富水軟巖淺埋三線大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)

羅寧寧，宋貴明，李傳富，印建文，周躍峰

(1.中鐵五局集團成都工程有限責(zé)任公司，四川成都610073;2.成蘭鐵路有限責(zé)任公司，四川成都610000; 3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都610000)

富水軟巖淺埋三線大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)

羅寧寧1，宋貴明1，李傳富2，印建文2，周躍峰3

(1.中鐵五局集團成都工程有限責(zé)任公司，四川成都610073;2.成蘭鐵路有限責(zé)任公司，四川成都610000; 3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都610000)

新建成都—蘭州鐵路重點工程楊家坪隧道出口地處龍門山斷裂帶后山斷裂附近。圍巖為千枚巖，軟弱破碎，節(jié)理發(fā)育，自穩(wěn)性差。隧道出口的三線大跨段埋深淺，地下水豐富，開挖寬度21 m，施工難度大，安全風(fēng)險極高。本文闡述隧道出口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工控制要點，以及軟巖淺埋富水段的處治方法。

鐵路 軟巖 富水 淺埋大跨 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

1 工程概況

楊家坪隧道位于四川省茂縣光明鄉(xiāng)境內(nèi)，是成蘭鐵路的重點工程之一，巖質(zhì)軟弱破碎、構(gòu)造復(fù)雜，與龍門山斷裂帶后山斷裂相距很近，附近有與隧道基本平行的F10-1斷層。楊家坪倒轉(zhuǎn)背斜、楊家坪向斜與隧道小角度相交。隧道出口三線車站段跨度大，埋深淺，地下水豐富，施工難度大。

楊家坪隧道全長12 815 m，屬于高風(fēng)險鐵路隧道。出口455 m長為車站隧道段，其中190 m為三線大跨段，為1‰的上坡。三線大跨段包括7 m明洞和183 m暗洞，埋深10～80 m。三線大跨段凈寬17.4 m，凈高10.37 m，開挖寬度21.07 m，開挖高度13.99 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。該段上覆第四系全新統(tǒng)堆積卵石土、塊石土的堆積體，內(nèi)夾漂石，圍巖松散，整體性和自穩(wěn)性差。基巖為志留系中上統(tǒng)茂縣群千枚巖和炭質(zhì)千枚巖，圍巖強度5～15 MPa，受構(gòu)造影響，巖體極為軟弱破碎，易崩解剝落。該段地下水豐富，以孔隙水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，地表發(fā)育沖溝，地表水下滲嚴重。施工中地下水呈線狀和股狀，在DK123+ 898—DK123+940段有一寬25 m、與隧道呈45°夾角的破碎帶，出水量大，仰拱開挖后底部滲水?；鶐r遇水軟化成泥，圍巖成拱性及自穩(wěn)性差，隧道施工難度大。

2 施工工藝與難點分析

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝

針對楊家坪隧道出口段圍巖軟弱、埋深淺、洞身大跨度的特點，按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的標準工藝流程進行三線大跨隧道開挖支護施工，分9步開挖，雙側(cè)導(dǎo)坑、中槽依次錯開約3～5 m距離，同步向前推進。施工工藝流程和工序分別如圖1、圖2所示。

圖1 楊家坪隧道出口段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝流程

圖2 施工工序示意(單位:cm)

2.2 各開挖工序的內(nèi)力分析

根據(jù)楊家坪隧道出口的地質(zhì)情況、斷面尺寸、開挖步序等情況，采用“AutoCAD—ANSYS—FLAC3D步步導(dǎo)入”的方法建模分析了單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后、雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后、中槽開挖后三種條件下圍巖內(nèi)力和塑性區(qū)分布情況，如圖3所示。

圖3 圍巖主應(yīng)力和塑性區(qū)分布

由圖3可以看出:①各分部開挖時，圍巖應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化。單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后拱頂應(yīng)力較大，初支閉環(huán)后，主應(yīng)力值減少。施工中主要表現(xiàn)為拱頂下沉量大，閉環(huán)后變形速率減少并趨于穩(wěn)定。②塑性區(qū)隨各分部開挖而擴大。施工中應(yīng)控制好各分部的距離，盡快使初支閉環(huán)以減少塑性區(qū)和圍巖的松動范圍，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工控制重點

①施工各分部步序的設(shè)計和控制是重點?？刂坪酶鲗?dǎo)坑施工步距，各工序須均衡推進。要監(jiān)控好各導(dǎo)坑仰拱閉合的位置，盡早施作中槽仰拱型鋼，使整個隧道盡早封閉成環(huán)。②三線大跨軟巖富水段突發(fā)情況的預(yù)防和處置方法是施工難點。③施工安全的管理是施工重點和難點。根據(jù)楊家坪隧道特定的地質(zhì)情況，做好監(jiān)控量測，根據(jù)變形情況及時調(diào)整預(yù)留變形量和支護措施。通過長短距離預(yù)報結(jié)合、物探鉆探對比分析等手段綜合預(yù)報預(yù)測掌子面前方地質(zhì)情況。④施工中突發(fā)的塌方、涌水突泥、崩塌等不良地質(zhì)處治是施工難點，選擇合適的支護措施是施工的重點。

3 施工控制

3.1 分部設(shè)計與步序控制

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法按左中右分成3個導(dǎo)坑分部開挖，每個導(dǎo)坑寬度約為總寬的1/3，先側(cè)壁后中槽，3個導(dǎo)坑掌子面錯開一定距離，側(cè)壁導(dǎo)坑拱腰設(shè)鋼橫撐。要控制好各工序步距，及時施作襯砌，加強變形監(jiān)測，盡早封閉成環(huán)。步序如下:

1)將洞外土體開挖至雙側(cè)壁導(dǎo)坑斷面的中部，邊開挖邊進行隧道洞口正面(直立面)防護及靠山側(cè)的山體邊坡防護。

2)隧道洞口正面、山體邊坡防護完成后，隧道的山體外側(cè)導(dǎo)坑、山體內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑、中槽按先后順序分別往暗洞方向進行開挖支護施工(依次錯開約5 m距離)。

3)導(dǎo)坑、中槽施工一定距離后，將洞外土體開挖至隧道底部位置，邊開挖(每層3 m)邊進行隧道洞口正面防護及靠山側(cè)的山體邊坡防護。

4)隧道洞口正面、山體邊坡防護完成后，隧道的山體外側(cè)導(dǎo)坑、山體內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑下斷面(下斷面再分為上下兩個小臺階)按先后順序分別往暗洞方向開挖、支護(依次錯開約3 m距離)。雙側(cè)導(dǎo)坑的下斷面開挖、支護逐步推進，向?qū)Э由蠑嗝娓M，直到相距約3 m處。

5)按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的標準工藝流程進行后續(xù)的三線大跨隧道開挖支護施工，雙側(cè)導(dǎo)坑、中槽依次錯開約3～5 m距離，同步向前推進。

3.2 信息采集及反饋

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

采用地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達法、TSP和超前鉆探法等方法分別進行探測，綜合各種方法的探測結(jié)果對掌子面前方的地質(zhì)情況和地下水情況進行綜合判識。結(jié)果表明，三線大跨段為Ⅴ級圍巖，主要為碎石土、殘坡積碎石土，碎屑結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)松散。圍巖破碎～極破碎，穩(wěn)定性很差，加之地下水豐富，施工中圍巖易垮塌。

3.2.2 監(jiān)控量測

根據(jù)規(guī)范要求，楊家坪隧道出口洞頂共布設(shè)3個地表沉降觀測斷面，縱向間距10 m，橫向間距5 m。

洞內(nèi)監(jiān)測點按縱向每5 m 1個斷面布設(shè)，每個斷面的監(jiān)測點根據(jù)開挖臺階情況和開挖分部情況布置，用來監(jiān)測每個分部的拱部下沉和每個臺階的水平收斂變化值、變形速率。斷面各測點布置如圖4所示。

圖4 洞身監(jiān)控量測點布置(單位:cm)

地表沉降監(jiān)控量測結(jié)果:最大沉降量在靠中線處，在上臺階掌子面開挖時、臺階往下開挖時、仰拱開挖時、中隔壁豎撐拆除時沉降量比較大，其余時間變化不大。

拱頂下沉、水平收斂情況和圍巖的變形規(guī)律:最大沉降量發(fā)生在靠中槽拱頂處;側(cè)壁導(dǎo)坑拱頂在下臺階往下開挖時、仰拱開挖時沉降量比較大，其余時間變化不大;側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階的收斂值大于下臺階收斂值，可能是由于受到下臺階開挖的影響。在下臺階往下挖、仰拱開挖和拆除豎撐時圍巖變形比較大，施工時應(yīng)及時做好支護措施，盡早施作橫撐，盡早將初期支護閉合成環(huán)，并加強觀測。當變形發(fā)生突變時應(yīng)采取增加橫撐、減慢掌子面掘進速度、加強支護等措施。

3.2.3 信息反饋與應(yīng)對

根據(jù)對超前地質(zhì)預(yù)報情況和圍巖量測情況的分析，對掌子面前方易坍塌和可能發(fā)生大變形的段落，采取了提前增加中管棚、徑向注漿、型鋼支撐腳下墊槽鋼等加強支護措施，并對地下水進行集中預(yù)排放，使得圍巖變形速率明顯減少并趨于穩(wěn)定，有效地避免了塌方事故。

3.3 注重對圍巖的保護

施工中通過超前支護、注漿堵水、機械非爆破開挖、弱爆破等方式最大限度地減少了對圍巖的擾動，充分發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力。

4 不良地質(zhì)處治

施工過程中出現(xiàn)了掌子面失穩(wěn)、小型涌泥砂、初支下沉開裂等現(xiàn)象，給施工帶來了巨大困難，采用了特殊加強支護措施進行了處理，效果理想。

1)殘坡積碎石土段掉塊嚴重，掌子面失穩(wěn)溜塌，在拱部上方形成倒立漏斗，影響施工安全。為了防止掌子面溜塌過多，加密加強超前支護，增設(shè)φ76中管棚注漿處理，最大限度保護了圍巖。

2)炭質(zhì)千枚巖破碎富水段，巖體極破碎，遇水則軟化失穩(wěn)，施工中出現(xiàn)管道水攜夾沙石流出，掏蝕側(cè)壁圍巖，形成空腔。對此設(shè)置了集中排水孔，采用徑向注漿加固周邊圍巖，同時增設(shè)φ76中管棚并配合使用大外插角φ42超前小導(dǎo)管加強超前支護，對初支背后空洞亦注漿填充。

3)開挖后基底承載力低，初支鋼架沉降量大，影響施工和結(jié)構(gòu)安全。對此，在鋼架底部增加了縱向槽鋼，在中隔壁鋼架下增加了“十”字形槽鋼，以減少鋼架的下沉量。此外，及時排干地下水來防止基底軟化，并對基底采用注漿加固堵水措施。

4)圍巖富水地段軟化嚴重，對此，將各臺階的滲水用獨立水管排放至已襯砌的中央排水溝內(nèi)，防止地面水進一步軟化鋼拱架底腳，同時采用徑向注漿堵水來減少滲水量。

5)中隔壁臨時鋼架在側(cè)壁導(dǎo)坑和中槽仰拱未閉合之前，容易出現(xiàn)側(cè)壁導(dǎo)坑底部圍巖難以支撐中隔壁型鋼的側(cè)壓力而出現(xiàn)擺動的情況，使得中隔壁與正洞鋼架連接處松動扭斷。對此，施工中應(yīng)保持側(cè)導(dǎo)坑支擋中隔壁的填土高度，在仰拱開挖時開挖長度不得大于2 m，以防開挖過長使中隔壁失穩(wěn)。

5 結(jié)語

1)施工步序、超前支護、減震開挖、注漿施工等是施工關(guān)鍵。

2)施工中注重信息采集和反饋，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和圍巖量測結(jié)果，提前采取了相應(yīng)的預(yù)支護措施，有效防止了大塌方事件的發(fā)生。

3)將機械施工與人工施工相結(jié)合。工藝要求嚴格的部位采用人工開挖，其他采用機械和人工配合施工，減少了開挖震動。根據(jù)機械作業(yè)要求合理調(diào)整施工工藝，掌子面10 m范圍內(nèi)以錨代撐，減少了中橫撐對機械作業(yè)空間的限制。

4)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工中應(yīng)嚴格控制各分部錯開距離和各步臺階開挖長度。臨時橫撐應(yīng)與鋼架連接，應(yīng)緊跟設(shè)置，以便及時封閉成環(huán)。鋼架鎖腳錨管應(yīng)規(guī)范施作，與鋼架連接要牢固。應(yīng)防止中槽開挖過程中挖除臨時豎撐的錨腳時中隔壁鋼架失穩(wěn)。側(cè)壁底部在仰拱型鋼閉合前應(yīng)防止鋼架懸空使鋼架失穩(wěn)。各分部同一里程的鋼架應(yīng)準確定位，確保對接牢固，臨時鋼架拆除長度不得過長，洞口第1環(huán)二襯應(yīng)盡早施作。

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(責(zé)任審編李付軍)

U455.41+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.12

1003-1995(2015)12-0043-04

2015-05-31;

2015-10-26

羅寧寧(1971—)，男，高級工程師，工程碩士。