向家山大斷面淺埋偏壓隧道洞身段施工技術(shù)

袁 青，吳 立，錢娟娟，陳 劍，李 波

(1.中國地質(zhì)大學巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

向家山大斷面淺埋偏壓隧道洞身段施工技術(shù)

袁 青1，2，吳 立1，2，錢娟娟1，2，陳 劍1，2，李 波1，2

(1.中國地質(zhì)大學巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

滬昆客運專線長昆湖南段向家山隧道開挖斷面面積超過160 m2，埋深淺(隧道拱頂局部區(qū)段外露)，地質(zhì)條件復雜。為避免開挖引起塌方，在調(diào)研現(xiàn)場實際情況的基礎上，提出拱部明挖、邊墻暗進、襯砌優(yōu)化為Ⅴb型復合式襯砌的施工技術(shù)方案，同時對地表混凝土反壓蓋板和防排水系統(tǒng)等重要部件進行了設計。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明采用的施工技術(shù)方案合理，隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。此方案兼顧了成本控制，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益，可為類似工程提供借鑒。

客運專線 大斷面隧道 淺埋偏壓 監(jiān)控量測 施工技術(shù)

我國山脈縱橫，地形地質(zhì)條件復雜，在隧道選線過程中不可避免地遇到地形地勢不對稱，即偏壓情況。如果隧道再埋深淺、工程地質(zhì)條件復雜，圍巖以松散破碎的軟弱土層或強風化的巖體為主，施工中技術(shù)的運用或工程措施處理不當，那么就更容易發(fā)生塌陷、冒頂、地表塌陷等工程災害，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。特別是當前我國高速鐵路的快速發(fā)展，隧道斷面不斷增大，對淺埋偏壓隧道施工又增加了難度。本文以滬昆客運專線長昆湖南段第CKTJ-XI標段向家山隧道為例，探討大斷面淺埋偏壓隧道施工技術(shù)，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

向家山隧道全長580 m，起訖里程DK401+745—DK402+325，為單洞雙線隧道。為滿足隧道—列車空氣動力學效應要求，隧道內(nèi)軌頂面以上有效面積為100 m2，開挖斷面面積＞160 m2。隧道位于低山緩坡地帶，線路經(jīng)過處最大高程為403.20 m，最低高程為344.06 m，最大埋深59.78 m，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，山坡植被稀疏，溝谷走向為南北向。隧道DK402+003—DK402+036為Ⅴ級淺埋段，其中DK402+015—DK402+030段拱頂與原地面平齊，局部點甚至外露，如圖1所示。地表為粉質(zhì)黏土層，厚約50 cm，土層以下為凝灰?guī)r。強風化層厚約3 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎;弱風化層節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。地表下凹，匯水面積大。

圖1 隧道淺埋段示意

2 施工技術(shù)方案

向家山隧道進口掌子面處(里程DK401+991)，圍巖級別為Ⅳ級，襯砌類型為Ⅳb型復合式襯砌，開挖工法為弧形導坑預留核心土法。此處距離淺埋段12 m，為了更好地做好隧道淺埋段施工準備，確保施工安全，同時控制成本，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，決定采用“拱部明挖，邊墻暗進”的施工方案，隧道襯砌優(yōu)化設計為Ⅴb型復合式襯砌，嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”原則［1］。

2.1 開挖工法

采用的“拱部明挖，邊墻暗進”的施工方案具體表現(xiàn)為拱部80°明挖，即將隧道淺埋段部分的覆蓋土體及強風化的凝灰?guī)r直接挖除;拱墻其余部分暗挖，開挖工法采用三臺階七步開挖法。

2.2 襯砌設計

本隧道為雙線隧道，線間距5.0 m，按照《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》［2］中的要求，隧道結(jié)構(gòu)設計采用復合式襯砌［3］。隧道初期支護采用掛網(wǎng)、噴混凝土、錨桿支護措施，二次襯砌采用全環(huán)等厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，Ⅴb型襯砌厚度50 cm，淺埋段配筋較深埋段加強。此淺埋段支護斷面設計為Ⅴ級圍巖襯砌加強斷面，如圖2所示。

圖2 Ⅴ級圍巖襯砌加強斷面(單位：cm)

3 施工技術(shù)措施

3.1 隧道洞內(nèi)施工技術(shù)措施

1)三臺階七步開挖和支護措施

第1步，上部弧形導坑開挖。在拱部超前支護后進行，環(huán)向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度為5.0 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。每循環(huán)開挖0.6 m，即1榀鋼架間距，嚴格保證短進尺，開挖、修整至設計輪廓后立即初噴3～5 cm混凝土，以減少圍巖暴露時間。上部弧形導坑開挖后及時進行噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊緣按下傾角30°搭設鎖腳錨管，拱腳錨管和鋼架牢固焊接，長度為4.0 m，要保證錨管注漿質(zhì)量，以控制基腳變形，復噴混凝土至設計厚度30 cm。

第2步、第3步，左右側(cè)中臺階開挖。先開挖邊墻一側(cè)，再開挖另一側(cè)，并錯開2.0～3.0 m的距離，避免上臺階的初期支護在同一位置懸空，開挖高度為3.0～3.5 m，每循環(huán)開挖長度為0.6 m。開挖、修整至設計輪廓后立即初噴3～5 cm混凝土，及時進行錨桿、鋼筋網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊緣按下傾角30°搭設鎖腳錨管，拱腳錨管和鋼架牢固焊接，長度為4.0 m，復噴混凝土至設計厚度30 cm。

第4步、第5步，左右側(cè)下臺階開挖。同第2步、第3步左右側(cè)中臺階開挖。

第6步，上中下臺階預留核心土開挖。

第7步，隧底開挖。每循環(huán)開挖進尺為3 m，完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后，及時施作仰拱，盡早封閉成環(huán)。

2)注意事項

①超前施作仰拱，仰拱距上臺階開挖工作面控制在40 m以內(nèi)，鋪設防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應及時進行。

②二次襯砌距仰拱保持2倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長度，但不得大于40 m。

③加強超前支護，超前小導管施工中須嚴格確保小導管數(shù)量、注漿質(zhì)量以及搭接長度［4］。DK402+030里程處二次進洞前采用雙排小導管加強支護。

④拱架安裝過程中，嚴格控制安裝質(zhì)量，規(guī)范操作，掌子面到達出洞和二次進洞臨界點即DK402+015與DK402+030里程處，均須增加1榀鋼架，進而確保出洞與二次進洞的安全。

3.2 地表混凝土蓋板施工技術(shù)措施

隧道初期支護施工過程中，于DK402+015里程拱頂處預埋泵送管，長度為2.5 m，此泵送管貫穿于初期支護和二次襯砌中，在此段二次襯砌施工完成后，通過泵送管泵送C30混凝土做防護蓋板，厚度為2 m，以混凝土蓋板來代替反壓回填水泥土。

3.3 防排水施工技術(shù)措施

施工過程中做好防排水施工，禁止積水沿明挖段流入正洞。首先，在出洞和二次進洞邊仰坡上分別做好臨時截水天溝，保證積水不流進正洞。其次在DK402+015—DK402+030段拱頂右側(cè)修筑高度為1 m的水壩，將山坡的匯積水從DK402+030附近引出。待DK402+015處初期支護施工完成后，再將積水由DK402+015附近引出。同時提前關(guān)注天氣變化，在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，加快施工進度，避開雨季施工。

4 監(jiān)控量測結(jié)果分析

現(xiàn)場監(jiān)控量測是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，修正初期支護參數(shù)，判斷二次襯砌施作時機和及時調(diào)整施工方法的重要手段。為了評價淺埋偏壓段施工處理的效果，本隧道按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》［5］的要求，對該隧道進行了地表沉降、拱頂下沉及凈空水平收斂3項監(jiān)控量測。

4.1 地表沉降

本隧道淺埋偏壓洞身段地表沉降監(jiān)測采用精密水準儀，垂直于隧道走向布置7個監(jiān)測斷面，各斷面間距為5 m，各監(jiān)測斷面均布設7個監(jiān)測點，7個監(jiān)測點間距分別為9，7，5，5，7，9 m，如圖3 所示。7 個監(jiān)測斷面地表沉降量均反映隧道開挖過程中存在不同程度的偏壓作用。典型斷面DK402+010的地表沉降曲線如圖4所示。

圖3 地表沉降監(jiān)測斷面上監(jiān)測點布置(單位：m)

圖4 典型斷面DK402+010的地表沉降曲線

圖4顯示，隧道開挖初期中線左右側(cè)地表沉降量近似相等，但是隨著開挖斷面的不斷擴大和開挖空間暴露時間的不斷增長，右側(cè)山體的偏壓作用使得隧道右側(cè)圍巖變形相對左側(cè)顯著增大，最終表現(xiàn)為地表沉降顯著增大。但是，各監(jiān)測點的沉降速率呈現(xiàn)明顯下降趨勢，主要是因為隨著隧道初期支護結(jié)構(gòu)的閉合和地表加固處理，使圍巖變形得到了控制，最終沉降值符合規(guī)范的要求。

4.2 拱頂下沉和凈空水平收斂

隧道內(nèi)選取典型斷面DK402+010進行拱頂下沉和凈空水平收斂量測，如圖5所示。圖5監(jiān)測數(shù)據(jù)表明凈空水平收斂量相對拱頂下沉量較小，上下測線累計收斂量分別為16.30 mm和10.50 mm。對于淺埋隧道，由于垂直方向的變形較大，應特別重視垂直方向位移的量測。隧道拱頂?shù)南鲁吝^程及其最終下沉量是隧道支護設計及地層環(huán)境控制的重要基礎，在該施工方案下本隧道在25 d的施工期完成后拱頂下沉趨于穩(wěn)定，累計沉降量為28.5 mm，符合沉降安全控制值的要求。

5 結(jié)論

1)從監(jiān)控量測結(jié)果來看，地表沉降、拱頂下沉和凈空水平收斂主要發(fā)生在各分步開挖和支護階段，一旦初期支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，各沉降值均趨于穩(wěn)定。因此，在施工中要嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”原則，合理控制臺階間距，減少圍巖暴露時間，迅速進行初期支護封閉成環(huán)，同時加強各分步圍巖支護強度，嚴格控制各分步變形，達到控制沉降和穩(wěn)定圍巖的目的。

圖5 典型斷面DK402+010拱頂沉降和凈空水平收斂曲線

2)針對淺埋偏壓隧道巖土材料強度低和結(jié)構(gòu)松散破碎的特點，要做好地表加固和全封閉防水處理。可以施作混凝土蓋板來代替反壓回填水泥土，排除地表浮土和風化巖石對圍巖強度的影響;同時做好坡面防排水和防護，消除降水和匯流水對支護結(jié)構(gòu)和圍巖強度的影響。

3)該施工技術(shù)施工簡單，可操作性強，成本低，可為同類山區(qū)高速鐵路大斷面隧道施工提供借鑒。

［1］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010：275-379.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［3］高樹峰.客運專線大斷面黃土隧道淺埋偏壓施工技術(shù)［J］.鐵道工程學報，2008(10)：32-35.

［4］李忠凱.淺埋暗挖隧道管棚預支護機理及設計方法研究［D］.北京：北京工業(yè)大學，2012.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.01.13

1003-1995(2014)01-0043-03

2013-06-20;

2013-10-25

武漢市科技局社會發(fā)展科技攻關(guān)計劃項目(201160823268)

袁青(1991— )，男，湖北潛江人，碩士研究生。

(責任審編 葛全紅)