袁 青，吳 立，錢娟娟，陳 劍，李 波

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

向家山大斷面淺埋偏壓隧道洞身段施工技術(shù)

袁 青1，2，吳 立1，2，錢娟娟1，2，陳 劍1，2，李 波1，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

滬昆客運(yùn)專線長(zhǎng)昆湖南段向家山隧道開挖斷面面積超過160 m2，埋深淺(隧道拱頂局部區(qū)段外露)，地質(zhì)條件復(fù)雜。為避免開挖引起塌方，在調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，提出拱部明挖、邊墻暗進(jìn)、襯砌優(yōu)化為Ⅴb型復(fù)合式襯砌的施工技術(shù)方案，同時(shí)對(duì)地表混凝土反壓蓋板和防排水系統(tǒng)等重要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明采用的施工技術(shù)方案合理，隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。此方案兼顧了成本控制，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供借鑒。

客運(yùn)專線 大斷面隧道 淺埋偏壓 監(jiān)控量測(cè) 施工技術(shù)

我國(guó)山脈縱橫，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道選線過程中不可避免地遇到地形地勢(shì)不對(duì)稱，即偏壓情況。如果隧道再埋深淺、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖以松散破碎的軟弱土層或強(qiáng)風(fēng)化的巖體為主，施工中技術(shù)的運(yùn)用或工程措施處理不當(dāng)，那么就更容易發(fā)生塌陷、冒頂、地表塌陷等工程災(zāi)害，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。特別是當(dāng)前我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，隧道斷面不斷增大，對(duì)淺埋偏壓隧道施工又增加了難度。本文以滬昆客運(yùn)專線長(zhǎng)昆湖南段第CKTJ-XI標(biāo)段向家山隧道為例，探討大斷面淺埋偏壓隧道施工技術(shù)，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

向家山隧道全長(zhǎng)580 m，起訖里程DK401+745—DK402+325，為單洞雙線隧道。為滿足隧道—列車空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)要求，隧道內(nèi)軌頂面以上有效面積為100 m2，開挖斷面面積＞160 m2。隧道位于低山緩坡地帶，線路經(jīng)過處最大高程為403.20 m，最低高程為344.06 m，最大埋深59.78 m，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，山坡植被稀疏，溝谷走向?yàn)槟媳毕?。隧道DK402+003—DK402+036為Ⅴ級(jí)淺埋段，其中DK402+015—DK402+030段拱頂與原地面平齊，局部點(diǎn)甚至外露，如圖1所示。地表為粉質(zhì)黏土層，厚約50 cm，土層以下為凝灰?guī)r。強(qiáng)風(fēng)化層厚約3 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎;弱風(fēng)化層節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。地表下凹，匯水面積大。

圖1 隧道淺埋段示意

2 施工技術(shù)方案

向家山隧道進(jìn)口掌子面處(里程DK401+991)，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，襯砌類型為Ⅳb型復(fù)合式襯砌，開挖工法為弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法。此處距離淺埋段12 m，為了更好地做好隧道淺埋段施工準(zhǔn)備，確保施工安全，同時(shí)控制成本，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用“拱部明挖，邊墻暗進(jìn)”的施工方案，隧道襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì)為Ⅴb型復(fù)合式襯砌，嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”原則［1］。

2.1 開挖工法

采用的“拱部明挖，邊墻暗進(jìn)”的施工方案具體表現(xiàn)為拱部80°明挖，即將隧道淺埋段部分的覆蓋土體及強(qiáng)風(fēng)化的凝灰?guī)r直接挖除;拱墻其余部分暗挖，開挖工法采用三臺(tái)階七步開挖法。

2.2 襯砌設(shè)計(jì)

本隧道為雙線隧道，線間距5.0 m，按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》［2］中的要求，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用復(fù)合式襯砌［3］。隧道初期支護(hù)采用掛網(wǎng)、噴混凝土、錨桿支護(hù)措施，二次襯砌采用全環(huán)等厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，Ⅴb型襯砌厚度50 cm，淺埋段配筋較深埋段加強(qiáng)。此淺埋段支護(hù)斷面設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖襯砌加強(qiáng)斷面，如圖2所示。

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖襯砌加強(qiáng)斷面(單位：cm)

3 施工技術(shù)措施

3.1 隧道洞內(nèi)施工技術(shù)措施

1)三臺(tái)階七步開挖和支護(hù)措施

第1步，上部弧形導(dǎo)坑開挖。在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度為5.0 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。每循環(huán)開挖0.6 m，即1榀鋼架間距，嚴(yán)格保證短進(jìn)尺，開挖、修整至設(shè)計(jì)輪廓后立即初噴3～5 cm混凝土，以減少圍巖暴露時(shí)間。上部弧形導(dǎo)坑開挖后及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，架設(shè)鋼架，在鋼架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊緣按下傾角30°搭設(shè)鎖腳錨管，拱腳錨管和鋼架牢固焊接，長(zhǎng)度為4.0 m，要保證錨管注漿質(zhì)量，以控制基腳變形，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度30 cm。

第2步、第3步，左右側(cè)中臺(tái)階開挖。先開挖邊墻一側(cè)，再開挖另一側(cè)，并錯(cuò)開2.0～3.0 m的距離，避免上臺(tái)階的初期支護(hù)在同一位置懸空，開挖高度為3.0～3.5 m，每循環(huán)開挖長(zhǎng)度為0.6 m。開挖、修整至設(shè)計(jì)輪廓后立即初噴3～5 cm混凝土，及時(shí)進(jìn)行錨桿、鋼筋網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，架設(shè)鋼架，在鋼架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊緣按下傾角30°搭設(shè)鎖腳錨管，拱腳錨管和鋼架牢固焊接，長(zhǎng)度為4.0 m，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度30 cm。

第4步、第5步，左右側(cè)下臺(tái)階開挖。同第2步、第3步左右側(cè)中臺(tái)階開挖。

第6步，上中下臺(tái)階預(yù)留核心土開挖。

第7步，隧底開挖。每循環(huán)開挖進(jìn)尺為3 m，完成兩個(gè)隧底開挖、支護(hù)循環(huán)后，及時(shí)施作仰拱，盡早封閉成環(huán)。

2)注意事項(xiàng)

①超前施作仰拱，仰拱距上臺(tái)階開挖工作面控制在40 m以內(nèi)，鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時(shí)進(jìn)行。

②二次襯砌距仰拱保持2倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長(zhǎng)度，但不得大于40 m。

③加強(qiáng)超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管施工中須嚴(yán)格確保小導(dǎo)管數(shù)量、注漿質(zhì)量以及搭接長(zhǎng)度［4］。DK402+030里程處二次進(jìn)洞前采用雙排小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)。

④拱架安裝過程中，嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，規(guī)范操作，掌子面到達(dá)出洞和二次進(jìn)洞臨界點(diǎn)即DK402+015與DK402+030里程處，均須增加1榀鋼架，進(jìn)而確保出洞與二次進(jìn)洞的安全。

3.2 地表混凝土蓋板施工技術(shù)措施

隧道初期支護(hù)施工過程中，于DK402+015里程拱頂處預(yù)埋泵送管，長(zhǎng)度為2.5 m，此泵送管貫穿于初期支護(hù)和二次襯砌中，在此段二次襯砌施工完成后，通過泵送管泵送C30混凝土做防護(hù)蓋板，厚度為2 m，以混凝土蓋板來(lái)代替反壓回填水泥土。

3.3 防排水施工技術(shù)措施

施工過程中做好防排水施工，禁止積水沿明挖段流入正洞。首先，在出洞和二次進(jìn)洞邊仰坡上分別做好臨時(shí)截水天溝，保證積水不流進(jìn)正洞。其次在DK402+015—DK402+030段拱頂右側(cè)修筑高度為1 m的水壩，將山坡的匯積水從DK402+030附近引出。待DK402+015處初期支護(hù)施工完成后，再將積水由DK402+015附近引出。同時(shí)提前關(guān)注天氣變化，在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，加快施工進(jìn)度，避開雨季施工。

4 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，修正初期支護(hù)參數(shù)，判斷二次襯砌施作時(shí)機(jī)和及時(shí)調(diào)整施工方法的重要手段。為了評(píng)價(jià)淺埋偏壓段施工處理的效果，本隧道按照《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》［5］的要求，對(duì)該隧道進(jìn)行了地表沉降、拱頂下沉及凈空水平收斂3項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)。

4.1 地表沉降

本隧道淺埋偏壓洞身段地表沉降監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀，垂直于隧道走向布置7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面間距為5 m，各監(jiān)測(cè)斷面均布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距分別為9，7，5，5，7，9 m，如圖3 所示。7 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降量均反映隧道開挖過程中存在不同程度的偏壓作用。典型斷面DK402+010的地表沉降曲線如圖4所示。

圖3 地表沉降監(jiān)測(cè)斷面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖4 典型斷面DK402+010的地表沉降曲線

圖4顯示，隧道開挖初期中線左右側(cè)地表沉降量近似相等，但是隨著開挖斷面的不斷擴(kuò)大和開挖空間暴露時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，右側(cè)山體的偏壓作用使得隧道右側(cè)圍巖變形相對(duì)左側(cè)顯著增大，最終表現(xiàn)為地表沉降顯著增大。但是，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)殡S著隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合和地表加固處理，使圍巖變形得到了控制，最終沉降值符合規(guī)范的要求。

4.2 拱頂下沉和凈空水平收斂

隧道內(nèi)選取典型斷面DK402+010進(jìn)行拱頂下沉和凈空水平收斂量測(cè)，如圖5所示。圖5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明凈空水平收斂量相對(duì)拱頂下沉量較小，上下測(cè)線累計(jì)收斂量分別為16.30 mm和10.50 mm。對(duì)于淺埋隧道，由于垂直方向的變形較大，應(yīng)特別重視垂直方向位移的量測(cè)。隧道拱頂?shù)南鲁吝^程及其最終下沉量是隧道支護(hù)設(shè)計(jì)及地層環(huán)境控制的重要基礎(chǔ)，在該施工方案下本隧道在25 d的施工期完成后拱頂下沉趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降量為28.5 mm，符合沉降安全控制值的要求。

5 結(jié)論

1)從監(jiān)控量測(cè)結(jié)果來(lái)看，地表沉降、拱頂下沉和凈空水平收斂主要發(fā)生在各分步開挖和支護(hù)階段，一旦初期支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，各沉降值均趨于穩(wěn)定。因此，在施工中要嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”原則，合理控制臺(tái)階間距，減少圍巖暴露時(shí)間，迅速進(jìn)行初期支護(hù)封閉成環(huán)，同時(shí)加強(qiáng)各分步圍巖支護(hù)強(qiáng)度，嚴(yán)格控制各分步變形，達(dá)到控制沉降和穩(wěn)定圍巖的目的。

圖5 典型斷面DK402+010拱頂沉降和凈空水平收斂曲線

2)針對(duì)淺埋偏壓隧道巖土材料強(qiáng)度低和結(jié)構(gòu)松散破碎的特點(diǎn)，要做好地表加固和全封閉防水處理。可以施作混凝土蓋板來(lái)代替反壓回填水泥土，排除地表浮土和風(fēng)化巖石對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響;同時(shí)做好坡面防排水和防護(hù)，消除降水和匯流水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖強(qiáng)度的影響。

3)該施工技術(shù)施工簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，成本低，可為同類山區(qū)高速鐵路大斷面隧道施工提供借鑒。

［1］王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010：275-379.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［3］高樹峰.客運(yùn)專線大斷面黃土隧道淺埋偏壓施工技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(10)：32-35.

［4］李忠凱.淺埋暗挖隧道管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理及設(shè)計(jì)方法研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.01.13

1003-1995(2014)01-0043-03

2013-06-20;

2013-10-25

武漢市科技局社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(201160823268)

袁青(1991— )，男，湖北潛江人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 葛全紅)