軟弱圍巖地質大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工工法

夏潤禾,許前順

(中交第二公路工程局有限公司,西安 710065)

1 概述

這些年,國家加大了交通基礎設施建設,特別是高速鐵路建設進入了前所未有的施工高峰期,高速鐵路橋隧占全線的施工比重大,列車速度一般設計為 200 km/h,250km/h以上(預留提速條件)。為了克服高速列車在隧道內運行所引起的空氣動力學問題,新建的高速鐵路隧道基本采用雙線鐵路隧道通過,線路中特大長隧道、特大斷面的隧道在山嶺地區相繼出現,這些隧道軌面以上的凈空面積為 100m2以上,開挖斷面積都在 150m2以上。特別是對于Ⅴ級、Ⅳ級圍巖來說,特大斷面鐵路隧道的施工難度大,而以往所建的單線鐵路和普通鐵路隧道基本上是采用傳統的礦山法修建的。因此,針對特大斷面隧道穿越Ⅴ級、Ⅳ級圍巖的施工,探索一種快速、安全、經濟、有效的施工方法,以滿足特大斷面隧道建設的技術標準,這對于建設者來說是一個新課題,新挑戰。貴廣鐵路項目隧線比重大,大斷面雙線隧道應用大拱腳三臺階施工工法成功穿越Ⅴ級或Ⅳ級軟弱圍巖,取得了較好的經濟效益和社會效益,并在實踐中逐步完善形成了本工法。

2 工法特點

(1)本工法與傳統的施工方法相比,多個作業面可以平行作業,初期支護工序操作便捷,施工空間大,有利于機械化快速施工。

(2)本工法適應性高,如出現圍巖結構復雜多變、軟硬圍巖變化或其他條件發生變化時可以較為迅速的轉換為其他工法進行施工。

(3)本工法沒有臨時支護,避免了因拆除臨時支護而造成的安全隱患,有效的規避了一定風險。

(4)本工法設備購置費用、臨時材料使用較低,一次性投入較少,節約了施工成本。

(5)本工法工效快,加快了施工進度,有效地節約了施工工期。

3 適用范圍

(1)本工法適用于Ⅴ級或Ⅳ級軟弱圍巖大斷面隧道,也適用于淺埋或深埋的地質情況較好的大斷面隧道。

(2)對于存在低瓦斯風險的隧道,也可應用本工法施工,斷面空間大有助于通風換氣。

4 工藝原理

大斷面隧道大拱腳臺階法是指在隧道開挖過程中將作業面分為 6個開挖面。以前后 6個不同的位置相互錯開同時開挖,然后分部同時支護形成支護整體,縮短作業循環時間,逐步向縱深推進的作業方法。本工法基本原理結合了弧形導坑預留核心土法和三部臺階法的優點,滿足了新奧法施工原理對圍巖加強控制的要求,減少分部開挖次數,加快了初期支護早封閉的時間,特別該是拱部先期成環,側墻初期支護能夠盡早落底,有利于控制變形,避免了臨時支護結構體系的轉換,減少了施工過程中不安全因素。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 工藝流程

施工工藝流程見圖1。

5.2 操作要點

采用大拱腳臺階法開挖,應遵循“先預報、管超前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則,盡量縮短臺階長度,在工序變化處及時在鋼架末端設鎖腳錨桿,以確保鋼架基礎穩定。同時初期支護盡快封閉成環,仰拱和襯砌及時跟進,及時形成穩定的支護體系。

5.2.1 施工工序說明

大拱腳臺階法開挖分步工藝見圖2。

圖1 施工工藝流程

第1步:利用上一循環架立的鋼架施作隧道拱部φ42mm超前小導管,開挖上部弧形導坑部:在拱部超前支護后進行,環向開挖上部弧形導坑,預留核心土,核心土長度為 3～5m,寬度為隧道開挖寬度的 1/3～1/2。開挖后應及時施作上部初期支護,即進行初噴 4 cm厚混凝土,掛鋼筋網,架設鋼架,施作大拱腳系統支護,并在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角45°打設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接,鉆設系統徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定,一般 0.6m左右。

第2步:左側部中臺階開挖:再滯后部約 3～5m后,開挖左側部中臺階。開挖進尺根據初期支護鋼架間距確定,開挖高度一般為 3.5～4m,開挖后及時施作部初期支護,即進行初噴 4cm厚混凝土,掛鋼筋網,接長鋼架,并設鎖腳錨桿系統支護,鉆設系統徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

第3步:右側部中臺階開挖,再滯后部約 2～3m后,與左側部中臺階開挖支護方式一樣,施作右側部中臺階。

第4、5步:開挖上臺階④部、中臺階⑤部,在滯后部約 3～4m后,依次開挖上臺階④部、中臺階⑤部,開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。

第6步:開挖隧底⑥部,在滯后⑤部約 4～5m后,開挖隧底剩余部分⑥部,開挖后初噴 4cm厚混凝土,安設仰拱鋼架并與左右側落地鋼架焊接牢固,復噴混凝土至設計厚度。為了不影響車輛進出,采用棧橋過渡方案,及時施作仰拱及仰拱回填,仰拱分段長度一般為 4～6m。

初期支護施工工藝流程見圖3。

圖2 大拱腳臺階法開挖分步工藝

圖3 初期支護施工工藝流程

5.2.2 超前小導管施作

超前小導管采用 φ42mm、壁厚 3.5mm的熱軋無縫鋼管,長 3.5m,環向間距 30～50cm,其縱向搭接長度不小于 1m。

超前小導管的鉆孔外插角為 10°～12°,可根據實際情況作調整。鉆孔方向應順直。鉆孔直徑不小于45mm。

超前小導管安裝于隧道拱部圓弧 120°范圍內,共38根,環向間距為 40cm。其縱向搭接長度不小于1m。

5.2.3 臺階開挖

開挖輪廓形狀和斷面尺寸應按照設計要求進行開挖輪廓線的放樣,根據圍巖情況預留一定的變形量,以防止圍巖的實際變形量超過預留變形量,造成初期支護侵入二次襯砌。

5.2.4 初噴混凝土封閉巖面

開挖后立即進行初噴混凝土封閉巖面,用高壓風自上而下吹凈巖面,并埋設控制混凝土厚度的控制標志,如工作面滴水或淋水時,采用鉆孔埋設盲管做好引排水,也可采用干噴形式快速封閉滲水巖面。噴射作業從拱腳或墻腳自下而上進行,作業時避免上部噴射回彈料虛埋拱(墻)腳。噴嘴與受噴巖面垂直,噴嘴與受噴巖面之間的距離保持在 1.0～2.0m。

5.2.5 系統錨桿和鋼筋網施作

初噴之后立即進行施作徑向錨桿,錨桿必須設墊板。系統錨桿設置情況:拱部采用帶排氣裝置的 φ25 mm中空注漿錨桿,邊墻采用 φ22mm砂漿錨桿,L=4.0m,間距(環 1.2m×1.0m);鋼筋網采用 φ8mm的HPB235鋼制作,網格尺寸采用 20cm×20cm,搭接長度為 1～2個網格,網片之間采用焊接方式連接。鋼筋網應與錨桿連接牢固,且鋼筋保護層厚度不小于4cm。

5.2.6 鋼架安裝施作

初期支護采用 I20鋼架,縱向間距為 0.6m/榀(中至中),相鄰鋼架采用 φ22mm鋼筋連接,間距 1m,斜向內側布置,并焊于鋼架內翼緣處;安裝前應清除底腳下的虛砟及雜物,鋼架底腳應置于牢固的基礎上。

為保證鋼架位置安設準確,鋼架架設前均需預先打設定位系筋。系筋一端與鋼架焊接在一起,另一端錨入圍巖并用砂漿錨固。拼裝鋼架時,各節段的鋼架間的連接板螺栓連接并密貼,嚴禁采用焊接。隧道上部弧形導坑開挖時,在大拱腳連接板處預留安裝大拱腳鋼架的支撐凹槽。施作大拱腳系統支護,并在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角 45°打設鎖腳錨桿,錨桿長度為 4m,每環為 8根,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接,增加拱腳支撐力。

5.2.7 第二次噴射初支混凝土施作

按照設計厚度利用原有部件如錨桿外露長度等,也可在鋼拱架上焊接短鋼筋,標出刻度,作為設計厚度標記。

噴射混凝土厚度每層不宜超過 5～6cm,過大會削弱混凝土顆粒間的凝聚力,使噴層因自重過大而大片脫落,或使拱頂處噴層與圍巖面形成空隙;過小,則粗骨料容易彈回。分次噴至設計厚度,兩層噴射的時間間隔為 15～20min。

為提高工效和保證質量,噴射作業應分片進行。為防止回彈物附著在未噴巖面上影響噴層與巖面間的粘結力,按照從下往上施噴,呈“S”形運動;噴前先找平受噴面的凹處,再將噴頭成螺旋形緩慢均勻移動,保證混凝土表面平順,無空鼓、裂縫、疏松,平整度應符合規范要求。

5.2.8 仰拱施作

隧道底部開挖采用全幅分段施工,上面鋪設仰拱棧橋,仰拱棧橋長 16～18m,單幅寬 1.2m,每幅由 4根 I36型鋼和防滑鋼板焊成,棧橋放在隧道中部。隧底每循環開挖長度控制在 2～3榀鋼拱架間距。為保證施工安全,仰拱初期支護和混凝土澆筑應及時施作,支護盡早閉合成環,整體受力,確保支護結構穩定。仰拱每循環澆筑長度與拱墻每循環襯砌長度相同,具體尺寸與模板臺車長度一致,施工時應保證仰拱與拱墻施工縫在同一斷面。仰拱混凝土應分段全幅澆筑,一次成型,不留縱向施工縫,仰拱施工縫和變形縫設置止水帶。仰拱填充混凝土應在仰拱混凝土初凝后澆筑,澆筑前清除仰拱表面的雜物和積水,連續澆筑,一次成型,不留縱向施工縫。本工程仰拱采用 C35鋼筋混凝土,仰拱填充采用 C20混凝土。

仰拱施工工藝流程見圖4。

圖4 仰拱施工工藝流程

5.3 關鍵技術控制要點

(1)大拱腳臺階法施工應做好工序銜接,工序安排應緊湊,嚴格控制開挖長度,合理確定循環進尺,開挖后立即初噴 4cm厚的混凝土,以減少圍巖暴露時間,避免因長時間暴露引起圍巖失穩。

(2)隧道垂直方向的變形控制主要依靠兩側拱腳,拱腳的穩定程度很關鍵。在上部增加大拱腳鋼架是為了增大拱腳的承載能力,同時在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊向拱腳的斜下方打設鎖腳錨桿,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接確保鋼架基礎穩定,防止拱部下沉變形。

(3)大拱腳臺階法施工應嚴格按設計要求控制好超前錨桿支護外插角,保證隧道開挖在超前支護的保護下安全施工。

(4)根據圍巖情況如需爆破時,必須堅持弱爆破,減少對圍巖的擾動。同時做好監控量測,確保圍巖穩定和施工安全。

(5)鋼架應嚴格按設計及規范要求加工制作和架設,上下斷面初期支護鋼架連接應平順,螺栓連接牢固,拱腳落地應架設在堅實基面上,嚴禁拱腳懸空或采用虛砟回填。

5.4 監控量測

隧道施工中監控量測的重要目的就是對初期支護實施動態管理,通過了解圍巖的受力變形狀態,判斷隧道圍巖和初期支護是否穩定和安全,及時進行信息反饋及預測預報,為施工二襯提供合理施作時間和為優化支護參數提供依據,指導現場施工。量測項目根據工程實際情況,分為必測項目和選測項目。必測項目見表1,選測項目按照《鐵路隧道監控量測技術規程》的規定選取。監控量測采用五點法,每個斷面設置 2條凈空變化基線,1個拱頂下沉測點,監測斷面間距為5～10m,所有初讀數據須在開挖后 12h內測讀,量測頻次嚴格按照規范和驗標的要求執行,根據量測結果及時調整預留變形量,確保了初支不侵入二次襯砌范圍。根據現場監控數據分析,對于炭質頁巖、泥灰質巖為主的隧道,建議施工開挖時隧道拱部預留變形量 25～30cm,邊墻預留變形量 10～15cm,底部預留變形量5～8cm。

5.5 有害氣體監控與預防措施

因隧道地層中炭質頁巖含炭較高,為確保人員、財產及施工安全,所以必須將有害氣體、瓦斯危險性預測放在第一位。在隧道開挖掌子面進行全斷面超前探測,超前探孔孔徑一般為 89mm,單孔長度為 30m,搭接長度不小于 5m,掌子面布置 6個孔,并在超前探孔處采用光干涉式甲烷測定器,檢測是否有有害氣體涌出。加強通風和噴霧灑水,降低粉塵濃度,安排專職的經過瓦斯監測安全技術培訓的人員對隧道進行巡回檢查,特別是拱頂、開挖凹凸處等瓦斯易積聚部位的監測,并建立健全安全監測制度,制定應急預案,組織施工人員進行演練,以確保施工安全。

表1 監控量測必測項目

5.6 勞動力組織(表2)

表2 單作業面施工作業勞動力組織

6 材料與設備

本工法中采用的主要施工機具設備見表3。

7 質量控制

7.1 本工法執行工程質量技術標準

(1)嚴格遵守執行現行的隧道技術規范及驗收標準。

(2)洞身開挖應嚴格控制欠挖,并預留變形量。拱腳和墻腳以上 1m內斷面嚴格欠挖。

(3)超前小導管、錨桿、鋼架安裝施工質量控制見表4。

7.2 質量保證措施

(1)錨桿施作要求按照設計及《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086)、《鐵路隧道噴錨構筑法技術規范》(TB10108)的有關規定執行。支護使用的鋼筋、錨桿、鋼架等原材料嚴格堅持“先檢驗,后使用”的原則;拱部設系統錨桿采用 φ25mm中空錨桿,邊墻設φ22mm砂漿錨桿;錨桿鉆孔孔位允許偏差為 ±15cm;桿孔的深度應大于錨桿設計長度 10cm。

表3 主要施工機具設備

表4 施工質量控制

(2)噴射混凝土用的水泥、細骨料、粗骨料、外加劑等原材質量控制按照《客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準》中要求的檢驗批次和標準要求執行。

(3)鋼架各單元采用墊板螺栓連接,鋼架節點焊接長度大于 4cm,且對稱焊接。加工好的成品鋼架先進行預拼裝,允許偏差為 ±3cm,平面翹曲小于 2cm。鋼架外緣每隔 2m用鋼楔或混凝土塊與初噴層頂緊,鋼架與初噴混凝土表層的間隙采用噴射混凝土噴填密實。

(4)鋼筋網搭接長度應為 1～2個網孔,允許偏差為 ±5cm。

(5)噴射混凝土平均厚度不小于設計厚度,最小厚度不小于設計厚度的 2/3,表面平整度的允許偏差為 100mm。表面應平整、密實,無裂縫、脫落、漏噴、露筋,空鼓和滲漏水,錨桿頭和鋼筋無外露。

(6)在噴射側壁下部時,需將上半斷面噴射時的回彈物清理干凈,防止將回彈物卷入下部噴層中形成“蜂窩”,從而降低支護強度。

(7)嚴格圍巖監控量測制度,加強施工時開挖沉降、變形的觀測和評估,堅持用“量測數據指導施工”的原則。

8 安全措施

(1)各種爆破、特種設備操作人員、專職安全員、特種作業人員必須經過專業培訓并取得相應監管部門頒發的合格證書持證上崗。

(2)嚴格遵守國家有關安全生產的法律法規和《鐵路工程施工安全技術規程》(TB10401.1—2003)有關規定,認真貫徹執行建設單位的有關文件中的安全管理要求。

(3)加強全員安全意識教育,為隧道支護操作人員配備個人防護用品。

(4)對作業人員進行專項安全技術交底,編制隧道施工應急預案,建立快速反應機制并進行應急演練。

(5)加強特殊地質條件下,隧道施工風險的評估和管理,落實有針對性的預防措施。

(6)建立安全生產責任制,細化考核辦法,加強日常檢查力度,獎懲兌現,全面排查安全隱患和整改治理。

(7)根據設計地質資料,在施工前結合超前地質預報做好瓦斯等有害氣體探測。

(8)隧道爆破作業和火工品的管理,必須遵守現行的國家標準《爆破安全規程》的有關規定。對于存在瓦斯風險的隧道,在施工中各工序作業應符合《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120)有關規定。瓦斯工區(地層含有瓦斯的隧道施工區段)應采用煤礦許用安全炸藥,并使用礦用電雷管起爆。

(9)施工現場的臨時用電管理,嚴格按照《施工現場臨時用電安全技術規范》的規定執行。

(10)隧道內搭設的工作臺,必須堅固可靠,放置穩妥,并設安全防護桿和梯子。

9 環保措施

(1)嚴格按照國家《環境保護法》和《水土保持法》和地方政府有關規定,貫徹執行“預防為主、建設與保護并重”原則,落實環?！叭瑫r”,采取各種工程防護措施,減少工程建設對沿線生態環境的破壞和污染。

(2)建立專職環保自控組織機構,健全環境保護制度和自控體系,加強生態環境保護的廣泛宣傳,使全體參建員工充分認識對環境保護的重要性和必要性,加強環保意識。

(3)隧道洞口、攪拌站設過濾沉淀池,對含有懸浮物的施工污水,必須采取過濾、沉淀等處理措施,做到達標排放。施工含油廢水經隔油池處理后排放,防止油污染地表和周圍水環境。

(4)隧道棄渣(土)場的擋護工程和排水工程嚴格按照施工圖和施工組織設計中的措施和方案執行;棄渣(土)場必須嚴格執行先擋后棄、先修排水設施后棄的原則,并對附近水源進行先保護或改移河道后再進行棄渣(土)。

(5)施工人員駐地附近的施工場地、施工道路進行硬化或采取灑水等措施,控制揚塵;對易于引起粉塵的細料或松散料運輸或堆放必須遮蓋或適當灑水濕潤;對易產生粉塵的施工場地,如混凝土攪拌站(場)、鋼筋加工場、隧道洞口便道必須進行實時打掃和灑水。

(6)在施工隧道邊仰坡、棄渣場前將熟土剝離存放和土地復墾工作結合起來,特別是特殊地質山區更要珍惜熟土,對存放熟土區設置明顯標識牌進行保護,不得隨意堆放;隨著工程的進展情況,對已完成棄渣任務的逐步實施覆蓋恢復植被。

(7)施工便道盡量利用已有的鄉村道路或其他道路,減少新建施工便道對土地的占用,對能復墾的施工便道進行翻松、平整,利用主體工程表土或周邊客土進行復墾。

(8)機械車輛經過施工生活駐地或居民區時應減速慢行,盡量減少噪聲污染。合理安排施工作業時間,盡量降低夜間車輛出入頻率,夜間施工對機械設備產生的超分貝噪聲利用消音設備減噪。

(9)盡量避免或減少施工過程中的光污染。夜間室外照明燈加設燈罩,透光方向集中在施工范圍。

10 節能措施

(1)節材措施,根據隧道圍巖情況,在保證工程安全與質量的前提下,進行施工方案的節材優化。臨時工程材料統一采購,能重復利用的進行循環使用,減少材料浪費。合理安排材料的采購、進場時間和批次,減少庫存或二次搬運,清底使用。

(2)節水措施,根據工程所在地的水資源狀況,現場攪拌站用水、隧道施工用水應采取有效的節水措施,不采用居民生活自來水,嚴禁無措施澆水養護混凝土。對施工現場生活用水實施定額計量管理。

(3)節能措施,優先使用國家、行業推薦的節能、高效、環保的施工設備和照明設施。施工現場分別設定生產、生活、辦公的用電控制指標,采用聲控、光控等節能照明燈具。

(4)節地與施工用地保護措施,根據施工規模及現場條件等因素合理確定臨時設施,平面布置合理、緊湊,在滿足環境、職業健康與安全及文明施工要求的前提下盡可能減少廢棄地和死角。

(5)紅線外臨時占地應盡量使用荒地、廢地,少占用農田和耕地,大力降低臨時用地規模。

11 技術經濟效益分析

11.1 技術效益

運用本工法施工大斷面鐵路隧道,施工作業分區進行,開挖支護安全、工效高。

11.2 經濟效益

(1)多個作業面可以平行作業,施工空間大,有利于機械化快速施工,形成明顯的開挖能力、工期效益。

(2)工序轉化快,加快了施工進度,減少了施工投入,節約了成本。

(3)減少和降低了臨時支護材料的使用,材料消耗少,節約了資源,施工投資減少,經濟效益顯著。

11.3 社會效益

(1)隨著國民經濟和社會的發展,利用本工法可以盡量減少勞動力的投入,提高機械化施工水平,是落實科學發展觀的基本要求。

(2)本工法沒有臨時支護,避免了因拆除臨時支護而造成的安全隱患,有效的規避了一定風險,盡力創造出安全的施工環境,因此該方法具有廣闊的應用前景。

11.4 節能效益

應用本工法分區施工可以減少作業區域的機具數量,相鄰作業區充分利用共有的機具資源,同時施工質量易控制,安全風險低。

12 應用實例

由中交第二公路工程局有限公司承建的新建貴陽至廣州鐵路工程 GGTJ-5標段,位于廣西境內三都—五通間,線路全長 62.637km,其中隧道 28座,總長47.723km,占線路總長的 76.2%。沿線地質變化多,施工環境差,技術標準高,環保工作難度大。這些隧道共同的特點多為Ⅴ級或Ⅳ級圍巖,圍巖破碎,不穩定,易坍塌,進洞施工方法基本上全部采用大拱腳臺階法組織進行施工。筆者以高培三號隧道為工程實例,介紹大拱腳臺階法在隧道施工的成功應用。

高培三號隧道穿越剝蝕中低山地貌,絕對高程190～300m,主要地層為上覆 0～3m第四季全新統坡殘積層粉質黏土、碎石土,下伏基巖為寒武系清溪組下段砂質頁巖夾炭質頁巖,薄～中厚層狀,砂質結構,泥質膠結,部分弱硅質膠結,節理發育。地質特性屬于華夏構造體系和新華夏構造體系聯合影響帶,構造線與線路大角度相交,多為碎屑巖區。根據設計文件資料,由于炭質頁巖含炭較高,存在聚集少量的有害氣體及瓦斯的施工風險。該隧道開挖成功應用大拱腳臺階法順利的通過了Ⅴ級軟弱圍巖,整個施工過程安全可控。該隧道開挖進度快、質量易控制,成為全標段第一個順利貫通的隧道,受到了監理和業主單位的好評,取得了良好的經濟、社會和環保效益。

[1]中國中鐵二院工程集團有限責任公司.新建貴陽至廣州鐵路貴陽至賀州段施工設計參考圖[Z].成都:2010.

[2]陳立保.三臺階法在客運專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應用[J].鐵道工程學報,2008(12):72-74.

[3]項志敏,等.武廣客運專線大斷面隧道軟巖地段快速施工技術[J].鐵道標準設計,2007(S1):61-63.

[4]經規標準(2007)119號,鐵路大斷面隧道三臺階起步開挖法施工作業指南[S].

[5]TZ214—2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[6]鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準[S].

[7]鐵建設[2008]105號,鐵路隧道超前地質預報技術指南[S].