向家山大断面浅埋偏压隧道洞身段施工技术

2014-02-02钱娟娟

铁道建筑 2014年1期

关键词：偏压钢架拱顶

袁青，吴立，钱娟娟，陈剑，李波

(1.中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

向家山大断面浅埋偏压隧道洞身段施工技术

袁青1，2，吴立1，2，钱娟娟1，2，陈剑1，2，李波1，2

(1.中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

沪昆客运专线长昆湖南段向家山隧道开挖断面面积超过160 m2，埋深浅(隧道拱顶局部区段外露)，地质条件复杂。为避免开挖引起塌方，在调研现场实际情况的基础上，提出拱部明挖、边墙暗进、衬砌优化为Ⅴb型复合式衬砌的施工技术方案，同时对地表混凝土反压盖板和防排水系统等重要部件进行了设计。监控量测数据表明采用的施工技术方案合理，隧道处于安全稳定状态。此方案兼顾了成本控制，实现了良好的经济效益，可为类似工程提供借鉴。

客运专线大断面隧道浅埋偏压监控量测施工技术

我国山脉纵横，地形地质条件复杂，在隧道选线过程中不可避免地遇到地形地势不对称，即偏压情况。如果隧道再埋深浅、工程地质条件复杂，围岩以松散破碎的软弱土层或强风化的岩体为主，施工中技术的运用或工程措施处理不当，那么就更容易发生塌陷、冒顶、地表塌陷等工程灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。特别是当前我国高速铁路的快速发展，隧道断面不断增大，对浅埋偏压隧道施工又增加了难度。本文以沪昆客运专线长昆湖南段第CKTJ-XI标段向家山隧道为例，探讨大断面浅埋偏压隧道施工技术，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

向家山隧道全长580 m，起讫里程DK401+745—DK402+325，为单洞双线隧道。为满足隧道—列车空气动力学效应要求，隧道内轨顶面以上有效面积为100 m2，开挖断面面积＞160 m2。隧道位于低山缓坡地带，线路经过处最大高程为403.20 m，最低高程为344.06 m，最大埋深59.78 m，地形起伏较大。区内沟谷发育，山坡植被稀疏，沟谷走向为南北向。隧道DK402+003—DK402+036为Ⅴ级浅埋段，其中DK402+015—DK402+030段拱顶与原地面平齐，局部点甚至外露，如图1所示。地表为粉质黏土层，厚约50 cm，土层以下为凝灰岩。强风化层厚约3 m，节理裂隙发育，岩体破碎;弱风化层节理裂隙较发育，岩体较完整。地表下凹，汇水面积大。

图1 隧道浅埋段示意

2 施工技术方案

向家山隧道进口掌子面处(里程DK401+991)，围岩级别为Ⅳ级，衬砌类型为Ⅳb型复合式衬砌，开挖工法为弧形导坑预留核心土法。此处距离浅埋段12 m，为了更好地做好隧道浅埋段施工准备，确保施工安全，同时控制成本，结合现场实际情况，决定采用“拱部明挖，边墙暗进”的施工方案，隧道衬砌优化设计为Ⅴb型复合式衬砌，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则［1］。

2.1 开挖工法

采用的“拱部明挖，边墙暗进”的施工方案具体表现为拱部80°明挖，即将隧道浅埋段部分的覆盖土体及强风化的凝灰岩直接挖除;拱墙其余部分暗挖，开挖工法采用三台阶七步开挖法。

2.2 衬砌设计

本隧道为双线隧道，线间距5.0 m，按照《高速铁路设计规范(试行)》［2］中的要求，隧道结构设计采用复合式衬砌［3］。隧道初期支护采用挂网、喷混凝土、锚杆支护措施，二次衬砌采用全环等厚钢筋混凝土结构，Ⅴb型衬砌厚度50 cm，浅埋段配筋较深埋段加强。此浅埋段支护断面设计为Ⅴ级围岩衬砌加强断面，如图2所示。

图2 Ⅴ级围岩衬砌加强断面(单位：cm)

3 施工技术措施

3.1 隧道洞内施工技术措施

1)三台阶七步开挖和支护措施

第1步，上部弧形导坑开挖。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5.0 m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。每循环开挖0.6 m，即1榀钢架间距，严格保证短进尺，开挖、修整至设计轮廓后立即初喷3～5 cm混凝土，以减少围岩暴露时间。上部弧形导坑开挖后及时进行喷射混凝土、锚杆、钢筋网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边缘按下倾角30°搭设锁脚锚管，拱脚锚管和钢架牢固焊接，长度为4.0 m，要保证锚管注浆质量，以控制基脚变形，复喷混凝土至设计厚度30 cm。

第2步、第3步，左右侧中台阶开挖。先开挖边墙一侧，再开挖另一侧，并错开2.0～3.0 m的距离，避免上台阶的初期支护在同一位置悬空，开挖高度为3.0～3.5 m，每循环开挖长度为0.6 m。开挖、修整至设计轮廓后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行锚杆、钢筋网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边缘按下倾角30°搭设锁脚锚管，拱脚锚管和钢架牢固焊接，长度为4.0 m，复喷混凝土至设计厚度30 cm。

第4步、第5步，左右侧下台阶开挖。同第2步、第3步左右侧中台阶开挖。

第6步，上中下台阶预留核心土开挖。

第7步，隧底开挖。每循环开挖进尺为3 m，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，尽早封闭成环。

2)注意事项

①超前施作仰拱，仰拱距上台阶开挖工作面控制在40 m以内，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。

②二次衬砌距仰拱保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于40 m。

③加强超前支护，超前小导管施工中须严格确保小导管数量、注浆质量以及搭接长度［4］。DK402+030里程处二次进洞前采用双排小导管加强支护。

④拱架安装过程中，严格控制安装质量，规范操作，掌子面到达出洞和二次进洞临界点即DK402+015与DK402+030里程处，均须增加1榀钢架，进而确保出洞与二次进洞的安全。

3.2 地表混凝土盖板施工技术措施

隧道初期支护施工过程中，于DK402+015里程拱顶处预埋泵送管，长度为2.5 m，此泵送管贯穿于初期支护和二次衬砌中，在此段二次衬砌施工完成后，通过泵送管泵送C30混凝土做防护盖板，厚度为2 m，以混凝土盖板来代替反压回填水泥土。

3.3 防排水施工技术措施

施工过程中做好防排水施工，禁止积水沿明挖段流入正洞。首先，在出洞和二次进洞边仰坡上分别做好临时截水天沟，保证积水不流进正洞。其次在DK402+015—DK402+030段拱顶右侧修筑高度为1 m的水坝，将山坡的汇积水从DK402+030附近引出。待DK402+015处初期支护施工完成后，再将积水由DK402+015附近引出。同时提前关注天气变化，在保证施工安全和质量的前提下，加快施工进度，避开雨季施工。

4 监控量测结果分析

现场监控量测是监视围岩稳定状态，修正初期支护参数，判断二次衬砌施作时机和及时调整施工方法的重要手段。为了评价浅埋偏压段施工处理的效果，本隧道按照《铁路隧道监控量测技术规程》［5］的要求，对该隧道进行了地表沉降、拱顶下沉及净空水平收敛3项监控量测。

4.1 地表沉降

本隧道浅埋偏压洞身段地表沉降监测采用精密水准仪，垂直于隧道走向布置7个监测断面，各断面间距为5 m，各监测断面均布设7个监测点，7个监测点间距分别为9，7，5，5，7，9 m，如图3 所示。7 个监测断面地表沉降量均反映隧道开挖过程中存在不同程度的偏压作用。典型断面DK402+010的地表沉降曲线如图4所示。

图3 地表沉降监测断面上监测点布置(单位：m)

图4 典型断面DK402+010的地表沉降曲线

图4显示，隧道开挖初期中线左右侧地表沉降量近似相等，但是随着开挖断面的不断扩大和开挖空间暴露时间的不断增长，右侧山体的偏压作用使得隧道右侧围岩变形相对左侧显著增大，最终表现为地表沉降显著增大。但是，各监测点的沉降速率呈现明显下降趋势，主要是因为随着隧道初期支护结构的闭合和地表加固处理，使围岩变形得到了控制，最终沉降值符合规范的要求。

4.2 拱顶下沉和净空水平收敛

隧道内选取典型断面DK402+010进行拱顶下沉和净空水平收敛量测，如图5所示。图5监测数据表明净空水平收敛量相对拱顶下沉量较小，上下测线累计收敛量分别为16.30 mm和10.50 mm。对于浅埋隧道，由于垂直方向的变形较大，应特别重视垂直方向位移的量测。隧道拱顶的下沉过程及其最终下沉量是隧道支护设计及地层环境控制的重要基础，在该施工方案下本隧道在25 d的施工期完成后拱顶下沉趋于稳定，累计沉降量为28.5 mm，符合沉降安全控制值的要求。

5 结论

1)从监控量测结果来看，地表沉降、拱顶下沉和净空水平收敛主要发生在各分步开挖和支护阶段，一旦初期支护结构封闭成环，各沉降值均趋于稳定。因此，在施工中要严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则，合理控制台阶间距，减少围岩暴露时间，迅速进行初期支护封闭成环，同时加强各分步围岩支护强度，严格控制各分步变形，达到控制沉降和稳定围岩的目的。