王明慧，朱永波

(1.渝萬鐵路有限責(zé)任公司，重慶 400014;2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

1 工程概況

渝萬鐵路客運(yùn)專線在長壽至梁平段地勢(shì)較平，該地段圍巖多為紅色的泥質(zhì)砂巖及泥質(zhì)頁巖，遇水易軟化，多為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道屬剝蝕丘陵地貌，斜坡基巖大部分裸露。該地段隧道長度較短，埋深在17～35 m，隧道埋深淺，圍巖自穩(wěn)性差，尤其遇水時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，所以加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)，以圍巖狀況及圍巖變形數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)掌子面圍巖的穩(wěn)定性，隧道基本參數(shù)見表1。

表1 長壽至梁平段隧道

在開挖支護(hù)過程中增加臨時(shí)仰拱，軟弱地段及洞口段采用大管棚，掌子面開挖采用超前小導(dǎo)管，確保錨桿體系及鋼拱架質(zhì)量也成為隧道施工安全保證的前提。確保仰拱及襯砌的及時(shí)跟進(jìn)，使隧道及時(shí)封閉成環(huán)，同時(shí)加強(qiáng)洞頂及洞內(nèi)的排水，亦可確保隧道施工正常進(jìn)行。

2 淺埋隧道施工

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

渝萬鐵路客運(yùn)專線超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)勘察、中距綜合物理探測(cè)和φ75超前鉆孔等方法，綜合應(yīng)用，相互印證，增加判斷的準(zhǔn)確性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖具體情況，對(duì)全線進(jìn)行地質(zhì)分析，記錄不同工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)方式以及初期支護(hù)后的變形情況;在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上采用地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)或同等性能的儀器全線探測(cè)，每次探測(cè)距離不小于100 m，而且兩次探測(cè)間應(yīng)重復(fù)10～20 m;遇到圍巖變化處和地質(zhì)異常帶采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在異常帶前方10 m掌子面中上部超前水平鉆孔2～3個(gè)進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔深度應(yīng)超過異常帶不少于10 m，在施工時(shí)，每施作5孔兩倍循環(huán)距離進(jìn)行加深炮孔探測(cè)。

2.1.1 施工中地質(zhì)勘察

洞內(nèi)地質(zhì)素描主要內(nèi)容為:①地層巖性，描述地層年代、巖性、層間結(jié)合程度、風(fēng)化程度等。②地質(zhì)構(gòu)造，描述褶皺、斷層、節(jié)理裂隙特征、巖層產(chǎn)狀等。斷層的位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)、破碎帶的寬度、物質(zhì)成分、含水情況以及與隧道的關(guān)系，節(jié)理裂隙的組數(shù)、產(chǎn)狀、間距、填充、延伸長度、張開度及節(jié)理面特征、力學(xué)性質(zhì)、分析組合特征、判斷巖體完整程度。③有害氣體及放射性等特殊地質(zhì)危害存在的情況，煤層、含石膏層、膨脹巖等各項(xiàng)具體參數(shù)。④人為坑道及油壓溶，描述位置、規(guī)模、形態(tài)特征及所屬地層的構(gòu)造部位，充填物成分、狀態(tài)，以及與隧道的空間關(guān)系。⑤地下水的分布、出露形態(tài)及圍巖的透水性、水量、水壓、水溫、顏色、泥沙含量測(cè)定，以及地下水活動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，必要時(shí)長期觀測(cè)出水點(diǎn)及其與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶、暗河等的關(guān)系。⑥水質(zhì)與巖樣分析，判定地下結(jié)構(gòu)材料的侵蝕性。⑦記錄不同工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件下隧道圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)方式及初期支護(hù)后的變形情況。⑧隧道開挖面地質(zhì)素描，地質(zhì)預(yù)報(bào)人員對(duì)隧道開挖面的地質(zhì)狀況作如實(shí)的調(diào)查和編錄，采集必要的數(shù)據(jù)，具體包括開挖面地層、巖性、構(gòu)造節(jié)理發(fā)育程度及開挖面滲水、水的來源流量等。對(duì)受構(gòu)造影響程度、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)等進(jìn)行編錄。地質(zhì)素描方法和預(yù)報(bào)成果見表2。

表2 地質(zhì)素描方法和預(yù)報(bào)成果

2.1.2 物探法(TSP)

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)面前方及周圍鄰近區(qū)域地質(zhì)狀況，TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)(通常在隧道的左或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn))用少量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化界面等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收，數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理，就可以了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)每次可探測(cè)100～350 m，為提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和精度，采取重疊式預(yù)報(bào)，每開挖100～150 m預(yù)報(bào)一次，重疊部分≥20 m，每次探測(cè)結(jié)果與開挖揭示情況對(duì)比分析。

2.1.3 φ75超前鉆孔

地質(zhì)物探法:采用單孔水平取巖芯鉆探法，超前探測(cè)20～30 m，驗(yàn)證中近距離物探超前探測(cè)的異常地段。每25 m一循環(huán)，每孔長30 m，根據(jù)地質(zhì)條件確定是否取芯。

對(duì)于巖溶、人工坑道影響范圍，施行各方向的鉆孔應(yīng)作為查明其特征的必須措施。

2.2 初支加強(qiáng)

2.2.1 增加臨時(shí)仰拱

1)上臺(tái)階開挖后設(shè)置臨時(shí)仰拱以減小隧道斷面的收斂及沉降，臨時(shí)仰拱間距不大于2榀鋼架的間距，上臺(tái)階開挖后即初噴混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立臨時(shí)仰拱鋼架并復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

2)臨時(shí)仰拱在主體結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)施工完畢并穩(wěn)定后拆除，拆除前后應(yīng)加強(qiáng)拱頂下沉量及周圍變形量的觀測(cè)，每次拆除長度不應(yīng)大于10 m。

2.2.2 洞口采用大管棚

洞口大管棚采用熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚6 mm;在拱部144°范圍設(shè)置;環(huán)向間距40 cm;外插角1°～3°為宜，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整;注漿采用水泥漿、水泥砂漿;當(dāng)圍巖破碎、地下水發(fā)育時(shí)，可部分采用水泥—水玻璃雙液漿，要求漿液強(qiáng)度等級(jí)不小于M10;大管棚每環(huán)施作長度30～50 m不等。

2.2.3 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管配合型鋼鋼架使用，應(yīng)用于隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱部超前注漿預(yù)支護(hù)，其縱向搭接長度不小于1 m。超前小導(dǎo)管采用熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm，單根長4 m環(huán)向間距0.4 m，縱向間距2.4 m;外插角1°～3°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整;注漿材料采用M20水泥漿或水泥砂漿;在拱部135°范圍設(shè)置。

2.2.4 錨桿體系及鋼拱架

本線隧道采用φ22砂漿錨桿和φ25中空注漿錨桿，錨桿均設(shè)置墊板。

隧道初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)采用φ8的HRB335鋼筋，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm，全斷面布設(shè)鋼架支護(hù)由8個(gè)單元組成，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整單元長度。鋼架間距0.6 m，型鋼鋼架主要由工字鋼彎制而成，隧道Ⅴ級(jí)圍巖采用型鋼拱架。本線隧道設(shè)計(jì)為全斷面支護(hù)。隧道各部開挖完成初噴混凝土后，分單元及時(shí)安裝鋼架，采用定位錨桿、徑向錨桿以及雙側(cè)鎖腳錨桿固定，縱向采用φ22鋼筋連接，鋼架之間鋪掛鋼筋網(wǎng)，然后復(fù)噴混凝土到設(shè)計(jì)厚度。

2.3 監(jiān)控量測(cè)

進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，可以保證施工安全及結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確認(rèn)和調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法，確定二次襯砌施作時(shí)間，監(jiān)控工程對(duì)周圍環(huán)境影響，為信息化設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。根據(jù)圍巖條件、隧道工程規(guī)模、支護(hù)類型和施工方法等來選擇測(cè)試項(xiàng)目?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目兩大類。

2.3.1 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容(見表3)

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)試方法和儀表等監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容見表3。

表3 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

2.3.2 監(jiān)控量測(cè)基準(zhǔn)

1)淺埋隧道地表沉降測(cè)點(diǎn)在隧道開挖前布設(shè)。地表沉降測(cè)點(diǎn)和隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面里程。一般條件下，地表沉降測(cè)點(diǎn)縱向間距按下表的要求布置。地表沉降觀測(cè)每個(gè)斷面布設(shè)7個(gè)點(diǎn)，中心線上1個(gè)點(diǎn)，每側(cè)各3個(gè)，橫向間距為2～5 m。在隧道中線附近測(cè)點(diǎn)適當(dāng)加密，隧道中線兩側(cè)量測(cè)范圍不應(yīng)小于Ho+B，地表有控制性建(構(gòu))筑物時(shí)，量測(cè)范圍應(yīng)適當(dāng)加寬，見表4。

表4 地表沉降測(cè)點(diǎn)縱向間距

2)測(cè)量方法采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法?；c(diǎn)和附近水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)取得初始高程。觀測(cè)時(shí)各項(xiàng)限差應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定額度之內(nèi)，對(duì)不在水準(zhǔn)路線上的觀測(cè)點(diǎn)，1個(gè)測(cè)站不宜超過3個(gè)，超過時(shí)應(yīng)重讀后視點(diǎn)讀數(shù)，以作核對(duì)。首次觀測(cè)應(yīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)3次觀測(cè)，3次高程之差應(yīng)小于±0.5 mm，取平均值作為初始值。

3)地表沉降采用二級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行量測(cè)。

4)數(shù)據(jù)分析與處理。地表沉降測(cè)量隨施工進(jìn)度進(jìn)行，根據(jù)開挖部位、步驟及時(shí)監(jiān)測(cè)，并將各沉降測(cè)點(diǎn)沉降值繪制成沉降變化曲線圖、沉降變化速度、加速度曲線圖，并根據(jù)沉降變化曲線圖和沉降速率來判斷沉降變化趨勢(shì)，必要時(shí)采用回歸計(jì)算來推測(cè)沉降終值。

2.3.2.1 拱頂下沉量測(cè)

①拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面上。由于隧道全部為Ⅴ級(jí)圍巖，監(jiān)控量測(cè)斷面間距10 m。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)原則上設(shè)置在拱頂軸線附近。當(dāng)隧道跨度較大時(shí)，結(jié)合施工方法在拱部增設(shè)測(cè)點(diǎn)。②量測(cè)及計(jì)算方法:量測(cè)方法為由洞外基準(zhǔn)點(diǎn)起測(cè)量洞內(nèi)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)高程，再由洞內(nèi)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)起測(cè)量拱頂下沉預(yù)埋件高程，通過計(jì)算前、后兩次拱頂下沉預(yù)埋件高程的變化值即可算得拱頂下沉值。這里的計(jì)算與地表略有不同，因?yàn)槌咦邮堑箳斓摹＂鄹鶕?jù)變形值繪制沉降—時(shí)間曲線圖和變形—開挖距離的曲線變化圖，在隧道橫斷面圖上按不同的施工階段、以一定的比例把變形值點(diǎn)畫在分布位置上，并以連線的形式將各點(diǎn)連接起來，成為隧道支護(hù)變形分布形態(tài)圖。并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式的合理性，為施工安全提供可靠的依據(jù)。

2.3.2.2 凈空變化量測(cè)

①凈空變化測(cè)點(diǎn)和拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面上。隧道全部為Ⅴ級(jí)圍巖，監(jiān)控量測(cè)斷面間距10 m。凈空變化量測(cè)線數(shù)見表5。②量測(cè)及計(jì)算方法:通過測(cè)量兩個(gè)預(yù)埋件的距離，為了減小誤差，每次應(yīng)測(cè)3次取平均值為本次測(cè)量結(jié)果，計(jì)算前、后兩次所測(cè)距離的差值即為該測(cè)點(diǎn)在這一段時(shí)間內(nèi)凈空收斂值，其累計(jì)值即為該測(cè)點(diǎn)的凈空收斂值。③根據(jù)變形值繪制收斂—時(shí)間曲線圖和收斂—開挖距離的曲線變化圖。

表5 凈空變化量測(cè)線數(shù)

2.3.3 監(jiān)控量測(cè)頻率

監(jiān)控量測(cè)頻率由兩個(gè)方面決定，分別為位移速度和距開挖面的距離。原則上采用較高的頻率值。出現(xiàn)異常情況或不良地質(zhì)時(shí)，應(yīng)增大監(jiān)控量測(cè)頻率，監(jiān)控量測(cè)頻率見表6。各項(xiàng)量測(cè)作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定(水平收斂速度＜0.2 mm/d，拱頂下沉速度＜0.15 mm/d，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定)后2～3周結(jié)束。對(duì)于膨脹性和擠壓性圍巖，位移長期沒有減緩趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長量測(cè)時(shí)間。

表6 監(jiān)控量測(cè)頻率表(隧道開挖寬度B=14.32 m)

2.3.4 極限相對(duì)位移及監(jiān)控量測(cè)控制基準(zhǔn)

監(jiān)控量測(cè)控制基準(zhǔn)包括隧道內(nèi)位移、地表沉降等，根據(jù)地質(zhì)條件、隧道施工安全性、隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，以及周圍建(構(gòu))筑物特點(diǎn)和重要性等因素制定。

1)極限相對(duì)位移(見表7)

表7 極限相對(duì)位移

2)監(jiān)控量測(cè)控制基準(zhǔn)

①當(dāng)位移變化速度，凈空變化速度持續(xù)＞5.0 mm/d時(shí)，表明圍巖處于急劇變化狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)系統(tǒng);當(dāng)水平收斂(拱腳附近)速度＜0.2 mm/d，拱部下沉速度＜0.15 mm/d時(shí)，表明圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。②根據(jù)圍巖回歸位移時(shí)態(tài)曲線的形態(tài)，當(dāng)圍巖位移速度不斷下降時(shí)表示圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)位移速度保持不變時(shí)表示圍巖不穩(wěn)定，當(dāng)位移速度不斷上升時(shí)，圍巖進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，加強(qiáng)支護(hù)。③位移控制基準(zhǔn)見表8。④根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果按變形管理等級(jí)指導(dǎo)施工。

表8 位移控制基準(zhǔn)

2.4 仰拱及二襯及時(shí)跟進(jìn)

為保證盡早封閉成環(huán)，施工中應(yīng)盡早修筑仰拱，以利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力。仰拱施工采取分段間隔作業(yè)，仰拱澆筑前清除浮渣，排除積水，兩側(cè)銜接部位搗固密實(shí)。

二次襯砌一般在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，且應(yīng)滿足安全步距要求，即二襯距掌子面距離不得大于70 m。

3 效果分析

渝萬鐵路客運(yùn)專線5座隧道采用上述施工技術(shù)，均取得了良好效果。

1)甘家灣隧道:于2013年5月1日開工，2013年8月30日貫通，期間地表沉降最大值為26.8 mm，變形速率最大為4.7 mm/d，拱頂沉降及洞內(nèi)收斂值均小于規(guī)定報(bào)警值。

2)向家灣隧道:于2013年4月1日開工，2013年12月8日貫通。二襯已施作完畢，隧道處于安全狀態(tài)。期間圍巖收斂速率曾達(dá)到5.8 mm/d，超過5.0 mm/d的警戒值，經(jīng)查為施工單位未按時(shí)施作臨時(shí)仰拱所致。為此要求施工單位立即施作臨時(shí)仰拱并及時(shí)觀測(cè)地表沉降，經(jīng)觀測(cè)，直至洞通，未發(fā)現(xiàn)沉降及收斂總量及速率超標(biāo)。

3)沙坡一號(hào)隧道:于2013年6月12日開工，11月22日后方20 m K152+433處收斂速率達(dá)到6.612 mm/d，超出警戒值。經(jīng)分析后確定:仰拱初支未及時(shí)跟進(jìn)，掌子面至仰拱安全步距過大所致，于是要求掌子面封閉，及時(shí)跟進(jìn)仰拱初支。隨后該點(diǎn)觀測(cè)值趨于穩(wěn)定。

4)羅家灣隧道:于2013年7月施工完洞口大管棚后，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工并進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均未超標(biāo)，隧道安全貫通。

5)馬桑灣隧道:于2013年7月31日開挖進(jìn)洞，進(jìn)洞后停工2個(gè)月，至12月中旬進(jìn)洞45 m，此時(shí)洞口段地表沉降最大值為42 mm，洞內(nèi)最大收斂值為23.735 mm，收斂速率未超標(biāo)，因而可以說圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以詳細(xì)掌握掌子面前方的地質(zhì)狀況，為施工措施的可行性打下基礎(chǔ)，避免盲目施工帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)超前大管棚作為淺埋隧道洞口段支護(hù)加強(qiáng)措施起著至關(guān)重要的作用，因淺埋隧道進(jìn)出洞施工為風(fēng)險(xiǎn)最高階段，加強(qiáng)了洞口段防護(hù)，等于為全隧道安全開挖打下基礎(chǔ)。

3)臨時(shí)仰拱的施作是預(yù)防淺埋隧道圍巖變形超標(biāo)的重要措施，尤其是在洞口段及富水段，增加臨時(shí)仰拱可以減小下臺(tái)階及仰拱開挖時(shí)的收斂變形，從而大大降低隧道因變形過大而坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

4)監(jiān)控量測(cè)是隧道安全施工的眼睛及守護(hù)神，因淺埋隧道上覆土層小，自穩(wěn)能力差，且為砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)頁巖，遇水后易軟化，強(qiáng)度大幅降低，因而及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)圍巖狀況變化，可以為隧道開挖安全增加一道保險(xiǎn)。

5)仰拱及二襯緊跟可以確保隧道盡早封閉成環(huán)，使隧道支護(hù)與巖體共同受力，盡早形成永久受力結(jié)構(gòu)。

［1］雷春潔.超前支護(hù)在淺埋及軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(5):37-39.

［2］中國路橋工程有限責(zé)任公司.甘家灣、向家灣隧道施工技術(shù)方案及監(jiān)控量測(cè)方案［R］.北京:中國路橋工程有限責(zé)任公司，2013.

［3］中交第二航務(wù)工程局有限公司.羅家灣隧道、馬桑灣隧道及沙坡一號(hào)隧道施工技術(shù)方案及監(jiān)控量測(cè)方案［R］.重慶:中交第二航務(wù)工程局有限公司，2013.

［4］鐵道部基本建設(shè)總局.鐵路隧道新奧法指南［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.