・隧道/地下工程・
兰渝铁路首阳山隧道浅埋富水Ⅵ级围岩段施工技术
宋学伦
(中铁十六局集团有限公司,北京 100018)
摘 要:首阳山隧道通过浅埋、富水Ⅵ级围岩地段时,经施工方案比选,确定采用超前小管棚法和三台阶预留核心土分步开挖法,辅以地表注浆加固,通过施工监测,地表最大沉降量为86
mm,拱顶最大沉降为52mm,有效控制了围岩沉降变形,保证了
2 施工重难点
施工安全和工程质量。
关键词:铁路隧道;浅埋隧道;Ⅵ级围岩;台阶法;施工中图分类号:U45911 文献标识码:B文章编号:100422954(2010)S120120203
该浅埋段全部为全强风化岩及洪积层,岩层内富
水。根据《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ204—2008)对Ⅵ级围岩开挖后稳定状态(单线)评定“围岩极易坍塌变形,有水时土砂常与水一起涌出;浅埋时易塌至地表”。所以对隧道进行防坍塌及地下水处理是工程施工的重难点。3 方案的选定1 工程概况
兰渝铁路首阳山隧道位于渭源县莲峰镇境内,隧道全长3805m,为客货共线铁路双线隧道。隧道进洞210m后在DK140+800～DK140+770处,穿过地表浅埋冲沟,沟底距隧道顶部最小距离711m,其他在711～15105m,设计为Ⅵ级围岩,属于浅埋富水地段。
该浅埋段地表冲沟附近场区分布耕地和村庄,地面高程2286124～2301129m,表层为厚015～1m的第四系全新统洪积砂质黄土,其下为厚5～8m的第四系全新统洪积细圆砾土(潮湿2饱和,杂砂土充填)并在隧道顶部出露,隧道洞身穿过全强风化下第三系砂岩夹砾岩。地下水为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水,为弱富水段。由于岩体风化、构造裂隙发育,地下水连通性较好,地下水补给来源主要为大气降水,局部地段以地表水入渗补给为主;隧道正常涌水量
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2352101m/d,可能最大涌水量5880103m/d。隧道洞身地质剖面见图1。
为确保顺利通过该浅埋富水Ⅵ级围岩段,除对隧道地表冲沟进行注浆加固外,还对施工中采用的超前支护形式及开挖方法进行了比选。311 超前支护方式比选
方案一:大管棚法大管棚法是浅埋暗挖法中通过一些对沉降控制要求高地段常用施工方法之一。适用于特殊软弱地层并对地层变形有严格要求。对开挖断面尺寸大,且下穿地面建筑物、地下构筑物、地下管线、既有道路等特别适用。具有造价低、工效快、效果好、安全度高的特点。缺点是需要一定的操作空间。
方案二:超前小管棚法
超前小管棚法是穿越埋深较浅地段的常用方法。采用沿隧道上方布设超前小管棚来控制下沉,通过管棚预注浆,加固地层,封堵地下水,稳定掌子面的土(岩)体。具有机具小,操作灵活,占地面积不大的特点。缺点是在沉降变形控制及支护刚度方面不如大管棚。312 开挖方法比选
方案一:CRD法或双侧壁导坑法
优点:将大断面施工化成小断面施工,各个局部封闭成环,施工时间短,控制早期沉降好,每个步序受力体系完整。因此,结构受力均匀,变形小。另外,由于支护刚度大,施工时隧道整体下沉微弱,地层沉降量不大,变形容易控制。缺点:施工工序复杂,隔墙拆除困难,成本较高,进度较慢。
方案二:三台阶预留核心土分步开挖法
优点:施工空间大。可以采用大型机械多作业面平行施工,功效高;在地质复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中,易于调整施工工法,当发生围岩变形较大
图1 隧道洞身地质剖面
收稿日期:2010203212
作者简介:宋学伦(1971—),男,工程师,国家一级注册建造师。
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铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2010(增刊1)
宋学伦—兰渝铁路首阳山隧道浅埋富水Ⅵ级围岩段施工技术
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或突变时,可加快仰拱二衬,尽快调整闭合时间,工期易于保障。不需拆除临时支护,节省投资。缺点:周边
围岩沉降变形较CRD法或双侧壁导坑法大,施工中需结合辅助措施对前方开挖面预支护和预加固,以抑制围岩松弛、变形。313 方案选定经过对超前支护形式及开挖方式的对比,结合以往施工经验及现场实际情况,选择了超前小管棚法和三台阶预留核心土分步开挖法作为施工方法。原因
如下:
(1)设计已对地表采用地表注浆加固覆盖层,经过地表注浆,可大大提高覆盖层整体土体抗剪切破坏的能力;
(2)由于浅埋段附近无建筑物,对地表沉降控制要求不高;
(3)大管棚刚度虽然较小管棚大,但须加大隧道周边轮廓,而采用小导管施工无需加大隧道周边轮廓,且通过加密小导管,也可有效提高小导管的超前支护刚度;
(4)虽然浅埋段本身地质情况较差,但两边岩石较好,使用CRD法或双侧壁导坑法后很难变换施工方法,对后续工程施工造成影响,而三台阶法变换工序比较容易;
(5)采用超前小管棚法和三台阶预留核心土分步开挖法在类似工程中有成功经验。4 施工方法
图2 地表注浆加固示意(单位:m)
注浆,使地层得到固结和挤密,不仅能提高围岩整体强
度、阻止地下水的流入、起到防水作用,而且起到超前支护的作用,防止洞室坍塌,减小地表沉降。
(1)注浆设计根据岩层实际情况及地表注浆加固范围,确定小导管加固范围为洞径外3m,沿洞室周边全环布设;注浆小导管采用<42mm、长4m钢花管。注浆管按排距50cm,环向间距40cm布置,注浆管和工字钢拱架采用焊接连接,前后排注浆管梅花形交错布置,两排间小导管按照45°及5°外插角交替施工,确保上层小导管主要起到加固周边围岩的作用,下层小导管主要起到超前预支护管棚的作用,小导管布置见图3。
施工中严格贯彻了“管超前、严注浆、短开挖,强支护,快封闭,勤量测”的原则。411 地表注浆加固
地表注浆主要作用一是加固隧道上部土体,使土 体整体性加强,增强覆盖层土体抗剪切破坏的能力;二是提前排出覆盖层内孔隙自由水,切断地下水补给线路,防止地表水下渗。
地表注浆采用<42mm、长5m小导管注浆,小导管间排距1m,梅花形布置;对注浆段地形进行整平压实后,打设小导管。小导管地表加固范围为隧道拱顶以上。注浆范围为隧道轴线上、下游各15m沿浅埋段全长注浆;注浆浆液采用1∶1水泥浆,注浆压力115MPa。注浆完成后,在隧道上游30m至隧道下游20m范围内铺砌30cm厚浆砌片石,上覆10cm厚防水砂浆,以使地下水不浸入隧道洞顶土层,地表注浆加固示意见图2。412 超前小导管施工
超前小导管是稳定开挖工作面的一种辅助施工方法。在软弱地质条件下,通过超前小导管对围岩进行
图3 超前小导管注浆布置示意(单位:cm)
由于岩层富水,采用双液注浆,双液注浆参数见表
1。注浆压力2MPa。
表1 双液注浆参数
水玻璃浆水泥浆水泥浆与水玻NaH2PO4注浆终稳压时
水灰比浓度/Be′模数璃浆体积比掺量/%压/MPa间/min
1∶1
35
214
1∶016
210
210
20
(2)施工工艺
①小导管制作:注浆管采用<42mm无缝钢管加工,长度4m,顶端焊成尖锥状,在前端210m范围内每间隔012m,错开钻设<6mm溢浆孔,距末端012m焊接1圈<6mm钢筋,以利套管顶进,管尾011m车丝,和<42mm球阀连接。
②小导管安设:根据注浆设计图,在现场用红油漆标出注浆孔孔位,然后采用风钻钻孔,并采用间隔钻
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孔,待先钻完孔注浆后,再进行后续钻孔施工。
钻深4m后停止钻进。在注浆管中部(未开孔段)缠绕棉纱,长度20～30cm,并用风钻将其顶进钻好的注浆孔内。
③注浆施工:注浆管安设完成后,注浆机具设备就位,连接注浆管路注浆,注浆采用水泥水玻璃双液浆。单孔注浆结束标准遵循注浆设计的要求,一个注
浆孔完成后,按照注浆设计要求的注浆顺序进行下一注浆孔的注浆,直到完成全部注浆孔注浆。做好注浆记录,分析注浆效果。413 开挖支护
开挖施工采用挖掘机开挖为主,人工配合,开挖时严格控制进尺,每循环开挖不得超过50cm,随挖随支。浅埋段三台阶分步开挖施工工序及步骤见图4。
图4 三台阶分步开挖施工工序及步骤示意
(1)上部弧形导坑开挖(1部):超前小导管施工
完成后,采用挖机开挖上部弧形导坑,预留3m上台阶核心土,核心土宽度为上部隧道开挖宽度的1/2。开挖后立即对岩面喷射3～5cm厚混凝土,及时安装钢拱架,打设锚杆、锁脚锚杆,锁脚锚杆及部分靠近钢拱架锚杆应与钢拱架牢固焊接,复喷混凝土至设计厚度。
(2)中台阶左右台阶开挖(2、3部):台阶开挖高度3m,上台阶开挖3m后,进行2、3部台阶的开挖,2、3部台阶开挖错开2m,及时施作初期支护。
(3)下台阶左、右侧开挖(4、5部):台阶开挖高度4m,中台阶开挖4m后,进行4、5部台阶的开挖,4、5
(2)施工中按照“管超前、严注浆、短开挖,强支
护,快封闭,勤量测”的原则,有效控制了Ⅵ级围岩松
散体的塌落,施工中未发生围岩塌落现象。
(3)施工中在地表设置了3条测线(10m/条),洞内每5m设置1个监控量测断面,监控量测效果表明:地表沉降最大为86mm,且局部浆砌片石表面产生裂缝,表明覆盖层有沉降。洞内拱顶沉降最大达52mm,在开挖弧形导坑时洞内下沉最大,达31mm。在开挖中、下台阶及隧底开挖时拱顶又产生新的变形,在仰拱封闭后,变形趋于稳定。表明隧道变形在工序转变时有变形速率加速现象,这是大断面隧道不能避免的,而工序初期支护稳定后,变形速率也趋于稳定,仰拱施工闭合成环后,隧道变形趋于稳定。表明所采用的施工方法是行之有效的。6 结语
部台阶开挖错开2m,及时施作初期支护。
(4)上、中、下台阶预留核心土开挖:核心土开挖每次开挖50cm,严禁盲目开挖,造成掌子面失稳。(5)隧底(仰拱)施工:下台阶开挖10m后,对仰拱进行开挖,仰拱开挖每循环3m,施作初期支护后,再开挖3m并施作初期支护,两个循环施做一次仰拱,同时仰拱填充紧跟仰拱施工。
(6)二衬施工:为确保浅埋段不坍塌,二衬紧跟仰拱施工,只留115个钢筋台架位置。5 施工效果
首阳山隧道在通过浅埋、富水Ⅵ级围岩段施工中
采用了地表预注浆、密集小管超前支护、三台阶分部开挖法施工,达到了预期目的,保证了施工安全和工程质量。小导管注浆质量,是顺利开挖的关键,而严格控制开挖进尺,则对维护隧道整体稳定性极为重要。参考文献:
[1] 中铁第一勘测设计院集团有限公司.铁路工程地质手册[M].北
浅埋段于2009年9月30日开始施工,至10月29日开挖完成,仰拱、二次衬砌也已施工完成,通过现场
施工情况和监控量测资料分析,施工取得了预期效果。
(1)通过对喷射混凝土层表面观察,虽然表面湿渍较多,但没有出现股状涌水和线性滴漏现象,表明注浆起到了明显的防水加固效果。
京:中国铁道出版社,2007.
[2] 经规标准[2007]119号,铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工
作业指南[S].
[3] TZ204—2008,铁路隧道工程施工技术指南[S].
[4] TB10417—2003,铁路隧道工程施工施工质量验收标准[S].
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