軟巖層中小間距隧道工程施工技術及質量控制的探討

徐樂平

（重慶公用事業置業有限公司，重慶 400020）

本隧道設計為單線雙洞隧道,左線長3742m，右線長3736m。隧道最大埋深749m。進口段長1719m(含明洞100m)，其中Ⅱ級圍巖676m，Ⅲ級圍巖591m，Ⅳ級圍巖81m，Ⅴ級圍巖371m。進口小間距段中隔墻間距為4.36～18.59m，以Ⅴ級圍巖為主,巖性為全風化變粒巖,砂土狀,部分地下水豐富,土體含水量大,遇水成泥,洞身穩定性差,極易發生坍塌、變形。隧道進口存在22條斷層破碎帶、巖爆、突水、軟巖變形等不良地質,部分地段存在高地溫。

1 隧道小間距施工

1.1 施工難點

隧道工程由于受到地質條件和設計環境的限制，在開挖施工時需解決以下技術難點:1)先掘進隧道對后掘進隧道的偏壓影響；2)后掘進隧道對先掘進隧道的擾動影響；3)軟弱巖土體問題。

1.2 施工方法及采取的技術措施

按從左至右，隧道工程依次設計為平導、左線隧道和右線隧道。為保證隧道的施工安全,確定平導先行、先施工右洞再施工左洞、相互錯開掘進、先行洞二次襯砌必須超前后行洞掌子面30m的原則。根據圍巖變形特點和技術難點,施工中采取適當的開挖工法以盡可能減少對圍巖的擾動,特別是對中間土(巖)體的擾動。根據揭示巖層風化程度和地下水發育情況,對圍巖級別重新核定,并按照“加強支護、控制變形、快挖、快支、快封閉、快通過”的總體原則進行設計和施工。

1.2.1 開挖

隧道開挖采用短臺階法,分為上、中、下三個臺階施工,每臺階最大預留長度不超過15m，并及時施作仰拱、二次襯砌,確保仰拱與掌子面的距離不超過40m、二次襯砌與掌子面的距離不超過50m。將圍巖開挖預留量從設計的Ⅴ級圍巖8～12cm提高到30cm，確保二次襯砌厚度不受侵限。在開挖過程中,對局部滲水的地方施作Φ42×3.5mm、長度L=5m的鋼花管進行引排處理。

1.2.2 超前支護

(1)超前小導管。拱頂120°范圍內超前支護采用雙層Φ50×5mm、L=4m的無縫鋼管,注水泥砂漿;縱向相鄰兩排超前小導管水平投影搭接長度不小于1.5m。(2)布置間距。鋼管環向間距為30cm，縱向相鄰兩排的水平投影搭接長度不小于150cm。(3)導管外插角。鋼管外插角分別采用40°和10°交錯布置。(4)注漿要求。采用水泥砂漿,水灰比為 0.5～1.0，注漿壓力 0.5～1.0MPa。(5)施工注意事項。小導管頂入需穿過鋼架,小導管安設后用錨固劑或塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙,必要時在小導管附近及工作面噴射砼,以防止工作面坍塌。

1.2.3 初期支護

(1)初噴。隧道開挖完成后及時進行初噴施工,噴射厚度一般為4cm，保證開挖面的圍巖穩定以及拱架和圍巖面之間的砼保護層厚度。(2)鋼架。1)采用I20b工字鋼,間距為50cm/榀,鋼架各單元嚴格按照調整后的30cm預留量加工安裝拱架(原設計預留量為 8～12cm)。2)墊板,連接板未連接前增加木板墊塊,以保證拱腳的穩定,減少拱架因圍巖產生的擠壓收斂量;連接板按照設計規格和尺寸 (16mm厚,260mm×300mm;16mm厚,300mm×530mm;螺栓孔徑為Φ32，螺栓采用M30)加工,控制墊板的連接質量。3)Φ22縱向連接筋,環向間距1.0m，斜向與水平方向30°焊于拱架內翼緣處。4)拱架鎖腳采用Φ42×3.5mm的無縫鋼管,L=5m，每個拱腳墊板連接處6根,上面4根、下面2根。預留1.8m長止漿段,其余設Φ10mm注漿孔,15cm×15cm梅花形布設,注漿固結錨端。鎖腳注漿鋼管,斜向下施作,尾端采用上下2根Φ22鋼筋焊牢于鋼架上。鎖腳鋼管施工要盡量靠近連接墊板,最大距離不得超過20cm。拱架腳要墊上木板以防懸空,木板規格為5cm厚、25cm×50cm。拱架連接板螺栓必須鎖緊,連接板周邊縫必須焊實。(3)鋼筋網。采用Φ8鋼筋網,網格尺寸為20cm×20cm。鋼筋網片事先預制,施工中調整鋼筋網片鋪設位置,緊貼巖面,預留搭接長度1～2個網格。(4)系統錨桿。邊墻采用小導管,注水泥漿,采用Φ42無縫鋼管,長4m，留1m長止漿段,其余設Φ10mm注漿孔,15cm×15cm梅花形布置。每延米12根,環向間距×縱向間距為1.2m×1.0m。(5)噴射砼。采用C25噴射砼,摻用合成纖維,摻入量0.9kg/m3。初噴砼在開挖后及時進行,初噴厚度不小于4cm。噴射作業分段、分片、分層,由下而上進行。當巖面有較大凹坑時,應先填平;若噴射面有出水口,必須將水有效引排后再噴射砼。噴射砼厚度28cm。

1.2.4 施作臨時仰拱

上臺階開挖完成后及時施作臨時仰拱,及時封閉成環,以阻止上臺階的水平收斂,減少圍巖變形。臨時仰拱鋼架采用I20b，要求有一定弧度,采用16mm厚連接板(460mm×270mm)與A單元拱架螺栓連接,周邊縫采用電焊焊實,噴28cm厚C25砼。

1.2.5 施作仰拱

仰拱每次施工長度不得超過6m。

(1)開挖:仰拱開挖后要保證基底無虛碴、無積水、無雜物,仰拱的開挖深度必須滿足設計規范要求。仰拱開挖后要及時進行初噴,厚度≥4cm。(2)初支:拱架、噴射砼按照設計規范要求施工,拱架連接墊板尺寸為460mm×270mm，厚16mm。(3)二次襯砌砼:鋼筋施工必須滿足設計規范要求,Ⅴ級圍巖采用C35砼,嚴格按照配合比拌和,保證砼質量。(4)填充砼:采用C20砼,嚴格按照配合比拌和,保證砼質量,橫向、縱向坡度必須滿足設計規范要求,砼振搗密實。

2 圍巖監控量測

在隧道施工過程中,對圍巖支護體系的穩定狀態進行監測,為初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供依據,這是確保結構安全、合理確定施工順序、指導施工、方便施工管理的重要手段。尤其對于采用噴錨構筑法設計與施工的隧道,監控量測是施工過程中必不可少的程序。量測項目包括洞內外觀察、凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測,必要時增設隧底上鼓量測及地表沉降量測。

2.1 洞內外觀察

開挖面地質描述包括圍巖巖性、巖質、斷層破碎帶、節理裂隙發育程度和方向,有無松散坍塌、剝落掉塊現象及滲漏水等。對初期支護,從噴層是否產生裂縫、剝離和剪切破壞,格柵支架是否壓屈等方面進行觀察分析。洞外觀察一般包括地表地質分析、斷層面分析及水文分析等。對以上情況進行詳細描述、記錄,并予以評估,作為支護參數選擇的參考與量測等級選擇的依據。

2.2 拱頂下沉和凈空水平收斂量測

將拱頂下沉及凈空水平收斂量測布置在同一斷面,斷面間距,Ⅱ級為50m，Ⅲ級為30m，Ⅳ級20m，Ⅴ級為10m。拱頂下沉量測測點布置在拱頂。凈空不平收斂量測以量測初期支護上各點的絕對位移為目的,通過水平及斜向收斂量測,驗證周邊位移結果。拱頂下沉及凈空水平收斂量測頻率見表1。

表1 拱頂下沉及凈空水平收斂量測頻率

2.3 隧底上鼓量測

根據現場實際情況,在斷層帶增設隧底上鼓量測,它與拱頂下沉量測布置在同一斷面。

2.4 地表下沉量測

地表下沉量測在淺埋地段進行,量測斷面布置與洞內一致,每個量測斷面上測點間距為2～5m。地表下沉量測斷面間距見表2。

表2 地表下沉量測斷面間距

2.5 量測數據處理與分析

及時對現場量測數據繪制位移及位移速度隨時間的變化曲線、位移及位移速度與開挖工作面距離的關系曲線。當位移-時間曲線趨于平緩時,進行數據處理或回歸分析,以推算最終位移和掌握位移變化規律。當位移-時間曲線出現反彎點時,表明圍巖和支護已呈不穩定狀態,此時應密切監視圍巖動態,并加強支護,必要時暫停開挖。量測元件埋設情況和資料納入竣工文件,以備運營中查考或繼續觀測。

3 超前地質預報

通過全程地質超前預報,及時發現異常情況,預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀、含水情況及圍巖結構的完整性,為優化隧道施工方案提供依據,為預防隧道突水、突泥等可能形成的災害性事故提供信息,以盡早做好準備,避免損失;通過預報,可以了解掌子面前方短距離內的工程地質條件、圍巖級別,為正確選擇開挖斷面、設計支護參數和選擇施工方法提供依據。

綜合地質超前預報主要內容:開挖掌子面地質素描、TSP203地震反射法、紅外探水、地質雷達、HSP水平聲波反射法等綜合物探和超前鉆探;地表重要井、泉點觀測和深孔水位監測;深埋隧道應力測試和變形監測。隧道主要采用TSP203地震反射法進行超前地質鉆探。通過TSP203專用軟件對隧道內采集到的原始資料進行以壓制干擾、提高信噪比和分辨率、提取地震參數為目的的技術處理。數據處理前,先確定描述隧道輪廓的參數、各炮孔的裝藥量等,再通過專用軟件處理,給出掌子面前方結構的剖面及各種地震參數。

結語

根據小間距隧道工程經驗,采用綜合性施工技術和控制措施,通過提高隧道支護結構的強度、剛度和整體性,減少和控制左、右線隧道開挖時的相互影響,合理利用圍巖自承能力,保證圍巖與支護結構共同作用,基本上可以安全、順利地完成小間距軟巖隧道的施工。

[1]TB10417-2003，鐵路隧道工程施工質量驗收標準[S].

[2]范智杰.隧道施工與檢測技術[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]刁天祥,楊惠光.淺埋小間距隧道開挖圍巖變形及控制對策[J].隧道建設,2006，26(3).

[4]吳鏑,彭川.大跨徑隧道淺埋段施工監測研究[J].公路與汽運,2008(4).

[5]TZ204-2008，鐵路隧道工程施工技術指南[S].