富水砂巖夾泥巖不良地質(zhì)鐵路隧道施工技術(shù)

吳文富,張軍平

(廣西南玉鐵路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

鐵路隧道工程施工階段應(yīng)根據(jù)施工圖階段的風(fēng)險(xiǎn)管理報(bào)告開展風(fēng)險(xiǎn)管理,重點(diǎn)結(jié)合施工前及施工過程中的調(diào)查對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行核對,對施工方案和地質(zhì)因素有重大變化的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估[1]。施工中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場踏勘、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段對自然、地質(zhì)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)識別、評估控制。礦山法隧道富水軟弱圍巖不良地質(zhì)段主要風(fēng)險(xiǎn)因素含基底變形、大變形、突水(泥)和塌方[2]。采用常規(guī)的隧道施工工藝和支護(hù)參數(shù)不能完全控制隧道施工風(fēng)險(xiǎn),因此應(yīng)根據(jù)特定的施工地質(zhì)條件制定相應(yīng)措施對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制,確保隧道施工安全。

在隧道掘進(jìn)過程中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明前方地質(zhì)情況、圍巖監(jiān)控量測發(fā)生預(yù)警、初支發(fā)生變形出現(xiàn)裂縫等,說明結(jié)構(gòu)承載力不能滿足要求[3]。通過選擇相匹配的開挖方法、主動(dòng)加固圍巖、加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度、采取適宜的施工工藝、增大預(yù)留變形量等一系列行之有效的措施,確保有足夠的強(qiáng)度抵抗隧道圍巖流變現(xiàn)象產(chǎn)生的有害荷載,保證隧道施工安全和隧道結(jié)構(gòu)安全。

1 工程背景

某高速鐵路隧道位于低山丘陵區(qū),地面最低高程為70 m,最高高程為279 m,差約210 m,地勢差異較大,坡面植被發(fā)育,洞身埋深為15～169 m。隧道為時(shí)速350 km的新建高速鐵路雙線隧道,隧道線間距5.0 m。隧道范圍內(nèi)地層巖性主要為泥盆系下統(tǒng)郁江組薄-中厚層狀砂巖夾泥巖、灰?guī)r、那高齡組砂巖、蓮花山組砂巖,寒武系小內(nèi)沖組砂巖、砂巖夾泥巖、構(gòu)造巖主要為碎裂巖,中等富水-富水。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為及時(shí)掌握隧道掘進(jìn)前方不良地質(zhì)圍巖的規(guī)模、性質(zhì)、穩(wěn)定性以及富水情況,本隧道在富水軟弱圍巖地質(zhì)段掘進(jìn)施工采用TSP長距離、地質(zhì)雷達(dá)短距離相結(jié)合的預(yù)報(bào)手段,并適時(shí)結(jié)合中短距離的超前地質(zhì)鉆探。該工程使用YQL980型鉆機(jī)、TETSP-2地震波探測儀、100 MHz屏蔽天線地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備。綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論:DK100+855～DK100+980段洞身埋深約為70～130 m,圍巖地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組砂巖夾泥巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,泥質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)極軟,強(qiáng)風(fēng)化,遇水易軟化,為富水區(qū)段。

3 圍巖監(jiān)控量測

隧道監(jiān)控量測納入施工工序管理,監(jiān)控工作與隧道掘進(jìn)作業(yè)同步,按表1所示進(jìn)行布點(diǎn)和監(jiān)測,并動(dòng)態(tài)調(diào)整或增加量測的項(xiàng)目和內(nèi)容。隧道按原設(shè)計(jì)開挖至掌子面DK100+920處,監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示DK100+915隧道拱頂沉降累計(jì)達(dá)到 568.6 mm,隧道洞身凈空收斂變化值累計(jì)592.1 mm,隧道初支發(fā)生變形。

4 施工措施

根據(jù)隧道變形情況,如圖1所示對DK100+855～DK100+980軟弱圍巖不良地質(zhì)段制定相應(yīng)施工優(yōu)化措施,保證隧道施工和結(jié)構(gòu)安全。

圖1 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)示意圖

4.1 初支侵限凈空段拆除處理

4.1.1 掌子面臨時(shí)封閉

隧道開挖掌子面暫停施工,采用C25噴混凝土進(jìn)行封閉處理,厚度為25 cm,以保證掌子面穩(wěn)定及后序施工安全。上臺(tái)階及中臺(tái)階設(shè)置臨時(shí)仰拱臨時(shí)封閉,以控制變形,臨時(shí)仰拱鋼架采用Ⅰ18輕型工字鋼,鋼架間距結(jié)合洞身拱墻鋼架間距,每2榀鋼架設(shè)置一處,臨時(shí)仰拱噴射C25混凝土,厚18 cm。

4.1.2 套拱支護(hù)

對初支拱墻采用Ⅰ20a 型鋼進(jìn)行臨時(shí)加固,間距0.8 m/榀,鋼架采用Ⅰ16型鋼縱向焊接連接,環(huán)向間距1 m,鋼架與初支密貼。

4.1.3 徑向注漿

對初支背后圍巖進(jìn)行注漿加固和堵水,注漿范圍4 m,注漿漿液采用雙液漿,注漿壓力為1.5 MPa。

4.1.4 初支侵限部分拆除

利用風(fēng)鎬對已施作的變形初支段落鑿除15 cm寬的凹槽劃分工作單元,工作單元取0.5 m,利用液壓破碎機(jī)拆除作業(yè),拆除后立即初噴C25噴射混凝土,重新施作初期支護(hù)。

4.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

對隧道DK100+855～DK100+920凈空侵限段和DK100+920～DK100+980未開挖段支護(hù)參數(shù)優(yōu)化如表2所示。

表2 隧道優(yōu)化支護(hù)參數(shù)表

4.3 施工工藝優(yōu)化

4.3.1 施工工法

采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工,上臺(tái)階、中臺(tái)階每2榀拱架增設(shè)Ⅰ18輕型工字鋼作臨時(shí)橫撐。

4.3.2 工藝流程

工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

4.3.3 施工進(jìn)尺及步距

嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺,強(qiáng)支護(hù)”原則,施工中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖循環(huán)進(jìn)尺,上、中、下臺(tái)階每循環(huán)不大于1榀鋼架;為初期支護(hù)盡早閉合,以保證隧道安全,仰拱與下臺(tái)階同步開挖,每循環(huán)不大于1榀鋼架。仰拱初期支護(hù)達(dá)3 m后,立即施作仰拱及填充,仰拱及填充達(dá)12 m立即施作拱墻襯砌?；謴?fù)掌子面掘進(jìn)后,仰拱初支封閉位置與隧道開挖面步距≤25 m,二襯端頭與隧道開挖面步距≤70 m。

4.3.4 洞內(nèi)排水

采用引流槽做好隧道滲水的引排工作,及時(shí)將滲水引排至臨時(shí)集水坑,避免浸泡基底圍巖,采用階梯排水及時(shí)將集水坑內(nèi)的水排出隧道。在隧道開挖的過程中,在掌子面設(shè)移動(dòng)潛水泵,將隧道出水抽排至集水坑,經(jīng)由集水坑抽至洞外的污水沉淀池,經(jīng)污水處理后排放,同時(shí)配備足夠的排水設(shè)施以便能應(yīng)急處理突發(fā)的涌水。

4.4 施工質(zhì)量控制

(1)初支采用濕噴混凝土,避免混凝土后期強(qiáng)度不足,從而導(dǎo)致初支變形。

(2)二襯前初支結(jié)構(gòu)的7 d平均變形速率<1 mm/d時(shí)方可施工二襯混凝土。

(3)清理仰拱面基底,不允許有虛渣淤泥情況,防止后期不利荷載集中在薄弱環(huán)節(jié),致使拱腳脫離開裂。

(4)根據(jù)二襯施工前支護(hù)斷面計(jì)算混凝土使用量,因結(jié)構(gòu)不能均勻變形,無法避免超填地段,根據(jù)超填位置在灌注過程中著重考慮,避免二襯臺(tái)車不均勻澆筑出現(xiàn)偏離。

(5)受變形影響,隧道內(nèi)二襯混凝土厚度以及斷面要遠(yuǎn)大于常規(guī)設(shè)計(jì),導(dǎo)致混凝土澆筑量變大,屬于大體積混凝土施工,要制定相應(yīng)的大體積混凝土施工控制措施。

4.5 結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測

施工后及時(shí)對圍巖壓力、接觸壓力、二襯混凝土應(yīng)力進(jìn)行測試。圍巖壓力測試采用雙膜振弦式壓力盒,量程規(guī)格2.0 MPa,布置于圍巖與初支間;接觸壓力測試采用用雙膜振弦式壓力盒,量程規(guī)格2.0 MPa,布置于初支與二襯防水板之間;二襯混凝土應(yīng)力進(jìn)行測試設(shè)置于二襯混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)。

5 施工效果

5.1 施工工效

DK100+855～DK100+980軟弱圍巖不良地質(zhì)段于2022-07-20優(yōu)化措施施工,于2022-10-26施工完成,工期99 d,進(jìn)度指標(biāo)為37.9 m/月,滿足施工要求。隧道于2022-11-20安全順利貫通。

5.2 安全性分析

通過優(yōu)化隧道施工的相應(yīng)措施,DK100+855～DK100+980軟弱圍巖不良地質(zhì)段監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示隧道變形趨于穩(wěn)定。優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后施工段變形最大斷面(DK100+975)拱頂沉降累計(jì)達(dá)到94.7 mm,收斂變化值累計(jì)110.1 mm,如圖3、圖4所示。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)均小于預(yù)留變形量200 mm,7 d平均變形速率<1 mm/d,優(yōu)化施工參數(shù)后對隧道變形控制效果明顯。

圖3 DK100+975拱頂下沉曲線圖

6 結(jié)語

本文以某鐵路隧道為例,研究通過選擇相匹配的開挖方法、主動(dòng)加固圍巖、加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)、有利的施工工藝等措施,解決隧道富水軟弱圍巖不良地質(zhì)段初支變形大的難題,保證隧道施工安全及結(jié)構(gòu)安全,可為類似項(xiàng)目提供參考。