàn)突泥突水，具體如下:

2011年1月4日15:00，在繞避段施工到DK29+402時，在中導出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，自1月4日15:00至1月5日凌晨4:00，地下水呈間歇狀噴出及流出，之后水流逐漸平穩(wěn)，在1月5日凌晨1:00水量最大，最大涌水量大約為60 m3/min，間歇狀噴出頻率約為40～90 min，每次持續(xù)約40 s～1 min，每次噴出的泥水夾塊石約為40～60 m3，最后水量穩(wěn)定在30 m3/h左右，噴出泥水總量約1 200 m3。

針對此次突泥突水的情況，加之管棚注漿鉆孔時鉆機的鉆速等指標判斷，如果在較大水壓力下開挖，大規(guī)模突泥突水的可能性極大，研究決定設(shè)置“永久臨時結(jié)合泄水導洞”在外圍泄水，降低水壓，既保證此處開挖的安全順利進行，也為運營期間的泄水降壓提供可靠的保證。

(2)永臨結(jié)合泄水洞方案(圖2)

①在DK29+365右側(cè)打設(shè)泄水洞，泄水洞終點里程根據(jù)地質(zhì)條件而定，暫定終點里程為DK29+401。

②泄水洞平面設(shè)計:導洞與線路方向呈30°向前延伸，保證隧道正洞與導洞之間至少有10 m的凈距離。

③泄水洞縱斷面設(shè)計:洞內(nèi)采用1%的縱向坡度，比正洞坡度(7.6‰)稍大，便于排水。

④泄水洞排水設(shè)計:泄水洞的底板高程較原設(shè)備洞室底板低1.2 m，隧道建成后恢復設(shè)備洞室底板，在永久設(shè)備洞室以外形成匯水槽，匯水由泄水管直接引至中心排水溝內(nèi)。坡度為4%，采用3根 φ200 mm PVC排水管排水。

圖2 永臨結(jié)合泄水洞照片

3.4 襯砌背后永久排水

(1)方案背景

根據(jù)施工揭示的突泥突水情況，對未施工地段的地下水進行了預測，根據(jù)分析，本段地下水水位比較高，并且水量比較大，為了保證隧道運營期間的襯砌背后水壓不至于過高，決定DK29+385～DK29+635襯砌背后采取永久排水泄壓方案，以保證隧道建成后襯砌背后維持較低的水壓力。

(2)永久排水方案

①邊墻腳設(shè)置排水管。在DK29+385～DK29+635段邊墻底部初期支護外側(cè)放置外直徑為273 mm的鋼管，鋼管壁厚10 mm，鋼管上設(shè)置泄水孔以便排出順環(huán)向排水板以及片石盲溝排下的地下水。鋼管每隔25 cm打兩個對稱排水孔，孔徑為5 cm，相鄰的前后2個孔連線垂直，采用鋼絲網(wǎng)包裹。為排出圓管內(nèi)地下水，加密檢查井為10 m一處，每處檢查井連接2道排水管，“八”字形布置，邊墻處排水管端頭縱向間距為5 m，排水管采用φ100 mm PVC管。接頭處采用鋼絲網(wǎng)濾層，防止泥沙堵塞排水管。如圖3所示。

圖3 邊墻腳泄水(單位:cm)

②設(shè)置排水板。在防水板外側(cè)鋪設(shè)一層排水板，有利于疏導襯砌背后積水。采用HDPE排水板，為保證材料的耐久性，材料必須滿足以下要求:HDPE片板厚度1.2 mm;質(zhì)量≥1 000 g/m2;板材成型厚度8 mm;抗拉強度≥400 N/5 cm;抗壓負荷≥350 kPa;斷裂延伸率≥40%;通透空間5.4 L/m2;低溫彎折性為-20℃無裂紋;抗?jié)B透性為不透水。嚴禁使用再生原料或摻加再生原料生產(chǎn)的防水板卷材。

③邊墻初支后設(shè)置片石盲溝。在襯砌邊墻外設(shè)置片石盲溝，盲溝尺寸為20 cm×50 cm(厚×寬)，間距5 m/道。為避免影響盲溝穩(wěn)定及堵塞盲溝，在片石盲溝背后設(shè)置反濾層，反濾層由卵片石層(粒徑為20～40 mm)、中礫層(粒徑為4～10 mm)、砂礫層(粒徑為1～5 mm)共3層組成，每層厚度為10 cm。如圖4所示。

3.5 溜砟整治

(1)方案背景

2010年3月份以來，開挖揭示圍巖擠壓破碎，節(jié)理密集、夾有小型斷層，將巖體切割成粉夾碎石狀松散結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面且光滑夾有軟泥，局部含泥化夾層，圍巖自穩(wěn)性差，開挖后拱部易掉塊、坍塌、溜砟。

圖4 襯砌背后碎石盲溝(單位:cm)

為確保施工安全和質(zhì)量，2010年3月3日(掌子面里程DK29+958)，襯砌采用18H型鋼鋼架，加強支護。2010年3月8日凌晨2:00，掌子面施工到里程DK30+948時，拱部及兩側(cè)均出現(xiàn)滑塌溜砟，形成4 m高塌穴，溜砟約45 m3，掌子面拱部初支混凝土局部脫落，變形開裂，出現(xiàn)環(huán)向裂縫。出現(xiàn)險情后，掌子面立即停止施工，噴射混凝土暫時封閉，確保施工安全。

(2)溜砟整治措施

根據(jù)現(xiàn)場研究決定對該段采取如下處理措施。

①對掌子面和溜砟處進行封閉，噴射混凝土厚10 cm。

②在初支開裂位置進行套拱加固，防止變形加劇。在DK29+955～DK29+948處立設(shè)8榀套拱，間距1.0 m，采用I20型鋼。布設(shè)雙層連接筋(φ22 mm)和鋼筋網(wǎng)片(φ8 mm)，噴射混凝土厚度30 cm。每榀拱腳處分別打設(shè)4根鎖腳錨桿，φ42 mm小導管長3.5 m。

③在溜砟處和拱部環(huán)向密排打設(shè)小導管封堵，防止繼續(xù)溜砟。采用φ42 mm小導管，長5.0 m。

④在溜砟位置泵送C20混凝土回填塌穴。

⑤繼續(xù)掘進施工時，加強支護參數(shù)，采用I22型鋼，間距0.6～0.8 m，超前小導管加長至5.0 m，間距30 cm。

4 總結(jié)與體會

4.1 圍巖假象

時空效應要注意。隧道開挖后掌子面比較干燥，穩(wěn)定性比較好，按照地勘提供的圍巖級別，正常情況下按照設(shè)計原則采取相應的工程措施后，短期內(nèi)沒有問題，但是隨著掌子面繼續(xù)推進，初期支護變形，圍巖裂隙張開，地下水開始滲出，由濕漬發(fā)展為滲水、滴水、線狀水再發(fā)展到股狀水，隨著水量的加大，巖石裂隙之間的粉末狀物質(zhì)被沖出，圍巖的整體承載能力下降，使原本有自承能力的圍巖變?yōu)樗蓜訋r體，初期支護不足以承擔這種荷載，圍巖開始變形，初期支護受到擠壓以后，噴混凝土開始剝落，鋼架壓扭、挫斷，一旦變形，則出現(xiàn)循環(huán)，即“變形越大，水量越大，水量越大，松動巖體作用力越大”，如果不及時處理，承載能力迅速降低。

4.2 對付變形

強強對抗，防止“引水入洞、引狼入室”。根據(jù)舊堡隧道圍巖的特殊性，“以柔克剛”效果并不明顯，變形越大，進入隧道內(nèi)的水越多，圍巖就越松動，自承能力越差，一旦變形，圓形的承載結(jié)構(gòu)的某些點變成了應力集中點，到最后無法承載，變形不收斂。需要采用“以剛對抗”的方式能夠更加有效解決此工點產(chǎn)生的問題。

4.3 地下水處理

“宜排不宜堵，排水有講究”。為避免初期支護背后形成過高水壓，深層地下水不能隨意襲擾。如果是巖溶水，可以通過探測，準確判斷溶腔位置以及與隧道的位置關(guān)系，可以進行疏排。而對于基巖裂隙水，其特點是出水點相對比較散，可能隧道本身就在宏觀的含水體內(nèi)，想找到集中出水源比較困難，或者根本沒有集中水源，只能為了達到降低初期支護背后水壓力目的而進行適當?shù)呐潘?，即在出水點比較集中位置打泄水孔，但泄水孔不宜過深，穿透初期支護即可，避免侵擾到地下水且在初期支護背后形成較大水的通路而難以整治。

4.4 局部溜塌

溜塌較突泥突水規(guī)模小，但是整治也是比較困難。舊堡隧道由于地質(zhì)年代久遠，受多期構(gòu)造運動的影響，節(jié)理非常發(fā)育，有些條帶屬于節(jié)理密集帶，反應到隧道開挖輪廓上，就是一個局部容易出問題的部位，由于節(jié)理多含水，節(jié)理密集帶比其他部分更富水，一旦此部位受隧道開挖擾動影響，那么此部位由靜止狀態(tài)立刻變得活躍，類似滑坡牽引作用，開挖輪廓線外小部分開始溜塌，后面產(chǎn)生更大的臨空面，前面溜塌部分牽引后面松動巖體，在地下水助勢下不斷涌出。

比較適用的處理方法是，不惜一切代價，阻止繼續(xù)溜砟，可采用密排小導管，必要時可采用鋼筋網(wǎng)揉成團放入空腔內(nèi)，噴射混凝土或者泵送混凝土防止空穴進一步加大，待空穴穩(wěn)定以后可采取注漿措施進行加固處理。

4.5 加固繞避、回頭處理

由于隧道的特殊性，施工掌子面數(shù)量有限，一旦掌子面受阻，嚴重影響工期，在這種情況下，可以采取加固繞避的方式，使得施工繼續(xù)向前推進，加固段可尋求合適的時機再回頭進行處理。

4.6 隧道施工“宜活不宜死”

“巖變我變，隨機應變”應該成為施工配合過程中永恒的主題，由于隧道斷面比較大，斷面上下左右地質(zhì)情況都各不相同，而且變化極大，尤其是受構(gòu)造影響或者有火成巖侵入，往往開挖后會遇到左硬右軟、上硬下軟的情況，有的甚至處于巖層接觸面上，水量差異也比較大，施工過程需要根據(jù)實際情況，適時調(diào)整支護參數(shù)，才能做好隧道工程。

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