小凈距及分離式隧道施工工藝與技術(shù)研究

杜憲武,巫雅杰,楊玉平,王 晶,李晨子

(中鐵北京工程局集團(天津)工程有限公司,天津 300000)

0 引言

隨著高速公路的快速發(fā)展,線路存在穿越山體的情況,不可避免地需要進行隧道開挖[1],當圍巖條件[2]較差時,為了施工安全,考慮到圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重[3]等,需要進行小凈距[4]開挖。如吳波等[5]采用數(shù)值軟件計算不同工況下小凈距隧道的力學響應,從而得到最優(yōu)化參數(shù)方案。夏夢然[6]通過理論推導,對淺埋超小凈距隧道的失穩(wěn)機理進行系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)增大土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角等均能增加支護反力,使其效果更顯著。因此,為了隧道的穩(wěn)定性和安全性,通過對開挖施工工藝與技術(shù)進行研究,從而找到最優(yōu)的施工方案,為工程質(zhì)量提供保障。

1 工程概況

隧道采用雙向六車道設計,設計行車速度100 km/h。為小凈距+分離式隧道,隧道單洞為三車道大斷面隧道,隧道凈寬14.5 m,凈高5.0 m。隧道左線全長2 014 m,其中設計Ⅳ級圍巖1 608 m、Ⅴ級圍巖406 m；右線全長2 005 m,設計Ⅳ級圍巖1 621 m、Ⅴ級圍巖384 m。設置車行橫通道3處,緊急停車帶5處,人行橫通道6處,左右洞進口均為削竹式洞門。

2 施工準備

2.1 施工調(diào)查

(1)核對現(xiàn)場地形地貌、圍巖地質(zhì)情況、地表建筑物、隧道周邊環(huán)境情況等與設計文件是否一致,洞口地形地質(zhì)調(diào)查是重點。可利用谷歌地球等工具軟件,條件允許的話,建議沿隧道走向?qū)λ淼赖乇砬闆r進行一次詳細踏勘,這一點對淺埋隧道尤為重要。

(2)調(diào)查當?shù)貧夂?、水文、交通運輸、電力通訊、材料和生活資源等供應情況。

(3)調(diào)查生產(chǎn)生活房屋、洞口場地、棄碴場、攪拌站等臨時設施布置條件情況。

2.2 技術(shù)準備

現(xiàn)場詳細調(diào)查與地質(zhì)勘探；現(xiàn)場樁橛交接埋設與復測；進行地材調(diào)查、室內(nèi)試驗；各種檢測儀器設備的標定,辦理計量合格證書；各種砼、砂漿配合比的配制選定；施工作業(yè)中所涉及的各種外部技術(shù)數(shù)據(jù)收集。

2.3 施工前準備

(1)前期進場的主要機械：挖掘機、裝載機、自卸汽車、濕噴機、注漿機、各種鋼筋及導管加工設備,風、電、水的供應設備且滿足施工要求。

(2)隧道進洞前,二次襯砌模板臺車必須進場。

(3)隧道施工供電應采用三相五線供電系統(tǒng)。照明和動力線安裝在同一側(cè),必須分層架設。一般要求高壓在上、低壓在下,干線在上、支線在下,動力線在上、照明線在下。

(4)施工期間洞內(nèi)嚴格按照三管兩線布設。

3 超前地質(zhì)預報與監(jiān)控量測

使用鉆探和現(xiàn)代物探等手段,探測隧道開挖面前方的地質(zhì)情況,在施工前分析前方的圍巖結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài),以及地下水、瓦斯等地質(zhì)信息,為施工提供指導,避免施工過程中發(fā)生涌水、瓦斯突出、巖爆、大變形等地質(zhì)災害,保證施工安全。

3.1 超前地質(zhì)預報的方式

設置隧道地震探測儀、超前地質(zhì)預報鉆孔、地質(zhì)雷達,以及每循環(huán)多臂鑿巖臺車加深炮孔等多種長、中、短結(jié)合的地質(zhì)預報方式[7]。超前地質(zhì)預報應以地質(zhì)分析為基礎(chǔ),運用地質(zhì)調(diào)查與物探相結(jié)合、長短探測相結(jié)合、洞內(nèi)與洞外相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、超前導洞與主洞探測相結(jié)合、構(gòu)造探測與水文探測相結(jié)合的綜合預報方法,并相互驗證。

3.2 超前地質(zhì)預報頻率

(1)隧道開挖爆破后立即進行地質(zhì)調(diào)查并進行地質(zhì)素描,一般每10 m記錄一次。

(2)利用tsp/tgp每隔100 m左右探測一次。

(3)地質(zhì)雷達每30 m左右探測一次。

3.3 監(jiān)控量測項目

隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及量測見表1。

表1 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及量測

3.4 監(jiān)控量測成果運用—動態(tài)設計

(1)動態(tài)設計目的及原則。動態(tài)設計目的是使隧道的支護措施和襯砌結(jié)構(gòu)與實際地質(zhì)情況相適應,保證隧道的結(jié)構(gòu)及運營安全。動態(tài)設計的原則是隨地質(zhì)變化及時改變設計,在保證隧道安全的前提下,做到支護合理、結(jié)構(gòu)安全、節(jié)省投資、質(zhì)量優(yōu)良和系統(tǒng)最優(yōu)。隧道工程動態(tài)設計是指隧道開挖后,根據(jù)開挖支護情況、地質(zhì)條件、現(xiàn)場監(jiān)控量測等施工信息,對地勘結(jié)論、設計方案、結(jié)構(gòu)形式、支護參數(shù)等進行檢驗和修正,如確認原設計條件有較大變化,及時補充、修改、完善原設計的設計方法,是貫通整個施工過程的設計。

(2)施工信息的應用。根據(jù)一個斷面的施工信息綜合分析結(jié)果進行參數(shù)修正,只適用于該斷面前后不大于5 m的同級別圍巖地段；隧道較長地段同級別圍巖設計參數(shù)的修正,特別是降低設計參數(shù),必須以不少于3個斷面的施工信息綜合分析為依據(jù)；修正設計參數(shù)后的施工段落,其設計參數(shù)的正確性和合理性仍應根據(jù)施工信息綜合分析予以驗證。

(3)動態(tài)設計的內(nèi)容。主要內(nèi)容包括：隧道圍巖級別調(diào)整、設計支護參數(shù)調(diào)整確認、開挖方法修改建議、施工工序的更改、預留變形量的修正、采用輔助施工措施的建議。

4 施工方案

4.1 小凈距隧道施工方案

小凈距隧道分先行洞和后續(xù)洞施工。先行洞施工要控制爆破藥量以保護巖柱不受破壞,盡可能減輕對巖柱的擾動。施工過程中加強監(jiān)控量測工作,重點是控制爆破震動對中夾巖柱(墻)的危害,后續(xù)洞施工確保爆破震動波速小于15 cm/s。

Ⅴ級圍巖洞口淺埋段先行洞采用單側(cè)壁導坑法開挖,后續(xù)洞亦采用單側(cè)壁導坑法施工。小凈距隧道施工應符合以下要求。

(1)應降低小凈距隧道開挖爆破振動造成的相互影響,避免中巖墻受到多次擾動,小凈距隧道先行洞與后續(xù)洞掌子面縱向距離不宜小于50 m。

(2)在開挖掌子面前、后15 m范圍內(nèi),應加強監(jiān)控量測,在掌子面前、后30 m范圍內(nèi),宜注意監(jiān)控量測,超過此距離,監(jiān)控量測的頻率可適當減小。

(3)小凈距隧道施工中,初期支護應及時跟進并封閉,二次襯砌宜在初期支護和圍巖變形穩(wěn)定后再澆筑。在滿足圍巖穩(wěn)定的前提下,先行洞二襯宜落后于后行洞掌子面30 m以上。

(4)后續(xù)洞的初期支護(落底成環(huán)后的)宜超前先行洞的二襯20 m以上。

4.2 分離式隧道施工方案

洞身Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖、Ⅴ級圍巖采用單側(cè)壁導坑法開挖。洞口Ⅴ級圍巖土質(zhì)淺埋段采用雙側(cè)壁導坑法開挖,洞口Ⅴ級圍巖巖質(zhì)淺埋段采用單側(cè)壁導坑法開挖。襯砌施作段一般滯后初期支護50～100 m,具體根據(jù)現(xiàn)場開挖情況和監(jiān)控量測結(jié)果確定。開挖施工中應著重加強監(jiān)控量測工作,及時調(diào)整支護參數(shù),做到動態(tài)設計、信息化施工。

5 開挖工法

5.1 穩(wěn)定性評價

Ⅳ級圍巖分布在洞身。組成Ⅳ級圍巖的地層巖性主要為洞身段砂巖,此類圍巖屬較軟巖,巖體較完整,層間結(jié)合一般或較差,拱部無支護時可產(chǎn)生洞頂坍塌,側(cè)壁有時會失去穩(wěn)定。施工時應采用臺階分段開挖,復合式襯砌,初期支護應及時,短開挖,快支護,局部巖體完整性較差地段采用噴錨支護。

Ⅴ級圍巖分布在洞口,組成Ⅴ級圍巖的地層巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖,屬軟巖,構(gòu)造裂隙較發(fā)育,層間結(jié)合差,圍巖自穩(wěn)能力差,隧道易產(chǎn)生坍塌,施工時應采用導洞或臺階分段開挖,復合式襯砌。

5.2 新奧法

新奧法主要通過錨噴支護來抑制圍巖變形,再通過監(jiān)控量測等,充分發(fā)揮圍巖的自承能力。新奧法隧道施工的三大要素實質(zhì)就是“光面爆破(控制爆破)、錨噴支護及監(jiān)控量測”,其中爆破施工過程中應注意以下4點。

(1)開挖爆破作業(yè)應在上一循環(huán)噴射混凝土終凝不少于4 h后進行。

(2)雙洞開挖時,一洞爆破另一洞嚴禁裝藥,且人員、設備撤離至安全區(qū)域,人員撤離至安全地點后才能引爆,爆破后通風排煙時間不得少于15 min。

(3)鉆爆作業(yè)中的鉆孔作業(yè)應做到準、直、平、齊,周邊眼外插角精準,兩茬炮交界處臺階不大于15 cm,相鄰爆破分段起爆間隔時間宜不小于100 ms。

(4)炸藥引爆后,看是否存在盲炮情況,及時處理并檢查驗收,排除隱患。

5.3 三臺階法

三臺階法是將隧道分成3部分開挖。首先開挖上臺階,達到一定進尺后,開挖中臺階,接著推進上臺階,再開挖下臺階,從而達到一個循環(huán),依次慢慢向前推進。爆破也是分成3部分進行,從而減小對圍巖的擾動。

臺階開挖每循環(huán)進尺需要嚴格控制,如下臺階開挖每循環(huán)進尺Ⅳ,Ⅴ級圍巖不超過2榀鋼架間距,下臺階開挖后仰拱應緊跟(Ⅳ級圍巖拱架間距0.8 m,Ⅴ級圍巖拱架間距0.6 m)。

開挖初支及時封閉成環(huán),Ⅳ,Ⅴ級圍巖封閉位置距掌子面不得大于35 m；仰拱距離掌子面距離,Ⅳ級圍巖不得大于50 m,Ⅴ級圍巖不得大于40 m；二襯距離掌子面距離,Ⅳ級圍巖不得大于90 m,Ⅴ級圍巖不得大于70 m。

施工工序：超前小導管→上臺階開挖→上臺階初期支護→上臺階臨時橫撐→中臺階開挖→中臺階初期支護→中臺階臨時橫撐→下臺階開挖→下臺階初期支護→仰拱開挖→仰拱初期支護→仰拱及填充混凝土→拱墻混凝土。

5.4 三臺階七步法

三臺階七步法是以弧形導坑開挖留核心土為基本模式,分上、中、下3個臺階7個開挖面,各部位的開挖與支護為沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。在遇到圍巖條件較差時,可以將三臺階法變成三臺階七步法,使其施工過程中更加安全。

施工工序：超前小導管→上臺階開挖→上臺階初期支護→中臺階左側(cè)開挖→中臺階左側(cè)初期支護→中臺階右側(cè)開挖→中臺階右側(cè)初期支護→下臺階左側(cè)開挖→下臺階左側(cè)初期支護→下臺階右側(cè)開挖→下臺階右側(cè)初期支護→分三步開挖核心土→仰拱開挖→仰拱初期支護→仰拱及填充混凝土→拱墻混凝土。

6 隧道塌方隱患及控制措施

6.1 隧道塌方隱患

隧道在穿越山嶺地區(qū)時,由于水文地質(zhì)條件的復雜性,造成了施工難度的增加。同時由于我國山多、地質(zhì)類型多,這就決定了我國是世界上隧道施工最復雜、最困難的地區(qū),隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,地下空間不斷得到開發(fā)利用,特別是鐵路公路修建標準的提高,山嶺隧道越來越多,越來越長,隧道施工中發(fā)生塌方的數(shù)量也就會有所增加。了解容易發(fā)生塌方的地段和部位,對預防隧道塌方非常重要。軟弱圍巖隧道事故主要表現(xiàn)在3個方面：洞口塌方、掌子面變形塌方、掌子面后方塌方。

6.2 塌方類型

(1)掉塊：隧道局部巖塊失穩(wěn)而掉落,危害較小。

(2)偏幫：隧道邊墻失穩(wěn)破壞的塌方,處理不當將引起大塌方,危害較大。

(3)冒頂：發(fā)生于隧道拱部的塌方,個別可塌穿至地表,危害很大。

(4)關(guān)門：在隧道開挖面(掌子面)后方發(fā)生的塌方,多數(shù)可將前方施工人員、設備掩埋或堵在塌體至開挖面(掌子面)之間,危害極大。

6.3 塌方前征兆

(1)量測信息所反應的圍巖變形速度或數(shù)值超過允許值。

(2)噴射混凝土產(chǎn)生縱、環(huán)向的裂紋或龜裂。

(3)拱頂或側(cè)壁發(fā)現(xiàn)掉塊,鋼拱架間隙漏出砂子、石屑。

(4)巖層層理、節(jié)理縫或裂隙變大、張開。

(5)鋼拱架變形。

(6)隧道滲水變?yōu)榈嗡?、線流或股狀出水。

(7)隧道內(nèi)滲水變渾。

6.4 容易發(fā)生塌方的地段

埋深較淺地段、斷層破碎帶、巖層接觸帶、高應力地段、高水位富水區(qū)段、可溶巖地區(qū)、黃土地區(qū)及砂土地區(qū)。在隧道中容易發(fā)生塌方的部位：隧道洞口、隧道拱腳、隧道墻角、隧道拱部、隧道與隧道的交叉部位。

6.5 塌方常用輔助施工方法

方案方法規(guī)避風險,工藝過程控制風險,細節(jié)管理降低風險。在隧道施工中必要的輔助施工方法,是確保隧道施工安全的重要手段。

(1)大管棚：一般應用于洞口段或隧道內(nèi)圍巖極破碎地段超前支護,管徑80～150 mm,管長10～30 m,環(huán)距30～40 cm,沿開挖輪廓線外,水平打進,采用鉆孔機鉆孔后安管或直接用夯管機夯進,從管口向管內(nèi)注水泥漿。

(2)小管棚：應用于圍巖破碎軟弱地段超前支護,管徑40 mm,管長2～3.5 m,環(huán)距20～30 cm,管壁周邊鉆10 mm小注漿孔,沿開挖輪廓線打進,外插角2°～5°,從管口注漿加固地層。

(3)帷幕注漿：在破碎軟弱地下水豐富的巖層中,開挖前須對前方及周圍巖體進行全斷面注漿加固堵水,注漿長15～30 m,漿材為水泥漿或雙液漿,采用前進式或后退式分段注漿。

(4)徑向注漿：水壓較小地段,隧道開挖后沿周邊徑向利用注漿管注漿堵水。

(5)壁后注漿：隧道支護后,對支護背后空洞進行回填注漿。

(6)新意法(新意大利法)：開挖前預先加固地層、預先支護的施工方法。

7 結(jié)語

小凈距+分離式隧道施工過程中,應時刻進行監(jiān)控量測,掌握圍巖和支護動態(tài),進行日常施工管理。同時還應將監(jiān)控量測結(jié)果反饋設計及施工中,確保隧道施工及運營安全與經(jīng)濟。針對不同的地質(zhì)條件采用不同的工法施工,充分利用圍巖的自承能力,在符合標準的前提下,再對工法進行改進,同時注意各種事故隱患的發(fā)生。