隧道双层支护双层衬砌试验段施工技术
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摘要 兰渝铁路兰广段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，尤其是强烈的挤压构造作用，地质构造十分复杂，地应力状态属高―极高。受多期强烈变形和极低级变质作用改造以及构造、断层、高地应力、地下水等多种因素的影响，形成软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂等，在国内外是罕见的，是特殊环境的特殊地质问题。本文以兰渝铁路两水隧道双层支护双层衬砌试验段在隧道施工中的应用，总结出隧道双层支护双层衬砌施工方法和实验结论。
关键词 隧道 双层支护双层衬砌 试验段 施工技术
中图分类号：TU74文献标识码：A
1 前言
2011年5、11月分别召开的兰渝铁路特殊地质隧道变形控制技术研讨会上，与会专家认为：“兰渝线兰广段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，尤其是强烈的挤压构造作用。地质构造十分复杂，地应力状态属高―极高。受多期强烈变形和极低级变质作用改造以及构造、断层、高地应力、地下水等多种因素的影响，形成软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂等，在国内外是罕见的，是特殊环境的特殊地质问题，不能采用现行的围岩分级及支护标准，需进行特殊设计”。两水隧道初支变形不稳定，二衬开裂的问题极为突出，故参建四方决定在两水隧道斜井工区重庆方向DK359+712～DK359+742、DK359+742～DK359+772开展双层支护、双层衬砌试验段专题研究。
2 工程概况
两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻，相对高差400m，隧道最大埋深346m。工程所在处位于武都山字型构造体系前弧，受多期次构造的复合，揉皱及构造节理发育，其展布与区域构造线基本一致，以近东西和北西西向为主。工点范围内未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块状，岩体破碎，完整性差。
3 施工方法
3.1 DK359+712～DK359+742段双层初支试验段支护参数
①预留变形量70cm，初次预留变形量40cm，二次预留变形量30cm。
②拱部120°范围内设φ42小导管并注水泥浆，环向间距40cm，长3.5m，搭接长度不小于1m。
③取消拱部φ22组合中空锚杆及边墙φ22砂浆锚杆；拱墙设置φ42小导管径向注浆，长4m，间距1.5×1.5m。
④第一层初期支护：全环设H175型钢钢架，间距0.5m，全环喷C25混凝土，厚度30cm，拱墙设置双层φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm。采用R32N自进式锚杆锁脚，每榀4处8根，长6m。连接垫板尺寸为22cm×22cm，采用M30×70高强螺栓，钢架拱部采用工16型钢连接，起拱线以下采用内外双层φ22 螺纹钢筋，环向间距1.0m，每榀拱架两侧边墙大跨范围内各增设3根R32N自进式锚杆，对拱架进行锁固，长9m。
⑤第二层初期支护：拱墙喷C25混凝土，厚度20cm；拱墙设I18型钢钢架，间距1.0m，采用φ22砂浆锚杆锁脚，每榀4处8根，长1.5m。连接垫板尺寸为20cm×20cm，采用M20×70高强螺栓，拱墙设置单层φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm，采用φ22 螺纹钢筋纵向连接，环向间距1.0m。
⑥二次衬砌采用C35钢筋混凝土，仰拱厚度为70cm,拱墙厚度为60cm，环向主筋为φ22，间隔双筋成束布置，间距为20cm；纵向钢筋为φ14，间距为20cm，箍筋为φ8。
⑦按要求布设压力和应力试验元件。
3.2 DK359+742～DK359+772段双层衬砌试验段支护参数
①预留变形量70cm。
②超前支护：拱部120°设φ42注浆小导管，长3.5m，环向间距40cm，搭接长度不小于1m，纵向间距2m。
③拱墙设置φ42小导管径向注浆，长4m，间距1.5×1.5m，取消拱墙系统锚杆。
④初期支护：全环设H175型钢钢架，间距0.5m，全环喷C25混凝土，厚度30cm，拱墙设置双层φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm。采用R32N自进式锚杆锁脚，每榀4处8根，长6m。连接垫板尺寸为22cm×22cm，采用M30×70高强螺栓，钢架拱部采用工16型钢连接，起拱线以下采用内外双层φ22 螺纹钢筋，环向间距1.0m，每榀拱架两侧边墙大跨范围内各增设3根R32N自进式锚杆，对拱架进行锁固，长9m。
⑤第一层衬砌：采用C35钢筋混凝土，厚50cm。环向主筋为φ22，间隔双筋布置，间距为20cm，纵向钢筋为φ14，间距为20cm，箍筋为φ8。
⑥第二层衬砌：采用C35钢筋混凝土，厚30cm，仰拱与第一层二次衬砌一起施做，环向主筋为φ20，间距为25cm，纵向钢筋为φ14，间距为25cm，箍筋为φ8。
⑦按实验大纲要求布设压力和应力试验元件。
3.3主要工序施工方法
3.3.1双层支护施工方法
①第一层初支施工
采用三台阶七步开挖法施工，预留核心土，软弱围岩施工中遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则。
a．开挖方法及流程
三台阶七步开挖法流程图
b．施工步骤及工艺
第1步：上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，注意拱脚部位初期支护厚度按设计尺寸加厚，预留核心土，核心土长度为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，开挖后立即初喷3～5cm混凝土。 开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第2、3步：左、右侧阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第4、5步：左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第6步：开挖上、中、下台阶预留核心土，各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步：开挖隧底：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成隧底开挖、初期支护循环后，及时施作仰拱及仰拱回填，仰拱分段长度一般为4～6m。为了不影响车辆进出，采用栈桥过渡方案。
②第二层初支施工
具体参数为拱墙设I18型钢钢架，间距1.0m，拱墙喷C25混凝土，厚度20cm；采用φ22砂浆锚杆锁脚，每榀4处8根，长1.5m。连接垫板尺寸为20cm×20cm，采用M20×70高强螺栓，拱墙设置单层φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm，采用φ22 螺纹钢筋纵向连接，环向间距1.0m。第一层初期支护拱墙施工完成后，利用铺挂防水板台架安装第二层初支拱架，根据情况一次安装3-4榀。
③衬砌施工
按试验大纲要求，在量测变形速率满足2mm/d的情况下方可施作二次衬砌，经现场布点观测，第二层初支和仰拱施作后围岩变形速率有明显下降，变形速率逐渐趋近于2mm/d但仍不能全部满足，为防止时间过长导致初支开裂侵限，在向兰渝公司及设计院请示后，按设计参数及工艺要求施作了二衬砼。
3.3.2双层衬砌施工方法
①初期支护按照双层支护第一层支护施工方法进行施工。
②仰拱施做按第二层仰拱随第一层仰拱一起施做，按设计要求绑扎好四层仰拱钢筋。
仰拱钢筋接头布置示意图
③第一层二衬施工
根据试验要求，第一层衬砌在仰拱封闭后20～30m范围内及时施作，不受初期变形稳定的限制。因为第一层衬砌断面与原设计断面相比半径增加了30cm，原衬砌台车不能使用，为此重新采购一部衬砌台车（第一层衬砌台车示意图），在洞内用吊车拼装，于2013年1月12日完成台车组装， 2013年1月15日开始二衬浇筑，至2013年3月10日完成第一层二衬的浇筑。
第一层衬砌台车示意图
④第二层二衬施工
根据试验要求，第二层衬砌在初期支护和第一层二次衬砌受力趋于稳定后施作，根据结构受力现场量测数据，初期支护和第一层二次衬砌混凝土应力和钢筋应力在第一层二次衬砌施作1个月后基本趋于稳定，施作第二层二次衬砌。
4实验过程及量测数据
4.1 双层支护试验段(DK359+712～DK359+742)
变形量测共布置6个量测断面，分别设在DK359+715、DK359+720、DK359+725、DK359+730、DK359+735、DK359+740，每个断面设1个拱顶下沉测点，2条水平收敛测线。
支护压力应力测点设在DK359+735断面，共9个量测项目。第一层初期支护层量测围岩压力、喷层应力和钢架应力；第二层初期支护层量测接触压力、喷层应力；二次衬砌层量测接触压力、混凝土应力、内侧钢筋应力及外侧钢筋应力。根据设计情况，每个量测项目分别设9-10个测点。
4.2 双层衬砌试验段(DK359+742～DK359+772)
变形量测共布置6个量测断面，分别设在DK359+745、DK359+750、DK359+755、DK359+760、DK359+765、DK359+770，每个断面设1个拱顶下沉测点，2条水平收敛测线。
支护压力应力测点设在DK359+766断面，共8个量测项目。初期支护层量测围岩压力、喷层应力和钢架应力；第一层二次衬砌层量测接触压力及外侧钢筋应力；第二层二次衬砌层量测接触压力、混凝土应力及内侧钢筋应力。根据设计情况，每个量测项目分别设9-10个测点。
(1)量测元件准备
(2)压力盒支架和余线保护箱准备
(3)变形测点
(4)钢架应力
(5)初期支护压力盒埋设
(6)双层支护间接触压力
(7)二次衬砌接触压力及钢筋应力
(8)土工布包裹及排水管保护
(9)排水管及余线保护盒
(10)初期支护余线保护盒
(11)第一层衬砌前余线保护管
(12)第二层衬砌前余线保护管
(13)二次衬砌引出测线
4.3 双层支护试验断面DK359+735支护压力应力量测数据（见附表一）
4.4双层衬砌试验断面DK359+766支护压力应力量测数据（见附表二）
5 实验结果分析
5.1双层支护试验结果分析
双层支护试验段处于极高地应力软岩区段，隧道变形具有软岩大变形隧道的全部变形基本特征。双层支护试验段最大拱顶下沉728.8mm，最大拱脚水平收敛649.7mm；平均拱顶下沉674.9mm，最大拱脚水平收敛550.5mm；最大下沉速率达34.5mm/d，最大收敛速度达30.6mm/d。
现场监控量测结果表明，第一层支护按三台阶预留核心土法施工，第二层拱墙支护一次性施作的双层支护试验段的喷混凝土、钢架、二次衬砌混凝土及二次衬砌钢架工作状态良好，初期支护和二次衬砌均未出现开裂、掉块等现象，隧道结构稳定。
5.2双层衬砌试验结果分析
双层衬砌试验段处于极高地应力软岩区段，隧道变形具有软岩大变形隧道的全部变形基本特征。双层衬砌试验段最大拱顶下沉832.2mm，最大拱脚水平收敛884.5mm；平均拱顶下沉754.9mm，平均拱脚水平收敛804.5mm；最大下沉速率达30.3mm/d，最大收敛速度达34.6mm/d。
现场监控量测结果表明，初期支护、第一层二次衬砌和第二层二次衬砌实测混凝土应力、钢架应力及钢筋应力均未超过材料的容许应力，混凝土、钢架及二衬钢筋工作状态良好，初期支护和二次衬砌均未出现开裂、掉块等现象，隧道结构稳定。
6结论
根据试验段施工工法及监控量测数据表明：（1）软岩大变形隧道双层初期支护、双层衬砌能够达到控制变形的目的，保证结构的安全性。（2）采用设计参数施工，隧道围岩应力变化对双层初期支护系统的影响，满足初次预留变形量40cm，二次预留变形量30cm；隧道围岩应力变化对双层衬砌系统的影响，满足预留变形量70cm。（3）通过施工双层初期支护系统，双层初期支护系统受围岩应力大变形挤压作用后，施工衬砌前变形速率趋近于2mm/d，达到设计规范要求。（4）双层支护试验段第二层初期支护在仰拱开挖支护前一次施作，可以及时弥补软岩大变形隧道初期支护刚度而引起的变形持续发展长期不能稳定的现象，二次衬砌在第二层初期支护变形速率在2mm/d以下时施作，二次衬砌结构安全性满足设计要求；双层衬砌试验段第一层二次衬砌在仰拱开挖支护后20-30m范围内及时施作，第二层二次衬砌在初期支护和二次衬砌受力稳定后(第一层二次衬砌施作约30天后)施作，二次衬砌结构安全性满足设计要求。（5）通过兰渝铁路两水隧道双层初支、双层衬砌的施工，总结了一套大变形软岩地质隧道双层初支、双层衬砌的施工技术和施工工艺，为今后大变形软岩地质隧道项目施工起到借鉴和指导作用，从而达到降低施工安全风险、提高工程质量、提高经济效益。（6）通过对兰渝铁路两水隧道双层初支、双层衬砌的施工技术研究，对全方位占领普通隧道及大变形软岩地质隧道建筑方面有着不可估计的潜在市场效益。
参考文献
〔1〕TB10121-2007 中国铁道出版社 2007 北京
〔2〕经规标准 [2007]119号 中国铁道出版社 2009年 北京
〔3〕铁建设[2008]105号 中国铁道出版社 2008年 北京
作者简介：朱增耀（1968出生，籍贯：陕西省富平县），男，高级工程师。毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业,参加工作时间1990年7月。
王成刚（1985出生，籍贯：陕西省礼泉县），男，工程师。毕业于陕西铁路工程职业技术学院铁道工程专业,参加工作时间2007年7月。
附表一：DK359+735断面支护及衬砌压力应力量测结果汇总表(MPa)
量测项目 不同部位量测结果 统计结果
拱顶 左拱腰 左拱脚 左墙腰 左墙脚 右拱腰 右拱脚 右墙腰 右墙脚 仰拱 最大 平均
第一层围岩压力 0.259* 0.846 0.563 0.218 0.068 0.127 0.346 0.269 * 0.200 0.846 0.322
第一层喷层应力 2.58 7.23 4.91 0.15 0.29 0.16 -0.08 2.11 0.53 11.42 11.42 2.93
第一层钢架应力 72.53 63.75 39.61 22.82 30.24 68.81 27.24 8.38 37.9 73.79 73.79 44.51
两层间接触压力 0.333 0.043 0.179 0.020 0.081 0.750 0.005 0.062 0.045 - 0.750 0.171
第二层喷层应力 7.23 7.27 4.33 2.35 0.86 5.1 12.14 1.37 0.02 - 12.14 4.52
二衬接触压力 0.060 0.015 0.064 0.306 0.072 0.157 0.028 0.353 0.452 0.194 0.452 0.167
二衬混凝土应力 2.63 2.34 2.73 1.45* 0.51 3.51 1.39 * 2.12 2.37 3.51 2.12
二衬内侧钢筋应力 24.09 33.39 36.84 25.88 43.88 43.24 55.75 45.75 33.47 11.1 55.75 35.34
二衬外侧钢筋应力 26.65* 3.67 28.53 38.42 * 38.56 21.83 34.66 26.37 29.97 38.56 27.63
附表二：DK359+766断面支护及衬砌压力应力量测结果汇总表(MPa)
量测项目 不同部位量测结果 统计结果
拱顶 左拱腰 左拱脚 左墙腰 左墙脚 右拱腰 右拱脚 右墙腰 右墙脚 仰拱 最大 平均
初期支护围岩压力 0.122 0.054 0.063 0.713 0.165 0.079 0.057 0.299 0.029 0.867 0.867 0.301
初期支护喷层应力 0.69 9.96 0.32 0.16 5.54 1.27 0.43 -2.27 -1.80 0.95 9.96 2.29
初期支护钢架应力 -1.10* 31.78* 63.61 42.54 29.28 8.91 47.73 2.08 14.84 13.44 63.61 28.79
第一层二衬接触压力 0.070 0.029 0.036 0.328 0.044 0.077 0.043 0.006 0.013 0.068 0.328 0.095
第一层二衬钢筋应力(外) 6.74 17.76 14.33 21.61 17.43 14.88 13.86* * 13.06 94.98 94.98 30.96
第二层二衬接触压力 0.028 0.022 0.066 0.013 0.055 0.006 0.060 0.007 0.008 0.066 0.033
第二层二衬混凝土应力 0.59 0.89 0.71 * * 1.25 * 0.67 1.96 1.96 1.15
第二层二衬钢筋应力(内) 31.05 9.74 13.84* 22.47 32.77 8.04 5.49 17.44 22.04 27.22 32.77 20.26