曾家坪1#三線大跨車站隧道在堆積體中的施工技術(shù)

1、內(nèi)（江）昆（明）線曾家坪1# 三線大跨車站隧道施工技術(shù) 摘要：本文介紹了曾家坪1#三線大跨車站隧道在堆積體中的施工技術(shù)。該隧道通過方案比選，確定了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法，并以多種量測為監(jiān)控手段指導(dǎo)施工，對施工全過程進行動態(tài)管理。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整圍巖支護參數(shù)和施工方法，對施工中出現(xiàn)的問題采取有效措施，及時解決。該隧道在三線大跨段成功地使用了襯砌模板臺車，保證了砼襯砌質(zhì)量，解決了施工過程中多道工序相互干擾的難題，提高了施工進度。本文系統(tǒng)總結(jié)了三線大跨隧道在堆積體中修建的經(jīng)驗及應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞：三線大跨隧道 堆積體 施工 監(jiān)測1、前言資料表明，國內(nèi)目前已建成的三線大跨鐵路隧道圍巖一般均在類或類以

2、上，在II類圍巖尤其是巖堆體中修建多線、大跨、淺埋隧道的尚無前例。內(nèi)昆線水（富）昭（通）段曾家坪1#三線大跨、偏壓隧道，能在巖堆中成功修建，標(biāo)志著鐵路隧道修建技術(shù)邁上一個新臺階。2、工程概況曾家坪1#隧道全長2563m（DK291+187DK293+750）。因受地形限制，曾家坪車站昆明端站線被迫伸入曾家坪1#隧道進口，隧道形成三線及喇叭口狀，其長度為413m。以DK291+456斷面為界劃分，三線隧道長269m，喇叭口隧道長144m、其余2150m為單線隧道（如圖1所示）。該隧道進口段90m位于巖堆體地層中，其成分以塊石土為主，砂粘土填充。堆積體下發(fā)育一斷層，該斷層以10度傾角沿隧道縱向延伸

3、，在渡線以后逐漸向洞頂轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)為上硬下軟，后部為上軟下硬。使三線與渡線處于斷層破碎帶（含影響帶）中，其結(jié)構(gòu)為：上半部為角礫巖，以塊狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，膠結(jié)松散，自穩(wěn)能力差，下部為35m厚斷層泥，周部因斷層泥隔水作用而形成上升泉。隧道總涌水量Q=15628m3/d，其中DK291+187DK291+350段為1280 m3/d；DK291+350DK292+220段為4216 m3/d。3、工程特點31 三線大跨、淺埋、偏壓DK291+187DK291+456段269m為三線車站隧道，其開挖寬度20.68m，高度13.83m，高跨比0.67，屬典型的扁平結(jié)構(gòu)，其埋深僅315m，洞口處于山溝

4、邊，地形橫坡1：1.2，并處于較陡凌空面上。如圖2所示。32 地質(zhì)條件差三線段位于堆積體（塊石土）和II類斷層破碎帶中，且地下水豐富，極易坍塌。4、施工方法選擇41 采用數(shù)值分析法進行計算分析數(shù)值分析法主要有：地層結(jié)構(gòu)法和荷載結(jié)構(gòu)法，在計算參數(shù)一致的情況下兩者計算結(jié)果基本一致，特別是隧道進口，覆蓋層薄、圍巖軟弱，荷載相對明確，故在此按荷載結(jié)構(gòu)法計算分析。圍巖和噴射砼用四結(jié)點單元模擬，桿單元模擬錨桿，采用等效剛度法簡化鋼支撐結(jié)構(gòu)，并加入噴砼中。邊界條件按淺埋隧道，上邊界為自由邊取自地表，另三邊為約束，約束至洞中心距為洞平均直徑的5倍，兩側(cè)受水平約束，底邊受豎向約束，計算參數(shù)根據(jù)具體地質(zhì)條件和設(shè)計

5、支護參數(shù)確定。計算結(jié)果見圖3。計算分析表明，底腳和側(cè)壁應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大松弛底壓；底腳和側(cè)壁松弛范圍較大，在II類圍巖條件下，采用臺階法在相同支護條件下，側(cè)壁出現(xiàn)塑性破壞；設(shè)置仰拱后，底腳處的塑性區(qū)范圍變小，說明先修仰拱及早封閉結(jié)構(gòu)，對提高底部承載力，穩(wěn)定整個隧道結(jié)構(gòu)具有重要作用；在II類圍巖計算條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護結(jié)構(gòu)各截面均能滿足要求，并且有較大的安全儲備。綜上所述，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能較好地滿足各種基本條件，保證圍巖的穩(wěn)定性及隧道施工的安全性，故采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案。42 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序（見圖4）421 施工順序（1）左導(dǎo)超前，先施作超前小導(dǎo)管并注漿，開挖1、2部，在2部底設(shè)一道

6、H18型鋼臨時支撐；（2）開挖左導(dǎo)3、4部，使4部及時封閉成環(huán)；（3）灌注仰拱砼（V）；（4）待左導(dǎo)開挖15m后，進行右導(dǎo)開挖。6、7部同左導(dǎo)1、2部，8、9部同左導(dǎo)3、4部；（5）灌注右導(dǎo)仰拱砼（X）；（6）灌注左、右導(dǎo)邊墻砼（、）；（7）邊墻鋼筋砼施作完畢后開挖中洞13；（8）灌注拱部砼；（9）開挖中洞15；（10）開挖中洞仰拱16；（11）灌注仰拱。422 主要支護參數(shù)選擇拱部小導(dǎo)管注漿：42小導(dǎo)管，L=3.5m，縱向間距2m，環(huán)向間距0.4m；格柵鋼架：主格柵25cm×20cm內(nèi)壁格柵20cm×15cm，格柵間距0.5m；系統(tǒng)錨桿：WTD25錨桿，1m×1

7、m布置；鎖腳錨桿：42鋼花管，L=3.5m，注漿加固；噴砼：C20。43 襯砌方法為避免開挖出碴、進料相互干擾，確保砼質(zhì)量，襯砌采用組合模板臺車，泵送砼施工，整個系統(tǒng)包括2個掛板臺架、2個邊墻臺車及1個拱部臺車。5、施工51 洞口段及左、右導(dǎo)上部開挖首先對洞口坡面進行錨+網(wǎng)+噴砼加固，并在開挖輪廓線外側(cè)打超前小導(dǎo)管。左導(dǎo)1部開挖15m后，進行右導(dǎo)1部及左導(dǎo)2部開挖，并進行地表注漿。在施工過程中，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，初期支護結(jié)構(gòu)受力大，地表下沉明顯。當(dāng)左導(dǎo)1部開29m，右導(dǎo)1部開挖25m，左導(dǎo)2部開挖僅5m時突然出現(xiàn)洞頂?shù)乇黹_裂，裂縫寬610mm，邊坡和仰坡噴砼受擠壓開裂、錯動15cm，22鋼筋彎

8、曲變形，向上拱出12cm，洞內(nèi)DK291+200處噴砼環(huán)向開裂13mm，隧道右側(cè)距中線25m處出現(xiàn)2條裂縫，裂縫寬達510cm。（圖5、圖6）。經(jīng)分析，確定以下整治措施：（1）洞內(nèi)停止開挖；（2）洞內(nèi)開裂處加設(shè)格柵套拱；（3）在距隧道中線左側(cè)15m右側(cè)25m，隧道縱向55m范圍進行地表深孔注漿加固；（4）加固參數(shù)：75鋼花管，15m55m，1.5m×1.5m梅花狀布孔，注水泥砂漿，注漿壓力0.10.5Mpa。實施中由于巖堆體中空隙甚大，多臺鉆機同時作業(yè)造成洞內(nèi)初支面噴水。對成孔后鋼管樁注漿時，無壓狀態(tài)吃漿量大，同時洞內(nèi)出現(xiàn)環(huán)向開裂。對地表注漿作如下調(diào)整：（1）鉆機由12臺減少到4臺，

9、隧道兩側(cè)各2臺；（2）隧道兩側(cè)各先施做3排鋼管樁，然后進行1、2部開挖，與此同時再逐漸向中間及右側(cè)鉆孔施工；（3）對洞內(nèi)環(huán)向開裂處采取加固環(huán)措施。通過以上措施，洞內(nèi)拱項下沉、凈 空收斂、地表下沉、土體位移基本得到控制（見圖7）。52 左、右導(dǎo)坑下部施工為提高施工進度解決工期壓力，在左、右導(dǎo)1、2部之間設(shè)一橫通道，既保證1、2部及3、4部同時開挖施工，又解決左右導(dǎo)1、2部出碴進料問題。521 左導(dǎo)3、4部開挖25m，右導(dǎo)3、4部開挖7m時出現(xiàn)的問題收斂變形大，左導(dǎo)平均累計變形67mm，最大106mm；右導(dǎo)平均累計變形76mm，最大137mm（見圖8），臨時支撐H18型鋼嚴(yán)重彎曲，內(nèi)壁噴砼開裂（見

10、圖9）。522 原因分析（1）根據(jù)B項量測結(jié)果，拱腰處出現(xiàn)較大壓力區(qū)，壓應(yīng)力達0.8Mpa，最大鋼架軸力93KN（壓力），底腳處出現(xiàn)拉力區(qū)，最大拉力35KN，證明施工過程中底腳和邊墻松弛范圍較大，產(chǎn)生較大的松弛底壓；（2）導(dǎo)洞下部開挖后，開挖高度11.9m，跨度7.5m，呈瘦高形，根據(jù)側(cè)向土壓力理論，中部土體開挖擾動后將對內(nèi)壁產(chǎn)生較大的水平側(cè)向壓力；（3）3部開挖過程中，一次拉槽過長，橫撐未能及時架設(shè)。523 改進措施（1）內(nèi)壁噴砼由25cm增加到30cm，外壁由30cm加厚到35cm；（2）原橫撐上增加一道原木支撐，并將原橫撐（H18型鋼）縱向連接，形成桁梁，以提高整體剛度；（3）嚴(yán)格控制開

11、挖進尺，每6m即施作仰拱，灌注底部砼，使初支結(jié)構(gòu)及時封閉。通過以上措施，有效地抑制了結(jié)構(gòu)的凈空位移，最大累計位移由137mm減為48mm，邊墻處圍巖壓應(yīng)力由0.8Mpa減為0.3Mpa。53 拱部開挖左導(dǎo)下部開挖30m，右導(dǎo)下部開挖21m后，開始進行中洞拱部開挖。531 施工工序（1）打超前小導(dǎo)管注漿加固，L=3.5m，環(huán)向間距40cm , 縱向間距2m；（2）人工風(fēng)鎬開挖，個別孤石放小解炮解?。唬?）加設(shè)格柵拱架，打系統(tǒng)注漿鋼管，掛鋼筋網(wǎng)，焊縱向連接筋，噴砼支護；（4）架設(shè)臨時豎撐每排3根，每米1排；（5）每開挖8m即進行二次砼襯砌施工；（6）割除內(nèi)壁上部格柵后，用鋼絲繩左右對拉，縱向間距2

12、m。當(dāng)拱部開挖30m，側(cè)導(dǎo)下部開挖約90m時，拱部開挖面前方20m范圍內(nèi)，側(cè)導(dǎo)內(nèi)壁2、3部結(jié)合處又出現(xiàn)大范圍的噴砼開裂，鋼拱架變形嚴(yán)重。經(jīng)分析，原因主要有以下方面：（1）拱部開挖對圍巖再次擾動，引起開挖面前方一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布，在此過程中，內(nèi)壁承受二次擾動荷載；（2）內(nèi)壁割除過程中，結(jié)構(gòu)受力有一個轉(zhuǎn)換過程。拱部初支結(jié)構(gòu)在此過程中承受較大的垂直荷載，也造成一定范圍內(nèi)的應(yīng)力傳遞；（3）根據(jù)二次襯砌B項量測結(jié)果，二襯與初支接觸應(yīng)力為0.09Mpa，二襯最大鋼筋應(yīng)力4.2t，初期支護最大圍巖應(yīng)力0.2Mpa，鋼架最大軸力9.6t，說明二次襯砌承受了較小部分的外部荷載。施工中盡管采取二襯緊跟的措

13、施，但由于二襯強度有個發(fā)展過程，另外二襯砼頂部與初支噴砼面不密貼，造成拱頂受力較大，引起前方較大范圍土體松弛；（4）圍巖壓力監(jiān)測也表明，內(nèi)壁受力大于邊墻（如表1所示）； 圍巖應(yīng)力表（單位:Mpa） 表1 地點部位3步內(nèi)壁（+373）3步邊墻（+373）4步邊墻（+373）4步仰拱（+373）3步開挖0.6190.0800.0404步開挖0.3900.1040.1000.220仰拱鋪設(shè)0.5200.1230.1110.437（5）中洞開挖后初支與二襯應(yīng)力及內(nèi)壁應(yīng)力明顯增大，開挖面前方內(nèi)壁應(yīng)力遠(yuǎn)大于邊墻接觸應(yīng)力，見圖10、圖11（圖中內(nèi)壁應(yīng)力為圍巖應(yīng)力，邊墻及拱部應(yīng)力為接觸應(yīng)力，單位：Mpa）。5

14、32 基于上述原因，采取以下措施：（1）嚴(yán)格控制中部開挖進尺，二襯與開挖面間距控制在6m范圍以內(nèi)；（2）采用弱爆破技術(shù)，減小爆破震動對圍巖的擾動；（3）架設(shè)臨時豎撐后，才能切割內(nèi)壁鋼架；（4）對拱部二襯砼及時注漿回填；（5）在內(nèi)壁變形處增設(shè)長4.5m的注漿錨桿；（6）在DK291+290DK291+426段側(cè)壁導(dǎo)坑拱部開裂處加設(shè)812m預(yù)應(yīng)力錨桿，間距1m，梅花狀交錯布置，施加810t預(yù)應(yīng)力；（7）采用5m長42小導(dǎo)管注漿，間距.5 0.8m，梅花狀交錯布置，壓純水泥漿，注漿壓力2.5 3.0Mpa；（8）加強監(jiān)測，及時反饋、分析。通過以上措施，支護變形基本得到控制。6、施工監(jiān)測61 監(jiān)控量測

15、目的611 通過監(jiān)控量測了解大跨施工階段地層與支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，把握施工過程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)。612 用現(xiàn)場的結(jié)果彌補理論分析過程中存在的不足，并把監(jiān)測結(jié)果反饋設(shè)計、指導(dǎo)施工。613 通過監(jiān)控量測進行大跨隧道日常施工管理。614 通過監(jiān)控量測了解該工程條件下所反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點，為今后類似工程提供借鑒和指導(dǎo)作用。62 監(jiān)控項目的選擇監(jiān)控量測項目主要根據(jù)隧道工程的地質(zhì)條件、圍巖類別、跨度、埋深、開挖方法和支護類型等條件綜合確定。曾家坪1#隧道進口端監(jiān)控量測內(nèi)容可分為A類和B類。其中A類包括：地表下沉、拱頂下沉、凈空收斂、土體位移變形監(jiān)測；B類包括：圍巖壓力、初支鋼架應(yīng)力、二襯

16、與初支接觸應(yīng)力、二襯鋼筋應(yīng)力。測點布設(shè)位置見測點布置示意圖（圖12、圖13、圖14）63 監(jiān)測管理體系的建立631 周邊位移允許值的制定目前我國對跨度10m左右的雙線隧道，大多采用新奧法指南所制定的管理基準(zhǔn)，但對于三線隧道，其斷面遠(yuǎn)大于雙線隧道，且扁平率小，其周邊位移形式和失穩(wěn)模式與雙線隧道有所不同，因此需建立適合其特點的監(jiān)控基準(zhǔn)。根據(jù)國內(nèi)外大跨隧道監(jiān)控量測資料和模型試驗數(shù)據(jù)，并通過有限元計算，結(jié)合曾家坪1#進口三線大跨的結(jié)構(gòu)特點及地質(zhì)條件，初步制定相應(yīng)的管理基準(zhǔn)周邊允許相對位移值（見表2）。周邊允許相對位移值 表2圍巖類別拱頂下沉水平收斂0.951.301.252.05 注:相對位移是指位移

17、值與兩測點距離之比或拱頂下沉與隧道跨度之比。632 監(jiān)測基礎(chǔ)上管理基準(zhǔn)根據(jù)曾家坪1#隧道施工經(jīng)驗，我們推薦鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則（TBJ10892）的III級管理并配合位移速率作為監(jiān)測管理基準(zhǔn)，見表3、表4。位移管理等級 表3管理等級管理位移施工狀態(tài)U0<(Un/3)可正常施工(Un/3)U0<(2Un/3)應(yīng)加強支護U0>(2Un/3)應(yīng)采取特殊措施 注: U0實測位移值；Un允許位移值。現(xiàn)場監(jiān)測時，可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果所出的管理階段來選擇監(jiān)測頻率：一般III級管理階段監(jiān)測頻率可放寬些；II級管理階段則應(yīng)注意加強監(jiān)測次數(shù)；I級管理階段則應(yīng)加強監(jiān)測，通常監(jiān)測頻率為12次/天或更

18、多。位移速率控制基準(zhǔn) 表4序 號監(jiān)測項目位移速率（mm/d）施工情況1地表下沉3可正常施工5施工中應(yīng)注意8加強支護或采取特殊措施2拱頂下沉凈空收斂5可正常施工8施工中應(yīng)注意10加強支護或采取特殊措施7、取得成果及建議71 建立了一套嚴(yán)密的監(jiān)控量測反饋體系監(jiān)控量測反饋體系的建立，使施工時能夠及時掌握軟弱圍巖條件下大跨隧道施工階段地層和支護結(jié)構(gòu)的變位、應(yīng)力大小及分布規(guī)律。711 給出了沉降預(yù)測的方法施工引起的沉降，可用指數(shù)函數(shù)加以描述：地表縱向、洞內(nèi)拱頂、收斂： t0式中：a、b 回歸常數(shù)；t初讀數(shù)后的時間；U位移值。地表橫向：式中：l沉降曲線變曲點至隧道中線距離；S距隧道中線x處的沉降值；Sma

19、x隧道中線最大沉降值。712 分析了施工過程對變形的影響比重及變形發(fā)展規(guī)律圍巖和支護結(jié)構(gòu)變位大致經(jīng)歷三個階段：超前影響階段、加速變形階段、緩慢變形階段。各階段引起的變形分別占總變位的30.2%，51.4%和18.4%。開挖面距測點一倍洞徑（3、4部開挖距測點前后2m）施工過程中，圍巖和支護結(jié)構(gòu)變位占總變位的60%以上，控制這部分變形是施工的關(guān)鍵。同時中洞、左、右導(dǎo)洞開挖時在相互影響范圍之內(nèi)；分析指出：后開挖洞室對先開挖洞室的變位、應(yīng)力重分布影響更大，因此宜先加強先挖導(dǎo)坑的支護及先挖洞室結(jié)構(gòu)的及時封閉，提高其整體穩(wěn)定性和抵抗變形及施工荷載的能力。另一方面，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：影響變位及應(yīng)力分布的

20、因素有地質(zhì)條件、開挖高度、施工方法等，但開挖跨度和開挖寬度對變位的影響程度不一樣，開挖高度對水平變位的影響占主導(dǎo)地位，而開挖跨度則對拱頂下沉影響較大，如在施工過程中，導(dǎo)坑1、2步開挖拱頂下沉平均值大于收斂值，而在3、4步開挖過程中水平收斂值則遠(yuǎn)大于拱頂下沉值，同時圍巖的側(cè)壓力也很大，最大側(cè)壓力出現(xiàn)在3、4步結(jié)合處。713 給出了地層穩(wěn)定沉降允許值及計算公式，并且在理論分析、工程經(jīng)驗和現(xiàn)場實測的基礎(chǔ)上得出了大跨隧道的變形控制基準(zhǔn)、接觸應(yīng)力分布規(guī)律及回歸方程。但需指出的是有關(guān)的基準(zhǔn)、規(guī)律是在特定條件下得出的，仍需在以后大量的工程實踐基礎(chǔ)上加以修正和完善。714 提出了在各個施工階段二襯不僅是作為安全儲備而且是極為重要的承載結(jié)構(gòu)。特別是中洞部分地段，初支與二襯的接觸應(yīng)力高達1.75Mpa。72 完善、優(yōu)化了設(shè)計理論分析和監(jiān)測表明，曾家坪1#隧道進口大跨段施工時，導(dǎo)坑內(nèi)壁和