高地应力软岩隧道连拱大跨段施工技术.pdf

・隧道／地下工程・－．．ＪＬ一口同地应力软岩隧道连拱大跨段施工技术汪伟（中铁十一局集团第四工程有限公司武汉４３００７４）摘要围岩的变形控制是隧道工程界的普遍难题，目前在建的兰渝铁路高地应力软岩隧道围岩大变形剧烈，特别是在隧道结构型式复杂的地段尤为突出，严重影响施工安全与工期进度。结合兰渝铁路新城子隧道出口连拱大跨段工程实践，对比分析了中导洞开挖和背靠背开挖２种双连拱段施工方案，综合分析认为对高地应力软岩隧道采用中导洞开挖双连拱，更为安全、可靠。隧道大跨段采用双侧壁导坑法开挖，双层初支和锚索＋锚杆联合支护体系能有效控制围岩变形，现场工程实施效果良好。关键词双连拱隧道大跨隧道高地应力大变形中图分类号Ｕ４５５．４文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）增１０１４８０４１引言兰渝铁路位于青藏高原隆升区边缘，地质环境极为复杂特殊，受多期构造影响，区域断裂、褶皱发育，初始地应力状态极其复杂，多为高一极高地应…力。兰渝铁路兰广段隧道群在建设过程中出现了围岩大变形，变形的剧烈程度和造成的工期、经济等损失在国内外隧道工程界极为罕见。高地应“”力软岩隧道大变形控制是公认的世界级难题，现行的围岩分级及支护标准不再适用，需进行特殊设计和施工方法的创新¨１。下面结合兰渝铁路高地应力软岩隧道连拱大跨段的工程实践，通过总结分析，提出连拱大跨段合理施工方案，有效控制围岩变形，对类似工程具有一定的借鉴和参考意义。２工程简介２．１工程概况兰渝铁路ＬＹＳ一４标新城子隧道位于宕昌县剪子河与临江铺之间，地貌上位于西秦岭高中山区，山高沟深，山坡、谷坡较陡，地面最小高程为１６７０ｍ，最大高程２３８ｌｍ，相对高差为７００ｍ，洞身最大埋深７４９ｍ，隧道长９１６６ｍ。——收稿日期：２０１４０３２８科研项目：２０１１年中铁建股份公司科研项目《极高地应力状态下软岩隧道大变形控制及快速施工关键技术研究》，合同编号：ｌｌ—０４Ｂ１４８隧道出口段受宕昌车站站线进洞的影响，设计为燕尾式隧道，其中ＤＩ（２７５＋６２５之前为双线断面，ＤＫ２７５＋６２５～ＤＫ２７５＋７８５为大跨断面，ＤＩ（２７５＋７８５一ＤＩ（２７５＋８１５为双连拱断面，Ｄｌ（２７５＋８１５一Ｄｌ（２７６＋７１７（ＤｖＫ２７５＋８１５～Ｄｙｌ（２７６＋７１７）为单线断面，ＤＫ２７６＋７１７～ＤＫ２７７＋１７４（ＤｙＫ２７７＋７１７～Ｄｖｌ（２７７＋１７６）为双线车站隧道断面。考虑到两单段左右线施工相互影响，减小两单段小间距隧道的长度，增大连拱及大跨长度，其中大跨段１９０ｍ、双连拱１２０ｍ、单线段７１８ｍ，调整后的新城子隧道出口平面布置如图ｌ所示。大跨段１９０ｍ圭【连拱段圭【两单…——一．垄左◆煞ｌ鏊ｌ墓ｇ志卜翌凸图１新城子隧道喇叭口平面示意隧道设置３座横洞，各辅助坑道设置情况及平面布置如图２所示。２．２工程水文地质隧道进口段地层主要为下第三系砾岩夹砂岩夹泥岩（长约４ｋｍ），出口段为三叠系中统板岩夹砂岩铁道建筑技术ＲＡ『ＬＷＡｙＣＯ～Ｓ丁ＲＵＣ丁『０～丁ＥＣＨ～０ＬＯＧｙ２Ｄ７４ｆ增，Ｊ万方数据・隧道／地下工程・夹灰岩及断层角砾和碎裂岩（长约５．１６ｋｍ）。其中—三叠系中统板岩，薄层板状构造，一般层厚２５ｃｍ，近于直立，走向与洞轴线呈小角度斜交，变余泥质、钙质结构，岩质软硬不均，受构造影响节理裂隙发育，岩体较破碎一破碎。岩石单轴饱和抗压强度较低，—一般４．９３７．８７ＭＰａ，平均值６．０５ＭＰａ，属软岩。围岩情况见图３。图２辅助坑道平面布置示意◆图３围岩情况隧道区地下水类型主要有第四系孔隙水、浅表风化裂隙水、深层基岩裂隙水及构造裂隙水。预测隧道正常涌水量为７４９４ｍ３／ｄ，最大涌水量为２２４８２ｍ３／ｄ。２．３地应力情况隧道通过区最大水平主应力为１１．４５～２１．２８ＭＰａ，最小水平主应力为６．８１～１２．１４ＭＰａ。采用洞身部位的最大水平主应力测值２１．２８ＭＰａ与该处围岩单轴抗压强度平均３０ＭＰａ相比较，尺。／．ｓ。＝１．４ｌ，属于极高地应力状态。３。。３施工中遇到的主要问题３．１围岩大变形隧道开挖围岩变形剧烈，主要特点是变形量大、变形速率快、变形持续时间长等。监测数据显示，隧道最大收敛变形达６９０ｍｍ，拱顶累计下沉最大１９６ｍｍ，最大下沉速率１８ｍｒｎ／ｄ，导致初支混凝铁道建笳技术ＲＡｆＬＭｙ№ｃ０～Ｓ丁开ＵＣ丁『０～丁￡．ｃｌＨＬＯＧｙ土开裂，拱架扭曲破坏。由于新城子隧道出口为并行２座单线隧道，线间距较小，两线施工时相互影响较大，隧道受力极为复杂，尤其施工后行隧道时应力重新分配，对先行隧道影响极大。现场施工后行隧道（右线）时，造成前期先行左线已施工段二衬长段落开裂（共７处，合计长度２１２ｍ，影响二衬范围达５００ｍ）和仰拱底鼓开裂破坏（长８６ｍ），如图４所示。一一图４现场初支、二衬、仰拱破坏３．２施工进度慢新城子隧道出口段围岩大变形造成初支侵限、仰拱填充底鼓、二衬开裂，现场多次进行拆换、加固，进度缓慢，平均月进尺约１８ｍ。３．３安全风险高隧道喇叭口段线间距较小，施工时左右线影响极大，导致隧道初支破坏、二衬开裂呈压溃状态，严重影响施工安全。同时，随着施工的推进线间距进一步减小，施工难度、风险将进一步加大。４连拱大跨段施工方案比选４．１连拱段施工方案针对Ｄｌ（２７５＋９３５～ＤＩ（２７５＋８１５线间距变化特点以及施工时左右线相互影响的特点，结合工期、施工操作等因素，研究了中导洞开挖双连拱和背靠背开挖连拱２种施工方案。（１）中导洞法开挖双连拱Ｄｌ＜２７５＋９３５～Ｄｌ（２７５＋８１５段采用中导洞法施工。施工时采用上下台阶法先施工中导洞，中导洞贯通后，从里向外（Ｄｌ（２７５＋８１５至Ｄｌ＜２７５＋’２Ｄ７４ｆ增Ｊ１４９万方数据・隧道／地下工程・９３５）倒退施作中隔墙，中隔墙施作完成后及时将中隔墙两侧空洞用沙袋回填反压密实。待回填完成后开挖施作先行侧隧道，并及时二次衬砌。施工时应待先行侧隧道二次衬砌完成后且强度达到设计强度的１００％后方可开挖另一侧隧道。左右隧道施工采用上中下三台施工，上台阶超前中台阶３ｍ，中台阶超前下台阶３ｍ。同时钻眼、起爆，排危后，用挖掘机将上台阶的碴往中、下台阶扒，然后安装上台阶的拱架，同时将中台阶的碴用挖掘机扒往下台阶，扒完后中台阶安装拱架，下台阶进行出碴。下台阶出碴完毕后，进行立架，然后初支。最近紧跟上仰拱、二衬，仰拱距上台阶掌子面的距离不超过３０ｍ，二衬距掌子面的距离不超过７０ｍ，具体施工步骤参见图５。Ｒ３８Ｎ自进式锚杆图５中导洞开挖连拱隧道施工工序立面图示２座单线隧道中间岩柱厚度最薄处约６ｍ，ＤＩ（２７５＋８１５处双连拱中隔墙厚度最薄处约１．５８ｍ。根据专家意见适当加强支护，具体参数如下：①开挖预留变形量４０ｃｍ。②拱部设蝉２超前小导管并预注水泥浆，长度３．０ｍ，环向间距４０ｃｍ，纵向间距１环／１．２ｍ。③取消系统锚杆；拱墙增设舭２小导管径向注水泥浆，长４．０ｍ，环、纵间距为１．２ｍ×１．２ｍ。④全环喷ｃ２５混凝土，厚３０ｃｍ，拱墙设置书８钢筋网片，网格间距２０ｃｍ×２０ｃｍ；全环设Ｈ１７５型钢钢架，间距为１榀／０．６ｍ，钢架接头处设Ｒ３２Ｎ自进式锚杆进行锁脚，长６．０ｍ，共计８根；先行右线采用双层支护，第二层支护全环喷Ｃ２５混凝土，厚２５ｃｍ，拱墙设置小８钢筋网片，网格问距２０ｃｍ×２０ｃｍ，全环设格栅钢架，间距为１榀／１ｍ，钢架接头∽处设２小导管进行锁脚，长１．５ｍ，共计８根。⑤二次衬砌采用Ｃ３５钢筋混凝土结构，拱墙、仰拱厚６０ｃｍ，衬砌钢筋环向采用书２２＠２０ｃｍ，纵向采用书１４＠２０ｃｍ，箍筋采用书８＠２０ｃｍ。１５０铁道建筑技术⑥双连拱开挖前先开挖中导洞，中导洞采用喷锚支护，拱墙喷ｃ２５混凝土，厚２７ｃｍ；拱部设书２２组合式中空锚杆，长３．０ｍ，间距为１．２ｍ×１．０ｍ；拱墙设１２０ｂ型钢钢架，间距ｌ榀／１ｍ；拱墙设置由８钢筋网片，网格间距２０ｃｍ×２０ｃｍ。（２）背靠背开挖另外一种方案是采用三台阶微台阶法背靠背开挖，先行右线隧道采用临时仰拱法施工，第二层支护在第一层支护封闭成环后及时施作，后行隧道仰拱施工完成后方可进行先行隧道二次衬砌的施作。支护参数如下：①开挖预留变形量４０ｃｍ。②∽拱部设２超前小导管并预注水泥浆，长度３．０ｍ，环向间距４０ｃｍ，纵向间距１环／１．２ｍ。③取消系统锚杆；全环增设舛２小导管径向注水泥浆，长４．ｏｍ，环、纵间距为１．２ｍ×１．２ｍ。④全环喷ｃ２５混凝土，厚３０ｃｍ，拱墙设置书８钢筋网片，网格间距２０ｃｍ×２０ｃｍ；全环设Ｈ１７５型钢钢架，间距为１榀／０．６ｍ，钢架接头处设Ｒ３２Ｎ自进式锚杆进行锁脚，长６．０ｍ，共计８根；先行右线采用双层支护，第二层支护全环喷ｃ２５混凝土，厚２５ｃｍ，拱墙设置螂钢筋网片，网格间距２０ｃｍ×２０ｃｍ，全环设格栅（或１２０ｂ）钢架，间距为１榀／１ｍ，钢架接头处设蝉２小导管进行锁脚，长１．５ｍ，共计８根。⑤二次衬砌采用ｃ３５钢筋混凝土结构，相邻侧衬砌采用直边墙结构，加厚至１００ｃｍ，其余厚６０ｃｍ，衬砌钢筋环向采用书２２＠２０ｃｍ，纵向采用书１４＠２０ｃｍ，箍筋采用书８＠２０ｃｍ。综上所述，由于现场左右线施工影响极大，且考虑到施工条件及工期等要求，结合施工的可实施性，现场采用中导洞法开挖双连拱。（３）施工注意事项①进人中导洞之前必须先封闭右线掌子面，并做好４ｍ导管注浆加固，待注浆凝固方能进行中导洞开挖。②加强隧道光面爆破设计，减少超欠挖，初期支护严格按照设计施作，初期支护背后要回填密实。③加强施工过程中围岩量测，量测数据要及时处理、分析，反馈指导施工。围岩和支护系统出现异常情况时应及时采取措施，必要时停在掘进，加强支护。④在钢架连接点处增加的８ｍ长Ｒ３２自进式注只Ａ『ＬＷＡｙＣＯＮＳ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁￡．ｃＨ～０ＬＯＧｙ２Ｄ，４ｆ增７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・浆锚杆，锚杆与钢架焊接牢固，增强节点处抵抗力。⑤加强各工序、各工艺的质量控制，特别是中隔墙基底、基础的质量控制。⑥“”严格落实三员带班制度，安全员在洞内进行全天２４ｈ值班制度，严禁私自离岗。⑦中隔墙施工完毕后，必须立即用沙袋回填密实。４．２大跨段施工方案由于大跨段跨度较大，最大跨度１８．１～２１．５ｍ，施工难度极大，为改善受力特点，设计优化了最大跨以上曲率半径。现场施工采用双侧壁导坑法开挖，为确保结构及施工安全，拱墙范围设１０根长１８ｍ的预应力锚索，每分部开挖、支护完成后应及时施作锚索，并进行第一次预应力张拉；初期支护封闭成环后，在拆除临时支护前应进行第二次张拉，确保将结构受力转换到锚索上，实现受力体系的撑一索转换。大跨段采用９部双侧壁导坑法开挖，施工时初期支护错台地段应在１～２ｍ范围内合理顺接，平稳过渡（见图６）。图６大跨段双侧壁导坑法施工工序横断面具体的施工步骤如下：（１）在超前支护保护下，开挖左侧上、下台阶，①②即、部，每次开挖长度为ｏ．６～０．８ｍ（根据钢架问距确定），并及时施作初期支护及ｌ临时横撑和底撑，确保每分部支护封闭成环，支护完成后应及时①进行锚索施作，并进行第一次张拉。施工时部超②前部３ｍ。（２）在超前支护保护下，反向开挖右侧上、下台③④阶，即、部，每次开挖长度为ｏ．６～ｏ．８ｍ（结合钢架间距确定），并及时施作初期支护及临时横撑铁道建筑技术ＲＡ『ＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁ＲＵＣ丁『Ｏ～丁￡－ｃＨ～ＤＬＯＧｙ和底撑，确保每分部支护封闭成环，支护完成后应③及时进行锚索施作，并进行第一次张拉。施工时②落后部３④ｍ、超前部３ｍ。④（３）待部超前３ｍ后，在超前支护保护下，开⑤挖中导洞上部上台阶，即部，每次开挖长度为ｏ．６～０．８ｍ（结合钢架间距确定），及时施作初期支护和锚索，并进行第一次张拉。⑤（４）待部超前３ｍ后，在超前支护保护下，开⑥挖中导洞上部下台阶，即部，每次开挖长度为０．６～０．８ｍ（结合钢架间距确定），及时施作初期支护和锚索，并进行第一次张拉。⑥（５）待部超前３ｍ后，开挖中导洞中台阶，即⑦部，每次开挖长度为ｏ．６～０．８ｍ（结合钢架间距确定），及时施作初期支护、临时横撑。⑦（６）待部超前３ｍ后，开挖左侧导洞仰拱，即⑧部，每次开挖长度为０．６～０．８ｍ（结合钢架间距确定），并及时施作仰拱初期支护及接长ｌ临时竖撑，确保封闭成环。⑧（７）待部超前３ｍ后，开挖右侧导洞仰拱，即⑨—部，每次开挖长度为０．６０．８ｍ（结合钢架间距确定），并及时施作仰拱初期支护及接长临时竖撑，确保封闭成环。⑨（８）待部超前３⑩ｍ后，开挖中部仰拱，即部，每次开挖长度为０．６～０．８ｍ（结合钢架间距确定），并及时施作仰拱初期支护，确保支护封闭成环。⑩（９）待部仰拱初期支护施作完成后，及时施作二次支护。（１０）待二次支护施作完成后拆除部分临时支护，及时施作仰拱及仰拱回填。（１１）待隧道成洞长度８～１０ｍ时，逐榀拆除临时支护，每拆除一榀临时支护应及时锚索第二次张拉，张拉力稳定后，方可进行下一榀临时支护的拆除。一次拆除的长度控制在１０ｍ以内。拆除临时支撑，及时施作衬砌，衬砌达到设计强度的１００％时方可拆除模板（１２）适时施作补强空间衬砌。“（１３）隧道施工应坚持支护超前、短开挖、强支”护、早封闭、勤量测的原则。（１４）拱脚及墙脚处钢架打设锁脚锚杆，确保钢架基础稳定。（下转第１７９页）２０１４ｔ增１）１５１万方数据・隧道／地下工程・如果车站围护结构切断了拟建场地的承压水⑧⑨（：、：）层，则在基坑开挖过程中，主要降低基坑内水位，一般降至基坑下１～２ｍ即可。降水模型如图２所示。囤护结构，！墨！堕／【膈水帷幕）—’们～／ｎ～以仍～以～巩～－－——一，，，§—歹、歹潜水含水层或微承压含水或承压含水层，，，，，，，，／／／／／／／／图２承压水截断影响理论计算图层因此，通过围护结构隔断承压水，基坑内、外地下水无水力联系。降水时，基坑外地下水基本不受影响。４．４第三层承压水稳定性计算本站第三层承压水水头较低，如果承压水对基坑稳定性影响不大，基坑施工过程中就可以采取较为保守的措施。承压水层上覆土压力为：Ｇ＝ｙ日＝１９×２１＝３９９（ｋＰａ）承压水水头压力为：Ｐ。＝ｒ。危＝１０×３３．０７＝３３０．７（ｋＰａ）≥要：黑：１．２ｌ１．１……Ｐ。３３０．７一式中，矗为含水层顶距水头距离，＾＝３３．０７ｍ；ｙ为土的重度，７＝１９ｋＮ／ｍ３；ｙ。．为水的重度，７＝１９ｋＮ／ｍ３；日为透水层顶面距基坑的深度，日＝２１ｍ；Ｇ为上覆土重；Ｐ。为承压含水层水压力。通过计算，我们得出在基坑施工过程中，第三层承压水不影响基坑的稳定性，在基坑施工过程中，我们要求根据现场水压情况，为防止承压水头过高而引起工程风险，在坑内间距约３０ｍ备设承压水降水井，在坑外备设间距约３０ｍ的混合减压井。施工单位降水施工时，降水需设置双电源备用，满足施工要求。５结果分析本文通过对地铁基坑降水进行理论分析，得出了大毕庄站基坑建设过程中地下水的处理原则及方法：对潜水进行降水，对第一、二层承压水进行隔断，对第三层承压水进行备设承压水降水井的处理措施，可为后续的相似工程建设提供一种处理地下水思路。参考文献［１］ＧＢ—５０１５７２００３地铁设计规范［ｓ］．［２］王继刚，刘琴文，徐刚．地铁深基坑降水施工技术［Ｊ］．中国水运．２叭２（１）．［３］陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学［Ｍ］．北京：清华大学—出版社。１９９４：１１０１３８．（上接第１５ｌ页）（２）大跨段采用锚索加锚杆联合支护体系、双５结束语层初支，第一层采用型钢钢架支护，第二层采用格屡状冀藻裟黧鬻乏慧嚣譬堡黧淼昙桀黧嚣紫嚣受层状岩体，受高地应力和隧道结构型式影响，围岩’’／Ｊ尔＿ｒ７ｒ１促垢头孙Ｊ同口Ｌ迪ｊ】］Ｊ｛田一１ｃｕ个Ｉ、蚀仝ＪＨＪ。大变形剧烈，施工技术难度大，安全风险高。现场（３）施工双层支护时，第二层初支应在第一层通过优化施工方法，强化施工过程控制，围岩变形初支封闭成环后施作。得到有效控制，目前工程进展顺利。通过高地应力龛妻古甜连拱大跨段工程实践，总结形成的主要经验如下：爹丐义陬（１）高地应力软岩双连拱隧道段应以控制边墙［１］张丕界，张旭东，王更峰．高地・矗力层状围岩隧道大变水平位移为重点，现场先行隧道采用双层初支＋６ｍ形控制工程试验研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２，ｌｏ长锚杆，二衬采用６０ｃｍ厚Ｃ３５钢筋混凝土，形成（Ｓ４９）：１４２一１４５．“”刚柔并济的支护体系，第一层、第二层初支均采［２］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人用型钢钢架支护，充分发挥了初期支护的承载能—民交通出版社，２叭ｏ，５６３５６８．力。后行隧道采用单层初支，并适当减弱二衬配［３］王更峰．层状围岩隧道变形控制技术探讨与实践［Ｊ］．筋，做到了安全可靠，经济合理。—铁道建筑技术，２０１３（７）：２８３１．铁道建筑技术ＲＡ，ｆ＿ＷＡｙＣ０￣Ｓ丁开ＵＣ丁『０～丁ＥＣＨ￣０正－０Ｇｙ２０７４僧１Ｊ】７９万方数据