鐵路隧道淺埋偏壓段施工方法及控制技術(shù)研究

肖 林 勇

(中鐵四局集團第五工程有限公司,江西 九江 332100)

鐵路隧道淺埋偏壓段施工方法及控制技術(shù)研究

肖 林 勇

(中鐵四局集團第五工程有限公司,江西 九江 332100)

以某高速鐵路隧道在出口端附近發(fā)生淺埋偏壓為工程研究背景，對淺埋暗挖法的原理、特點進(jìn)行了分析，初步探究了隧道偏壓形成的機理，在此基礎(chǔ)上，提出了采用三臺階預(yù)留核心土法開挖，同時運用洞外地層輔助、洞內(nèi)超前支護的輔助施工方法，為同類工程提供了參考借鑒。

鐵路隧道，淺埋，偏壓，施工方法

我國是一個幅員遼闊、各種地理地貌發(fā)育的大國，山區(qū)隧道建設(shè)隨著改革開放的進(jìn)行，伴隨著經(jīng)濟發(fā)展也在如火如荼的快速發(fā)展當(dāng)中[1-3]。當(dāng)前國內(nèi)對于“西部大開發(fā)”的部署也是自上而下的，而中國大陸自西向東整體地理趨勢是西高東低的階梯級分布，由此山嶺隧道暗挖隧道施工中遇見淺埋地層條件是不可避免的。特別是在隧道洞口段和隨著地勢的延伸而出現(xiàn)的傍山地段修建高鐵，解決好淺埋偏壓段隧道施工在整個隧道設(shè)計、施工和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有著重要的意義。

1 淺埋偏壓隧道概述

1.1 淺埋暗挖法的原理

淺埋暗挖法是根據(jù)國外隧道施工的技術(shù)總結(jié)結(jié)合國內(nèi)早期施工中遇到的復(fù)雜問題，逐漸形成的一套隧道施工技術(shù)方法，是在較軟弱圍巖、距離地表較近的地下施用暗挖施工的方法進(jìn)行地下洞室開挖的隧道施工方法[4]。在淺埋地層中修建隧道比如山嶺隧道洞口段、淺埋段，城市地下鐵道等淺埋結(jié)構(gòu)物，遇到不宜明挖施工的土質(zhì)、巖層，或者是第四紀(jì)地層出現(xiàn)軟弱無膠結(jié)的砂、卵石層等情況(一般覆跨比大于0.2)時常用的施工方法，由此達(dá)到安全、快速、經(jīng)濟施工的建設(shè)目的。

淺埋暗挖法理論可以說是源于“新奧法”[5]，如淺埋暗挖技術(shù)中初期支護手段之一的錨噴；盡量減少對圍巖的擾動；初支與圍巖的緊密貼合；以監(jiān)控量測信息反饋、指導(dǎo)施工等等。然而，與新奧法相比，淺埋暗挖法更加強調(diào)了對地層的預(yù)支護和預(yù)加固，或者叫輔助工法。常用的輔助工法有：開挖面深孔注漿、超前注漿小導(dǎo)管及管棚超前支護。

1.2 淺埋暗挖法的特點

淺埋暗挖法施工的地下洞室具有埋深淺(但覆跨比一般大于0.2)、地層巖性差(通常為第四紀(jì)軟弱地層)、周圍環(huán)境復(fù)雜(鄰近既有建、構(gòu)筑物)、存在地下水(需降低地下水位)等特點[6]。正是由于淺埋暗挖法是在外界環(huán)境如此復(fù)雜不穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行的，該法的核心是在利用圍巖支護隧道，使圍巖本身形成支承環(huán)，發(fā)揮圍巖支撐能力的重要作用下，同時采用多種輔助施工工法，施行超前支護，對擬開挖地段進(jìn)行預(yù)加固處理；從而在充分調(diào)動圍巖的自承能力的同時，保證施工安全、穩(wěn)定可持續(xù)地進(jìn)行，確保在施工過程中以及建成運營后，地表和地下的沉降量滿足規(guī)定的限值。

1.3 隧道偏壓形成機理

為美觀和結(jié)構(gòu)受力均勻，隧道結(jié)構(gòu)斷面一般設(shè)計成馬蹄形；而在不對稱地形，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地層巖性的不對稱或者是施工引起應(yīng)力不對稱等因素影響下，可能造成隧道結(jié)構(gòu)橫向兩側(cè)荷載出現(xiàn)不對稱，這就形成了所謂的偏壓隧道，常見的情況是隧道某段出現(xiàn)偏壓，稱為“偏壓段”[7]。

總體上講，常見的產(chǎn)生“偏壓”現(xiàn)象主要分兩種情況[8-10]：

1)由于異常非對稱地形(主要是隧道結(jié)構(gòu)橫向兩邊覆蓋層厚度、圍巖情況、結(jié)構(gòu)附近臨近構(gòu)筑物或者是地質(zhì)構(gòu)造等方面的不對稱)產(chǎn)生的“地形偏壓”；

2)由于施工順序或施工工法不同產(chǎn)生的“施工偏壓”。

根據(jù)對偏壓隧道的調(diào)查，大多數(shù)偏壓隧道處于洞口段，屬于地形淺埋偏壓；在隧道洞身段，除了存在地形偏壓的情況外，還有地質(zhì)構(gòu)造作用引起的偏壓。

2 工程概況

某高速鐵路隧道起始里程D3K384+422～D3K396+860，全長12 438 m，最大埋深568 m，也是全線高風(fēng)險、重點控制性工程。隧道賦存地質(zhì)條件極為復(fù)雜，洞身穿越區(qū)田逆斷層(F5)、葫蘆田正斷層(F10)、大湘口向斜等不良地質(zhì)帶。地層為強風(fēng)化～弱風(fēng)化泥巖和泥質(zhì)砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，易掉塊、坍塌。隧道在出口端D3K396+840附近偏壓嚴(yán)重，巖體整體破碎、質(zhì)軟，單軸抗壓強度小于15 MPa，層間結(jié)合較差，在外力作用下易沿層理面滑移、脫裂，層間富水，在水的作用下，巖體易膨脹、泥化、崩解，加劇巖體的破壞。

由于出口端偏壓且隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道施工過程反復(fù)出現(xiàn)圍巖大變形、塌方、初期支護鼓出等災(zāi)害(見圖1)，嚴(yán)重影響了隧道施工安全和阻礙了施工進(jìn)度。經(jīng)過分析論證，依據(jù)現(xiàn)場的實際情況，現(xiàn)提出采用三臺階預(yù)留核心土法開挖并結(jié)合管棚超前支護的方法，應(yīng)對隧道所遇到的施工困難，對于隧頂淺埋偏壓段地層，輔助采用預(yù)加固和反壓平衡處理措施，重點防止地表水對施工產(chǎn)生影響。

3 偏壓段施工措施及控制技術(shù)

3.1 洞外地層輔助措施

3.1.1 修筑截水溝

隧道偏壓段自然山體形成陡坡，且在隧頂處有低洼地帶，地表覆蓋膨脹性粉質(zhì)粘土。下雨季節(jié)周邊山地雨水依山勢順流至隧頂偏壓段區(qū)域，對施工期隧道安全穩(wěn)定形成威脅。因此考慮在偏壓側(cè)隧頂設(shè)置天溝，結(jié)構(gòu)可施作漿砌片石。以此來防止地層因被地表水沖刷而軟化，形成滲透，降低地層土物理力學(xué)性質(zhì)而造成隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坍塌。

3.1.2 地層局部加固

為更好的做好隧道淺埋偏壓段施工準(zhǔn)備，確保施工安全，同時做到更好的控制成本，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采取地表注漿和鋪筑反壓層的施工方案。

注漿為較常用的預(yù)加固處理方法。該隧道淺埋段地表覆蓋膨脹性粉質(zhì)粘土，地層土體物理力學(xué)性質(zhì)較差，極易因自然水的侵入沖刷而軟化，會造成隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坍塌。因此考慮采用地表注漿加固。注漿寬度最終確定為隧道洞徑兩側(cè)各4 m～5 m，長度應(yīng)超過偏壓段5 m～10 m；注漿孔按矩形或梅花形排列，間距設(shè)為注射漿液擴散半徑的1.5倍～1.8倍，垂直地面鉆孔，孔深由地表至洞身輪廓線外，必要時可以穿越洞身。

反壓回填，是解決隧道偏壓的重要方式之一，它的施作中施工進(jìn)度基本不受影響，也不增加高額的工程造價。反壓回填能緩解地形的不對稱性，增加隧道和邊坡的穩(wěn)定性，在對淺埋暗挖隧道施工中出現(xiàn)的偏壓地形地貌效果顯著，尤其是在偏壓不太嚴(yán)重的洞身段應(yīng)該首先考慮采用。對于反壓層的厚度可按表1來分析取值。

表1 偏壓隧道外側(cè)拱肩山體需加固的覆蓋厚度限值t

在隧道掌子面距淺埋偏壓地段D3K396+840僅有20 m左右距離時，開挖工法逐漸由臺階法調(diào)整為三臺階七步預(yù)留核心土開挖方法。工法轉(zhuǎn)換期間嚴(yán)格做到短進(jìn)尺(每循環(huán)開挖不得大于0.6 m)、弱爆破(盡量不爆破，采取人工、機械開挖)、強支護。

3.2.1 錨索、超前小導(dǎo)管加固

3.2 洞內(nèi)超前支護措施在洞內(nèi)加強超前支護措施，主要通過加超前注漿小導(dǎo)管的使用來實現(xiàn)。超前小導(dǎo)管施工中嚴(yán)格確保小導(dǎo)管數(shù)量、注漿質(zhì)量以及搭接長度。對于徑向錨桿也進(jìn)行加密、加長操作(偏壓側(cè)適當(dāng)多加密)，偏壓側(cè)可視情況施作徑向注漿小導(dǎo)管，噴混凝土?xí)r也可適當(dāng)增加偏壓一側(cè)的噴射厚度，以此來增強整體穩(wěn)定性，小導(dǎo)管采用直徑為42 mm的注漿花管，基本要求為：小導(dǎo)管布置在開挖輪廓線以外10 cm的位置，環(huán)向間距40 cm，φ42小導(dǎo)管長度4.5 m，每環(huán)40根，小導(dǎo)管采用φ42熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm，每環(huán)打入長度3.5 m，縱向水平搭接大于1 m。沿拱部開挖輪廓線外緣布置，鋼管外插角均為10°～15°。小導(dǎo)管示意圖如圖2所示。3.2.2 臨時封閉掌子面

當(dāng)施工將至D3K396+840時，掌子面進(jìn)至淺埋偏壓段，施工關(guān)鍵時刻，由于接連幾天降雨，使得掌子面顯露不穩(wěn)定征兆。掌子面掉塊嚴(yán)重，經(jīng)過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，拱頂下沉值顯著增大，下沉速率連續(xù)接近5 mm/d，且有持續(xù)增長的趨勢。此時施工方項目部研究決定，采取立即用噴射混凝土臨時封閉掌子面的措施，防止掌子面出現(xiàn)大量塌方狀況。并采用雙排小導(dǎo)管加強支護，保持對離掌子面最近的拱頂下沉監(jiān)測和周邊收斂點的監(jiān)測，按要求的頻率施行監(jiān)控量測，實時把握變形動態(tài)。之后在以上輔助措施條件下，拱頂沉降速率逐漸趨緩，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示變形恢復(fù)正常范圍之后才開始再次施工，并且繼續(xù)實施采用雙排小導(dǎo)管加強支護以保安全。

由本次淺埋偏壓段遭遇拱頂下沉過快并實施了臨時封閉掌子面這個案例也可以看出洞外地層輔助措施和洞內(nèi)超前支護措施的必要性。在對地層實施預(yù)加固操作時須嚴(yán)格按照要求規(guī)范操作，不減不漏，地層和掌子面預(yù)加固的效果直接影響著后續(xù)施工能否安全順利進(jìn)行。盡管如此，各種預(yù)加固措施對于后續(xù)施工都只是輔助措施，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的長大隧道的施工，輔助措施的實施都只是一種保險措施。若不進(jìn)行后續(xù)施工遇事故的可能性將增大，即使實施了相應(yīng)輔助措施，也不可能完全保證施工萬無一失。在隧道施工階段更要通過綜合考慮各種風(fēng)險因素對上覆層的擾動和對施工的影響，將隧道施工中可能出現(xiàn)事故風(fēng)險降到最低。

3.3 三臺階七步預(yù)留核心土開挖

隧道淺埋偏壓段采用三臺階七步開挖法開挖，此工法是基于弧形導(dǎo)坑留核心土法的原理，在臺階法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新式的分上、

中、下三個臺階并形成7個作業(yè)面進(jìn)行開挖，各作業(yè)面的開挖與支護沿隧道縱向方向上錯開，可實現(xiàn)平行推進(jìn)。

隧道D3K396+840～D3K396+860段采用三臺階七步開挖法進(jìn)行掘進(jìn)(流程見圖3)，該工法可以實現(xiàn)將掘進(jìn)工作面從上到下豎直方向分為三層進(jìn)行開挖，且三層施工可同步進(jìn)行。上臺階(1部)可留核心土?xí)翰婚_挖，中下側(cè)掘進(jìn)時左、右可先后提前開挖2 m～3 m。采用三臺階開挖時嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，每個循環(huán)開挖1 m～2 m為宜。隧洞內(nèi)部支護襯砌采用初支加二襯復(fù)合式襯砌，初期支護采用φ42小導(dǎo)管超前支護，Ⅰ20a鋼支撐、φ25錨桿及C30噴射混凝土進(jìn)行。二襯采用C35混凝土由二襯臺車進(jìn)行施作。

4 結(jié)語

本文主要對某高速鐵路隧道出口端偏壓段的施工綜合技術(shù)進(jìn)行了研究。該隧道在D3K396+840～D3K396+860里程段出現(xiàn)淺埋偏壓工況，此段也是整個隧道施工中的重難點。對于該段的施工嚴(yán)格按照設(shè)計要求，采取三臺階七步開挖且預(yù)留核心土，避免超挖。開挖前按照淺埋暗挖施工技術(shù)采取一系列預(yù)加固措施，包括洞頂?shù)牡乇硭幚恚乇碜{、回填和洞內(nèi)以超前小導(dǎo)管為主的輔助措施。在上述整套施工措施的處置下，隧道出口端淺埋偏壓段順利貫通，能夠為同類工程提供實際借鑒意義。

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Research on construction method andcontrol technology of shallow buried side section of the railway tunnel

Xiao Linyong

(ChinaRailwayFourBureauGroupFifthEngineeringCo.,Ltd,Jiujiang332100,China)

Taking the high speed railway tunnel happened a shallow bias as the engineering background, this paper firstly analyzed the principle and the characteristics of the shallow depth excavation method. And then preliminary explored the mechanism of formation of the bias in the tunnel. On this basis, put forward the three steps aside core excavation method and using auxiliary hole outside layer, hole forepole auxiliary method. and the concalution can provide practical reference for the similar projects.

railway tunnel, shallow buried, bias, construction method

2015-02-04

肖林勇(1977- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0167-03

U455

A