浏阳河隧道穿越风化槽谷施工技术
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摘要:武广客运专线浏阳河隧道全长10.1km,为我国首条穿越地下城区的特长特大客运专线铁路隧道,暗挖洞身段采用三竖井一斜井的施工方法。本文通过浏阳河隧道2#竖井穿越风化槽谷的施工方法、超前地质预报、监控量测等综合施工技术进行了详细阐述,并提出了一些关键意见,以供类似工程参考。
关键词:风化槽谷 动态分部台阶法
中图分类号:U455.4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0047-03
1 工程概况
武广客运专线浏阳河隧道全长10115m,施工里程为DK1560+785～DK1570+900,其中暗洞段长9935m,全隧道共设置三座竖井及一座斜井。其中2#竖井施工里程为DK1564+232～DK1565+743,施工长度1511m,全部为暗挖施工,该段隧道埋深为40m～50m,围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级。洞身暗段隧道穿越地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等Ⅳ级至Ⅴ级软弱围岩:地表上方原为凹地、水塘进行回填,人工填土厚度达8m～12m深不等,地层含水量丰富。隧道洞身主要穿越K2d2、K1d2强至弱风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩,夹薄层石膏和泥灰岩,岩体完整性差,均为软岩,易风化、软化。且岩溶较为发育,岩层破碎,节理发育不均,裂隙水发育,岩层风化极不均匀。
在2#竖井广州端300m处DK1565+120 ～DK1565+250段出现风化槽谷,强风化最大深度达53.6m,已深入至隧道开挖底部。
2 施工难点
(1)地质条件差,隧道穿越地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等五级至六级软弱围岩,且风化不均匀,地下水丰富,开挖断面大,施工中容易失稳,隧道沉降变形难于控制;(2)地表上方为水塘洼地回填,回填土深度8m～12m,现已开发为长沙市隆平高科技园区,隧道沉降过大容易引起地表结构物变形或破坏。建筑物为结构厂房和办公楼等大型建筑群,地表地基二次加固困难;(3)受地形和建筑物影响,前期地质勘探钻孔选位困难,设计地质勘测资料存在一定的不确定性;(4)2#竖井广州端任务923m,为浏阳河隧道单口掘进任务最长的竖井,工期十分紧迫。
3 过风化槽谷段施工技术
3.1 施工原则
(1)超前地质预报先行。为了掌握工作面前方的地质变化,开挖前对工作面前方的地质情况进行了探测,根据地质的变化情况调整支护参数,确保施工始终处于受控状态。
(2)以量测资料进行反馈指导施工。考虑到该段隧道围岩严重风化、地下水发育及地表上方存在大型建筑的特点,采用较强的初期支护;在围岩变形稳定以后,进行二次模筑衬砌,坚持以量测资料进行反馈指导施工。
(3)先注浆,后开挖。“先注浆,后开挖,注浆一段,开挖一段,封闭一段”的原则。
(4)“十八字”施工原则。施工采用“管超前、严注浆、短进尺、早封闭、强支护、勤量测”十八字原则。
3.2 施工方案比选
为了确保施工安全,保证隧道结构稳定及地表建筑物安全,前期曾提出如下几种施工方案。
3.2.1 双侧壁导坑法
(1)双侧壁导坑法主要设计参数。主要设计支护参数:超前支护采用φ108长管棚套打φ42小导管超前注浆加固前方土体,环向间距40cm;初支钢架采用Ⅰ20工字钢,C25喷射砼,拱部采用Φ25中空锚杆、边墙采用Φ22砂浆锚杆,环向间距1m布置,并增设Φ50锁脚导管组成初支系统锚杆进行加固。中隔壁及临时仰拱采用Ⅰ18工字钢喷射C20混凝土组成临时支护系统。
(2)双侧壁导坑法主要施工步骤。双侧壁导坑工法的主要施工步骤如图1所示。①开挖与支护左侧导坑上部,安装初支Ⅰ20工字钢架及中隔壁和临时仰拱Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;②开挖与支护左侧导坑下部,安装初支Ⅰ20工字钢架及中隔壁Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;③开挖与支护右侧导坑上部,安装初支Ⅰ20工字钢架及中隔壁和临时仰拱Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;④开挖与支护右侧导坑下部,安装初支Ⅰ20工字钢架及中隔壁Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;⑤开挖与支护中间导坑上部;⑥开挖与支护中间导坑中部,安装临时仰拱Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;⑦开挖与支护中间导坑下部,安装初支Ⅰ20工字钢架及中隔壁和临时仰拱Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;⑧拆除临时支撑;⑨施作仰拱回填;⑩施作二次衬砌。
(3)操作要点。①1、2、3、4、5、6、7步开挖步骤均按短台阶法进行支护,每步错开3～5m,及时安装初支钢架和临时中隔壁及临时工字钢仰并喷射砼,快速封闭。②开挖必须坚持短进尺、弱爆破,每次循环进尺一榀钢架间距。③仰拱衬砌及填充施作时,临时支护一次拆除长度应控制在8m～10m以内,并加强监控量测,必要时须减短一次拆除长度,以确保隧道初支稳定。
3.2.2三台阶临时仰拱法
(1)三台阶临时仰拱法主要设计参数。主要设计支护参数:超前支护采用φ108长管棚套打φ42小导管超前注浆加固前方土体,环向间距40cm;初支钢架采用Ⅰ20工字钢,C25喷射砼,拱部采用Φ25中空锚杆、边墙采用Φ22砂浆锚杆,环向间距1m布置,并增设Φ50锁脚导管组成初支系统锚杆进行加固。上台阶临时仰拱采用Ⅰ18工字钢喷射C20混凝土,阶仰拱采用喷射10cm厚C20砼封闭组成临时支护系统。
(2)三台阶临时仰拱法主要施工步骤。三台阶临时仰拱法的主要施工步骤如图2所示。①开挖与支护上台阶初支,安装初支Ⅰ20工字钢架及上台阶临时仰拱Ⅰ18工字钢并喷射砼封闭;③开挖与支护下台阶;④施作仰拱回填;⑤施作二次衬砌。
(3)操作要点。①1、2、3步开挖步骤均按短台阶法进行支护,上台阶长度应控制在3m～5m,阶根据围岩地质状况应控制在8m～10m并及时安装初支钢架和临时工字钢仰并喷射砼,快速封闭。②开挖必须坚持短进尺、弱爆破,减少对围岩及初支的扰动。③仰拱衬砌及填充施及时紧跟。
3.2.3 动态分部台阶法
(1)动态分部台阶法主要设计参数。主要设计支护参数:超前支护采用φ108长管棚套打φ42小导管超前注浆加固前方土体,环向间距40cm;初支钢架采用Ⅰ20工字钢,C25喷射砼,拱部采用Φ25中空锚杆、边墙采用Φ22砂浆锚杆,环向间距1m布置,并增设Φ50锁脚导管组成初支系统锚杆进行加固。上、阶临时仰拱采用Ⅰ18工字钢喷射C20混凝土,并视围岩的软硬状况和沉降收敛量测信息分别加设上台阶、阶中隔壁组成临时支护系统。
(2)动态分部台阶法主要施工步骤。动态分部台阶法根据隧道的监控量测信息、开挖面范围内围岩的稳定程度可以分为以下两种情况。
情况一:隧道上台阶围岩软弱,而中下台阶围岩较硬。
该情况下,隧道的开挖方法如图3所示,即用中隔墙将在上台阶分成左右2部分,开挖步骤如下。
①开挖1部台阶,初喷砼封闭掌子面。施作1部洞身结构的初期支护和临时支护,安设锁脚锚杆,锁脚锚杆要求与钢架用Φ22钢筋L形焊接,每榀2根。
②跟进开挖支护2部,步骤同1部。
③开挖3部,安装钢架,钻设锚杆,锚杆要求L型焊接在钢架上。喷射混凝土至设计厚度。
④开挖4部,及时封闭初期支护。
施工要点:①若上台阶围岩不能自稳,又特别软弱,可以在1部和2部采用环形预留核心土法进行开挖。②上台阶和阶的临时仰拱视围岩的稳定情况进行设置,若较好,可以不设临时仰拱,否则要设置。③上台阶中隔墙一次拆除的长度不能过长。
情况二:隧道上、阶围岩软弱。
该情况下,隧道的开挖方法如图4所示,即用中隔墙将在上、阶分成左右4部分。
①开挖1部台阶,初喷砼封闭掌子面。施作1部洞身结构的初期支护和临时支护,安设锁脚锚杆,锁脚锚杆要求与钢架用Φ22钢筋L形焊接,每榀2根。
②跟进开挖支护2部,步骤同1部。
③开挖支护3部,步骤同1部。
④开挖支护4部,步骤同1部。
⑤开挖支护5部,及时封闭初期支护。
施工要点:①若上台阶围岩不能自稳,又特别软弱,可以在1部和2部采用环形预留核心土法进行开挖。②上台阶和阶各部的临时仰拱视围岩的稳定情况进行设置,若较好,可以不设临时仰拱,否则要设置。③阶的中隔墙可以和上台阶的保持一样,即为工字钢;也可以保留中间岩柱。
3.2.4 三种施工方案比较
(1)安全性比较。经过对开挖过程数值模拟分析,双侧壁导坑法施工很安全;三台阶法在围岩强度发生变化时施工存在风险,在地下水较丰富时可能引起较大沉降,隧道变形难于控制;动态分部台阶法,根据地质变化条件,通过采取增加临时仰拱和中墙,加大初支钢架和喷射砼厚度等措施,施工安全能得到有效保证。
(2)施工技术难度。双侧壁导坑法施工工序复杂,不同工序转换很难,在进、出软弱围岩地段工法转换十分困难,施工技术要求高,难度大;三台阶法施工工序简单,无施工工法转换,技术难度低;动态分部台阶法施工工序较少,不同工序转换容易,在进、出软弱围岩地段工法转换简单,施工技术难度中等。
(3)工程造价比较。三台阶法不需增加临时措施费用,双侧壁导坑法临时支护每米增加造价2.4万元,动态分部台阶法临时支护每米增加造价1.3万元。
(4)综合进度指标。Ⅳ级围岩地段三台阶法开挖支护平均日进度为2.1m/d。采用双侧壁导坑法开挖支护平均日进度为0.5m/d,穿越130m风化槽工期为260d。动态分部台阶法开挖支护平均日进度为1m/d,穿越130m风化槽工期为130d。
(5)对地表建筑的影响。①三台阶法开挖,一次开挖面积大,弱爆破开挖对地表建筑的振动较大,且初支封闭时间长,隧道拱顶沉降、变形难于控制。②双侧壁导坑法全断面共分7步进行开挖,开挖断面小,采用弱爆破或人工进行开挖,支护封闭成环早,对地表建筑基本无影响,隧道拱顶沉降、变形小。③动态分部台阶法,根据围岩的软弱程度和监控量测信息,实时的增加临时仰拱和竖向中墙,并采取加大初支型钢钢架和增加喷射砼厚度等措施,能有效保证地表建筑安全和控制隧道沉降变形。三种不同施工方案比较如表1。
3.2.5 方案选择
综合经济、技术、安全、进度等各方面的因素,结合2#竖井广州端任务923m,为浏阳河隧道单口掘进任务最长竖井的实际情况,为了加快隧道穿越风化槽谷施工进度,保证施工安全,同时节约成本,最终选择了如下方案。
(1)采取TSP、40m超前水平钻孔取芯、红外探水等对隧道围岩地质状况进行中长短距离全方位的超前探测,及时推断出隧道掌子面前方的地层岩性、含水量等地质情况来指导施工。
(2)加强监控量测工作,监测频率调整至一日两次,及时分析隧道初支拱顶下沉、收敛情况来指导施工。
(3)以动态分部台阶法主选施工方案,充分利用该工法工序较为简单,拆除临时护少,在围岩地质变化地段工法转换快的特点,加快仰拱施工进度,拱墙衬砌同步紧跟。
(4)以上台阶深孔注浆为施工预案,如果超前地质预报显示掌子面前方地质情况有变或是含水量较大,或初支拱顶及收敛速率较大,则立即封闭掌子面采用深孔注浆加固周边围岩。
4 实施与效果
根据选定的以动态分部台阶法为主选施工方案,我们组织了施工。施工过程中加强了超前地质预报和隧道洞内外的监控量测变形,及时判断和调整隧道支护参数,取得良好的效果。
主要采取的超前地质预报和监控量测技术措施如下。
(1)中、长距离地质控制预报,主要采用地质分析法,结合TSP200探测前方100m～150m范围围岩状况。
(2)短距离地质控制预报,采用超前水平钻孔进行预报。专门配备1台水平地质钻机,在上台阶掌子面钻孔取芯,一次取芯长度为40m。一般地段取孔3个,拱顶和两侧拱腰各1个。开挖时每隔5m做好掌子面地质描述,并做好围岩观察记录和分析。当围岩发生变化或围岩强度下降时,每开挖一次,记录分析一次(如图5)。
(3)采用精密电子水准仪、高精度全站仪无尺量测系统对初支拱顶下沉、收敛及地表沉降、建筑等进行了适时监控,掌握围岩的变形和稳定情况(如图6,图7)。
2008年4月底2#竖井广州端安全、顺利的穿过风化槽谷,在整个风化槽谷施工过程中,取得了日平均进尺1.2m/d的较好成绩。在DK1565+180～+200围岩风化最严重地段,初支完成后最大隧道拱顶累计沉降量为35mm,最大收敛值为8.2mm,通过以上数据说明采用动态分部台阶法过风化槽谷施工方案是成功的,保证了隧道及地表建筑物的安全。