三臺階法在高速鐵路山嶺隧道淺埋段中的應用

李勇 孫鋒

目前,大量已建、在建和即將興建的山嶺隧道設計方案基本以礦山法施工為主,斷面均超過100 m2,屬于超大斷面隧道。但在修建過程中,傳統工法(諸如CD法、CRD法和雙側壁導坑法等施工方法)逐漸暴露出一些不足;經過試驗和探索,實踐證明三臺階法在修建高速鐵路山嶺隧道軟弱圍巖段是一種先進的快速施工方法。

1 施工方案比選

1.1 傳統工法存在的問題

CD法、CRD法和雙側壁導坑法等施工方法適合于軟弱圍巖的隧道施工(見圖1)。這些工法均通過剛性分隔將大斷面隧道改為小斷面隧道,分塊施工,能夠發揮國內施工單位修建傳統鐵路隧道經驗豐富的優勢。另外,剛性分隔的存在,能盡早封閉成環,有利于控制變形,穩定掌子面,保證隧道施工的安全。

近年來,隧道施工水平和施工機械化裝備不斷提高,參與高速鐵路修建的施工單位均配備了大型施工機械設備,如大型挖掘機、裝載機等。由于剛性分隔的存在,導致施工空間不足,不利于大型施工機械設備的使用,難以體現其快速施工的作用,甚至有些分隔內大型機械無法進入,只能靠人工施作,這些嚴重影響了施工進度。

淺埋隧道開挖對周圍環境的影響問題已愈來愈受到關注,采用何種工法施工都會對地層產生擾動,引起地層位移和地表沉降。因此在隧道施工中,除嚴格規范施工管理外,根據現場監控量測反饋的信息和借助計算機數值模擬分析結論,及時調整施工方法,優化施工步序是十分重要和必要的。

1.2 臺階法的優勢

隧道埋深、圍巖條件是隧道施工方法選擇需要考慮的因素,而圍巖條件是關鍵因素。

高速鐵路山嶺隧道施工工法采用的三臺階法可以根據隧道埋深及地質條件隨時優化調整,具有靈活多變的特點。優化的原則是能夠充分發揮大型機械快速施工的優勢,盡量避免剛性分隔,達到快速施工的目的。同時由于沒有剛性分隔,每個臺階都是工作面,可以多個工作面同時施工,充分發揮大型機械的作用,達到快速施工的目的。

三臺階七步開挖法適用于圍巖風化程度較高的軟巖及強～全風化的硬巖等情況。該工法的突出優點是側墻初期支護能夠盡早落底,同時兩側開挖較早,對控制變形有利,也有利于地下水的匯集,同時預留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩定性。該施工方法同樣適用于地質條件較好的地段。

2 工程概況及施工難點

京滬高鐵西渴馬一號隧道進口里程DK420+395,出口里程DK423+207,全長2 812 m,隧道位于 R=7 000的曲線上,隧道最大埋深201 m,大部分基巖裸露,進口段及山凹處地表覆蓋0.5 m～3 m新黃土,進出口坡度15°,植被稀少。該隧道工程的施工難點是DK421+375～DK421+600淺埋段,為一山溝上游,隧道埋深相對較淺,其中埋深最淺處為20 m,15 m為泥夾石,5 m為灰巖。

為消除淺埋段不良地層帶來的隱患準確探測,采用地質雷達設備對淺埋段附近的地質情況進行了地層探測,探測工作使用美國勞雷工業公司物探部生產的SIR2000探地雷達系統,分別采用800 MHz和400 MHz天線對地層情況探測,同時部分地段補100 MHz天線探測,探測表明:

1)里程DK421+534～DK421+584段,該段節理裂隙發育,圍巖較為破碎,呈碎石松散結構,有軟弱夾泥及溶蝕現象,開挖時容易塌陷,應提前加強防護,圍巖參考等級為Ⅴ級。2)里程DK421+534～DK421+584段,該段節理裂隙發育,呈碎石狀松散結構,在DK421+554附近,疑有一溶洞,必要時可采取超前鉆孔進行驗證,并應提前做好防范措施,圍巖參考等級為Ⅴ級。

綜合以上分析,充分考慮經濟、安全、進度的要求,本工程淺埋段軟弱圍巖采用三臺階七步開挖法。

3 三臺階法施工工藝

隧道開挖前,為了保證前方施工的可預見性,加強安全施工,進行超前地質預報,結合地質預報、地質素描和設計地質巖性等信息綜合分析隧道前方圍巖情況,據此在施工中制定必要的手段及適當調整施工參數。此段屬于淺埋段,根據設計要求進行超前大管棚施工。當超前支護經檢驗符合設計要求之后,進行開挖施工。施工步驟如下(如圖2所示):

①上部弧形導坑開挖:在拱部超前支護后進行,環形開挖上部弧形導坑,并預留核心土,核心土長度4.5 m,寬度5 m左右,開挖高度完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。然后分部施作上部周邊的初期支護,即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設系統錨桿后分批次復噴混凝土至設計厚度。②,③左、右側中臺階開挖:中臺階開挖,開挖高度3.5 m左右,左右側錯開2 m～3 m,開挖完成后,立即初噴4 cm混凝土封閉掌子面。而后分部施作中臺階周邊的初期支護,即初噴4 cm厚混凝土,架立鋼架;施作鎖腳鋼管;鉆設系統錨桿后分批次復噴混凝土至設計厚度。④,⑤左右側下臺階開挖:開挖高度3.5 m左右,左右側臺階錯開2 m～3 m,開挖后立即初噴4 cm厚混凝土,并及時施作噴錨支護及掛網作業,并接長上臺階初支鋼架,打設系統錨桿,復噴混凝土至設計厚度。⑥上、中、下核心土開挖:各臺階分別開挖預留的核心土,開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。⑦仰拱開挖:每循環開挖長度32 m,采用可移動式仰拱棧橋開挖,開挖后及時架立初支鋼架及鋼筋網,并噴射混凝土至設計厚度,完成左、右側仰拱開挖、支護循環后,進行仰拱及矮邊墻澆筑作業,最后填充C25混凝土至設計高程,仰拱混凝土應整體澆筑,一次成型。根據監控量測結果分析,待初期支護收斂滿足規范要求后,利用襯砌模板臺車一次性澆筑二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

4 三臺階法的注意事項

三臺階法有利于大型機械的開展,體現快速施工、靈活多變易變的特點,但施工過程中也要注意如下問題:1)三臺階法施工的臺階長度控制很關鍵,既要有利于大型施工機械設備的開展,又要保證隧道施工的安全,但三臺階法施工長度至今沒有統一的控制標準。實際的施工過程中應根據地質條件進行適當的調整,在地質條件差的情況下,應盡量縮短臺階長度。2)由于三臺階法沒有中間剛性分隔存在,隧道變形控制,尤其是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。施工中可以增加鎖腳錨桿(鋼管)的數量,讓鎖腳錨桿插向拱腳的斜下方,以提高拱腳的承載能力。3)三臺階法應該與超前支護配合使用,與采用剛性分隔的工法相比,三臺階法掌子面縱向成拱能力減弱,因此掌子面的穩定性要差,這需要超前支護適當加長。

5 結語

目前,隧道已安全通過山嶺隧道淺埋段,沉降控制符合標準,實踐證明三臺階七步開挖法是一種先進的快速施工方法。

1)三臺階七步開挖法適用于圍巖風化程度較高的軟巖及強～全風化的硬巖等情況。該工法的突出優點是側墻初期支護能夠盡早落底,同時兩側開挖較早,對控制變形有利,同時預留了大塊的核心土,有助于掌子面圍巖的穩定性。

2)三臺階法可以發揮大型施工機械設備多工作面快速施工的優勢,體現靈活多變易變的特點。但同國外一些經濟發達的國家相比,我國在山嶺隧道施工工藝方面還存在著較大的差距,在隧道工法的設計、施工方面仍有待深入研究。

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