小净距及分离式隧道施工工艺与技术研究

2022-06-08杜宪武巫雅杰杨玉平李晨子

江苏科技信息 2022年13期

杜宪武,巫雅杰,杨玉平,王晶,李晨子

(中铁北京工程局集团(天津)工程有限公司,天津 300000)

0 引言

随着高速公路的快速发展,线路存在穿越山体的情况,不可避免地需要进行隧道开挖[1],当围岩条件[2]较差时,为了施工安全,考虑到围岩压力、结构自重[3]等,需要进行小净距[4]开挖。如吴波等[5]采用数值软件计算不同工况下小净距隧道的力学响应,从而得到最优化参数方案。夏梦然[6]通过理论推导,对浅埋超小净距隧道的失稳机理进行系统研究,发现增大土体的黏聚力、内摩擦角等均能增加支护反力,使其效果更显著。因此,为了隧道的稳定性和安全性,通过对开挖施工工艺与技术进行研究,从而找到最优的施工方案,为工程质量提供保障。

1 工程概况

隧道采用双向六车道设计,设计行车速度100 km/h。为小净距+分离式隧道,隧道单洞为三车道大断面隧道,隧道净宽14.5 m,净高5.0 m。隧道左线全长2 014 m,其中设计Ⅳ级围岩1 608 m、Ⅴ级围岩406 m；右线全长2 005 m,设计Ⅳ级围岩1 621 m、Ⅴ级围岩384 m。设置车行横通道3处,紧急停车带5处,人行横通道6处,左右洞进口均为削竹式洞门。

2 施工准备

2.1 施工调查

(1)核对现场地形地貌、围岩地质情况、地表建筑物、隧道周边环境情况等与设计文件是否一致,洞口地形地质调查是重点。可利用谷歌地球等工具软件,条件允许的话,建议沿隧道走向对隧道地表情况进行一次详细踏勘,这一点对浅埋隧道尤为重要。

(2)调查当地气候、水文、交通运输、电力通讯、材料和生活资源等供应情况。

(3)调查生产生活房屋、洞口场地、弃碴场、搅拌站等临时设施布置条件情况。

2.2 技术准备

现场详细调查与地质勘探；现场桩橛交接埋设与复测；进行地材调查、室内试验；各种检测仪器设备的标定,办理计量合格证书；各种砼、砂浆配合比的配制选定；施工作业中所涉及的各种外部技术数据收集。

2.3 施工前准备

(1)前期进场的主要机械：挖掘机、装载机、自卸汽车、湿喷机、注浆机、各种钢筋及导管加工设备,风、电、水的供应设备且满足施工要求。

(2)隧道进洞前,二次衬砌模板台车必须进场。

(3)隧道施工供电应采用三相五线供电系统。照明和动力线安装在同一侧,必须分层架设。一般要求高压在上、低压在下,干线在上、支线在下,动力线在上、照明线在下。

(4)施工期间洞内严格按照三管两线布设。

3 超前地质预报与监控量测

使用钻探和现代物探等手段,探测隧道开挖面前方的地质情况,在施工前分析前方的围岩结构、性质、状态,以及地下水、瓦斯等地质信息,为施工提供指导,避免施工过程中发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等地质灾害,保证施工安全。

3.1 超前地质预报的方式

设置隧道地震探测仪、超前地质预报钻孔、地质雷达,以及每循环多臂凿岩台车加深炮孔等多种长、中、短结合的地质预报方式[7]。超前地质预报应以地质分析为基础,运用地质调查与物探相结合、长短探测相结合、洞内与洞外相结合、物探与钻探相结合、超前导洞与主洞探测相结合、构造探测与水文探测相结合的综合预报方法,并相互验证。

3.2 超前地质预报频率

(1)隧道开挖爆破后立即进行地质调查并进行地质素描,一般每10 m记录一次。

(2)利用tsp/tgp每隔100 m左右探测一次。

(3)地质雷达每30 m左右探测一次。

3.3 监控量测项目

隧道现场监控量测项目及量测见表1。

表1 隧道现场监控量测项目及量测

3.4 监控量测成果运用—动态设计

(1)动态设计目的及原则。动态设计目的是使隧道的支护措施和衬砌结构与实际地质情况相适应,保证隧道的结构及运营安全。动态设计的原则是随地质变化及时改变设计,在保证隧道安全的前提下,做到支护合理、结构安全、节省投资、质量优良和系统最优。隧道工程动态设计是指隧道开挖后,根据开挖支护情况、地质条件、现场监控量测等施工信息,对地勘结论、设计方案、结构形式、支护参数等进行检验和修正,如确认原设计条件有较大变化,及时补充、修改、完善原设计的设计方法,是贯通整个施工过程的设计。

(2)施工信息的应用。根据一个断面的施工信息综合分析结果进行参数修正,只适用于该断面前后不大于5 m的同级别围岩地段；隧道较长地段同级别围岩设计参数的修正,特别是降低设计参数,必须以不少于3个断面的施工信息综合分析为依据；修正设计参数后的施工段落,其设计参数的正确性和合理性仍应根据施工信息综合分析予以验证。

(3)动态设计的内容。主要内容包括：隧道围岩级别调整、设计支护参数调整确认、开挖方法修改建议、施工工序的更改、预留变形量的修正、采用辅助施工措施的建议。

4 施工方案

4.1 小净距隧道施工方案

小净距隧道分先行洞和后续洞施工。先行洞施工要控制爆破药量以保护岩柱不受破坏,尽可能减轻对岩柱的扰动。施工过程中加强监控量测工作,重点是控制爆破震动对中夹岩柱(墙)的危害,后续洞施工确保爆破震动波速小于15 cm/s。

Ⅴ级围岩洞口浅埋段先行洞采用单侧壁导坑法开挖,后续洞亦采用单侧壁导坑法施工。小净距隧道施工应符合以下要求。

(1)应降低小净距隧道开挖爆破振动造成的相互影响,避免中岩墙受到多次扰动,小净距隧道先行洞与后续洞掌子面纵向距离不宜小于50 m。

(2)在开挖掌子面前、后15 m范围内,应加强监控量测,在掌子面前、后30 m范围内,宜注意监控量测,超过此距离,监控量测的频率可适当减小。

(3)小净距隧道施工中,初期支护应及时跟进并封闭,二次衬砌宜在初期支护和围岩变形稳定后再浇筑。在满足围岩稳定的前提下,先行洞二衬宜落后于后行洞掌子面30 m以上。

(4)后续洞的初期支护(落底成环后的)宜超前先行洞的二衬20 m以上。

4.2 分离式隧道施工方案

洞身Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖、Ⅴ级围岩采用单侧壁导坑法开挖。洞口Ⅴ级围岩土质浅埋段采用双侧壁导坑法开挖,洞口Ⅴ级围岩岩质浅埋段采用单侧壁导坑法开挖。衬砌施作段一般滞后初期支护50～100 m,具体根据现场开挖情况和监控量测结果确定。开挖施工中应着重加强监控量测工作,及时调整支护参数,做到动态设计、信息化施工。

5 开挖工法

5.1 稳定性评价

Ⅳ级围岩分布在洞身。组成Ⅳ级围岩的地层岩性主要为洞身段砂岩,此类围岩属较软岩,岩体较完整,层间结合一般或较差,拱部无支护时可产生洞顶坍塌,侧壁有时会失去稳定。施工时应采用台阶分段开挖,复合式衬砌,初期支护应及时,短开挖,快支护,局部岩体完整性较差地段采用喷锚支护。

Ⅴ级围岩分布在洞口,组成Ⅴ级围岩的地层岩性主要为粉砂质泥岩、泥岩、页岩,属软岩,构造裂隙较发育,层间结合差,围岩自稳能力差,隧道易产生坍塌,施工时应采用导洞或台阶分段开挖,复合式衬砌。

5.2 新奥法

新奥法主要通过锚喷支护来抑制围岩变形,再通过监控量测等,充分发挥围岩的自承能力。新奥法隧道施工的三大要素实质就是“光面爆破(控制爆破)、锚喷支护及监控量测”,其中爆破施工过程中应注意以下4点。

(1)开挖爆破作业应在上一循环喷射混凝土终凝不少于4 h后进行。

(2)双洞开挖时,一洞爆破另一洞严禁装药,且人员、设备撤离至安全区域,人员撤离至安全地点后才能引爆,爆破后通风排烟时间不得少于15 min。

(3)钻爆作业中的钻孔作业应做到准、直、平、齐,周边眼外插角精准,两茬炮交界处台阶不大于15 cm,相邻爆破分段起爆间隔时间宜不小于100 ms。

(4)炸药引爆后,看是否存在盲炮情况,及时处理并检查验收,排除隐患。

5.3 三台阶法

三台阶法是将隧道分成3部分开挖。首先开挖上台阶,达到一定进尺后,开挖中台阶,接着推进上台阶,再开挖下台阶,从而达到一个循环,依次慢慢向前推进。爆破也是分成3部分进行,从而减小对围岩的扰动。

台阶开挖每循环进尺需要严格控制,如下台阶开挖每循环进尺Ⅳ,Ⅴ级围岩不超过2榀钢架间距,下台阶开挖后仰拱应紧跟(Ⅳ级围岩拱架间距0.8 m,Ⅴ级围岩拱架间距0.6 m)。

开挖初支及时封闭成环,Ⅳ,Ⅴ级围岩封闭位置距掌子面不得大于35 m；仰拱距离掌子面距离,Ⅳ级围岩不得大于50 m,Ⅴ级围岩不得大于40 m；二衬距离掌子面距离,Ⅳ级围岩不得大于90 m,Ⅴ级围岩不得大于70 m。

施工工序：超前小导管→上台阶开挖→上台阶初期支护→上台阶临时横撑→中台阶开挖→中台阶初期支护→中台阶临时横撑→下台阶开挖→下台阶初期支护→仰拱开挖→仰拱初期支护→仰拱及填充混凝土→拱墙混凝土。

5.4 三台阶七步法

三台阶七步法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式,分上、中、下3个台阶7个开挖面,各部位的开挖与支护为沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。在遇到围岩条件较差时,可以将三台阶法变成三台阶七步法,使其施工过程中更加安全。

施工工序：超前小导管→上台阶开挖→上台阶初期支护→中台阶左侧开挖→中台阶左侧初期支护→中台阶右侧开挖→中台阶右侧初期支护→下台阶左侧开挖→下台阶左侧初期支护→下台阶右侧开挖→下台阶右侧初期支护→分三步开挖核心土→仰拱开挖→仰拱初期支护→仰拱及填充混凝土→拱墙混凝土。

6 隧道塌方隐患及控制措施

6.1 隧道塌方隐患

隧道在穿越山岭地区时,由于水文地质条件的复杂性,造成了施工难度的增加。同时由于我国山多、地质类型多,这就决定了我国是世界上隧道施工最复杂、最困难的地区,随着我国国民经济的发展,地下空间不断得到开发利用,特别是铁路公路修建标准的提高,山岭隧道越来越多,越来越长,隧道施工中发生塌方的数量也就会有所增加。了解容易发生塌方的地段和部位,对预防隧道塌方非常重要。软弱围岩隧道事故主要表现在3个方面：洞口塌方、掌子面变形塌方、掌子面后方塌方。