雙線鐵路隧道穿越超淺埋段扣拱施工技術(shù)研究

劉小果

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

自2008年8月1日中國(guó)第一條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界水平的時(shí)速350 km高速鐵路京津城際鐵路通車運(yùn)營(yíng)以來(lái)，中國(guó)高速鐵路飛速發(fā)展，至2018年3月5日，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)25 000 km，占世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的三分之二。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，山區(qū)鐵路隧道正大幅增加，復(fù)雜環(huán)境下的施工的隧道越來(lái)越多[1]，受自然地理環(huán)境和工程造價(jià)等因素限制[2]，不可避免地會(huì)穿越各種不良地質(zhì)和特殊地形地貌，如隧道穿越溶洞、暗河、滑坡體、堆積體、斷層破碎帶等特殊地質(zhì)，或出現(xiàn)長(zhǎng)距離偏壓和淺埋、超淺埋等特殊地形地貌。一般情況下，隧道穿越淺埋、超淺埋段易采用加強(qiáng)超前支護(hù)的措施以暗洞形式通過(guò)，也有一些工程項(xiàng)目受工期和安全風(fēng)險(xiǎn)影響采用明挖形式以明洞通過(guò)，但山區(qū)鐵路隧道采用明挖扣軌暗挖施工的案例并不多?？v觀既有報(bào)道的資料，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)淺埋隧道的施工技術(shù)研究較多[3-5]，對(duì)城市地鐵車站和城市地鐵施工采用扣拱工藝的研究也有報(bào)道[6-9]，但鮮有山嶺隧道明挖扣拱暗挖施工[10]方面的技術(shù)研究。

2 工程概況

新建張吉懷鐵路巖屋沖二號(hào)隧道位于湖南省懷化市鶴城區(qū)，隧道全長(zhǎng)883 m，起訖里程為DK223+999～DK224+882。隧道縱坡設(shè)置人字坡，其中，DK223+999～DK224+850段為7.5‰的下坡，DK224+850～DK224+882段為3‰的下坡，隧道埋深4.34～95.66 m，Ⅳ級(jí)圍巖270 m、Ⅴ級(jí)圍巖613 m。

正洞DK224+287～DK224+307段為超淺埋地段，其中DK224+290～DK224+295段埋深最淺，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)埋深僅為0.3 m。該段地表為稻田，且有水流經(jīng)過(guò)。隧道洞身為中～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚約0.7～2.0 m，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎嚴(yán)重。

原設(shè)計(jì)采用反壓回填處理，再進(jìn)行暗挖施工。由于本段位于溝谷之內(nèi)，匯水面積較大，易受水流沖刷，為防止雨水沖刷，在反壓回填后上鋪一層35 cm厚M10漿砌片石，處理完成后，方允許進(jìn)行暗挖施工。

3 工程背景分析

巖屋沖二號(hào)隧道全部為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅴ級(jí)占比高達(dá)69.4%，且為Vb、Vc支護(hù)類型，22型鋼鋼架，鋼架間距為0.5 m和0.6 m。采取從進(jìn)口端獨(dú)頭掘進(jìn)施工，正常情況下月均進(jìn)尺50 m。從當(dāng)前的圍巖狀況和進(jìn)度情況來(lái)看，該隧道工期壓力較大。DK224+287～DK224+307段若反壓回填后，再進(jìn)行暗洞施工，施工進(jìn)度必然延緩，隧道貫通工期勢(shì)必進(jìn)一步滯后。同時(shí)該淺埋段靠近既有便道，且施工至該段落正好處于旱季，具備進(jìn)行扣拱施作、提前施工的條件。

4 超淺埋段施工技術(shù)

充分利用旱季，在地表施作引水管，橫跨隧道，將溝谷內(nèi)匯水通過(guò)管道引至隧道下游的自然水溝內(nèi)；明挖隧道輪廓，從洞外施作初支；同時(shí)，選取合適位置，施作導(dǎo)向墻分別向兩側(cè)打設(shè)超前長(zhǎng)管棚；待暗洞到達(dá)該段時(shí)，可直接開挖安全通過(guò)；安全通過(guò)后，再對(duì)地表進(jìn)行鋪砌處理。

4.1 地表排水溝施工

在DK224+287～DK224+307段施工以前，首先要對(duì)地表的排水進(jìn)行處理。根據(jù)前期降水過(guò)程觀察發(fā)現(xiàn)，在豐水期該匯水溝水量最大約0.8 m3/h，在枯水期最大水流量為0.2 m3/h。為確保隧道施工過(guò)程不受地表水影響，提前在溝上游人工砌筑一個(gè)攔水壩，沿著兩側(cè)山體平緩位置布設(shè)φ400 mm塑料排水管道跨越隧道，將溝谷匯水引流至隧道下游，具體布置見圖1。其中，攔水壩長(zhǎng)度為19 m，最高高度為0.8 m，斷面呈V型與兩側(cè)山體連接；隧道小里程側(cè)排水管(從DK224+282處跨越隧道)長(zhǎng)度為40 m，大里程側(cè)引水管(從DK224+307處跨越隧道)長(zhǎng)度為46 m。

圖1 地表排水溝布置平面圖

4.2 扣拱施工

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，選擇在埋深小于1.0 m的段落采用明挖法扣拱施工，明暗交界位置施作長(zhǎng)管棚，分別向兩側(cè)設(shè)置，確保明暗交界段暗洞安全、快速施工。

4.2.1 施工管棚

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)斷面，在DK224+290及DK224+304處埋深已達(dá)到1.0 m。在扣拱段施工以前，提前在DK224+290及DK224+304里程處施作依托3榀初支鋼架，分別向小里程、大里程打設(shè)φ89長(zhǎng)管棚，中間的鋼架內(nèi)輪廓適當(dāng)增大，確保管棚的外插角控制在1°～3°范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)管棚依托鋼架施工示意

施工管棚的主要參數(shù)為：鋼花管注漿孔孔徑10～16 mm，呈梅花形布置，由外徑89 mm、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管加工；管棚長(zhǎng)度為10.0 m；布置在拱部140°范圍內(nèi)，環(huán)向間距為40 cm，共計(jì)45根；注漿液采用水泥漿液，水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。管棚打設(shè)并注漿完成后，在管內(nèi)灌注M10水泥砂漿，并保證密實(shí)，以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。

4.2.2 施工扣拱

在DK224+290～DK224+304段，采用明挖扣拱施工初期支護(hù)，待隧道正洞襯砌完成后，利用小型機(jī)械進(jìn)行地表回填，并施作引水漿砌片石。

該段落內(nèi)地表為臺(tái)階狀稻田，下部為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，采用挖掘機(jī)輔以弱爆開挖施工。開挖至隧道上臺(tái)階，開挖完成后，對(duì)邊坡采用掛網(wǎng)噴錨，噴錨厚度為10 cm，再施工隧道初期支護(hù)。開挖深度為3.8～5.0 m，放坡開挖，坡度為1/2～1/1，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，如圖3所示。

圖3 DK224+290開挖斷面示意

圖4 縱向連接筋加密布置示意

4.3 施工暗洞

暗洞施工至此處時(shí)，上臺(tái)階已施工完成，中、下臺(tái)階開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1.0 m(2榀鋼架間距)。仰拱開挖過(guò)程，按照每循環(huán)進(jìn)尺3.0 m施工仰拱初支鋼架。

施工過(guò)程中，注意及時(shí)施工仰拱初支，確保仰拱初支封閉成環(huán)位置距離掌子面不大于35 m。

4.4 地表回填

待DK224+290～DK224+304段初期支護(hù)封閉成環(huán)后，對(duì)上臺(tái)階兩側(cè)拱腳位置進(jìn)行第一次回填，回填至拱頂平齊位置，防止拱頂積水滲入隧道，對(duì)初支結(jié)構(gòu)造成破壞。

待DK224+270～DK224+328段襯砌施工完成后，對(duì)地表進(jìn)行回填處理，并施作永久排水結(jié)構(gòu)，具體為水泥摻量10%的水泥土進(jìn)行回填；回填厚度按拱頂開挖線以上不小于6.0 m，在拱頂2.0 m厚度范圍內(nèi)，采用人工夯填，每層厚度不大于0.25 m，回填密實(shí)度不小于0.9，其余可采用機(jī)械回填；回填后上鋪一層35 cm厚的M10漿砌片石，防止雨水沖刷。

4.5 施作效果監(jiān)測(cè)分析[11]

施工過(guò)程中，工程技術(shù)人員嚴(yán)格按照鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程要求布點(diǎn)、監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，周邊收斂和拱頂沉降最大值均出現(xiàn)在DK224+285斷面，分別為58.4 mm和93 mm，小于預(yù)留變形的250 mm，可以滿足設(shè)計(jì)襯砌厚度要求，如圖5、圖6所示。

圖5 DK224+285斷面收斂變化趨勢(shì)

圖6 DK224+285斷面拱頂沉降變化趨勢(shì)

5 施工控制要點(diǎn)

(1)淺埋段明挖施工需避開雨季，減小溝谷匯水對(duì)施工過(guò)程的干擾。

(2)施工過(guò)程中，要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)[12]工作，在地表和洞內(nèi)做好測(cè)點(diǎn)布設(shè)和過(guò)程保護(hù)工作，按規(guī)定頻率做好檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)反饋。

(3)施工扣拱過(guò)程中，要加強(qiáng)鎖腳錨管的施工控制。同時(shí)初支拱腳必須坐落在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，如果存在超挖現(xiàn)象，必須采用混凝土塊墊實(shí)，防止因拱架下沉導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)破壞。

(4)地表回填過(guò)程，嚴(yán)禁大型機(jī)械橫穿隧道。注意地表回填與既有地形順接，隧道中心線左側(cè)按1∶10坡度與自然地表順接；隧道中心線右側(cè)8 m內(nèi)按1∶5坡度回填；隧道中線右側(cè)8 m范圍外按1∶2坡度自然地表順接，并設(shè)骨架護(hù)坡防護(hù)。

(5)開挖完成后，及時(shí)封閉成環(huán)，確保隧道安全距離。

6 結(jié)束語(yǔ)

淺埋段施工的關(guān)鍵是在安全和保證質(zhì)量的前提下，加快隧道的施工進(jìn)度。如何避免明暗交界處的垮塌、扣拱段沉降及回填過(guò)程主體結(jié)構(gòu)安全需要重點(diǎn)關(guān)注，并采取加強(qiáng)措施。本工程采取了在明暗交界處施作大管棚、在拱腳處加強(qiáng)鎖腳措施及縮短掌子面循環(huán)進(jìn)尺并及時(shí)初支封閉成環(huán)、在襯砌完成后分次回填且機(jī)械配合人工夯實(shí)等措施，保證了淺埋段的施工安全。

該隧道淺埋段已完全順利通過(guò)，相比較于反壓回填暗洞施工，節(jié)約工期20 d，可為類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。