單線隧道雙層套拱支護施工技術(shù)淺析

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摘要:為解決單線鐵路隧道初期支護結(jié)構(gòu)施工后所遇到的大變形問題，以麗香鐵路中義隧道施工為例，對其變形規(guī)律進行統(tǒng)計分析，并通過分析數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計文件及相關(guān)的施工經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，制定了切實可行的施工方案，從而有效控制初期支護變形。

關(guān)鍵詞:單線隧道;初期支護變形;雙層套拱

1概述

麗香鐵路中義隧道位于新建鐵路麗江至香格里拉線新尚站—虎跳峽站區(qū)間，隧道穿越主要地層巖性為三疊系(Tβ)片理化玄武巖;二疊系虎跳澗區(qū)(Pβ)玄武巖夾凝灰?guī)r、下統(tǒng)(P1)大理巖及石炭系(C)大理巖。本區(qū)屬玉龍雪山強烈隆起區(qū)，隧道址區(qū)發(fā)育5條斷裂構(gòu)造，均與隧道傍行，其中沖江河活動斷裂，隧道址區(qū)金沙江河谷深切，玉龍雪山強烈隆起，新構(gòu)造運動強烈、構(gòu)造應(yīng)力集中度高、多期巖漿侵入導(dǎo)致區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖體普遍發(fā)生變質(zhì)，完整性差，并且結(jié)構(gòu)面常有綠泥石、蒙脫石等蝕變礦物富集，極大弱化了巖體的強度，造成正常巖體中分布有透鏡狀軟弱夾層。加之受褶皺、斷裂及巖漿侵入活動的影響，巖層扭曲變形嚴(yán)重，層間結(jié)合性差，多有分離現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面強度處于殘余狀態(tài)。巖體完整性遭受嚴(yán)重的破壞，結(jié)構(gòu)松散破碎。中義隧道在施工過程中受高地應(yīng)力影響，初支支護施工后發(fā)生大變形，變形數(shù)據(jù)較大，現(xiàn)場根據(jù)變形規(guī)律進行統(tǒng)計分析，分析數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計文件及相關(guān)的施工經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，采取不同的施工措施，才能有效控制初期支護變形。

2工程概況

新建鐵路麗江至香格里拉中義隧道全長14745m，為時速為120km/h客貨共線電氣化鐵路隧道。隧道洞身最大埋深約1240m，最小埋深約37m。全隧道共設(shè)有2座橫洞，1座平導(dǎo)。其中1號橫洞全長193m，采用單車道無軌運輸。2號橫洞全長460m，采用雙車道無軌運輸。出口平導(dǎo)長6095．27m，其中洞口段238m采用雙車道無軌運輸，其余段落采用單車道無軌運輸［1］。

3原設(shè)計支護參數(shù)與現(xiàn)場采取的實際參數(shù)

3．1原設(shè)計參數(shù)

大變形ⅡA型斷面施工支護設(shè)計參數(shù)見表1。

3．2實際支護參數(shù)

目前中義隧道2號橫洞大里程方向?qū)嶋H采用支護參數(shù)為:全環(huán)設(shè)H175型鋼架加強支護，鋼架縱向間距0．6m，噴混凝土厚度27cm。鋼架間增設(shè)縱向Ⅰ14工字鋼連接，每環(huán)7根，鎖腳錨管28根/榀(分別設(shè)置于每榀拱架B單元拱腳4根，共8根(上臺階)、C單元拱腳4根，共8根(中臺階)、D單元拱腳4根，共8根(下臺階)，仰拱初支E單元腰部2根，共4根)，4m/根。型鋼鋼架B，C，D單元增設(shè)尺寸為46cm×20cm×1．6cm的鎖腳固定鋼板，鋼板沖孔用于固定鎖腳錨管，B單元拱腳增設(shè)2塊，C單元拱腳增設(shè)1塊，D單元拱腳增設(shè)1塊，每榀拱架共計增設(shè)8塊。為防止拱腰部位(B單元區(qū)域)混凝土剝殼掉塊，在此區(qū)域拱架內(nèi)外鋪設(shè)雙層φ8mm鋼筋網(wǎng)片。為防止掌子面開挖后發(fā)生溜坍，開挖后立即進行噴混凝土封閉，噴混凝土厚度15cm。拱部采用設(shè)φ42mm小導(dǎo)管超前支護，每根長3．0m，環(huán)向間距0．3m，縱向間距1．5m，每環(huán)29根。

4初期支護變形的階段

4．1初期支護發(fā)展第一階段

施工隨著隧道埋深的加大(剛開始變形時埋深380m，后面埋深約730m)，掌子面圍巖變化頻繁，高地應(yīng)力圍巖變形引起初支變形侵限的情況越來越嚴(yán)重，采取大變形ⅡA襯砌斷面及加強措施也未能控制變形，換拱頻率持續(xù)增高，特別在DK42+610～DK42+658段(長48m)初支變形換拱達(dá)2次后依然繼續(xù)變形侵限，該段采用套拱加固，該段已施作的仰拱及填充多處出現(xiàn)環(huán)向裂縫，且裂縫還在繼續(xù)發(fā)展，仰拱填充面有明顯隆起跡象。該階段施工工法采用兩臺階施工，采用支護參數(shù)均為全環(huán)設(shè)置Ⅰ20b工字鋼，縱向間距0．8m，變形預(yù)留量40cm，變形后采取了徑向注漿加固措施。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示該階段收斂變形速率平均在50mm/d，平均收斂變形達(dá)570mm，最大收斂為1010mm，收斂變形速率達(dá)70mm/d。

4．2初期支護發(fā)展第二階段

掌子面埋深約750m，施工工法由兩臺階轉(zhuǎn)換為三臺階施工，支護參數(shù)采用Ⅰ22b工字鋼加工拱架，縱向間距0．6m;變形預(yù)留量拱部50cm，邊墻到拱腰60cm，環(huán)向增加7道工字鋼進行縱向連接，在設(shè)計基礎(chǔ)上增加了鎖腳錨管及徑向注漿措施，對拱架弧度進行優(yōu)化，增加上、中臺階拱架腳處的預(yù)留變形量15cm。噴混凝土開裂裂縫寬度達(dá)到15cm～20cm，縱向變形、開裂長度約10m，線左最大變形83cm，侵限達(dá)43cm，現(xiàn)場立即暫停掌子面施工，拱頂最大變形55cm，線路左側(cè)邊墻最大變形為此對此段采取全環(huán)換拱，期間及時施作初支成環(huán)及仰拱、二襯。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示該段階段收斂變形速率平均在50mm/d，平均收斂變形達(dá)450mm，最大收斂變形達(dá)783mm，最大收斂變形速率達(dá)75mm/d。

4．3初支變形發(fā)展第三階段

目前掌子面埋深約770m，圍巖為粉末狀玄武巖，穩(wěn)定性極差，滑塌現(xiàn)象頻發(fā);支護參數(shù)采用H175型鋼加工拱架，縱向間距0．6m，變形預(yù)留量50cm，環(huán)向增加了7道工字鋼進行縱向連接，在設(shè)計基礎(chǔ)上增加了鎖腳錨管及徑向注漿措施。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示該段收斂變形速率平均在55mm/d，平均收斂變形達(dá)550mm，最大收斂變形達(dá)853mm，侵限353mm，最大收斂變形速率達(dá)112mm/d;特別在中臺階處位置，初支拱架出現(xiàn)扭曲、擠斷、重疊等變形情況嚴(yán)重，該段大部分拱腰位置初支已侵限需要進行換拱處理，特別在中臺階左側(cè)初期支護已變形突出非常嚴(yán)重，有片幫現(xiàn)象，在還沒有施工下臺階的情況下中臺階就已經(jīng)發(fā)生變形侵限，為保證施工安全，暫停掌子面施工，進行換拱施工。

5隧道變形段控制調(diào)整總體施工方案

5．1總體施工方案

為有效控制變形在原討論的雙層支護方案的基礎(chǔ)上增加了緩沖層措施，達(dá)到“先放后抗”的目的。1)斷面優(yōu)化:進一步優(yōu)化斷面，加大曲率，增加凈空30cm，為補強措施進一步預(yù)留空間，同時也為將來運營、維護提供便利。2)雙層支護總體方案:全環(huán)設(shè)置雙層拱架初期支護，第一層采用H175型鋼，預(yù)留變形量40cm，第二層采用Ⅰ20b型鋼，預(yù)留變形量40cm，從中臺階開始與第一層拱架同時施工，第二層拱架與第一層鋼架錯開布置。3)先放后抗措施:a．考慮釋放應(yīng)力，在第一層拱架外側(cè)設(shè)置一層10cm～30cm厚緩沖層;b．第一層拱架拱頂連接部位增加拱架限阻器，達(dá)到減小拱架變形破壞的目的。4)開挖方法:采用非爆開挖，改用大功率銑挖機;按三臺階法、仰拱滯后單獨開挖及支護法施工，仰拱初支滯后30m封閉成環(huán)。5)鋼纖維噴射混凝土:為防止隧道變形初支掉塊傷人，提高噴射混凝土的抗拉性能，噴射混凝土采用鋼纖維噴射混凝土。6)二襯結(jié)構(gòu)保護措施:為防止初支變形損壞二襯混凝土結(jié)構(gòu)，在初支與二襯之間加設(shè)一層5cm緩沖層。

5．2施工參數(shù)

1)第一層初支鋼架采取H175型鋼架，鋼架間距0．8m，噴射混凝土厚度25cm，預(yù)留變形量為40cm，超前小導(dǎo)管采用φ42mm鋼管，單根長為3m，環(huán)向間距0．4m;在中臺階進行第二層支護施工，第二層支護采取Ⅰ20b型鋼架進行支護，鋼架間距0．8m，與第一層支護型鋼鋼架間隔錯開布置，噴射混凝土厚度27cm，預(yù)留變形量為40cm。2)初支緩沖層材料采用高密度泡沫板(抗壓強度300kPa)，設(shè)置部位在邊墻至拱腰之間(具體布置位置見圖1);該措施主要針對圍巖應(yīng)力釋放變形時，先讓該緩沖層受力，避免初期支護直接受力，起到初期支護受力開始時間延后，隔離作用，減少初支收斂變形和破壞。在初期支護變形趨于穩(wěn)定之后，對初期支護進行無損檢測及鉆孔探測，檢查初支背后是否存在空腔，對未完全擠壓部位的空腔進行注漿填充處理，注漿材料中加絮凝劑，達(dá)到初支背后密實的目的。3)拱架限阻器采用14mm鋼板加工，環(huán)向?qū)挾?0cm，縱向間隔30cm設(shè)置一塊鋼板，限位器長度根據(jù)拱架間距而定;主要作用是引導(dǎo)初期支護變形部位進行轉(zhuǎn)移，讓收斂變形發(fā)生在限位器處，減少其他部位收斂變形量，同時起到釋放圍巖應(yīng)力的效果，避免初期支護結(jié)構(gòu)直接破壞;待初期支護結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定之后，對阻尼器部位補噴混凝土進行封閉。優(yōu)化措施:為防止限阻器受壓焊接的鋼板裂開，中間連接鋼板采用“U”型鋼，和兩側(cè)鋼板使用螺栓連接。4)C25噴射混凝土鋼纖維每方含量40kg。5)增設(shè)縱向連接型鋼及鎖腳錨管環(huán)等措施，加強初支整體穩(wěn)定性，并應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工及監(jiān)測變形情況，適時進行徑向注漿加固補強，在第一層及第二層初支之間存在局部超挖的采用噴射混凝土回填密實，第二層支護與襯砌間存在超挖部分則采用同標(biāo)號襯砌混凝土回填，并將實際補強措施及相關(guān)工程量及時找相關(guān)單位進行簽認(rèn)，完善動態(tài)變更施工的手續(xù)。6)監(jiān)控量測措施:監(jiān)測項目以收斂變形監(jiān)測為主，現(xiàn)場結(jié)合變形監(jiān)測結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性，并適時決定施工第二層支護，第一層支護正常布點，當(dāng)進行第二層支護施工時，則測點需進行重新埋設(shè)，埋設(shè)位置同第一層支護埋設(shè)位置相同。

6施工工藝與施工方法

6．1施工工藝流程施工工藝流程見圖2。

6．2初期支護施工

6．2．1超前小導(dǎo)管支護施工。采用風(fēng)鉆鉆孔，注漿泵注漿。小導(dǎo)管的縱向搭接長度不小于設(shè)計，嚴(yán)格控制外插角角度，外插角與線路中線方向大致平行，孔位鉆設(shè)偏差在允許誤差范圍內(nèi)。小導(dǎo)管安裝完畢后，及時注漿，注漿要飽滿，確保施工效果［2－3］。6．2．2型鋼鋼架施工。1)拱架架立前先用全站儀定出測量導(dǎo)放點，拱頂放三個點，邊墻兩邊各放一個點，拱腳位置導(dǎo)放點放于拱腳上50cm位置，導(dǎo)放點初支面與掌子面兩個點的高度必須放在同一高度誤差±1cm。2)立架過程中根據(jù)測量組點位先定拱腳高度根據(jù)測量組中線點位拉線固定鋼架。各節(jié)鋼架連接鋼板以螺栓連接，連接板應(yīng)密貼。為保證各節(jié)鋼架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，安裝前應(yīng)清除各節(jié)鋼架底腳下的虛渣及雜物。拱腳每側(cè)安設(shè)2根鎖腳錨桿將其鎖定，鎖腳錨桿應(yīng)于距拱腳30cm左右位置施作，且必須與拱架成大約30°夾角向下打設(shè)，鎖腳錨桿與拱架焊接牢固，拱部鋼架基腳處設(shè)槽鋼以增加基底承載力。3)為保證鋼拱架位置安設(shè)準(zhǔn)確，隧道開挖時在鋼架的各連接處預(yù)留連接板凹槽。初噴混凝土?xí)r，在凹槽處打入木楔，為架設(shè)鋼架留出連接板(和槽鋼)位置。4)為使鋼架準(zhǔn)確定位，架設(shè)鋼架時打設(shè)定位鋼筋進行拱架定位。6．2．3鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)在鋼構(gòu)件加工廠分片制作，安裝時搭接長度不小于一個網(wǎng)格。鋼筋網(wǎng)在錨桿施工后鋪掛，臨時固定采用沖擊鉆鉆孔，埋設(shè)土釘?shù)姆绞竭M行臨時固定，隨初噴面的起伏鋪設(shè)，與初噴面密貼，鋼筋網(wǎng)與錨桿連接要牢固，噴射混凝土?xí)r不晃動，搭接采用扎絲綁扎或電焊焊接。6．2．4錨桿施工。鉆孔前在初噴面上根據(jù)設(shè)計圖紙標(biāo)出每根錨桿的位置，采用風(fēng)動鑿巖機成孔;按照設(shè)計間距布孔;鉆孔方向盡可能垂直結(jié)構(gòu)面或初噴混凝土表面，鉆孔完成后，孔里石粉用高壓風(fēng)、水沖洗干凈。用注漿機注入漿液，然后插入錨桿，安裝錨桿時，要在錨桿上做出孔深標(biāo)記，確認(rèn)孔里漿體飽滿后，將錨桿體緩慢均勻推入，保證漿體完全包裹錨桿。將錨桿與鋼架或連接筋焊成一體，以增加支護整體受力。錨桿桿體安裝完成，且錨固強度達(dá)到設(shè)計要求強度時，安設(shè)墊板，上好螺母并擰緊，錨桿墊板與噴混凝土面密貼，以保證錨桿受力良好。6．2．5噴射混凝土。隧道初噴采用濕噴工藝。噴射混凝土由拌合站集中拌制，混凝土罐車運輸，根據(jù)設(shè)備配置采用濕噴機進行作業(yè)。在噴射混凝土之前，對基巖面進行徹底的清理。噴射作業(yè)分段、分片、分層，由下而上進行，有較大凹洼處，先噴射填平。噴射完成后應(yīng)檢查噴射混凝土與巖面黏結(jié)情況，可用錘敲擊檢查，確保噴射質(zhì)量，噴射完成后及時養(yǎng)護。

7監(jiān)控量測實施方案

7．1監(jiān)控量測的項目和方法

中義隧道變形主要以收斂變形為主，根據(jù)變形收斂數(shù)據(jù)，及時施作第二層支護。

7．2隧道圍巖變形監(jiān)測

監(jiān)測目的:隧道開挖后，隧道開始變形，周邊收斂點開始變化，拱頂開始下沉，及時進行檢測，并對數(shù)據(jù)進行分析，能夠掌握變化規(guī)律，便于采取施工措施，確保施工安全［4］。7．2．1測點埋設(shè)。收斂測點由基座和反射膜片組成，基座由5cm×5cm鋼板及φ16mm的鋼筋焊接而成，待掌子面開挖完畢后，將基座固定在初支上或錨固在巖壁上，然后把反射膜片粘貼到基座上面;當(dāng)進行第二層支護施工時，則測點需進行重新埋設(shè)，埋設(shè)位置同第一層支護埋設(shè)位置相同。拱頂測點由基座和反射膜片組成，基座由5cm鋼板及φ16mm的鋼筋焊接而成，待掌子面開挖完畢后，將基座固定在初支上或錨固在巖壁上，然后把反射膜片粘貼到基座上面。7．2．2數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集采用收斂儀的方式進行測量，測量后收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，及時判斷變形數(shù)據(jù)變化，便于指導(dǎo)施工。

7．3信息反饋

監(jiān)控量測信息反饋應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對工程進行指導(dǎo)和安全分析，根據(jù)結(jié)果制定相應(yīng)工程對策與建議［5］。8結(jié)語通過該工程實踐，對于單線隧道高應(yīng)力施工，必須采取強有力的支護措施，才能保證初期支護的效果，在遇到高應(yīng)力地層時，必須找出變形規(guī)律和變化參數(shù)，制定切實可行的措施，才能有的放矢，否則就會出現(xiàn)不斷的換拱，換拱增加成本，進度、安全也不能保證，該隧道在總結(jié)變形規(guī)律后逐步走向正常施工，為類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn):

［1］中鐵二院．新建鐵路麗江至香格里拉線施工圖變更設(shè)計大變形ⅡA型襯砌圖:麗香隧變附－03－01［Z］．成都:中鐵二院，2018．

［2］中鐵二局集團有限公司．鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn):TB10417—2003［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［3］中鐵隧道集團有限公司．鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程:Q/CＲ9217—2015［S］．北京:中國鐵道出版社，2015．

［4］中國鐵路總公司．鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程:Q/CＲ9218—2015［S］．北京:中國鐵道出版社，2015．

［5］中鐵二局集團有限公司．鐵路隧道施工規(guī)范:TB10204—2002［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

作者:周偉濤 單位:中國中鐵隧道局集團四處有限公司