分部開挖法在富水粉細(xì)砂巖地層隧道中的應(yīng)用

朱 寶

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

1 工程概況

胡麻嶺雙線隧道是蘭渝鐵路最后一座隧道，全長(zhǎng)13 611 m，共設(shè)有7 個(gè)輔助坑道（6 個(gè)斜井和1 個(gè)豎井，6 號(hào)斜井設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)被取消）。輔助坑道平面布置如圖1所示。

圖1 胡麻嶺隧道輔助坑道平面布置示意（單位：m）

胡麻嶺隧道斜（豎）井（3 座斜井和1 座豎井）1 567.5 m和正洞3 250 m段落均處于第三系富水粉細(xì)砂巖地層中。這種地層呈粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，手捏即成散沙狀。其物理力學(xué)指標(biāo)見表1［1］。

表1 第三系富水粉細(xì)砂巖物理力學(xué)指標(biāo)

2 施工情況

富水粉細(xì)砂巖滲透性低，地下水位高。剛開挖時(shí)，掌子面穩(wěn)定性較好，一經(jīng)開挖擾動(dòng)圍巖表面開始滲水并逐步軟化、層層剝離，逐漸坍塌；水長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)或浸泡后，掌子面附近含水率逐漸增大，圍巖逐漸軟化，數(shù)小時(shí)后呈流塑狀，有水從掌子面或初期支護(hù)背后流出，開挖及支護(hù)困難。拱部及邊墻出現(xiàn)較大沉降和收斂，個(gè)別段落甚至出現(xiàn)初期支護(hù)、二次襯砌整體沉降。在水頭差的作用下開挖掌子面時(shí)常伴有滲水，局部有股狀涌水、涌砂現(xiàn)象［2-3］。

通常軟巖隧道的開挖方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法（Center Cross Diagram method，CRD法）、中隔壁法（Center Diagram method，CD 法）、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法［4-5］。胡麻嶺隧道第三系富水粉細(xì)砂巖地層中施工時(shí)采用了CD 法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法和CRD 法，但施工中面臨圍巖穩(wěn)定性極差、斷面滑塌、突水涌砂、初期支護(hù)易沉降等問題。

2.1 CD法

2013年11月—2014年9月取 DK77+394—DK77+454段作為CD 法的試驗(yàn)段。由于CD 法各分部斷面較大，仍需將每個(gè)分部再細(xì)分為上下臺(tái)階施工，初期支護(hù)不能及時(shí)閉合，收斂大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，60 m 長(zhǎng)的試驗(yàn)段中較大變形段長(zhǎng)46 m，發(fā)生突水涌砂4 次，拆換拱16 m，歷時(shí)264 d，平均進(jìn)度0.23 m/d，施工進(jìn)度極其緩慢。CD法不能滿足胡麻嶺隧道施工進(jìn)度要求。

2.2 三臺(tái)階預(yù)留核心土法

DK79+545—DK79+567 段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖。2014年10月下旬由于施工擾動(dòng)滲水量逐漸變大，無法形成核心土（見圖2），掌子面不穩(wěn)定。上臺(tái)階支護(hù)后沉降和收斂較大，最大收斂值達(dá)428 mm，最大沉降量達(dá)348 mm，造成該段上臺(tái)階右側(cè)侵入二次襯砌限界，拆換拱22 m，3 個(gè)月無法向前施工。因此，三臺(tái)階預(yù)留核心土法不適用于胡麻嶺隧道。

圖2 三臺(tái)階預(yù)留核心土法無法形成核心土

2.3 CRD法

2014年3月23日在 DK76+577—DK76+601 段 采用CRD 法施工，分6 部開挖，見圖3。⑥部開挖過程中有流塑狀的粉細(xì)砂涌出，并伴隨溜滑、片幫，同時(shí)③部和④部出現(xiàn)臨時(shí)仰拱變形、橫支撐扭曲現(xiàn)象。隨后1 d內(nèi)出現(xiàn)初期支護(hù)鋼架響動(dòng)，③部和④部臨時(shí)仰拱傾斜下沉、橫支撐混凝土開裂、鋼架鼓起，⑤和⑥部邊墻開裂掉塊，6個(gè)月沒有向前施工。可見，CRD 法不能有效控制涌沙引起的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，不適合在胡麻嶺隧道施工中采用。

圖3 CRD法橫斷面示意

3 分部開挖法的應(yīng)用

為確保胡麻嶺隧道施工安全，開挖時(shí)間不宜過長(zhǎng)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)要小，初期支護(hù)須快速閉合成環(huán)；當(dāng)出現(xiàn)流塑或涌水、涌砂時(shí)能控制規(guī)模，不出現(xiàn)較大變形；支護(hù)結(jié)構(gòu)要相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)研究提出了分部開挖法，將掌子面分隔為左、中、右3 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)再分為上、中、下 3 個(gè)分部，共劃分出 9 個(gè)分部，如圖4所示。開挖順序?yàn)橄葍蛇吅笾虚g、由上而下。先挖兩側(cè)①～⑥部，是為了避免側(cè)面的土壤脫落；再開挖中間的⑦部，初期支護(hù)做好后，可避免頂部土壤脫落；最后開挖⑧部和⑨部，頂部或側(cè)壁支護(hù)先完成可避免塌陷，從而確保施工人員的安全。

圖4 分部開挖法橫斷面示意

3.1 2種施工方法的轉(zhuǎn)換

DK76+910—DK76+925 段采用 CRD 法施工。開挖擾動(dòng)后圍巖多呈飽和粉細(xì)砂狀態(tài)，穩(wěn)定性極差，突涌較嚴(yán)重，累計(jì)涌出固體量約30 m3。

開挖方法調(diào)整為分部開挖法，首先從掌子面到仰拱端頭間已安裝臨時(shí)支撐段增加2道豎支撐＋掛網(wǎng)噴射混凝土；然后拆除原CRD 法中隔壁，向前方開挖逐步形成分部開挖法的斷面，完成體系轉(zhuǎn)換，如圖5和圖6所示。

圖5 從CRD法向分部開挖法的轉(zhuǎn)換

圖6 分部開挖法斷面

分部開挖法的優(yōu)點(diǎn)：劃分為9個(gè)分部后各分部面積變小，最先施工的①部和②部開挖面積均小于15 m2；開挖后初期支護(hù)能立即閉合成環(huán)，避免了應(yīng)力集中導(dǎo)致的大變形。各分部的支護(hù)結(jié)構(gòu)均能及時(shí)閉合成環(huán)，承受外部荷載的能力增加，坍塌的范圍和規(guī)模較易控制，保證了整個(gè)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.2 主要措施

①對(duì)掌子面先進(jìn)行掛網(wǎng)封閉，然后進(jìn)行注漿加固；②拱部超前支護(hù)并注漿；③初期支護(hù)期間全環(huán)設(shè)置I25a型鋼鋼架并噴射C30早強(qiáng)混凝土；④臨時(shí)支護(hù)采用I20b型鋼鋼架并噴射C25 混凝土；⑤拱墻背后徑向回填注漿；⑥基底采用級(jí)配碎石換填；⑦襯砌采用C40鋼筋混凝土。具體施工參數(shù)見表2。

表2 主要措施及其施工參數(shù)

3.3 施工組織

9部開挖和支護(hù)各分部作為1個(gè)獨(dú)立的施工單元，單獨(dú)進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。①部的1 個(gè)循環(huán)施工流程為：施作φ42超前小導(dǎo)管并注漿→人工開挖，噴射混凝土封閉掌子面→施作初期支護(hù)和豎向臨時(shí)支護(hù)（初噴混凝土，架立臨時(shí)鋼架，并打設(shè)鎖腳錨管）→安設(shè)橫支撐閉合鋼架→復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度→打設(shè)徑向注漿管并注漿。其他各部和①部工序基本相似。

最多5個(gè)工作面同時(shí)開挖、支護(hù)，①，②部進(jìn)度慢，設(shè)置4 個(gè)工班，其余各部設(shè)置3 個(gè)工班，共13 個(gè)工班，循環(huán)作業(yè)，開挖99人、支護(hù)88人，共計(jì)187人。各部以6 m 作為一個(gè)開挖支護(hù)大循環(huán)，0.5 m 作為一個(gè)開挖支護(hù)小循環(huán)組織施工。每個(gè)大循環(huán)10.5 d。其中拆除6 m 臨時(shí)支護(hù)影響72 h（每次拆除3 m）、降水（洞內(nèi)超前水平真空降水和深井降水）影響24 h、仰拱施工及物料上下運(yùn)輸影響12 h，有效開挖時(shí)間僅6 d，各部每天進(jìn)尺1 m。在保證降水效果的情況下，每天可進(jìn)行2個(gè)循環(huán)，月進(jìn)度可達(dá)17.1 m。

胡麻嶺隧道正洞3 250 m 富水粉細(xì)砂巖段中有2 475 m采用了分部開挖法，初期支護(hù)變形均在預(yù)留變形量35 cm范圍內(nèi)，月進(jìn)度最高可達(dá)20.8 m，未出現(xiàn)垮塌、變形侵限等問題。

4 各種施工方法對(duì)比

對(duì)胡麻嶺隧道各種施工方法進(jìn)行對(duì)比，見表3。可見，4 種施工方法中分部開挖法適用于第三系富水粉細(xì)砂地層。

表3 各施工方法對(duì)比

5 結(jié)論

在胡麻嶺隧道施工以前，第三系富水粉細(xì)砂巖地層在國(guó)內(nèi)工程中很少見，沒有成熟的開挖技術(shù)?，F(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》中也沒有該特殊地質(zhì)條件下的施工方法。胡麻嶺隧道施工證明了富水粉細(xì)砂巖地層隧道采用分部開挖法切實(shí)可行。該施工方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）將掌子面分成9 個(gè)獨(dú)立的施工單元，開挖斷面小，初期支護(hù)能夠快速閉合成環(huán)，有利于掌子面的穩(wěn)定。

2）有利于控制初期支護(hù)的沉降和收斂變形，初期支護(hù)更穩(wěn)定。

3）多分部同時(shí)開挖，有利于施工組織。

4）與綜合降水、局部注漿相結(jié)合，解決了第三系富水粉細(xì)砂巖地層流塑、突涌等問題。