软弱围岩地质大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工工法

夏润禾,许前顺

(中交第二公路工程局有限公司,西安 710065)

1 概述

这些年,国家加大了交通基础设施建设,特别是高速铁路建设进入了前所未有的施工高峰期,高速铁路桥隧占全线的施工比重大,列车速度一般设计为 200 km/h,250km/h以上(预留提速条件)。为了克服高速列车在隧道内运行所引起的空气动力学问题,新建的高速铁路隧道基本采用双线铁路隧道通过,线路中特大长隧道、特大断面的隧道在山岭地区相继出现,这些隧道轨面以上的净空面积为 100m2以上,开挖断面积都在 150m2以上。特别是对于Ⅴ级、Ⅳ级围岩来说,特大断面铁路隧道的施工难度大,而以往所建的单线铁路和普通铁路隧道基本上是采用传统的矿山法修建的。因此,针对特大断面隧道穿越Ⅴ级、Ⅳ级围岩的施工,探索一种快速、安全、经济、有效的施工方法,以满足特大断面隧道建设的技术标准,这对于建设者来说是一个新课题,新挑战。贵广铁路项目隧线比重大,大断面双线隧道应用大拱脚三台阶施工工法成功穿越Ⅴ级或Ⅳ级软弱围岩,取得了较好的经济效益和社会效益,并在实践中逐步完善形成了本工法。

2 工法特点

(1)本工法与传统的施工方法相比,多个作业面可以平行作业,初期支护工序操作便捷,施工空间大,有利于机械化快速施工。

(2)本工法适应性高,如出现围岩结构复杂多变、软硬围岩变化或其他条件发生变化时可以较为迅速的转换为其他工法进行施工。

(3)本工法没有临时支护,避免了因拆除临时支护而造成的安全隐患,有效的规避了一定风险。

(4)本工法设备购置费用、临时材料使用较低,一次性投入较少,节约了施工成本。

(5)本工法工效快,加快了施工进度,有效地节约了施工工期。

3 适用范围

(1)本工法适用于Ⅴ级或Ⅳ级软弱围岩大断面隧道,也适用于浅埋或深埋的地质情况较好的大断面隧道。

(2)对于存在低瓦斯风险的隧道,也可应用本工法施工,断面空间大有助于通风换气。

4 工艺原理

大断面隧道大拱脚台阶法是指在隧道开挖过程中将作业面分为 6个开挖面。以前后 6个不同的位置相互错开同时开挖,然后分部同时支护形成支护整体,缩短作业循环时间,逐步向纵深推进的作业方法。本工法基本原理结合了弧形导坑预留核心土法和三部台阶法的优点,满足了新奥法施工原理对围岩加强控制的要求,减少分部开挖次数,加快了初期支护早封闭的时间,特别该是拱部先期成环,侧墙初期支护能够尽早落底,有利于控制变形,避免了临时支护结构体系的转换,减少了施工过程中不安全因素。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

施工工艺流程见图1。

5.2 操作要点

采用大拱脚台阶法开挖,应遵循“先预报、管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则,尽量缩短台阶长度,在工序变化处及时在钢架末端设锁脚锚杆,以确保钢架基础稳定。同时初期支护尽快封闭成环,仰拱和衬砌及时跟进,及时形成稳定的支护体系。

5.2.1 施工工序说明

大拱脚台阶法开挖分步工艺见图2。

图1 施工工艺流程

第1步:利用上一循环架立的钢架施作隧道拱部φ42mm超前小导管,开挖上部弧形导坑部:在拱部超前支护后进行,环向开挖上部弧形导坑,预留核心土,核心土长度为 3～5m,宽度为隧道开挖宽度的 1/3～1/2。开挖后应及时施作上部初期支护,即进行初喷 4 cm厚混凝土,挂钢筋网,架设钢架,施作大拱脚系统支护,并在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆,锁脚锚杆与钢架牢固焊接,钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定,一般 0.6m左右。

第2步:左侧部中台阶开挖:再滞后部约 3～5m后,开挖左侧部中台阶。开挖进尺根据初期支护钢架间距确定,开挖高度一般为 3.5～4m,开挖后及时施作部初期支护,即进行初喷 4cm厚混凝土,挂钢筋网,接长钢架,并设锁脚锚杆系统支护,钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

第3步:右侧部中台阶开挖,再滞后部约 2～3m后,与左侧部中台阶开挖支护方式一样,施作右侧部中台阶。

第4、5步:开挖上台阶④部、中台阶⑤部,在滞后部约 3～4m后,依次开挖上台阶④部、中台阶⑤部,开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

第6步:开挖隧底⑥部,在滞后⑤部约 4～5m后,开挖隧底剩余部分⑥部,开挖后初喷 4cm厚混凝土,安设仰拱钢架并与左右侧落地钢架焊接牢固,复喷混凝土至设计厚度。为了不影响车辆进出,采用栈桥过渡方案,及时施作仰拱及仰拱回填,仰拱分段长度一般为 4～6m。

初期支护施工工艺流程见图3。

图2 大拱脚台阶法开挖分步工艺

图3 初期支护施工工艺流程

5.2.2 超前小导管施作

超前小导管采用 φ42mm、壁厚 3.5mm的热轧无缝钢管,长 3.5m,环向间距 30～50cm,其纵向搭接长度不小于 1m。

超前小导管的钻孔外插角为 10°～12°,可根据实际情况作调整。钻孔方向应顺直。钻孔直径不小于45mm。

超前小导管安装于隧道拱部圆弧 120°范围内,共38根,环向间距为 40cm。其纵向搭接长度不小于1m。

5.2.3 台阶开挖

开挖轮廓形状和断面尺寸应按照设计要求进行开挖轮廓线的放样,根据围岩情况预留一定的变形量,以防止围岩的实际变形量超过预留变形量,造成初期支护侵入二次衬砌。

5.2.4 初喷混凝土封闭岩面

开挖后立即进行初喷混凝土封闭岩面,用高压风自上而下吹净岩面,并埋设控制混凝土厚度的控制标志,如工作面滴水或淋水时,采用钻孔埋设盲管做好引排水,也可采用干喷形式快速封闭渗水岩面。喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行,作业时避免上部喷射回弹料虚埋拱(墙)脚。喷嘴与受喷岩面垂直,喷嘴与受喷岩面之间的距离保持在 1.0～2.0m。

5.2.5 系统锚杆和钢筋网施作

初喷之后立即进行施作径向锚杆,锚杆必须设垫板。系统锚杆设置情况:拱部采用带排气装置的 φ25 mm中空注浆锚杆,边墙采用 φ22mm砂浆锚杆,L=4.0m,间距(环 1.2m×1.0m);钢筋网采用 φ8mm的HPB235钢制作,网格尺寸采用 20cm×20cm,搭接长度为 1～2个网格,网片之间采用焊接方式连接。钢筋网应与锚杆连接牢固,且钢筋保护层厚度不小于4cm。

5.2.6 钢架安装施作

初期支护采用 I20钢架,纵向间距为 0.6m/榀(中至中),相邻钢架采用 φ22mm钢筋连接,间距 1m,斜向内侧布置,并焊于钢架内翼缘处;安装前应清除底脚下的虚砟及杂物,钢架底脚应置于牢固的基础上。

为保证钢架位置安设准确,钢架架设前均需预先打设定位系筋。系筋一端与钢架焊接在一起,另一端锚入围岩并用砂浆锚固。拼装钢架时,各节段的钢架间的连接板螺栓连接并密贴,严禁采用焊接。隧道上部弧形导坑开挖时,在大拱脚连接板处预留安装大拱脚钢架的支撑凹槽。施作大拱脚系统支护,并在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边沿按下倾角 45°打设锁脚锚杆,锚杆长度为 4m,每环为 8根,锁脚锚杆与钢架牢固焊接,增加拱脚支撑力。

5.2.7 第二次喷射初支混凝土施作

按照设计厚度利用原有部件如锚杆外露长度等,也可在钢拱架上焊接短钢筋,标出刻度,作为设计厚度标记。

喷射混凝土厚度每层不宜超过 5～6cm,过大会削弱混凝土颗粒间的凝聚力,使喷层因自重过大而大片脱落,或使拱顶处喷层与围岩面形成空隙;过小,则粗骨料容易弹回。分次喷至设计厚度,两层喷射的时间间隔为 15～20min。

为提高工效和保证质量,喷射作业应分片进行。为防止回弹物附着在未喷岩面上影响喷层与岩面间的粘结力,按照从下往上施喷,呈“S”形运动;喷前先找平受喷面的凹处,再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动,保证混凝土表面平顺,无空鼓、裂缝、疏松,平整度应符合规范要求。

5.2.8 仰拱施作

隧道底部开挖采用全幅分段施工,上面铺设仰拱栈桥,仰拱栈桥长 16～18m,单幅宽 1.2m,每幅由 4根 I36型钢和防滑钢板焊成,栈桥放在隧道中部。隧底每循环开挖长度控制在 2～3榀钢拱架间距。为保证施工安全,仰拱初期支护和混凝土浇筑应及时施作,支护尽早闭合成环,整体受力,确保支护结构稳定。仰拱每循环浇筑长度与拱墙每循环衬砌长度相同,具体尺寸与模板台车长度一致,施工时应保证仰拱与拱墙施工缝在同一断面。仰拱混凝土应分段全幅浇筑,一次成型,不留纵向施工缝,仰拱施工缝和变形缝设置止水带。仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土初凝后浇筑,浇筑前清除仰拱表面的杂物和积水,连续浇筑,一次成型,不留纵向施工缝。本工程仰拱采用 C35钢筋混凝土,仰拱填充采用 C20混凝土。

仰拱施工工艺流程见图4。

图4 仰拱施工工艺流程

5.3 关键技术控制要点

(1)大拱脚台阶法施工应做好工序衔接,工序安排应紧凑,严格控制开挖长度,合理确定循环进尺,开挖后立即初喷 4cm厚的混凝土,以减少围岩暴露时间,避免因长时间暴露引起围岩失稳。

(2)隧道垂直方向的变形控制主要依靠两侧拱脚,拱脚的稳定程度很关键。在上部增加大拱脚钢架是为了增大拱脚的承载能力,同时在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边向拱脚的斜下方打设锁脚锚杆,锁脚锚杆与钢架牢固焊接确保钢架基础稳定,防止拱部下沉变形。

(3)大拱脚台阶法施工应严格按设计要求控制好超前锚杆支护外插角,保证隧道开挖在超前支护的保护下安全施工。

(4)根据围岩情况如需爆破时,必须坚持弱爆破,减少对围岩的扰动。同时做好监控量测,确保围岩稳定和施工安全。

(5)钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设,上下断面初期支护钢架连接应平顺,螺栓连接牢固,拱脚落地应架设在坚实基面上,严禁拱脚悬空或采用虚砟回填。

5.4 监控量测

隧道施工中监控量测的重要目的就是对初期支护实施动态管理,通过了解围岩的受力变形状态,判断隧道围岩和初期支护是否稳定和安全,及时进行信息反馈及预测预报,为施工二衬提供合理施作时间和为优化支护参数提供依据,指导现场施工。量测项目根据工程实际情况,分为必测项目和选测项目。必测项目见表1,选测项目按照《铁路隧道监控量测技术规程》的规定选取。监控量测采用五点法,每个断面设置 2条净空变化基线,1个拱顶下沉测点,监测断面间距为5～10m,所有初读数据须在开挖后 12h内测读,量测频次严格按照规范和验标的要求执行,根据量测结果及时调整预留变形量,确保了初支不侵入二次衬砌范围。根据现场监控数据分析,对于炭质页岩、泥灰质岩为主的隧道,建议施工开挖时隧道拱部预留变形量 25～30cm,边墙预留变形量 10～15cm,底部预留变形量5～8cm。

5.5 有害气体监控与预防措施

因隧道地层中炭质页岩含炭较高,为确保人员、财产及施工安全,所以必须将有害气体、瓦斯危险性预测放在第一位。在隧道开挖掌子面进行全断面超前探测,超前探孔孔径一般为 89mm,单孔长度为 30m,搭接长度不小于 5m,掌子面布置 6个孔,并在超前探孔处采用光干涉式甲烷测定器,检测是否有有害气体涌出。加强通风和喷雾洒水,降低粉尘浓度,安排专职的经过瓦斯监测安全技术培训的人员对隧道进行巡回检查,特别是拱顶、开挖凹凸处等瓦斯易积聚部位的监测,并建立健全安全监测制度,制定应急预案,组织施工人员进行演练,以确保施工安全。

表1 监控量测必测项目

5.6 劳动力组织(表2)

表2 单作业面施工作业劳动力组织

6 材料与设备

本工法中采用的主要施工机具设备见表3。

7 质量控制

7.1 本工法执行工程质量技术标准

(1)严格遵守执行现行的隧道技术规范及验收标准。

(2)洞身开挖应严格控制欠挖,并预留变形量。拱脚和墙脚以上 1m内断面严格欠挖。

(3)超前小导管、锚杆、钢架安装施工质量控制见表4。

7.2 质量保证措施

(1)锚杆施作要求按照设计及《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086)、《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》(TB10108)的有关规定执行。支护使用的钢筋、锚杆、钢架等原材料严格坚持“先检验,后使用”的原则;拱部设系统锚杆采用 φ25mm中空锚杆,边墙设φ22mm砂浆锚杆;锚杆钻孔孔位允许偏差为 ±15cm;杆孔的深度应大于锚杆设计长度 10cm。

表3 主要施工机具设备

表4 施工质量控制

(2)喷射混凝土用的水泥、细骨料、粗骨料、外加剂等原材质量控制按照《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》中要求的检验批次和标准要求执行。

(3)钢架各单元采用垫板螺栓连接,钢架节点焊接长度大于 4cm,且对称焊接。加工好的成品钢架先进行预拼装,允许偏差为 ±3cm,平面翘曲小于 2cm。钢架外缘每隔 2m用钢楔或混凝土块与初喷层顶紧,钢架与初喷混凝土表层的间隙采用喷射混凝土喷填密实。

(4)钢筋网搭接长度应为 1～2个网孔,允许偏差为 ±5cm。

(5)喷射混凝土平均厚度不小于设计厚度,最小厚度不小于设计厚度的 2/3,表面平整度的允许偏差为 100mm。表面应平整、密实,无裂缝、脱落、漏喷、露筋,空鼓和渗漏水,锚杆头和钢筋无外露。

(6)在喷射侧壁下部时,需将上半断面喷射时的回弹物清理干净,防止将回弹物卷入下部喷层中形成“蜂窝”,从而降低支护强度。

(7)严格围岩监控量测制度,加强施工时开挖沉降、变形的观测和评估,坚持用“量测数据指导施工”的原则。

8 安全措施

(1)各种爆破、特种设备操作人员、专职安全员、特种作业人员必须经过专业培训并取得相应监管部门颁发的合格证书持证上岗。

(2)严格遵守国家有关安全生产的法律法规和《铁路工程施工安全技术规程》(TB10401.1—2003)有关规定,认真贯彻执行建设单位的有关文件中的安全管理要求。

(3)加强全员安全意识教育,为隧道支护操作人员配备个人防护用品。

(4)对作业人员进行专项安全技术交底,编制隧道施工应急预案,建立快速反应机制并进行应急演练。

(5)加强特殊地质条件下,隧道施工风险的评估和管理,落实有针对性的预防措施。

(6)建立安全生产责任制,细化考核办法,加强日常检查力度,奖惩兑现,全面排查安全隐患和整改治理。

(7)根据设计地质资料,在施工前结合超前地质预报做好瓦斯等有害气体探测。

(8)隧道爆破作业和火工品的管理,必须遵守现行的国家标准《爆破安全规程》的有关规定。对于存在瓦斯风险的隧道,在施工中各工序作业应符合《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120)有关规定。瓦斯工区(地层含有瓦斯的隧道施工区段)应采用煤矿许用安全炸药,并使用矿用电雷管起爆。

(9)施工现场的临时用电管理,严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》的规定执行。

(10)隧道内搭设的工作台,必须坚固可靠,放置稳妥,并设安全防护杆和梯子。

9 环保措施

(1)严格按照国家《环境保护法》和《水土保持法》和地方政府有关规定,贯彻执行“预防为主、建设与保护并重”原则,落实环保“三同时”,采取各种工程防护措施,减少工程建设对沿线生态环境的破坏和污染。

(2)建立专职环保自控组织机构,健全环境保护制度和自控体系,加强生态环境保护的广泛宣传,使全体参建员工充分认识对环境保护的重要性和必要性,加强环保意识。

(3)隧道洞口、搅拌站设过滤沉淀池,对含有悬浮物的施工污水,必须采取过滤、沉淀等处理措施,做到达标排放。施工含油废水经隔油池处理后排放,防止油污染地表和周围水环境。

(4)隧道弃渣(土)场的挡护工程和排水工程严格按照施工图和施工组织设计中的措施和方案执行;弃渣(土)场必须严格执行先挡后弃、先修排水设施后弃的原则,并对附近水源进行先保护或改移河道后再进行弃渣(土)。

(5)施工人员驻地附近的施工场地、施工道路进行硬化或采取洒水等措施,控制扬尘;对易于引起粉尘的细料或松散料运输或堆放必须遮盖或适当洒水湿润;对易产生粉尘的施工场地,如混凝土搅拌站(场)、钢筋加工场、隧道洞口便道必须进行实时打扫和洒水。

(6)在施工隧道边仰坡、弃渣场前将熟土剥离存放和土地复垦工作结合起来,特别是特殊地质山区更要珍惜熟土,对存放熟土区设置明显标识牌进行保护,不得随意堆放;随着工程的进展情况,对已完成弃渣任务的逐步实施覆盖恢复植被。

(7)施工便道尽量利用已有的乡村道路或其他道路,减少新建施工便道对土地的占用,对能复垦的施工便道进行翻松、平整,利用主体工程表土或周边客土进行复垦。

(8)机械车辆经过施工生活驻地或居民区时应减速慢行,尽量减少噪声污染。合理安排施工作业时间,尽量降低夜间车辆出入频率,夜间施工对机械设备产生的超分贝噪声利用消音设备减噪。

(9)尽量避免或减少施工过程中的光污染。夜间室外照明灯加设灯罩,透光方向集中在施工范围。

10 节能措施

(1)节材措施,根据隧道围岩情况,在保证工程安全与质量的前提下,进行施工方案的节材优化。临时工程材料统一采购,能重复利用的进行循环使用,减少材料浪费。合理安排材料的采购、进场时间和批次,减少库存或二次搬运,清底使用。

(2)节水措施,根据工程所在地的水资源状况,现场搅拌站用水、隧道施工用水应采取有效的节水措施,不采用居民生活自来水,严禁无措施浇水养护混凝土。对施工现场生活用水实施定额计量管理。

(3)节能措施,优先使用国家、行业推荐的节能、高效、环保的施工设备和照明设施。施工现场分别设定生产、生活、办公的用电控制指标,采用声控、光控等节能照明灯具。

(4)节地与施工用地保护措施,根据施工规模及现场条件等因素合理确定临时设施,平面布置合理、紧凑,在满足环境、职业健康与安全及文明施工要求的前提下尽可能减少废弃地和死角。

(5)红线外临时占地应尽量使用荒地、废地,少占用农田和耕地,大力降低临时用地规模。

11 技术经济效益分析

11.1 技术效益

运用本工法施工大断面铁路隧道,施工作业分区进行,开挖支护安全、工效高。

11.2 经济效益

(1)多个作业面可以平行作业,施工空间大,有利于机械化快速施工,形成明显的开挖能力、工期效益。

(2)工序转化快,加快了施工进度,减少了施工投入,节约了成本。

(3)减少和降低了临时支护材料的使用,材料消耗少,节约了资源,施工投资减少,经济效益显著。

11.3 社会效益

(1)随着国民经济和社会的发展,利用本工法可以尽量减少劳动力的投入,提高机械化施工水平,是落实科学发展观的基本要求。

(2)本工法没有临时支护,避免了因拆除临时支护而造成的安全隐患,有效的规避了一定风险,尽力创造出安全的施工环境,因此该方法具有广阔的应用前景。

11.4 节能效益

应用本工法分区施工可以减少作业区域的机具数量,相邻作业区充分利用共有的机具资源,同时施工质量易控制,安全风险低。

12 应用实例

由中交第二公路工程局有限公司承建的新建贵阳至广州铁路工程 GGTJ-5标段,位于广西境内三都—五通间,线路全长 62.637km,其中隧道 28座,总长47.723km,占线路总长的 76.2%。沿线地质变化多,施工环境差,技术标准高,环保工作难度大。这些隧道共同的特点多为Ⅴ级或Ⅳ级围岩,围岩破碎,不稳定,易坍塌,进洞施工方法基本上全部采用大拱脚台阶法组织进行施工。笔者以高培三号隧道为工程实例,介绍大拱脚台阶法在隧道施工的成功应用。

高培三号隧道穿越剥蚀中低山地貌,绝对高程190～300m,主要地层为上覆 0～3m第四季全新统坡残积层粉质黏土、碎石土,下伏基岩为寒武系清溪组下段砂质页岩夹炭质页岩,薄～中厚层状,砂质结构,泥质胶结,部分弱硅质胶结,节理发育。地质特性属于华夏构造体系和新华夏构造体系联合影响带,构造线与线路大角度相交,多为碎屑岩区。根据设计文件资料,由于炭质页岩含炭较高,存在聚集少量的有害气体及瓦斯的施工风险。该隧道开挖成功应用大拱脚台阶法顺利的通过了Ⅴ级软弱围岩,整个施工过程安全可控。该隧道开挖进度快、质量易控制,成为全标段第一个顺利贯通的隧道,受到了监理和业主单位的好评,取得了良好的经济、社会和环保效益。

[1]中国中铁二院工程集团有限责任公司.新建贵阳至广州铁路贵阳至贺州段施工设计参考图[Z].成都:2010.

[2]陈立保.三台阶法在客运专线山岭隧道软弱围岩中的推广应用[J].铁道工程学报,2008(12):72-74.

[3]项志敏,等.武广客运专线大断面隧道软岩地段快速施工技术[J].铁道标准设计,2007(S1):61-63.

[4]经规标准(2007)119号,铁路大断面隧道三台阶起步开挖法施工作业指南[S].

[5]TZ214—2005,客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].

[6]铁建设[2005]160号,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准[S].

[7]铁建设[2008]105号,铁路隧道超前地质预报技术指南[S].