宜万铁路边家湾隧道浅埋软弱围岩施工技术探究

　　【摘要】以宜万铁路边家湾隧道为实例，介绍了浅埋软弱围岩隧道的施工方法、施工中发现的问题、采取的对策及取得的经验。
　　【关键词】隧道，浅埋，软弱围岩，施工技术探究
　　1、前言
　　浅埋、软弱围岩隧道，地质、地形情况复杂，在施工过程中，会出现各种不安全因素。宜万铁路边家湾隧道浅埋软弱围岩段施工过程中，随着掌子面开挖，地表及洞内产生纵、横向裂缝，初期支护出现开裂，钢拱架扭曲变形，对施工安全产生极大的威胁，本文就如何采取对策减少裂缝及收敛变形，调整施工方案，确保施工安全，进行介绍。
　　2、工程概况
　　新建宜（昌）万（州）铁路第九标段边家湾隧道位于湖北省长阳县贺家坪镇境内，为第Ⅱ线单洞隧道，隧道全长1329m。隧道出口DK70+406～DK70+616段为浅埋软弱围岩段,其地质情况是:第四系全新统坡积的粉质黏土、全风化～强风化第三系砂岩，黏土土质较匀，湿润，稍密，土黄色，Ⅱ级普通土，σ0=140KPa；强风化砂岩，破碎成碎块状，Ⅲ级硬土，σ0=360KPa；平均埋深6.4m，稳定性差，风化强烈，节理密度小，多以顺层剪节理性质的构造裂隙露出，在施工过程中易发生崩塌、掉块、侧壁失稳等不良地质灾害，危及施工安全。
　　3、设计支护参数
　　Ф42超前小导管，长4.0m，环向间距为40cm，纵向搭接长度为1.0m；20b工字钢间距为3榀/2m；Ф22砂浆锚杆间距为1.2m×1.2m，长度为3.5m；φ6.5×φ8钢筋网(全断面)，网格尺寸20cm×20cm；C25喷射砼厚度为27cm；二次衬砌为C35钢筋混凝土，厚45cm；Ф42锁脚小导管长4.0m，每榀拱架8根。预留变形量为13cm。
　　4、施工方案
　　根据设计的围岩级别及支护参数，采取的施工方案如下：
　　4.1超前小导管结合套拱进洞
　　套拱内采用20b型工字钢，间距为50cm，共4榀，最内1榀尽量紧靠边坡，工字钢之间采用双层Ф22钢筋连接，钢筋环向间距为100cm。Ф42超前小导管预注水泥浆加固围岩，小导管与工字钢焊接，套拱采用40cm厚C35混凝土浇注。套拱拱脚落在坚实的基础上，拱脚横向焊接1.5m长20b型工字钢，拱脚混凝土横向宽2m，厚3m，防止下沉。
　　4.2三台阶七步作业法洞身施工
　　上台阶高度控制在2m，长度2～3m，中台阶高度3m，长度为3～5m，下台阶高度3～5m，长度5～8m，每循环开挖长度为0.5m；开挖采用风镐或挖掘机开挖，必要时辅以弱爆破。形成超前支护、开挖、初期支护、仰拱填充、二次衬砌、整体推进的施工格局。
　　工序间距仰拱离掌子面距离不超过25m，衬砌离掌子面距离不超过70m。三台阶七步作业法的施工工序如图1所示。
　　5、施工过程中发现的问题
　　5.1地表与洞内贯通的裂缝
　　掌子面开挖至DK70+486.5时，地表开始发现裂缝，开挖至DK70+475.25时，洞内也出现裂缝，地表裂缝随着掌子面开挖，继续向前发展，此时衬砌采取跳打方式已施工完DK70+493.55～DK70+502.55。
　　5.2洞内初期支护变形大
　　上台阶开挖后，拱顶下沉明显，拱脚收敛变形较小；中、下台阶开挖后，仰拱施工前，拱顶下沉、拱脚收敛变形加剧；仰拱施工后，变形速率趋缓，但仍未趋稳定。经持续观测发现，DK70+510拱顶下沉累计16.5cm，水平位移累计11cm；DK70+500拱顶下沉累计16cm，水平位移累计9cm，表现为钢架扭曲，喷层开裂、剥落掉块。收敛变形及拱顶下沉速率一般为4～20mm/d。
　　2006年4月16日至2006年6月27日，对DK70+525～DK70+480段的洞内拱顶下沉和地表沉降监测结果见表1、表2，典型断面洞内拱顶下沉及地表沉降随时间的变化曲线如图1和图2所示。表1和图1可知此段洞内各拱顶下沉点累计沉降量在120～170mm之间，隧道的总体变形量较大，日平均沉降速率也较大，最大达30mm/d。从表2和图2可知此段地表中心位置点下沉累计沉降量为38～96mm，隧道的总体变形量较大，日平均沉降速率最大为8mm/d。
　　5.3变形原因分析
　　试验表明：边家湾隧道出口段软岩的软化系数为0.54～0.56，该软岩遇水易崩解软化，加之本地区雨量充沛，地下裂隙水较发育，与地表冲沟相对应的洞身围岩和相对埋深较浅地段一般极破碎，裂隙贯通，渗漏水严重并持续时间长，结构松弛，吸水膨胀泥化，力学强度降低。
　　初期支护开裂表明：尽管覆盖层不是很厚，由于软岩的松弛变形，岩体仍难以自稳，软岩呈现软塑状，其蠕变特性进一步显现出来，变形速率衰减缓慢，导致隧道净空持续压缩，裂缝宽度随时间逐步增加，对施工安全造成威胁。
　　裂缝和变形也进一步说明了，采用的支护参数和支护措施需要进一步进行优化和加强。
　　
　　6、施工对策
　　6.1暂停掘进，进行临时支撑抢仰拱，跳打衬砌，及时封闭
　　掌子面开挖至DK70+475.25时，由于收敛未趋稳定，立即停止掌子面掘进，上台阶已施工的初期支护用枕木垛支撑。中台阶已施工的钢拱架用工字钢横向临时支撑加固，工字钢之间纵向连接。迅速施作仰拱，每次仰拱施工长度为3m，仰拱离掌子面距离不超过10m，5天内全部完成。
　　软岩隧道前期变形速率大，变形时间长，且围岩压力大，围岩压力以形变压力为主，松动压力所占比例很小。根据施工实践，二次衬砌施作可不必受规范的0.2mm/d的限制，否则势必延迟二衬施作时间，使变形不易控制，造成支护变形侵限甚至造成坍塌。稍早施作二次衬砌来承担部分因初期支护不足而产生的荷载对软岩大变形隧道是可行的，对安全也是有利的[2]。
　　当地表开始出现裂缝时，衬砌离掌子面距离为59.5m，按顺序施工，9m台车需20天以上，因此采取跳打衬砌方式，切实加强施工过程控制，加快施工进度。当掌子面开挖至DK70+475.25时，DK70+493.55～DK70+502.55段二次衬砌已施工完成。
　　掌子面暂停施工后，二衬继续施工DK70+493.55～DK70+484.55段，距掌子面9.3m，然后倒着施工中间未衬砌段，21天完成。
　　6.2增加导管、初期支护背后注浆加固
　　初期支护开裂部位及拱架连接处采用4m长Ф42小导管注浆加固，每榀拱架左右侧各增加4根小导管，尽量与拱架焊接。初期支护由于下沉及变形，背后存在不密实情况，在拱顶打眼注浆加固，经加固后收敛变形明显变缓。新作初期支护继续坚持注浆加固，以增强初期支护的整体性。
　　6.3掌子面前方地表注浆加固
　　在衬砌施工期间，为了确保洞身继续开挖施工安全，加固岩体，减小围岩变形量，对掌子面前方洞顶地表40（纵向）×25（横向）m2范围进行Φ42mm小导管注浆加固，孔深6m，间距为2m，按梅花型布设。
　　6.4调整继续开挖支护参数，增加纵向托梁，加强拱架纵向连接
　　支护设计必须采用让压与加固、支护相结合的方法。对大变形要让得适度；对于软弱部分，要进行加固调整；对于围岩整体，要支护得住[3]。因此将预留沉落量增加到30cm。
　　Ф42超前小导管，调整为双排，排距为30cm，搭接长度为1.5m，每排布置情况不变。20b工字钢间距调整为1榀0.5m；Ф22砂浆锚杆间距调整为0.5m×1.2m，长度为4.5m，保证系统锚杆与拱架焊接，以增强初期支护的整体性。钢筋网间距调整为φ8×φ8（全断面），间距20cm×20cm。Ф42锁脚小导管每榀拱架调整为12根。同时由于部分初支侵入衬砌，将衬砌混凝土强度提高一个等级。
　　中、下台阶开挖后，锁脚小导管注浆使土体含水量增大，拱顶下沉明显增大，为减小拱顶下沉，在拱脚增加一根工字钢纵向托梁，托梁之间及托梁与拱架之间均采用螺栓连接。同时为减少环向裂缝，增加纵向连接筋，环向间距调为50cm，连接筋与拱架之间采用挂钩满焊连接。
　　6.5调整工序衔接距离
　　根据隧洞围岩位移的线弹性分析，毛洞围岩距隧洞开挖面2D（D为隧道跨度）时，掌子面对其约束效应已消失，软弱岩体主要表现为流变特性[4]。因此将开挖调整为超短三台阶施工，每循环开挖长度为0.5m，各个台阶施工长度取最小值。一旦上台阶开挖达到10m，立即停止掘进，用枕木垛支撑；取消中台阶、下台阶，直接开挖到上台阶；仰拱立即跟进，然后每7m施工一次二衬。保证仰拱离上台阶长度不超过10m，二衬离掌子面距离不超过20米（2D=25m）。
　　6.6调整开挖方法
　　爆破震动大，容易产生裂缝，爆破后，拱顶下沉及水平位移等急剧增大，由于施工需要，尽量采用弱爆破，减少对围岩的震动，避免产生裂缝，然后挖掘机开挖，最后人工用风镐修边。
　　7、结论
　　7.1浅埋软弱围岩隧道，应提高支护刚度，同时支护体结构与强度设计，应与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配。初期支护背后注浆加固作用明显，建议在以后浅埋软弱围岩设计中增加初支后注浆。
　　7.2工序衔接距离，应尽可能缩短，等围岩收敛稳定后再施工二次衬砌显然是要不得的，洞身开挖后，尽量在20天内施工完二次衬砌。为防止衬砌开裂，可适当增加预留沉落量，提高混凝土防裂性能及强度等级。
　　7.3浅埋软弱围岩隧道施工过程中，地表沉降、洞内位移量测及超前地质预报对指导施工作用重大。
　　7.4加强拱架的纵向连接及增加纵向托梁，有利于提高支护刚度，减少环向裂缝和沉降。
　　7.5软弱围岩施工中，必须遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的施工原则。
　　
　　参考文献
　　[1]靳晓光,王兰生,卫宏.公路隧道围岩变形监测及其应用[J].中国地质灾害与防治学报,2000,11(1):19-22.
　　[2]刘志春,孙明磊,贾晓云,等.乌鞘岭隧道F4～F7断层区段压力、应力实测与分析[J].石家庄铁道学院学报,2006,19(2):13-17.
　　[3]陶波,伍法权,郭启良,等.高地应力作用下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律研究[J].地球与环境,2005,33:304-308.