贵广铁路大岐山隧道进口段综合施工技术

2012-05-14王克金

铁道勘察 2012年4期

王克金

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

新建贵广铁路大岐山隧道位于广西自治区贺州市，全长9 502 m。隧道进口位于贺州市象狮大队，里程为DK599+820，明暗洞交界里程为DK599+865。隧道左侧地势陡峭，偏压严重，进口段岩石为全风化的泥质粉砂岩。隧道原设计采用大管棚进洞，由于工程措施调整，隧道进口中线向线路左侧偏移81 cm，左线内轨高程上调64 cm。前期施工的超前大管棚被废弃，进洞采用超前双层小导管。由于隧道进口偏压严重，地质条件差，自隧道进洞施工以来，隧道边仰坡出现多条裂缝，其中仰坡一条主裂缝纵向延伸约30 m，裂缝最宽达5 cm。

1 地质概况

隧道进口段纵向自然坡度为15°～20°，横向坡度30°～60°，丘坡表层为第四系残破积粉质黏土，硬塑，厚0～4.4 m;下为碎石土，灰黄色，松散，厚0～10.7 m;下伏基岩泥盆系莲花山组(D1l)粉砂岩、泥质砂岩，强—弱风化层，其中强风化层厚度9～19 m，岩层产状262°∠32°，与进口仰坡坡向一致，对隧道仰坡不利，主要有两组节理发育(259°∠87°;110∠56°)。

2 工程特点

大岐山隧道进口处于浅埋偏压地段，地质条件复杂，隧道边坡最大高度达到30 m，偏压严重(如图1所示)。进口段为全风化的泥质粉砂岩，棕黄—褐红色，遇水易崩解。由于工程措施调整，进口中线向线路左侧偏移81 cm，左线内轨高程上调64 cm，隧道进洞需先拆除前期施做的管棚导向墙，并采用双层超前小导管进洞。隧道上台阶进洞施工后，边仰坡出现多条裂缝，洞内拱顶日沉降量6～15 mm，累计沉降最大达230 mm，上导洞整体下沉150 mm。如何控制变形量，确保中下台阶施工安全，成为进口段施工的关键。

3 施工技术

3.1 地表裂缝封闭

隧道进洞施工后，隧道边仰坡出现了多条裂缝，其中仰坡一条主裂缝纵向延伸较长，该条裂缝穿过仰坡截水天沟后继续沿纵向延伸约30 m，最大缝宽达5 cm，这些裂缝是由地表沉降、位移变形引起的。裂缝处理采用灌注M10水泥砂浆进行封闭，灌注前先对裂缝进行清理，然后用砂浆进行封堵，及时封闭裂缝，以防止地表水经过裂缝向地层中渗透，加剧边仰坡变形，造成隧道边仰坡失稳。

3.2 仰坡加固措施

隧道进洞开挖后，仰坡受地表下沉、位移影响，喷射混凝土出现开裂、空鼓等现象，地表水很容易经过开裂的混凝土向下渗透，这对边仰坡的稳定非常不利。隧道仰坡采用地表锚管注浆加固，加固范围为DK599+865～+895，锚管采用φ50 mm×5 mm无缝钢管，锚管间距1 m×1 m，梅花形布置。施工前先在无缝钢管上打注浆孔，钢管长度根据实测洞顶覆盖层厚度确定。注浆浆液采用水泥砂浆，水灰比0.5～1.0(重量比)，注浆压力0.5～1.0 MPa。

3.3 施做泄水孔

根据前期边仰坡及管棚施工情况分析，该段地层中含水量大，在管棚施工中，左侧20号～26号孔出水达1～3.6 L/min。通过在隧道边仰坡钻设泄水孔，埋设泄水管以引出地层水。隧道明洞段临时边坡泄水孔纵向间距5～10 m，长度2.0 m，并视地层水量大小酌情增设。隧道左侧仰坡沿隧道开挖轮廓线外缘布设泄水孔，泄水孔间距为1 m，深度4.5 m。泄水管采用φ50钢花管加工制作。

3.4 隧道右侧反压回填

为控制地表变形，对DK599+865～+895段隧道右侧进行反压回填，反压回填的高度与隧道开挖拱顶高程一致。

3.5 洞内施工技术

(1)控制地表沉降和隧道拱顶沉降的开挖工法比选

隧道进洞施工开挖工法原设计采用三台阶七步开挖法施工。鉴于地表沉降量严重超标，且拱顶沉降量达到6～15 mm。借鉴CRD工法和小断面及时封闭对拱顶沉降控制的优点，同时考虑发挥大型设备对隧道开挖及时封闭的需要，最终确定采用三台阶五步法施工，工法步序如图2所示。

(2)三台阶五步法施工关键技术

由于进洞条件差，且在没有长管棚的超前支护作用下进洞施工，进洞施工工法变更为三台阶五法开挖，中下台阶临时仰拱中间增加竖壁支撑。

图2 三台阶五步法施工工序

具体施工步骤见图3。

图3 三台阶五步法施工步骤

①上部弧形导坑①部开挖:在拱部超前支护后，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，后及时进行喷、锚、网系统支护，架立钢架。在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。然后开挖核心土，架立上台阶临时仰拱I20a钢架，喷22 cm厚混凝土。

②开挖左侧中台阶②:开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.0 m，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架。在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，并架立中台阶竖壁钢架，复喷混凝土至设计厚度。

③开挖左侧下台阶③:在滞后左侧中台阶2～3 m后开挖左侧下台阶，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.0 m，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架。在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，并架立下台阶竖壁钢架及下台阶左半幅临时仰拱，复喷混凝土至设计厚度。

④开挖右侧中、下台阶④⑤:按照开挖左侧中、下台阶的方法，开挖右侧中、下台阶，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.0 m，中、下台阶错开2～3 m，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，并架立下台阶右半幅临时仰拱钢架，复喷混凝土至设计厚度。

⑤开挖隧底⑥:每循环开挖进尺长度宜为2～3 m，开挖后及时施做仰拱初期支护及仰拱。

(3)支护参数调整

由于工程措施调整，隧道在没有大管棚超前支护的措施下进洞施工，为确保施工安全，对隧道进口段DK599+865～DK599+905段支护措施进行加强。

①钢架:大岐山隧道进口进洞后初期支护采用I22a型钢钢架加强，钢架纵向间距由原设计的0.6 m调整为0.5 m;钢架锁脚采用φ50，L=4.5 m锁脚锚管定位，锚管壁厚3.5 mm，墙中及拱脚设置，每处由2根调整为4根。

②系统锚杆:系统锚杆拱部采用带排气装置的注浆锚杆，边墙采用φ22砂浆锚杆或全螺纹砂浆锚杆，锚杆间距1.2 m(环向)×1.0m(纵向)，锚杆长度4.0 m。

③喷射混凝土:采用湿喷工艺，喷射厚度30 cm，混凝土标号为C25;钢筋网采用φ8的圆钢加工而成，网格尺寸20 cm×20 cm，拱部及边墙挂设。

④超前支护:该段超前支护原设计采用φ42，壁厚3.5 mm，L=4.5 m的超前小导管，超前小导管环向间距40 cm，每环40根，纵向3.0 m一环，调整为采用φ50，壁厚5 mm，L=4.5 m的超前小导管进行预支护，超前小导管环向间距30 cm，每环62根，纵向2.5 m一环。

(4)施工中存在的问题

采用上述方法施工时，施工作业面狭小，工序复杂，大型施工机械使用效率较低，主要是以人工辅助小型设备进行施工，施工速度较慢。

在上台阶设置临时仰拱段区域施工中、下台阶时，上台阶交通运输受中、下台阶影响较大，施工组织较困难。施工中采用左半断面先与上台阶贯通后再施工右半断面的方法，上台阶的交通运输通过左半断面进行。

临时仰拱及竖壁支撑在铺设防水板，绑扎衬砌钢筋前需要拆除，由于临时仰拱、竖壁与正洞钢架已形成整体受力体系，拆除时将影响结构的稳定性，故一次拆除的长度不易过长，并在拆除过程中要加强对该段的监测。

3.6 监控量测

浅埋、偏压隧道中岩体受自重应力和侧压力的影响，或受岩体风化严重，遇水及易软化等因素，隧道在开挖后，自稳性差，造成岩面位移，洞身侧壁逐渐内移，引起洞身变形乃至坍塌。而监控量测是新奥法施工的核心，是监控围岩稳定性，检验设计和施工是否正确合理及安全的重要手段。通过监控量测能够及时的掌握地表沉陷、围岩和支护结构的工作动态，以便于进行日常管理。经过对量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进行下一阶段施工预测，对原设计和施工的合理性进行评估和信息反馈，以确保施工安全和隧道的稳定。

(1)地表监测

在DK599+868～+903段按间距5 m各布设地表观测桩，观测断面宽度50 m，测点间距采用不等距布点，中间20个点，间距2 m，两侧各1点，间距5 m。对仰坡出现的主裂缝布设5组横向观测点(垂直裂缝布置)，布设1组纵向观测点(平行裂缝布置)，量测频率按3次/d，必要时加大测量频率。

(2)拱顶下沉及水平净空变化量测

超前支护和初期支护完成后，在拱顶、拱脚及边墙处埋设测点进行拱顶下沉和水平净空收敛量测，具体布设位置见图4。观测内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状态，以及施工质量是否符合规定的要求。

拱顶下沉及水平净空变化量测应在同一断面进行量测，并采用相同的量测频率。

图4 洞内监控量测布设

净空变形量测断面的间距应根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度及工程重要性等确定。

净空变形量测应在每次开挖后进行，初读数应该开挖后12 h内读取，最迟不得大于24h，而且在下一循环开挖前必须完成读数。

测点应牢固可靠，易于识别并妥为保护，拱顶量测观测点必须埋设在稳定的岩面上，并和洞内水准点建立联系。

受竖壁影响，下台阶观测点布设于隧道两侧及竖壁上，采取左右侧分别量测的方式进行监测。

(3)量测项目、方法及频率

量测项目、方法及频率分别见表1及表2。

表1 量测项目及方法

表2 量测频率表

(4)监控数据分析

根据现场实地量测出的数据进行曲线回归分析，求出回归方程，从而对最大位移值作出预测，以便正确地指导施工。位移—时间曲线最能直接反映围岩和支护受力状态随时间变化的情况，利用量测信息反馈优化洞室结构设计。利用信息化施工管理，及时反馈于施工，采用有效措施，避免出现围岩失稳事故。

以DK599+870处拱顶沉降进行分析，从位移—时间时态曲线图可以看出，临时仰拱施做前，该点拱顶沉降速率较大，临时仰拱施做后，拱顶沉降变化趋势明显变缓，但是在左侧中、下台阶开挖时，拱顶下沉变化速率稍有增大的趋势，由于增加了竖壁支撑及下台阶临时仰拱，支护及时，拱顶沉降很快又趋于平缓，围岩也逐步趋于稳定(如图5所示)。

4 结束语

大岐山隧道进口在围岩条件差、偏压严重且没有超前大管棚支护的条件下按上述施工方法进洞施工，其关键在于初期支护及时施做、封闭成环，确保支护体系成环受力。进洞阶段工作面为全风化的泥质粉砂岩，开挖时采用人工手持风镐开挖，减少对围岩的扰动，并控制每循环的开挖进尺在一榀钢架范围以内。开挖后，对开挖面及时初喷混凝土，封闭工作面，并及时进行架立钢架和施做初期支护。在施工中、下台阶时，通过增设临时仰拱、竖壁支撑等措施形成支护封闭体系，确保支护体系处于稳定状态。通过对监控量测数据的分析处理，预见事故和险情，作为调整和修正支护参数及施工方法的依据，提供围岩和支护体系最终稳定的信息。