高速铁路隧道施工技术难点——以大山坡隧道施工为例

孙 达

(中国铁建大桥工程局集团有限公司,哈尔滨 150000)

0 引言

某高速铁路全长36.41 km,为了加快施工进度,解决施工通风问题,需结合地形、地质条件在线路前进方向左侧设置2号横洞。横洞中线与左线线路中线相交,与线路大里程端平面交角呈115°,横洞长366 m,设计为单面下坡,坡度依次为3‰(30 m)、50‰(336 m)。横洞采用无轨单车道I型衬砌运输,内净空尺寸为5 m(宽)×6 m(高),错车道采用无轨双车道运输,内净空尺寸为7.5 m(宽)×6.2 m(高)。坑底高程比轨面高程低1.5 m。

隧道边仰坡开挖及支护、管棚、技术交底已编制并向施工队下发。完成导线点加密、水准点加密及复测。现场按照施工图将洞门及边仰坡位置精确放出,开挖轮廓线放样基本完成。完成混凝土配合比、进场原材料、钢筋、砂石料、水泥及水质试验。

组织人员再次检测洞口段地形地貌,详细调查洞口情况,包括洞口地形、植被分布、征地拆迁等,判断这些因素是否会对隧道施工产生影响。对边仰坡周围山体稳定情况进行检查,将松散、不稳定土体及周边落石全部清除,及时排查周边的陷穴、人为坑道,在顶部设置复合隔水层,减少地表水下渗现象。查看洞口地表是否有露出的泉眼及地下水分布情况对围岩产生的影响。机械进入现场前,及时排查隧道周边的裂缝,采取有效对策加强处理。对出进洞控制桩进行测放,按照规范完成边、仰坡开挖边线及成洞面里程等测量放样。

进洞施工工艺流程包括施工方案涉及的分部分项工程,如图1所示:

图1 施工工艺流程Fig.1 Construction technology process

1 截水天沟施工

1)设计要求。截水天沟采用Ⅲ型沟,对地面自然坡度缓于1∶2,开挖边坡为1∶1～1∶1.5,适用于地质较差情况。

2)设计参数。流水面宽度40 cm,砼厚度30 cm,两侧高度根据实际情况决定,基底增设5 cm厚水泥砂浆垫层,如图2所示。

图2 Ⅲ型截水天沟示意图Fig.2 Schematic diagram of cut-off trench of Ⅲ type

3)施工方法。进洞施工前开展截水天沟施工,现场测量人员以设计图纸为基础,对边坡开挖线进行放样。里程及开挖线确定后,在距离开挖线5～10 m段结合实际地形设置一条截水天沟。在基底增设5 cm厚水泥砂浆垫层,截水沟沟底纵坡不小于2‰,引入自然沟渠或涵洞,如果受到地形条件的限制而需排入侧沟时,需设置急流槽,再按照截水天沟流量对下游侧沟截面尺寸做出相应调整。

4)验收标准如表1所示。

表1 截水沟尺寸允许偏差及检验方法Tab.1 Allowable deviation of ditch cut size and inspection method

2 洞口及边仰坡开挖施工

1)开挖原则。大山坡隧道(2号横洞)仰坡较陡,临空面不大。洞口开挖应以现场实际为准,将影响施工的地表草木植被等地面植物清除,根据设计图纸的坡度实施施工测量,确保将边、仰坡开挖轮廓线精确测出。进行开挖作业,用挖掘机对砂土、残坡积砂质黏性土等直接开挖,由坡顶开始,进行自上而下的刷坡,用装载机装土,汽车运输。坡面上的浮泥、虚碴要清理彻底,把坡面凹凸不平的地方修整好。边、仰坡开挖时将30 cm整修层预留出来,利用人工刷坡并及时夯实整平成型,以免产生超挖现象。

2)施工方法。在套拱位置掏槽开挖,预留核心土。洞口边、仰坡开挖施工必须结合设计图要求放出中线和开挖边线,采取放坡开挖,对坡率进行严格控制,开挖后及时进行防护施工,有效利用多种支护措施,如骨架护坡、挡头墙、锚杆框架梁护坡等。开挖面上的松碴和其他杂物清除后,采用挖掘机配合人工开展自上而下的开挖。为了使边坡稳定、平顺,要尽可能避免超欠挖和对边坡的过大扰动。隧道边仰坡未开挖前,可布置隧道洞顶地表沉降观测,这样有利于顺利获得全位移曲线。

3 洞口管棚施工

1)管棚设计要求。钢管规格:热轧无缝钢管Φ89 mm,壁厚8 mm,2号横洞管棚长度25 m。外插角8°～10°为宜,按照实际情况做出适当调整。管距:40 cm的环向间距。钢管施工误差:径向不大于20 cm,相邻钢管之间环向不大于5 cm。

2) 施工方法。长管棚施工采用顶进施工法,完成洞口开挖后,及时施作管棚导向墙及导向钢管,导向管角度为1°～3°。确保长管棚钻眼精度,避免向隧道开挖线或相邻管相交处侵入,满足管距、倾角、钢管施工误差设计要求。管棚施作前,完成施工支架搭设测量放样及管棚编号工作。暗洞开挖前,完成长管棚超前支护。按设计位置施工,控制好钻机立轴方向,按自上而下的顺序施工。

顶入所有钢管后,合理利用高压风清除管内泥砂,再用液压注浆机向管棚注浆,工艺流程见图3。

图3 管棚施作工艺流程Fig.3 Pipe shed application process

管棚施工:开展导向墙和导向管施工,导向墙钢拱架采用I18型钢拱架,有400 mm间距,用C20混凝土浇注钢拱架及导向孔口管外部,混凝土贴近洞口开挖面。导向管的外倾角度与管棚Φ89 mm钢管的外倾角度一致。钻孔施工使用管棚钻机,因孔深不断增大,还需控制回转扭矩、冲击功率及推力。

注浆作业:在钢花管上钻注浆孔,要求有15～20 cm的孔间距,孔径在10～16 mm,布置时呈现梅花形,尾部应将长度不小于1.5 m的不钻孔止浆段留出。水泥单浆液(水灰比0.5∶1～0.8∶1)作为注浆材料,注浆压力在0.5～1.0 Mpa。结束注浆后,在开挖轮廓线范围内打设检查孔,检查注浆效果,再用M10水泥砂浆封堵注浆检查孔。

3)施工注意事项。长管棚为超前预支护,该环节应在隧道暗洞开挖前完成。按照设计位置开展管棚施工,准确定位管棚钻机,使其具备钻深孔的能力,多方位钻孔。当钻进地层易于钻进成孔时,可先钻孔后插管。如果遇到复杂的地质状况,发生砂卵石、岩堆漂石或破碎底层不易成孔的情况,应采用跟管钻进工艺。导向墙施工开始前,做好洞口段排水系统,施工时对导向墙环向外侧土体开挖,内侧土体不挖,利用其支撑导向墙。由下至上注浆,注浆量和注浆压力应由大到小,浆液先稀后浓。发生串浆时,可采用分浆砌多孔注浆或将串浆孔堵塞,实现隔孔注浆。注浆压力突然升高时,应停机对其产生原因进行分析。当水泥浆有很大的进浆量、压力不变时,需对浆的浓度及配合比做出调整,缩短凝胶时间,采取间歇式注浆或小流量低压力注浆方法。严格按照隧道加宽要求,及时调整管棚施做位置。完成管棚施工后,向暗洞开挖,由于洞口段所处的地段为浅埋地段且地质非常薄弱,会出现坍塌等不稳定情况,因此初期必须要增强支护。

4 施工技术难点及控制

大山坡隧道(2号横洞)全长7 033 m,全隧分为双线合修普通段(5 144 m)+分修左右线段(669 m/680.997 m)+双线大跨度段(1 220 m)。其中双线大跨段开挖断面有很大宽度,施工技术难度很大。该标段有较大施工风险,被列为Ⅱ级风险隧道,穿越可溶岩与非可溶岩接触带、围岩落石、顺层偏压、缓倾岩层段、岩堆、有害气体等不良地质发育,有极高的施工涌水突泥和塌方风险,对控制施工质量造成了影响。隧道出口处有倒悬崖存在,边仰坡坡面有危岩体存在,洞口下方有既有道路,影响施工安全。

双线大跨度段采用台阶法施工、台阶法加临时横撑施工及CD法与双侧壁导坑法,使台阶法与分部开挖工法之间加强衔接,合理确定台阶长度与高度、分部开挖导坑宽度及前后工作面间距。其余段落开挖采取Ⅲ、Ⅳ级围岩台阶法,Ⅴ级围岩一般地段采用台阶法、台阶法加临时横撑,辅助坑道施工采用台阶法或全断面法。隧道岩溶发育,要加强超前地质预报和探孔,充分做好洞内排水规划,以设计和施工要求为基础,全面做好岩溶段的治理和应急预案。严格遵循“快开挖、快支护、快封闭”的理念及“优化轮廓、主动加固、分级控制、强化支护”的基本原则。洞口施工前要调查上方危岩落石,采取清除、嵌补、支顶、锚固等措施处理,对爆破施工加强控制,减少飞石对既有道路的影响,将6m高、120m长的双层防护排架安置于道路靠近洞口侧。