西渝高铁隧道零开挖进洞技术研究

许志刚

(中铁十七局集团第五工程有限公司,山西 太原 030032)

在我国早期隧道工程建设中,出于成本考虑多采用晚进早出策略,以缩短隧道长度,节约造价[1]。但随着隧道洞口高边坡失稳、垮塌问题的不断出现,工程环保意识的不断增强,工程界对隧道“早进洞、晚出洞”的基本原则取得共识,如《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)中明确指出:隧道洞口设计应遵循“早进洞、晚出洞”的原则,洞口不得大挖大刷;《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)指出:洞口不应大面积开挖边仰坡,有条件时尽量采用不刷仰坡进洞方案,为此众多学者和工程师对“零开挖”进洞技术进行了研究。

张敏[2]建立了复杂地质条件下大断面隧道“零”进洞工法技术体系,提出了“先加固边坡,再采用套拱和管棚支护洞口,再进洞”的“零开挖”进洞工法。曹校勇[1]讨论了“零开挖”进洞方案适用条件,认为在地质条件较差的洞口浅埋段,难以产生拱效应,这些成洞困难段多采用“零开挖”进洞方案。肖广智[3]针对川藏铁路隧道环保要求严格、生态脆弱、洞口边仰坡高陡以及稳定性差的工程特点,提出“四不三全二尽一保护”的环保进洞措施。贾海龙[4]对环保、震区隧道零开挖进洞技术进行了讨论,认为通过被动防护、超前支护、减震爆破开挖、支护及时封闭成环等措施,可有效地保证隧道进洞安全。张兆杰[5]采用数值模拟方法对零开挖进洞施工全过程进行了模拟,认为锚杆框架可有效保证山体稳定,适用于洞口仰坡稳定性较好的地段。

目前隧道“零开挖”进洞技术,针对边仰坡和掌子面稳定性问题,多采用地表加固和隧道超前支护技术对围岩进行加固,主要包括超前大管棚[6-7]、抗滑桩[8]、地表注浆[9]、挡土墙[10]、小导管注浆[11]等措施。抗滑桩和挡土墙主要针对坡面稳定性薄弱问题,而地表注浆则用于应对埋深较浅、掌子面稳定性不足和地表沉降较大等问题。超前大管棚和超前小导管则主要针对掌子面崩塌和顶部垮塌等情况,尤其超前大管棚作为一种高刚度的超前支护方法,被广泛用于隧道洞口的超前支护,有效提升围岩稳定性并控制地表沉降;然而,超前大管棚的施工技术要求较高,成本较高,施工进度相对较慢[12]。

虽然目前针对隧道零开挖进洞技术研究较多,但多采用大管棚作为超前支护手段,且缺乏快速、经济、安全的进洞施工工艺。本文以西渝高铁七星坪隧道和高升一号隧道为研究对象,介绍了以超前小导管为主要预支护措施、以临时防护明洞为主要手段的零开挖进洞技术,为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

开州至万州连接线站前工程XYKYZQ-13标段位于四川省达州市宣汉县及重庆开州市境内,线路从樊哙车站引出,经重庆开州至万州衔接渝万高铁,主要包括七星坪隧道、谢家坪隧道、高升一号隧道,庙子坝1号大桥、庙子坝2号中桥和齐力大桥等。

七星坪隧道位于樊哙-开州区间,按左线拉通,隧道全长13 669 m。隧道进口海拔约443 m,出口海拔约718 m。辅助坑道方案采用“1横洞+2斜井”设计。隧道进口、出口附近有乡村公路与省道相连,1号横洞、1号斜井及2号斜井均有乡村公路可利用,交通较为方便。其斜井断面尺寸如图1所示。七星坪隧道1#斜井全长1 331 m,与右线正洞相交于WD2K6+900。1#斜井Ⅳ、V级围岩采用台阶法开挖,光面爆破,锚喷支护。

高升一号隧道起讫里程WD2K16+103-WD2K24+495,全长8 392 m,最大埋深约620 m。本隧道位于樊哙-开州区间,为单洞双线隧道,设计时速350 km。隧道进口段位于7 000 m的左偏曲线上,出口段位于7 000 m的右偏曲线上,其余段落位于直线上。高升一号隧道断面尺寸如图2所示。洞口段为V级围岩,具体支护参数包括:28 cm厚C30喷射混凝土;拱部为∅25 mm的树脂锚杆,边墙为∅22 mm普通砂浆锚杆,长度4 m,间距为1.2 m×1.0 m(环×纵);钢架为I22a型工字钢、间距0.6 m/榀设置,连接筋采用∅22 mm钢筋、环向间距1.2 m。

图1 七星坪隧道斜井断面尺寸(单位:m) 图2 高升一号隧道断面尺寸(单位:m)

测区地表无大型河流水系,主要为溪沟水及水塘水,受大气降水补给,水量受季节影响较大。大气降水和地下水是溪沟的主要补给来源,溪沟洪期水量为枯期水量的数倍至十几倍,属易胀、易落型的山间溪沟。大部分大气降水会顺着各自的水系流动,少部分则通过地表岩溶裂隙直接渗入地下。

地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水潜水主要富存于河谷、溪沟槽覆盖层中,由大气降雨及沟水补给,水量较丰富。基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中,主要由大气降水、地表水及壤中水下渗补给。

本标段存在主要的不良地质问题是危岩落石,其中高升一号隧道出口段的陡坡地形使危岩落石问题更为严重。由于节理裂隙较为发育,砂岩和泥岩的抗风化能力相对较低,在差异性风化作用下,下部泥岩发生风化凹陷形成岩腔,而上部砂岩则受到构造裂隙和卸荷切割后形成不稳定的岩块块体,导致原本完整的岩石形成宽大的裂隙,从而形成危岩落石。

2 洞口仰坡防护技术

选取七星坪隧道1#斜井和高升一号隧道出口为零开挖进洞试验工区。

2.1 清除浮石

在洞口高程60 m范围内清除坡面浮石,在清除坡面浮石前设置一排钢筋竹排架作为临时防护,以确保危石影响范围内道路、房屋安全,钢管竹排架高4 m、长125 m。

2.2 锚杆框架梁内喷混凝土植生

洞口仰坡40 m高程范围内设置锚杆框架梁并内喷混凝土植生护坡,防护范围为线路左侧9.6 m至右侧65.0 m,防护宽度74.6 m。锚杆框架梁采用正方形布置,节点间距为3 m,采用C30混凝土进行浇筑。沿坡面方向设置锚杆,采用8 m长∅32 mm的水泥砂浆锚杆。

2.3 设置被动防护网

在洞口仰坡设置一道柔性被动防护网,长106 m,高度5 m,基础采用C30混凝土,基础结构尺寸为0.8 m(长)×1.0 m(宽)×2.0 m(深)。

2.4 施作截水天沟

在开挖线5～10 m处施作截水天沟(b=40 cm,h=60 cm),截水天沟可根据地形向两侧排水(截水天沟布置见图3)。在开挖过程中尽量减少对山体和周边植被的破坏,同时务必将沟槽内部的植被根系彻底清理并夯实整平,以防止后期的破坏。

3 零开挖进洞技术

3.1 进洞工艺流程

零开挖进洞工艺流程如图4所示。在洞口仰坡防护完成后,进行洞口防护明洞施工,采用工字钢拱架+喷砼结构;之后进行超前预支护施工,采用双层小导管注浆工艺;超前支护完成后进行暗洞开挖施工,采用短进尺、弱爆破工艺。

图3 截水天沟设置(单位:cm)

3.2 洞口位置确定

为真正做到零开挖,在原洞口位置向外延伸进行明洞施工,长度为3～9 m。如七星坪隧道1#斜井仰坡坡度较小,防护明洞长度为3 m;高升一号隧道出口仰坡坡度较大,防护明洞长度为9 m。

3.3 防护明洞施工

防护明洞导向架采用I22工字钢拱架,间距0.5 m,喷C30混凝土厚30 cm。现场工况如图5所示。

图5 防护明洞施工

采用人工开挖的方式进行导向架两侧拱脚基坑土方开挖,使拱脚立于稳固基础上。隧道洞口施工应避免在雨季进行,合理安排工序,及时防护并施作护拱。

将槽钢垫设在拱架拱脚处,把相邻的两个钢拱架用∅22 mm钢筋连接,环距1 m进行焊接固定。

3.4 小导管注浆超前支护施工

采用双层小导管注浆作为超前支护措施。小导管采用长5 m、∅42 mm热轧无缝钢管,壁厚3.5 mm,纵向搭接长度2 m,钢筋外插角为10～15°,沿拱部开挖轮廓线外缘布置(如图6所示)。

图6 超前小导管布置(单位:cm)

采用水泥浆液进行注浆,注浆压力控制为1 MPa。注浆前先喷射混凝土厚度5～10 cm封闭掌子面,形成止浆盘。注浆顺序为由下至上,注浆压力由小到大,注浆完成后4 h后方可进行开挖工作面的开挖。

3.5 暗挖进洞

采用三台阶预留核心法进行开挖,开挖尺寸如图7所示,现场施工如图8所示。坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行开挖,循环进尺为1 m。

图7 台阶法预留核心土开挖(单位:m) 图8 台阶法预留核心土开挖现场

4 施工效果评价

隧道洞口段地表下沉是进洞施工过程中是否安全的重要判定依据[4]。在七星坪隧道1#斜井洞口XJ1K1+318里程地表设置沉降监测点,如图9所示。

图9 地表沉降监测点布置

以DB00监测为例,图10展示了沉降时程曲线和变形速率时程曲线。由图10可知,洞口开挖21 d后地表沉降速率小于0.2 mm/d,变形趋于稳定,地表最大沉降量仅为13.4 mm。最终进洞后现场照片如图11所示。上述结果表明,采用这些措施不仅有效减小了边坡开挖的影响,还成功控制了地表沉降,保证仰拱稳定。

图10 地表沉降及变形速率时程曲线

图11 零开挖进洞后现场

5 结束语

针对西渝高铁环保要求高以及隧道洞口仰坡稳定性差的特点,通过采用有效的仰坡防护手段、设置临时防护明洞,以及采用双层小导管超前支护等措施,实现了高铁隧道及辅助坑道的零开挖进洞,有效地提高了施工效率,实现了工程与环境的协调一致。