三台阶法在高速铁路山岭隧道浅埋段中的应用

2010-08-20李勇孙锋

山西建筑 2010年4期

李勇孙锋

目前,大量已建、在建和即将兴建的山岭隧道设计方案基本以矿山法施工为主,断面均超过100 m2,属于超大断面隧道。但在修建过程中,传统工法(诸如CD法、CRD法和双侧壁导坑法等施工方法)逐渐暴露出一些不足;经过试验和探索,实践证明三台阶法在修建高速铁路山岭隧道软弱围岩段是一种先进的快速施工方法。

1 施工方案比选

1.1 传统工法存在的问题

CD法、CRD法和双侧壁导坑法等施工方法适合于软弱围岩的隧道施工(见图1)。这些工法均通过刚性分隔将大断面隧道改为小断面隧道,分块施工,能够发挥国内施工单位修建传统铁路隧道经验丰富的优势。另外,刚性分隔的存在,能尽早封闭成环,有利于控制变形,稳定掌子面,保证隧道施工的安全。

近年来,隧道施工水平和施工机械化装备不断提高,参与高速铁路修建的施工单位均配备了大型施工机械设备,如大型挖掘机、装载机等。由于刚性分隔的存在,导致施工空间不足,不利于大型施工机械设备的使用,难以体现其快速施工的作用,甚至有些分隔内大型机械无法进入,只能靠人工施作,这些严重影响了施工进度。

浅埋隧道开挖对周围环境的影响问题已愈来愈受到关注,采用何种工法施工都会对地层产生扰动,引起地层位移和地表沉降。因此在隧道施工中,除严格规范施工管理外,根据现场监控量测反馈的信息和借助计算机数值模拟分析结论,及时调整施工方法,优化施工步序是十分重要和必要的。

1.2 台阶法的优势

隧道埋深、围岩条件是隧道施工方法选择需要考虑的因素,而围岩条件是关键因素。

高速铁路山岭隧道施工工法采用的三台阶法可以根据隧道埋深及地质条件随时优化调整,具有灵活多变的特点。优化的原则是能够充分发挥大型机械快速施工的优势,尽量避免刚性分隔,达到快速施工的目的。同时由于没有刚性分隔,每个台阶都是工作面,可以多个工作面同时施工,充分发挥大型机械的作用,达到快速施工的目的。

三台阶七步开挖法适用于围岩风化程度较高的软岩及强～全风化的硬岩等情况。该工法的突出优点是侧墙初期支护能够尽早落底,同时两侧开挖较早,对控制变形有利,也有利于地下水的汇集,同时预留了大块的核心土,有助于掌子面围岩的稳定性。该施工方法同样适用于地质条件较好的地段。

2 工程概况及施工难点

京沪高铁西渴马一号隧道进口里程DK420+395,出口里程DK423+207,全长2 812 m,隧道位于 R=7 000的曲线上,隧道最大埋深201 m,大部分基岩裸露,进口段及山凹处地表覆盖0.5 m～3 m新黄土,进出口坡度15°,植被稀少。该隧道工程的施工难点是DK421+375～DK421+600浅埋段,为一山沟上游,隧道埋深相对较浅,其中埋深最浅处为20 m,15 m为泥夹石,5 m为灰岩。

为消除浅埋段不良地层带来的隐患准确探测,采用地质雷达设备对浅埋段附近的地质情况进行了地层探测,探测工作使用美国劳雷工业公司物探部生产的SIR2000探地雷达系统,分别采用800 MHz和400 MHz天线对地层情况探测,同时部分地段补100 MHz天线探测,探测表明:

1)里程DK421+534～DK421+584段,该段节理裂隙发育,围岩较为破碎,呈碎石松散结构,有软弱夹泥及溶蚀现象,开挖时容易塌陷,应提前加强防护,围岩参考等级为Ⅴ级。2)里程DK421+534～DK421+584段,该段节理裂隙发育,呈碎石状松散结构,在DK421+554附近,疑有一溶洞,必要时可采取超前钻孔进行验证,并应提前做好防范措施,围岩参考等级为Ⅴ级。

综合以上分析,充分考虑经济、安全、进度的要求,本工程浅埋段软弱围岩采用三台阶七步开挖法。

3 三台阶法施工工艺

隧道开挖前,为了保证前方施工的可预见性,加强安全施工,进行超前地质预报,结合地质预报、地质素描和设计地质岩性等信息综合分析隧道前方围岩情况,据此在施工中制定必要的手段及适当调整施工参数。此段属于浅埋段,根据设计要求进行超前大管棚施工。当超前支护经检验符合设计要求之后,进行开挖施工。施工步骤如下(如图2所示):

①上部弧形导坑开挖:在拱部超前支护后进行,环形开挖上部弧形导坑,并预留核心土,核心土长度4.5 m,宽度5 m左右,开挖高度完成后,立即初喷4 cm混凝土封闭掌子面。然后分部施作上部周边的初期支护,即初喷4 cm厚混凝土,架立钢架;施作锁脚钢管;钻设系统锚杆后分批次复喷混凝土至设计厚度。②,③左、右侧中台阶开挖:中台阶开挖,开挖高度3.5 m左右,左右侧错开2 m～3 m,开挖完成后,立即初喷4 cm混凝土封闭掌子面。而后分部施作中台阶周边的初期支护,即初喷4 cm厚混凝土,架立钢架;施作锁脚钢管;钻设系统锚杆后分批次复喷混凝土至设计厚度。④,⑤左右侧下台阶开挖:开挖高度3.5 m左右,左右侧台阶错开2 m～3 m,开挖后立即初喷4 cm厚混凝土,并及时施作喷锚支护及挂网作业,并接长上台阶初支钢架,打设系统锚杆,复喷混凝土至设计厚度。⑥上、中、下核心土开挖:各台阶分别开挖预留的核心土,开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。⑦仰拱开挖:每循环开挖长度32 m,采用可移动式仰拱栈桥开挖,开挖后及时架立初支钢架及钢筋网,并喷射混凝土至设计厚度,完成左、右侧仰拱开挖、支护循环后,进行仰拱及矮边墙浇筑作业,最后填充C25混凝土至设计高程,仰拱混凝土应整体浇筑,一次成型。根据监控量测结果分析,待初期支护收敛满足规范要求后,利用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌(拱墙衬砌一次施作)。

4 三台阶法的注意事项

三台阶法有利于大型机械的开展,体现快速施工、灵活多变易变的特点,但施工过程中也要注意如下问题:1)三台阶法施工的台阶长度控制很关键,既要有利于大型施工机械设备的开展,又要保证隧道施工的安全,但三台阶法施工长度至今没有统一的控制标准。实际的施工过程中应根据地质条件进行适当的调整,在地质条件差的情况下,应尽量缩短台阶长度。2)由于三台阶法没有中间刚性分隔存在,隧道变形控制,尤其是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。施工中可以增加锁脚锚杆(钢管)的数量,让锁脚锚杆插向拱脚的斜下方,以提高拱脚的承载能力。3)三台阶法应该与超前支护配合使用,与采用刚性分隔的工法相比,三台阶法掌子面纵向成拱能力减弱,因此掌子面的稳定性要差,这需要超前支护适当加长。