瀏陽河隧道穿越風(fēng)化槽谷施工技術(shù)

彭友權(quán)

摘要:武廣客運(yùn)專線瀏陽河隧道全長10.1km,為我國首條穿越地下城區(qū)的特長特大客運(yùn)專線鐵路隧道,暗挖洞身段采用三豎井一斜井的施工方法。本文通過瀏陽河隧道2#豎井穿越風(fēng)化槽谷的施工方法、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測等綜合施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并提出了一些關(guān)鍵意見,以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞:風(fēng)化槽谷動態(tài)分部臺階法

中圖分類號:U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0047-03

1工程概況

武廣客運(yùn)專線瀏陽河隧道全長10115m,施工里程為DK1560+785～DK1570+900,其中暗洞段長9935m,全隧道共設(shè)置三座豎井及一座斜井。其中2#豎井施工里程為DK1564+232～DK1565+743,施工長度1511m,全部為暗挖施工,該段隧道埋深為40m～50m,圍巖分級為Ⅳ～Ⅴ級。洞身暗段隧道穿越地層多為泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等Ⅳ級至Ⅴ級軟弱圍巖:地表上方原為凹地、水塘進(jìn)行回填,人工填土厚度達(dá)8m～12m深不等,地層含水量豐富。隧道洞身主要穿越K2d2、K1d2強(qiáng)至弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,夾薄層石膏和泥灰?guī)r,巖體完整性差,均為軟巖,易風(fēng)化、軟化。且?guī)r溶較為發(fā)育,巖層破碎,節(jié)理發(fā)育不均,裂隙水發(fā)育,巖層風(fēng)化極不均勻。

在2#豎井廣州端300m處DK1565+120 ～DK1565+250段出現(xiàn)風(fēng)化槽谷,強(qiáng)風(fēng)化最大深度達(dá)53.6m,已深入至隧道開挖底部。

2施工難點(diǎn)

(1)地質(zhì)條件差,隧道穿越地層多為泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等五級至六級軟弱圍巖,且風(fēng)化不均勻,地下水豐富,開挖斷面大,施工中容易失穩(wěn),隧道沉降變形難于控制;(2)地表上方為水塘洼地回填,回填土深度8m～12m,現(xiàn)已開發(fā)為長沙市隆平高科技園區(qū),隧道沉降過大容易引起地表結(jié)構(gòu)物變形或破壞。建筑物為結(jié)構(gòu)廠房和辦公樓等大型建筑群,地表地基二次加固困難;(3)受地形和建筑物影響,前期地質(zhì)勘探鉆孔選位困難,設(shè)計地質(zhì)勘測資料存在一定的不確定性;(4)2#豎井廣州端任務(wù)923m,為瀏陽河隧道單口掘進(jìn)任務(wù)最長的豎井,工期十分緊迫。

3過風(fēng)化槽谷段施工技術(shù)

3.1 施工原則

(1)超前地質(zhì)預(yù)報先行。為了掌握工作面前方的地質(zhì)變化,開挖前對工作面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行了探測,根據(jù)地質(zhì)的變化情況調(diào)整支護(hù)參數(shù),確保施工始終處于受控狀態(tài)。

(2)以量測資料進(jìn)行反饋指導(dǎo)施工?？紤]到該段隧道圍巖嚴(yán)重風(fēng)化、地下水發(fā)育及地表上方存在大型建筑的特點(diǎn),采用較強(qiáng)的初期支護(hù);在圍巖變形穩(wěn)定以后,進(jìn)行二次模筑襯砌,堅(jiān)持以量測資料進(jìn)行反饋指導(dǎo)施工。

(3)先注漿,后開挖?！跋茸{,后開挖,注漿一段,開挖一段,封閉一段”的原則。

(4)“十八字”施工原則。施工采用“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測”十八字原則。

3.2 施工方案比選

為了確保施工安全,保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地表建筑物安全,前期曾提出如下幾種施工方案。

3.2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要設(shè)計參數(shù)。主要設(shè)計支護(hù)參數(shù):超前支護(hù)采用φ108長管棚套打φ42小導(dǎo)管超前注漿加固前方土體,環(huán)向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環(huán)向間距1m布置,并增設(shè)Φ50鎖腳導(dǎo)管組成初支系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固。中隔壁及臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土組成臨時支護(hù)系統(tǒng)。

(2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工步驟。雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的主要施工步驟如圖1所示。①開挖與支護(hù)左側(cè)導(dǎo)坑上部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;②開挖與支護(hù)左側(cè)導(dǎo)坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;③開挖與支護(hù)右側(cè)導(dǎo)坑上部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;④開挖與支護(hù)右側(cè)導(dǎo)坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑤開挖與支護(hù)中間導(dǎo)坑上部;⑥開挖與支護(hù)中間導(dǎo)坑中部,安裝臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑦開挖與支護(hù)中間導(dǎo)坑下部,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及中隔壁和臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;⑧拆除臨時支撐;⑨施作仰拱回填;⑩施作二次襯砌。

(3)操作要點(diǎn)。①1、2、3、4、5、6、7步開挖步驟均按短臺階法進(jìn)行支護(hù),每步錯開3～5m,及時安裝初支鋼架和臨時中隔壁及臨時工字鋼仰并噴射砼,快速封閉。②開挖必須堅(jiān)持短進(jìn)尺、弱爆破,每次循環(huán)進(jìn)尺一榀鋼架間距。③仰拱襯砌及填充施作時,臨時支護(hù)一次拆除長度應(yīng)控制在8m～10m以內(nèi),并加強(qiáng)監(jiān)控量測,必要時須減短一次拆除長度,以確保隧道初支穩(wěn)定。

3.2.2三臺階臨時仰拱法

(1)三臺階臨時仰拱法主要設(shè)計參數(shù)。主要設(shè)計支護(hù)參數(shù):超前支護(hù)采用φ108長管棚套打φ42小導(dǎo)管超前注漿加固前方土體,環(huán)向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環(huán)向間距1m布置,并增設(shè)Φ50鎖腳導(dǎo)管組成初支系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固。上臺階臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土,中臺階仰拱采用噴射10cm厚C20砼封閉組成臨時支護(hù)系統(tǒng)。

(2)三臺階臨時仰拱法主要施工步驟。三臺階臨時仰拱法的主要施工步驟如圖2所示。①開挖與支護(hù)上臺階初支,安裝初支Ⅰ20工字鋼架及上臺階臨時仰拱Ⅰ18工字鋼并噴射砼封閉;③開挖與支護(hù)下臺階;④施作仰拱回填;⑤施作二次襯砌。

(3)操作要點(diǎn)。①1、2、3步開挖步驟均按短臺階法進(jìn)行支護(hù),上臺階長度應(yīng)控制在3m～5m,中臺階根據(jù)圍巖地質(zhì)狀況應(yīng)控制在8m～10m并及時安裝初支鋼架和臨時工字鋼仰并噴射砼,快速封閉。②開挖必須堅(jiān)持短進(jìn)尺、弱爆破,減少對圍巖及初支的擾動。③仰拱襯砌及填充施及時緊跟。

3.2.3 動態(tài)分部臺階法

(1)動態(tài)分部臺階法主要設(shè)計參數(shù)。主要設(shè)計支護(hù)參數(shù):超前支護(hù)采用φ108長管棚套打φ42小導(dǎo)管超前注漿加固前方土體,環(huán)向間距40cm;初支鋼架采用Ⅰ20工字鋼,C25噴射砼,拱部采用Φ25中空錨桿、邊墻采用Φ22砂漿錨桿,環(huán)向間距1m布置,并增設(shè)Φ50鎖腳導(dǎo)管組成初支系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固。上、中臺階臨時仰拱采用Ⅰ18工字鋼噴射C20混凝土,并視圍巖的軟硬狀況和沉降收斂量測信息分別加設(shè)上臺階、中臺階中隔壁組成臨時支護(hù)系統(tǒng)。

(2)動態(tài)分部臺階法主要施工步驟。動態(tài)分部臺階法根據(jù)隧道的監(jiān)控量測信息、開挖面范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定程度可以分為以下兩種情況。

情況一:隧道上臺階圍巖軟弱,而中下臺階圍巖較硬。

該情況下,隧道的開挖方法如圖3所示,即用中隔墻將在上臺階分成左右2部分,開挖步驟如下。

①開挖1部臺階,初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和臨時支護(hù),安設(shè)鎖腳錨桿,鎖腳錨桿要求與鋼架用Φ22鋼筋L形焊接,每榀2根。

②跟進(jìn)開挖支護(hù)2部,步驟同1部。

③開挖3部,安裝鋼架,鉆設(shè)錨桿,錨桿要求L型焊接在鋼架上。噴射混凝土至設(shè)計厚度。

④開挖4部,及時封閉初期支護(hù)。

施工要點(diǎn):①若上臺階圍巖不能自穩(wěn),又特別軟弱,可以在1部和2部采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖。②上臺階和中臺階的臨時仰拱視圍巖的穩(wěn)定情況進(jìn)行設(shè)置,若較好,可以不設(shè)臨時仰拱,否則要設(shè)置。③上臺階中隔墻一次拆除的長度不能過長。

情況二:隧道上、中臺階圍巖軟弱。

該情況下,隧道的開挖方法如圖4所示,即用中隔墻將在上、中臺階分成左右4部分。

①開挖1部臺階,初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和臨時支護(hù),安設(shè)鎖腳錨桿,鎖腳錨桿要求與鋼架用Φ22鋼筋L形焊接,每榀2根。

②跟進(jìn)開挖支護(hù)2部,步驟同1部。

③開挖支護(hù)3部,步驟同1部。

④開挖支護(hù)4部,步驟同1部。

⑤開挖支護(hù)5部,及時封閉初期支護(hù)。

施工要點(diǎn):①若上臺階圍巖不能自穩(wěn),又特別軟弱,可以在1部和2部采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖。②上臺階和中臺階各部的臨時仰拱視圍巖的穩(wěn)定情況進(jìn)行設(shè)置,若較好,可以不設(shè)臨時仰拱,否則要設(shè)置。③中臺階的中隔墻可以和上臺階的保持一樣,即為工字鋼;也可以保留中間巖柱。

3.2.4 三種施工方案比較

(1)安全性比較。經(jīng)過對開挖過程數(shù)值模擬分析,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工很安全;三臺階法在圍巖強(qiáng)度發(fā)生變化時施工存在風(fēng)險,在地下水較豐富時可能引起較大沉降,隧道變形難于控制;動態(tài)分部臺階法,根據(jù)地質(zhì)變化條件,通過采取增加臨時仰拱和中墻,加大初支鋼架和噴射砼厚度等措施,施工安全能得到有效保證。

(2)施工技術(shù)難度。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序復(fù)雜,不同工序轉(zhuǎn)換很難,在進(jìn)、出軟弱圍巖地段工法轉(zhuǎn)換十分困難,施工技術(shù)要求高,難度大;三臺階法施工工序簡單,無施工工法轉(zhuǎn)換,技術(shù)難度低;動態(tài)分部臺階法施工工序較少,不同工序轉(zhuǎn)換容易,在進(jìn)、出軟弱圍巖地段工法轉(zhuǎn)換簡單,施工技術(shù)難度中等。

(3)工程造價比較。三臺階法不需增加臨時措施費(fèi)用,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支護(hù)每米增加造價2.4萬元,動態(tài)分部臺階法臨時支護(hù)每米增加造價1.3萬元。

(4)綜合進(jìn)度指標(biāo)。Ⅳ級圍巖地段三臺階法開挖支護(hù)平均日進(jìn)度為2.1m/d。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)平均日進(jìn)度為0.5m/d,穿越130m風(fēng)化槽工期為260d。動態(tài)分部臺階法開挖支護(hù)平均日進(jìn)度為1m/d,穿越130m風(fēng)化槽工期為130d。

(5)對地表建筑的影響。①三臺階法開挖,一次開挖面積大,弱爆破開挖對地表建筑的振動較大,且初支封閉時間長,隧道拱頂沉降、變形難于控制。②雙側(cè)壁導(dǎo)坑法全斷面共分7步進(jìn)行開挖,開挖斷面小,采用弱爆破或人工進(jìn)行開挖,支護(hù)封閉成環(huán)早,對地表建筑基本無影響,隧道拱頂沉降、變形小。③動態(tài)分部臺階法,根據(jù)圍巖的軟弱程度和監(jiān)控量測信息,實(shí)時的增加臨時仰拱和豎向中墻,并采取加大初支型鋼鋼架和增加噴射砼厚度等措施,能有效保證地表建筑安全和控制隧道沉降變形。三種不同施工方案比較如表1。

3.2.5 方案選擇

綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、進(jìn)度等各方面的因素,結(jié)合2#豎井廣州端任務(wù)923m,為瀏陽河隧道單口掘進(jìn)任務(wù)最長豎井的實(shí)際情況,為了加快隧道穿越風(fēng)化槽谷施工進(jìn)度,保證施工安全,同時節(jié)約成本,最終選擇了如下方案。

(1)采取TSP、40m超前水平鉆孔取芯、紅外探水等對隧道圍巖地質(zhì)狀況進(jìn)行中長短距離全方位的超前探測,及時推斷出隧道掌子面前方的地層巖性、含水量等地質(zhì)情況來指導(dǎo)施工。

(2)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作,監(jiān)測頻率調(diào)整至一日兩次,及時分析隧道初支拱頂下沉、收斂情況來指導(dǎo)施工。

(3)以動態(tài)分部臺階法主選施工方案,充分利用該工法工序較為簡單,拆除臨時護(hù)少,在圍巖地質(zhì)變化地段工法轉(zhuǎn)換快的特點(diǎn),加快仰拱施工進(jìn)度,拱墻襯砌同步緊跟。

(4)以上臺階深孔注漿為施工預(yù)案,如果超前地質(zhì)預(yù)報顯示掌子面前方地質(zhì)情況有變或是含水量較大,或初支拱頂及收斂速率較大,則立即封閉掌子面采用深孔注漿加固周邊圍巖。

4實(shí)施與效果

根據(jù)選定的以動態(tài)分部臺階法為主選施工方案,我們組織了施工。施工過程中加強(qiáng)了超前地質(zhì)預(yù)報和隧道洞內(nèi)外的監(jiān)控量測變形,及時判斷和調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù),取得良好的效果。

主要采取的超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測技術(shù)措施如下。

(1)中、長距離地質(zhì)控制預(yù)報,主要采用地質(zhì)分析法,結(jié)合TSP200探測前方100m～150m范圍圍巖狀況。

(2)短距離地質(zhì)控制預(yù)報,采用超前水平鉆孔進(jìn)行預(yù)報。專門配備1臺水平地質(zhì)鉆機(jī),在上臺階掌子面鉆孔取芯,一次取芯長度為40m。一般地段取孔3個,拱頂和兩側(cè)拱腰各1個。開挖時每隔5m做好掌子面地質(zhì)描述,并做好圍巖觀察記錄和分析。當(dāng)圍巖發(fā)生變化或圍巖強(qiáng)度下降時,每開挖一次,記錄分析一次(如圖5)。

(3)采用精密電子水準(zhǔn)儀、高精度全站儀無尺量測系統(tǒng)對初支拱頂下沉、收斂及地表沉降、建筑等進(jìn)行了適時監(jiān)控,掌握圍巖的變形和穩(wěn)定情況(如圖6,圖7)。

2008年4月底2#豎井廣州端安全、順利的穿過風(fēng)化槽谷,在整個風(fēng)化槽谷施工過程中,取得了日平均進(jìn)尺1.2m/d的較好成績。在DK1565+180～+200圍巖風(fēng)化最嚴(yán)重地段,初支完成后最大隧道拱頂累計沉降量為35mm,最大收斂值為8.2mm,通過以上數(shù)據(jù)說明采用動態(tài)分部臺階法過風(fēng)化槽谷施工方案是成功的,保證了隧道及地表建筑物的安全。