摘要:隧道地質(zhì)復(fù)雜多樣對施工安全造成威脅較大,黃土地質(zhì)屬于隧道施工的不良地質(zhì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大,再疊加淺埋、大斷面因素等,使得施工安全風(fēng)險(xiǎn)大大加劇。本文以西延高速鐵路新延安隧道為例,針對該隧道大斷面下穿黃土淺埋溝谷段落的施工難度,以監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為指導(dǎo),選擇合理的開挖工法和支護(hù)參數(shù),通過嚴(yán)密的施工組織及有效的控制措施,控制了圍巖變形量,降低了施工風(fēng)險(xiǎn),對類似大斷面黃土地質(zhì)淺埋隧道施工具有重要的參考意義。
關(guān)鍵詞: 大斷面隧道、淺埋溝谷、三臺階預(yù)留核心法、圍巖監(jiān)控量測
1 工程概況
1.1 新延安隧道工程概況
新延安隧道位于甘泉至延安市寶塔區(qū)之間,起訖里程DK273+756~DK289+756,全長16.0km。隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線,最大埋深約250m,最小埋深約13m。隧道進(jìn)口洞身主要穿越黃土溝壑梁峁區(qū),地面高程1125m~1280m,黃土梁頂狹窄,地形被呈西北-東南走向的大型“U”型溝谷切割,支脈“V”型沖溝均強(qiáng)烈發(fā)育,多呈樹枝狀,溝谷下切劇烈,兩側(cè)岸坡陡峻,黃土滑坡、溜坍等不良地質(zhì)發(fā)育。
洞身主要地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土,屬于弱富水區(qū),隧道單位正常涌水量920 m3/d·km,正常涌水量為2501 m3/d。最大涌水量為7502 m3/d。部分沖溝內(nèi)有常年流水,湫沿山以北地表水匯入延河,以南地表水匯入洛河。
1.2 淺埋溝谷段概況
新延安隧道進(jìn)口工點(diǎn)施工區(qū)域洞身分別在DK274+150~+260段穿越地表淺埋溝谷,溝谷隧道頂部覆土為黃土,淺埋段隧道埋深分別為14m(DK274+223)及13m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,溝谷地表干燥、無低洼積水處,溝谷兩側(cè)山體為砂質(zhì)黃土,直立性較好,見下圖:
2 西延高鐵新延隧道下穿淺埋溝谷段施工技術(shù)
2.1? 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)
新延安隧道洞身穿過溝谷淺埋段時,對溝內(nèi)水疏導(dǎo),以防止地表水下滲,并加強(qiáng)量測。DK274+150~+260淺埋溝谷段超前支護(hù)采用9m長Φ89中管棚,外插角6-8°,環(huán)向間距0.6m,縱向搭接3m;配合Φ42小導(dǎo)管進(jìn)行,長3.5m,外插角10-15°,環(huán)向間距0.6m,縱向搭接不小于1m,拱部140°范圍設(shè)置;襯砌類型采用Ⅴ膨脹土:初期支護(hù)采用工25a型鋼鋼架,縱向間距0.6m/榀,設(shè)φ8雙層鋼筋網(wǎng),全環(huán)設(shè)置,邊墻范圍設(shè)φ22砂漿錨桿長4m,間距1.2×1.0(環(huán)×縱);C25噴射混凝土35cm。二次襯砌采用C40鋼筋混凝土,厚60cm。
2.2 施工方法及步驟
新延安隧道進(jìn)口淺埋溝谷段開挖采用三臺階預(yù)留核心土法施工。
施工步驟:施工準(zhǔn)備→地表處理→超前地質(zhì)預(yù)報(bào)→監(jiān)控量測→超前支護(hù)→開挖→初期支護(hù)→初期支護(hù)封閉成環(huán)→監(jiān)控量測→下循環(huán)開挖、支護(hù)→施作鋼筋混凝土仰拱、填充混凝土→施作復(fù)合襯砌。
①施工準(zhǔn)備
1)穿越溝谷前, DK274+150~+260段淺埋下穿淺埋為防止地表水下滲,對溝內(nèi)排水進(jìn)行疏導(dǎo)。
2)加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測、洞內(nèi)沉降及變形監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常及時采取加固措施。
②超前支護(hù)
拱部140°范圍內(nèi)采取9m長Φ89中管棚,環(huán)向間距0.6m,縱向搭接3m;配合長3.5mΦ42小導(dǎo)管進(jìn)行,環(huán)向間距0.6m,縱向搭接不小于1m。
③開挖
開挖以人工配合機(jī)械開挖為主,腳墻、拱墻等隅角處應(yīng)預(yù)留60~70cm厚土體,采用小型設(shè)備或人工開挖,且不應(yīng)超挖。各臺階平行作業(yè),平行施作初期支護(hù),各臺階初期支護(hù)應(yīng)銜接緊密,及時封閉成環(huán)。
利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護(hù),環(huán)形開挖每循環(huán)進(jìn)尺不得大于0.6m。開挖后及時施作錨噴支護(hù)、安裝拱架支撐及鎖腳錨管;擴(kuò)大拱腳在拱部140°兩側(cè)拱腳處,進(jìn)行擴(kuò)大拱腳開挖,底部拱背擴(kuò)挖50cm。
④初期支護(hù)
采用I25a拱架,拱部間距0.6m;拱腳位于設(shè)計(jì)標(biāo)高位置;拱架連接板螺栓必須上齊且擰緊,拱架間采用φ22鋼筋縱向連接成整體,在拱架的頂部按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)采用φ8,雙層滿鋪,環(huán)縱向搭接長度不得小于1個網(wǎng)格。
邊墻系統(tǒng)錨桿采用HRB400Φ22全螺紋砂漿錨桿,尾部設(shè)置墊板,單根長均為4.0m。砂漿錨桿環(huán)縱向間距1.2*1.0m,錨桿必須垂直巖面打設(shè);上、中、下臺階拱腳處左右兩側(cè)各打設(shè)2根長4.0mφ42鎖腳錨管,錨管與鋼架連接處采用“L”筋焊接牢固。鎖腳錨管內(nèi)灌不小于M20水泥砂漿。
噴射混凝土采用C25混凝土,35cm。噴混凝土前必須用高壓風(fēng)將巖面的粉塵或雜物清理干凈。及時埋設(shè)圍巖監(jiān)控量測測點(diǎn)。噴射混凝土必須平順,飽滿,密實(shí)。
2.3 施工控制要點(diǎn)
①超前支護(hù)
超前小導(dǎo)管打設(shè)方向盡量與線路方向一致,角度、間距及導(dǎo)管長度滿足設(shè)計(jì)要求。超前小導(dǎo)管打設(shè)時盡量不外露。
②開挖
機(jī)械開挖時,派專人對開挖作業(yè)進(jìn)行指揮,防止大型機(jī)械對已支護(hù)好鋼架進(jìn)行碰撞損壞。臺階與臺階距離控制在5m~8m距離,禁止同一斷面開挖。仰拱初支一次開挖不大于3m。通過監(jiān)控量測掌握圍巖和支護(hù)的變形情況及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量。
③初期支護(hù)
完善洞內(nèi)臨時排水系統(tǒng),防止地下水浸泡拱墻腳。拱架連接板螺栓必須上齊且擰緊、連接板密貼。鎖腳錨管內(nèi)灌不小于M20標(biāo)號水泥砂漿。噴射混凝土必須平順,飽滿,密實(shí)。局部坍塌超挖過大時,必須采用同標(biāo)號混凝土回填密實(shí)。
2.4 施工注意事項(xiàng)及相關(guān)措施
①隧道施工應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)尺,每次開挖盡快施作初期支護(hù)并封閉成環(huán),堅(jiān)持“管超前、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的原則。
②隧道施工應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械開挖,嚴(yán)禁放炮。腳墻、拱墻等瞬角處應(yīng)預(yù)留60~70cm厚土體,采用小型設(shè)備或人工開挖,且不應(yīng)超挖。
③施工中應(yīng)建立完善的地表變化及洞內(nèi)收斂變形監(jiān)控量測系統(tǒng),使變形量測果統(tǒng)化,并作為指導(dǎo)施工的依據(jù)。應(yīng)將現(xiàn)場監(jiān)控量測作為一道工序認(rèn)真執(zhí)行,使其作為確保施工安全、調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)、信息化施工提供依據(jù),根據(jù)反饋信息修正設(shè)計(jì)參數(shù),改進(jìn)施工方法,確保安全和質(zhì)量。
④隧道錨噴施工支護(hù)的施工工序,應(yīng)按開挖、初噴、布設(shè)錨桿、掛網(wǎng)或架立鋼架、復(fù)噴的步驟進(jìn)行。在第一次開挖完成后,隧道斷面位移速度最大,應(yīng)及時施做初期支護(hù),約束圍巖早期變形。
⑤采取有效措施進(jìn)行加固,以防止拱頂鋼架下沉。如強(qiáng)對鋼架的徑向固定措施、加強(qiáng)錨桿和鋼架的焊接;加強(qiáng)對鋼架的鎖腳固定措施;必要時加設(shè)鋼架基礎(chǔ)連接縱梁,擴(kuò)大開挖庭腳、防止鋼架懸空,及時噴射混凝土進(jìn)行覆蓋;加強(qiáng)對鋼架的應(yīng)力和變形監(jiān)測;防止施工過程中的碰撞和損環(huán)。
⑥隧道施工時應(yīng)加強(qiáng)對淺埋地段地表沉降觀測和巡查,對天然出現(xiàn)的地表裂縫及時采用灰土夯填、水泥灌漿等措施封閉處理。
⑦施工前及施工過程中應(yīng)對地表裂縫的分布情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查及監(jiān)測,并對地表裂縫進(jìn)行及時封閉,確保施工安全。
3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
利用地質(zhì)調(diào)查法、電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá))、地標(biāo)補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查法(地表調(diào)查)及超前水平鉆孔探明前方地質(zhì)。對淺埋溝谷段圍巖的地質(zhì)雷達(dá)反射波信號較少,振幅能量較弱,介電常數(shù)無明顯變化。根據(jù)預(yù)報(bào)和鉆探確定淺埋段洞身為上黃土,與地表鉆孔資料相符,設(shè)計(jì)參數(shù)能夠確保施工安全不予以調(diào)整。
4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析
本淺埋段布設(shè)監(jiān)測斷面21個,每個斷面包含地表沉降、拱頂沉降和水平收斂測點(diǎn)。其中地表沉降單日變形量最大為2.2mm,累計(jì)值最大為6.6mm;拱頂沉降單日變形量最大為3.7mm,累計(jì)值最大為14.9mm;水平收斂單日變形量最大為4.4mm,累計(jì)值最大為19.0mm。
DK274+223斷面地表沉降最大測點(diǎn)為DK274+223DB00和DK274+223DB01,累計(jì)值均為2.2mm,單次變形值最大為0.9mm,沉降值較小。
DK274+223GD00累計(jì)值為3.9mm,單日變形量變化范圍為0.6-2.5mm。從變形趨勢上看在該斷面開挖后第7天達(dá)到最大累計(jì)值4.5mm,其后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。
DK274+223斷面的上臺階收斂值為0.2mm,中臺階累計(jì)值為2.9mm,下臺階累計(jì)值為9.4mm。相比較而言,下臺階變形明顯大于中上臺階,下臺階開挖后第5天達(dá)到累計(jì)值8.9mm,占變形總量的94.7%,后續(xù)變形趨于穩(wěn)定。
經(jīng)上述對圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,淺埋段監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較小,隧道開挖施工未對淺埋段洞內(nèi)及地表產(chǎn)生較大變形,施工過程中方法得當(dāng)未對圍巖造成較大擾動,支護(hù)措施可靠。
5? 結(jié)論
西延高鐵新延安隧道在穿越淺埋溝谷段施工時,設(shè)計(jì)與施工緊密配合,充分利用地勘和超前預(yù)報(bào)確定淺埋溝谷段地質(zhì),科學(xué)確定開挖方法和支護(hù)參數(shù)。施工前完成地表排水疏導(dǎo)、監(jiān)控量測樁的埋設(shè)及監(jiān)測、洞內(nèi)做超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)核對等準(zhǔn)備工作,為隧道掘進(jìn)提供有力的技術(shù)保障。施工過程中超前先行,嚴(yán)格控制開挖工藝,工序緊密銜接,及時施做超前支護(hù)、初期支護(hù)快速封閉成環(huán),及時再洞內(nèi)布設(shè)圍巖監(jiān)控量測測點(diǎn),盡快獲取初始數(shù)據(jù),并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測為指導(dǎo),快支護(hù)、及時封閉,高效、快速、安全的完成了黃土地質(zhì)淺埋溝谷段的施工,施工過程中圍巖變形量小,安全得到了保證。充分肯定了施工開挖方法和措施得當(dāng),支護(hù)措施可靠性、安全性。為新建西延高速鐵路后續(xù)大斷面淺埋黃土及泥巖隧道施工提供借鑒,為后續(xù)高鐵大斷面隧道穿越黃土高原提供施工參考。
作者簡介:王雙存(1985年7月出生),男,甘肅靜寧人,研究生學(xué)歷,現(xiàn)從事鐵路工程施工管理、質(zhì)量安全監(jiān)督工作。
中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站 陜西 西安 710054