浅埋软岩大跨度铁路隧道施工技术研究.doc

浅埋软岩大跨度铁路隧道施工技术研究 吴康WUKang （中铁电气化局铁路工程公司，北京100000） （RailwayEngineeringCompanyofChinaCRECRailwayElectrificationBureauGroup，Beijing100000，China） 摘要：结合隧道工程实践，对浅埋、软岩环境下隧道施工方案的探索，通过经济技术的比对和解析，即对工程情况、施工技术方案探索、施工技术要点、监控测量、进度效益等内容进行阐述。 Abstract：Combinedwiththepracticeoftunnelengineering，thetunnelconstructionschemesundertheenvironmentofshallowburiedandsoftrockisexplored.Throughtheeconomicandtechnicalparisonsandanalysis，theconstructionsituation，explorationofconstructiontechnologyscheme，keypointsofconstructiontechnology，monitoringmeasurement，progressbenefitandotherconceptsareexpounded. 关键词：浅埋；软岩；大跨度；铁路施工；技术 Keywords：shallowburied；softrock；longspan；railwayconstruction；technology ：TU74：A：1006-4311（xx）25-0094-04 作者简介：吴康（1982-），男，陕西咸阳人，毕业于河北工程大学土木工程学院交通工程专业，研究方向为铁路、隧道。 0引言 近年来，铁路隧道建设突飞猛进，进入了高速发展阶段。目前已通车运营铁路隧道达9000余座，总长度已超过6000公里，居世界第一。目前在建的铁路隧道有5000余座，总长度超过了9000公里，其中软岩隧道占了相当大的比例，在施工中稍有不慎，就有可能出现塌方、变形等工程事故。 在软岩铁路隧道施工中，有的施工单位为了节省成本，在一些钢构支撑中偷工减料；有的型钢支护前未进行混凝土初喷封闭围岩；喷射混凝土时拱脚处采用片石回填，导致初支背后脱空；由于施工技术不当导致钢架扭曲变形。这些都是软岩隧道施工中常见的问题，其直接后果就是造成隧道变形或塌方，严重的还会造成人员伤亡。所以，研讨和改善软岩环境下隧道开挖以及支护技术，对引导隧道建设、提升工程效率、加速工程进程、减少工程成本都有着不可替代的作用。 本文将结合软岩隧道特点，以刚建成通车的吉衡线铁路隧道工程为例，重点分析中隔壁法、交叉中隔墙法、双侧壁导坑法、三台阶法这四种适合软岩隧道的施工技术及监控测量方法，旨在通过严格的施工技术控制，预防围岩塌方、隧道变形等工程事故，确保隧道施工安全、有序地进行下去。 1软岩隧道施工综述 1.1软岩的概念 通常将抗压强度小于30MPa的围岩称为软岩，抗压强度小于5MPa的围岩成为极软岩。如土质、泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。 1.2软岩隧道工程特性 软岩强度低，隧道开挖后地应力发生重分布，围岩易受拉或受压产生塑性区，在隧道施工中围岩和支护易发生变形，若施工措施不当，很容易造成支护侵限、塌方等事故。 软弱围岩隧道安全施工的核心是“控变、防坍”，即控制围岩和支护变形、防止塌方。 2工程概况 吉衡线铁路为单线电气化铁路，起于江西吉安，止于湖南衡阳。吉衡铁路线路总长374.872公里，设计时速160公里。吉衡线铁路的排前二号隧道总长3公里，进口段位于既有水塘底部，进口段设计为V级围岩，进口段隧道地质条件不良，存在浅埋、软岩、富水量大等问题。在这种复杂的地质环境下，严重拖慢了隧道的整体施工进度，不能保证吉衡线铁路正常开通运营。 在这种地质条件下对浅埋、软岩中大跨度隧道的施工工艺及其技术进行系统的探讨，有着巨大的现实意义和经济价值。 3施工技术方案探索 洞身围岩的状况是确定施工技术方案的参考依据，假如单就围岩的级别来挑选施工方法，是不合理的。应对围岩级别、岩性、初始应力、地下水、不良地质环境、洞附近围岩风化状况进行权衡，挑选出最佳的施工办法。 3.1中隔壁法 中隔壁法主要用于地下水含量适当、工作面平稳的V级围岩内抑或围岩碎裂带中。施工工艺图见图1。 中隔壁法的施工优势：减少单次挖掘的跨度，能够第一时间密闭隧道，合理控制隧道的围岩形变，挖掘流程少、工序简易。 而中隔壁法的施工劣势是：对拆卸中曲壁时间性要求较为严格，中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集，稳定性不足。 3.2交叉中隔墙法 交叉中隔墙法大部分用于地下水含量较高、工作面不很稳固的V级围岩，抑或地下水含量很高的围岩破碎带，施工工艺图见图2。 交叉中隔墙法的优势是：降低单次挖掘跨度，工作面小，有助于稳固度的提升，能够第一时间密闭隧道，管控隧道变形。 其劣势是：对拆卸中曲壁时间要求较严格，中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集，施工工艺较为繁杂。 3.3双侧壁导坑法 双侧壁导坑法因为分割断面小，能够保证掌子面的平稳并合理管控隧道周围的松动范畴。先进的导坑能够探索出前面的地质状况，遇到不良地质条件时能够在挖掘前进行防治，但是当地质条件变化时，变更工法较为艰难。 此外，由于挖掘断面小，大型器械的功能发挥有限，施工情况并不是十分理想。该类办法适用于城市地下建筑，对地表沉降的要求严谨的工程以及地质环境较差的地段。施工中台阶法、中壁法转换较为艰难，掘进进度不是很理想。其施工工艺图见图3。 3.4三台阶法 3.4.1三台阶法适用于隧道围岩强度较好、少量地下水或无地下水的、级围岩，抑或地下水含量较低的破碎带。施工工艺简图见图4。 3.4.2三台阶法的特征 施工空间广阔，能够引进大型机器设施，作业面平行动工，动工效率理想；一些软岩地带能够运用反铲挖掘机挖掘下台阶，降低了对围岩的扰动频率。 在地质构造繁杂变换、软硬围岩相混淆的隧道施工中，有助于施工模式的调节，工程进度能够保证。 适用于相异跨度与多类断面，不需要拆卸临时支护设备，节约成本。 爆破施工能够分为多个作业面实施，将集中爆破转换成分散爆破，既不会频繁扰动围岩，又恰如其分地使用了时间空间，还增加了爆破临空面，减少了炸药的损耗。 混凝土仰拱超前作业，不但有利于初期支护以及早闭合成环承载，对隧道中的作业和运输条件也进行了改良。 全断面一次施做防水层以及浇灌混凝土衬砌，保证了混凝土衬砌的施工进度。 不用增添特殊设施，成本少、操控简单。 3.4.3三台阶法要求台阶长度不大于1倍洞径，台阶高度根据机械设备确定。目前很多单位采取长台阶工法（远大于1倍洞径），造成初期支护不能及时闭合，仰拱不能紧跟，二次衬砌不能及时施作，造成未施工二次衬砌段的隧道出现塌方事故。 本文采取超前小导管支护、松动爆破开挖，人工配合机械出渣。施工工序及步长见图5。 4施工技术要点 4.1施工原则 浅埋、大跨、软岩隧道遵照“管超前、短进尺、强支护、早成环、勤量测、紧跟衬砌”的施工原则，依照围岩收敛测量状况以及对初期支护的加强，对围岩变形作出应对，在保障安全施工的基础上实施挖掘。 管超前：采用超前预支护措施，通常采用超前小导管，特殊底层或特殊条件采用大管棚或水平旋喷超前支护。 严注浆：利用超前管棚进行注浆加固地层。 短开挖：采用尽量短的开挖进尺。 强支护：尽可能早的施作初期支护，以防止围岩出现变形。 早封闭：仰拱尽早封闭，距掌子面的距离小于3040m。 勤量测：做好洞内、地表的监测工作，数据异常时及时上报。 超前探：进行超前地质预报和超前地质钻探，超前探明前方地质状况。 严治水：处理好地表水和洞内水，采取措施防止地表水连续流入洞内，对地下水应超前引排必要时进行降水，洞内积水及时排放。 4.2超前支护、初期支护的数据分析 本隧道洞口利用89mm大管棚，洞内采取42mm小导管超前注浆预支护；挖掘工程是环状挖掘预留核心土法；初期支护是全环H175型钢钢架、锁脚锚杆、系统锚杆、网喷混凝土等等。技术数据见表1。 4.3环形开挖预留核心土法技术举措 洞口采取89mm大管棚，洞内采取?准42mm小导管超前注浆预支护。浆液水灰比是（1：1）-（0.6：1）；注浆压力在0.6-1.5MPa之间。 隧道洞中的地质是全风化的变质砂岩以及砾岩，该类岩石兼备土质以及岩石的工程特征。挖掘开始时特别是解析“冒顶”倾塌原由时得出：这种岩石本体是土质，尺寸巨大，节理间隙大部分充塞了灰颜色或黑颜色的软泥；注浆后由浆液裹住注浆管壁；增加注浆压力以后，少数水泥浆液渗透进裂隙，无法达成预计目标。 所以，进行超前支护，要尽可能做好超前小导管，采取短进尺环形挖掘方法，在小导管的棚户下进行开挖掘进，并第一时间架设H175型钢钢架、装设锁脚锚杆、系统锚杆以及对钢筋网焊接以后复喷混凝土，构成强支撑初期支护。 小导管的外插角通常需要管控在10-15，长度在3-5m之间，搭接长度是1.5-2m。当预留核心土土体不稳固的时候，要在梯状核心土两端肩部的位置搭设超前小导管。 5监控测量 在软岩中进行隧道的修建，初期支护的收敛形变大，围岩并不稳固，在布置二次衬砌的条件下还可能产生衬砌开裂情况。所以，应依照软岩的性质进行监督和控制，预判围岩与支护构造的稳固程度以及作业状况，明确二次衬砌与挖掘掌子面间的间距，保证初期支护以及二次衬砌的稳定性。 依照铁路隧道喷锚构筑法技术规范TB10108-xx的标准，监控量测必须测量的内容是：洞内外测量、收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测。净空收敛根据围岩级别来设置，利用收敛计量测，拱顶和地表下沉利用水准仪量测。 因为在建隧道是软岩居多，稳定情况不佳，形变大，利用小断面开挖并第一时间进行初期支护以后，变形量依然较大。所以，应增强初期支护的刚度以降低隧道收敛量，提升隧道的稳固程度。 从监测状况来讲，在建隧道初期支护利用H175型钢钢架喷射混凝土支护以后功效显著，拱顶在临近隧道中线的位置沉降情况较为严重；在距隧道中线较远的位置中线沉降不大。地面的最大沉降地处隧道中线以及它的周围，数值是20-25mm，在可控范围之内。挖掘后第一时间密闭隧道底板有助于降低隧道收敛量，围岩并未产生显著的流变变形。 6进度控制 利用环形开挖预留核心土法进行隧道的施工，加速大跨、软岩隧道施工进程的重要技术是加快对H175型钢的快速施工技术的研发。通过对H175型钢材料的运用，每榀拱环形支撑钢架的装设需要8小时，通过变更安装技术，利用小规模器械等多类举措，上断面环状挖掘支护每天可达到2-2.5循环，挖掘进尺能够达到1.6-2m。 使用预留核心土法后，从xx年6月动工，隧道进口平均施工进度每月50.5m，隧道出口围岩级别较好，每月进度110m，按两年的工期计算，总体上完成了进度目标。 7结束语 软弱围岩的抗压强度一般小于30MPa。开挖软岩隧道时，如果不进行有效的超前探测，施工措施不当，施工中就容易出现变形、塌方等工程事故。排前二号隧道施工项目，对施工技术的控制非常严格，并且现场监控测量工作十分到位，施工成本控制得当，并且也获得了预期的社会效益和经济效益。 参考文献： 1柳墩利.浅埋偏压段大断面隧道施工方案及施工工序优化J.桂林理工大学学报，xx，32（1）：77-81. 2于宝军.山区软岩大跨大断面四线铁路车站隧道二衬施工技术研究J.铁道建筑技术，xx（11）：13-16，40. 3何春保，舒丽红.兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理和施工控制J.铁道工程学报，xx（5）：68-73. 4王建鹏.高应力软岩