武广铁路客运专线尖峰顶隧道复杂岩溶段施工技术

伍 帆,袁定安

(中铁十一局集团有限公司,武汉 430071)

1 工程概况

武广铁路客运专线 SDIV标尖峰顶隧道位于广东省英德市沙口镇,隧道全长1417m,双线单洞,暗挖最大开挖面积157.65 m2。隧道穿越南岭山脉的五盖山与骑田岭夹持地带剥蚀低山丘陵区,属低山深丘地貌、地形起伏较大,植被茂密,最大埋深约 150 m,围岩主要由泥盆系砂岩夹页岩,砂岩和粉质黏土等组成,节理发育,隐藏型溶洞多。由于隧道穿岩溶段,开挖中出现了一次冒顶、多次坍方,并伴随泥石流,施工难度极大,安全风险高,工程进度缓慢。

2 复杂岩溶段施工方案比选

2.1 复杂地质条件下隧道常用开挖方法的特点

客运专线大断面隧道软弱围岩的开挖方法有:CD法、CRD法、双侧壁导坑法、三台阶预留核心土法等,各种施工工法有各自的优缺点,适合于各种地质情况下的施工。施工期间,尖峰顶隧道为武广铁路客运专线剩余的几个未贯通隧道之一,工期压力巨大。

CD法和 CRD法是采取分部开挖的方式进行,作业面多但空间狭小,人员配备较少,由于机械设备配备无法大规模展开,效率不高,主要依靠人工,循环进尺短,施工进度慢;因工序繁多,转换频繁,存在很大的安全隐患;闭合成环速度慢,最突出的是左右分开施工,拱顶沉降问题无法解决;施工各种临时工程材料消耗较大,成本较高。

双侧壁导坑法与 CD、CRD法相似,成环速度较慢,能抑制拱顶沉降问题,但周边收敛难以解决,工序转换非常复杂,循环进尺短,进度慢,最大的缺陷是由于先行施工的两侧不均匀沉降影响拱顶部分与两侧相连相当困难,存在很大的安全隐患,且临时工程材料浪费大,成本较高。

2.2 三台阶法的优缺点

三台阶法克服了以上三种工法的不利因素,具有机械台班消耗小,利用率高,临时工程量较小,材料消耗低,循环进尺长,用时少,功效快,成本低。其优缺点如下。

2.2.1 优点

(1)以弧形导坑开挖预留核心土为基础,分上、中、下 3个台阶,各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进。

(2)施工空间大,方便机械化施工,可以多作业面平行作业,土质地段可采用挖掘机直接开挖,工效较高,进度较快。

(3)在地质条件发生变化时,便于灵活及时转换施工工序,调整施工工法。

(4)初期支护工序操作简便,利于工序转换,规避了其他工法拆除临时支护受力转换造成的不安全因素。

(5)在台阶法开挖的基础上,预留核心土,左右错开开挖,利于工作面稳定。

(6)当围岩变形较大或突变时,在保证安全和满足净空要求的前提下,可尽快闭合。

2.2.2 缺点

(1)三台阶法在遇到特殊地质如软、流塑,粉质黏土、溶洞等情况下最突出的问题是隧道沉降和收敛难以控制。在浅埋、大跨度隧道,地质差,围岩整体性不强,自稳能力差,开挖过程中在地下水的穿透作用下,开挖后极易产生变形、坍塌。

(2)由于核心土的存在,拱部系统锚杆(管)施作困难,不施作好锚杆,对隧道拱部变形将产生很大危害。

2.2.3 施工方法的确定

经项目部综合比较,决定采用三台阶预留核心土法施工尖峰顶隧道溶洞段,在确保安全与质量的前提下加快进度。如何避免三台阶法在开挖过程中出现大沉降、大变形,确保隧道施工安全成为本隧道施工的关键。通过对武广铁路客运专线尖峰顶隧道三台阶开挖施工中所遇到的各种情况及处理措施,总结出八字处理措施:即套、压、撑、喷、锁、仰、连、注 ,有效地控制住了隧道大变形和大收敛,如期顺利完成了施工任务。

3 复杂岩溶段快速通过八字法

3.1 施工总原则

以超前地质预报(包括 TSP超前地质预报、超前钻孔)为指导,以围岩监控量测为依据,根据现场情况动态制定施工方案,按照先加固,后掘进,少扰动、早喷锚、强支护、快封闭,勤量测,掌子面、仰拱、二衬同步推进的原则,以仰拱、二衬促掘进,以加快成环来减缓沉降收敛,在确保安全的前提下快速施工。

3.2 “八字方法”适用条件

尖峰顶隧道溶洞高约 30 m,隧道从接近底部穿过,填充物为粉质黏土,硬、软、流塑状,局部夹碎块石等交汇一起,错综复杂,规律不一,在前期施工中曾出现过拱顶 1.6 m的大沉降,边墙 1.2 m的大收敛,对穿越溶洞段施工构成了极大的风险,经过对各种围岩情况出现的问题所采取的各种应对方案,施工现场通过试、比,总结出“八字方法”顺利地通过了复杂岩溶段,解决了大跨度隧道的大沉降和大收敛问题。需要注意的是,“八字方法”不是孤立运用的,根据现场条件要合理配套使用,以取得最佳效果。

3.2.1 大沉降、大收敛情况下采用“套、锁、连、撑、注”处理法

尖峰顶隧道DIK2025+388～DIK2025+435段共47 m围岩为软、流塑状土质,围岩自稳性差,伴有渗水情况,开挖后成拱困难。施工中在DIK2 025+393～DIK2 025+401段出现过拱顶沉降速率最大达 6 cm/d,周边收敛速率达 5.5 cm/d,开挖掘进中掌子面还出现过外涌的现象,由于成环未跟上,导致拱顶下沉达1.1 m,上台阶边墙内挤 0.8 m的情况,后封闭掌子面对侵限段进行了换拱,并使其尽快成环。针对施工现状,对后续施工进行方案研讨及细化,采用套拱、长锁脚锚管注浆、钢架之间用工字钢连接等措施,再采取竖、斜支撑等辅助措施,在流塑状土质段采取帷幕注浆的措施。在后续 34 m的掘进施工中沉降和收敛速率均控制在 2 cm/d以内,大沉降和大变形基本得到了解决。

3.2.2 大收敛条件下的“压、仰、锁”处理法

DIK2025+435～DIK2025+462段共 27 m为粉质黏土,软塑状,围岩整体性较差,有渗水,基底承载力不足,施工后周边收敛难以控制,收敛速率较大。在DIK2025+436～DIK2025+442段施工出现过拱脚处收敛速度较快,收敛速率最大达到 4 cm/d,后采取增加临时仰拱、长锁脚锚管和在两拱脚处增加原状土体和外运洞渣进行反压回填等措施,收敛问题得到解决,控制在 2cm/d以内,在后续的 20m施工中拱脚未出现大的收敛。

3.2.3 掌子面易溜坍时的“喷、锁”处理法

DIK2 025+462～DIK2 025+515段共 53 m为硬塑状、局部夹碎石土,有渗水,围岩自稳能力较差,前期施工在开挖后 1 h内不支护会出现掌子面向外涌、小坍塌和掉块,继而影响周围围岩的稳定,拱顶沉降和周边收敛速率在 2～3 cm/d,通过采取对开挖面插钢管、喷射混凝土封闭,对拱脚打长锁脚锚管并注浆等措施,外涌、沉降和收敛等问题得到解决。

3.3 施工“八字方法”

3.3.1 套(即套拱,采用双层拱架加强初期支护)

适用于软、流塑状土质,围岩自身的稳定性差、成拱困难地段。

整个上台阶(高度为 6 m左右)范围内增设套拱(图1),内外两层钢架间距相同,内外重叠,尺寸相匹配,外层钢架在拱脚处向外扩大 60 cm,高 50 cm,呈大放脚形式,用 C25混凝土填充密实,由于土质很软,在立套拱前先在拱脚打木桩,再铺一层混凝土以加固基础。套拱既可增加初期支护的刚度,又可增大拱脚的受力面积,外层钢架和大拱脚混凝土还可在中台阶接腿时承受上台阶的压力,有效减缓沉降。套拱钢架采用 I18或 I20型钢。尖峰顶隧道在此地质段,拱部沉降速率达 5cm/d以上,后通过采用双层套拱,沉降速率降到了 1.5 cm/d,接腿时没有出现大的沉降。

图1 套拱断面

3.3.2 压(拱脚反压)

适用于粉质黏土,围岩收敛和沉降较大,围岩自身的稳定性较差地段。

开挖核心土后出现沉降速度加快,收敛突然变大时,立即对拱脚进行反压。反压可采用原状土体、岩石或沙袋回填,拱脚反压宽度不小于 2 m,高度不小于 1 m(图2)。

图2 拱脚反压断面

3.3.3 撑(斜撑或竖撑)

适用于粉质黏土,软、流塑状土质,大跨度,基底承载力较低的围岩段。

台阶法开挖时,由于水平跨度过大(最大达 16 m),在初期支护刚度不是特别强的情况下,较易发生沉降。采取在拱部中央或距边墙 2 m宽部位沿隧道纵向方向每 1～2 m增加竖撑或斜撑,底部设钢板、枕木或混凝土基础,既能保证作业空间,又能有效地减缓上台阶的沉降。拱部支撑采取竖撑或扇形支撑,边墙支撑采取斜撑或“门”字形支撑,根据现场实际情况一般采用带法兰的 φ219 mm或 φ325 mm钢管,方便装拆(图3)。

图3 上台阶支撑断面

3.3.4 喷(强喷射混凝土)

本隧道岩溶段填充物为粉质黏土,软、流塑状土质,局部夹破碎的块状岩石,原岩中有渗水,填充物遇水软化,原岩自稳时间为 1～2 h,开挖后周边和核心土部分如不及时进行支护很快就出现溜坍,对掌子面进行及时封闭能有效防止坍塌(本隧道在 2 h内完成喷射混凝土封闭,喷射混凝土厚度 25 cm时解决了此问题),对于核心土部分采取插钢管和喷混凝土相结合的方式能很好地防止掌子面外涌的情况发生。

在遇到特殊地质情况的围岩,一般喷射混凝土的厚度(设计为 25～28 cm)已不能满足隧道顶层岩体的压力,可采取增加喷射混凝土的厚度(厚度为 35 cm及以上)和在喷射混凝土中掺加钢纤维或合成纤维(掺量为 5%左右),对围岩进行强喷,既可增加支护强度,又可增大初期支护的抗剪、抗裂能力,对控制沉降和收敛会起到一定的效果。

3.3.5 锁(拱脚打锁脚锚管)

适用于硬塑、土夹石,基底承载力较强的施工段。

在距上、中台阶的底脚 50 cm处采用大锁脚锚管并注浆,把钢管周边围岩通过注浆加固成一体,起到悬臂挑梁的作用,挑起钢架,有效的控制沉降和收敛。锁脚锚管采用 φ75mm或 φ89mm的无缝钢管,并在管周围钻孔,孔间距控制在 50 cm左右,呈梅花形布置,锁脚锚管呈 45°角打入周边围岩,长度 6～8 m(图4)。

3.3.6 仰(临时仰拱)

适用于基底承载力较弱,收敛速度较快的软弱围岩段。

图4 锁脚锚管横断面

如采取拱脚反压不能解决收敛问题,可增加临时仰拱解决。在施工过程中合理利用各级台阶的临时仰拱,促使永(久)临(时)支护结合,形成临时的闭合环,能有效的控制沉降和收敛。临时仰拱具体设置为:为利于后期拆除,两端设纵向 I18型钢与已施工的各级台阶拱架焊接连在一起,再施作临时仰拱的钢架和混凝土,临时仰拱钢架两端制作成弧形,中间可为水平,临时仰拱钢架的纵向间距可适当调整,一般控制在 1 m左右,钢架和纵向连接工字钢采用 I18型钢。

3.3.7 连(工字钢加强纵向连接)

适用于软、流塑状,土、石混合,分界不明,沉降不均围岩段。

由于钢架之间为 φ22 mm钢筋连接,存在焊接面积小,承受压力小、受剪能力弱等缺陷,在施工过程中由于周围应力作用不均匀极易造成相邻钢架不均匀沉降,从而出现环向裂纹。取消两钢架之间的 φ22 mm钢筋连接,改为 I18或 I20型钢连接,由于工字钢与工字钢连接具有焊接面积大,前后钢架连成整体性强,从而形成整个刚性结构,避免出现不均匀沉降。需要注意的是连接工字钢要比钢架尺寸小一个级别,以便连接工字钢镶入钢架内,连接工字钢的间距为 2～3 m。

3.3.8 注(向周围围岩注浆)

适用于软、流塑状,松散体有水围岩段。

通过对周围围岩注浆加固,使松散、自稳能力差的围岩在很短的时间内迅速固化,达到一定的强度,以便开挖时增强自稳能力。注浆分为超前大管棚注浆和全断面帷幕注浆,循环长度一般以 30 m为宜。浆液分单液浆和双液浆,双液浆分水泥、水玻璃双液浆和水泥、速凝剂双液浆,单液浆的水灰比控制在 1∶(0.8～1),双液浆的配合比控制在 1∶0.75～0.8∶0.1。由于双液注浆最快可在 30 min内固化,一般采用双液注浆以达到快速开挖的要求。帷幕注浆可采用长玻璃纤维锚杆进行注浆,玻璃纤维锚杆具有抗腐蚀、高强度、耐久性好的特点,质量小,仅为同长度钢锚杆的 1/4,便于运输、操作,易于切割,有利于在开挖过程中拆除。

4 结语

尖峰顶隧道复杂岩溶段采用的三台阶预留核心土施工方法,取得了一定的成效,进度由前期采取 CRD法 25 m/月的提升到 40 m/月,溶洞段施工在进度上节约了近 3个月,为全线早日贯通争取了时间,取得了可观的社会效益;由于节约了拆除临时支护工程量和施工工序转化所耗的时间,施工成本得到一定的控制,经济效益明显得到提高,所采取的三台阶法相比 CRD法在经济上节约 1万元/延米。

在武广铁路客运专线施工过程中,多座隧道处于类似地质条件,加上南方雨水充沛,地下水补给量大,给浅埋、大跨度隧道的施工进度和安全带来极大的困难。采取以上的方法施工软弱围岩和特殊地质情况下的隧道,取得了较好的效果。

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