浅析铁路隧道新奥法施工存在的问题

2016-05-06顾庆荣甘肃综合铁道工程承包有限公司

大陆桥视野 2016年4期

关键词：施工流程分析

顾庆荣/甘肃综合铁道工程承包有限公司

浅析铁路隧道新奥法施工存在的问题

顾庆荣/甘肃综合铁道工程承包有限公司

【摘要】本文主要是对我国按新奥法原理设计施工的山岭隧道施工中存在的一些普遍问题进行分析研究，在此基础之上提出如下观点，希望能够为同行业人员提供一些参考。

【关键词】山岭隧道；自稳时间；施工流程；支护时间；分析

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method，简称为NATM。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于20世纪50年代提出的。引入我国后在铁路隧道得到广泛应用，也积累了大量成功经验。一般的设计规程是：洞室开挖成型后，及时初喷混凝土，封闭围岩表面，防止风化掉块，然后再支护钢架施工锚杆，复喷混凝土至设计厚度，控制围岩进一步变形，防止失稳，造成坍塌，至此初期支护完成，按照《铁路隧道监控量测技术规程》的要求，进行监控量测，沉降及收敛变形符合规程要求后即认为围岩基本稳定，施工二次衬砌，符合新奥法理念。但现场实际施工大多与上述不符，普遍存在如下几方面通病。

一、施工流程。

对于山岭隧道，以Ⅳ～Ⅴ级围岩为例，洞室开挖完成后，若为石质地段，受钻爆技术以及围岩本身软硬不均、整体性差等条件限制，洞室表面里出外进，很难达到《铁路隧道工程施工质量验收标准》关于洞身开挖的要求，尽管已进行了排险作业，但现场施工人员普遍认为：立即施作钢支撑（型钢）强支护，才能阻止围岩的变形，保证安全的后续作业空间，这也是现场施工人员乃至技术人员认为格栅钢架（现场加工质量往往也不尽如人意）无法起到支撑作用的原因。若先按设计要求进行初喷作业，以单线铁路隧道Ⅴ级围岩上台阶开挖进尺1m为例，至少需要1小时左右的时间，在这一时间段围岩变形可能加大，造成掉块，甚至坍塌。基于此种观念，施工人员很少按设计流程支护，开挖后先支护钢架，当钢架支护施作完成，即认为已经提供了相对安全的作业空间，再进行锚杆喷混凝土支护。

根据铁路隧道的实践，得出坑道自稳时间大致基准见表1

表1 坑道自稳时间实例

由上表可看出除Ⅴ级围岩外，围岩自稳时间都充分满足按设计要求支护一循环的时间，按设计流程施工能够保证施工安全，对于Ⅴ级围岩地段，就需要根据现场实际情况分析，最主要的是进行围岩稳定性评价，必要时可缩短开挖进尺，以达到及时支护目的。其次需要注意的问题是避免一次掘进尺度过大，一般情况下，设计文件都有要求，应按设计施工。

二、钢架施工。

对于钢架与围岩充分接触，现场很少按要求作，特别是拱部；钢架落底不稳，清除虚渣后，钢架下沉，如果下沉过于明显现场做法是用石块支垫，然后沿钢架施作锚杆，将钢架与锚杆焊接，不施作混凝土垫块，造成钢架与围岩之间存在明显间隙。对于软弱围岩，洞室开挖后，围岩应力重分布，洞室周边形成塑性区，伴随着围岩向坑道内位移，塑性区进一步扩大最终产生破坏。开挖后及时施作锚杆、喷混凝土、钢支撑初期支护，能有效控制围岩的继续变形，防止坍塌。对于拱部而言，在钢架与喷混凝土共同形成柔性支护前，钢架在一定程度上起到了部分支撑的作用，若拱部钢架与围岩间隙过大，造成围岩变形过程中没有得到及时阻挡，随着变形增大，围岩自身承载能力减小，围岩荷载增大，钢架很难支撑，极易造成坍塌，或者留下安全隐患。

根据铁路隧道的实践，统计坑道开挖后变形值见表2

表2 坑道位移值

《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2005）规定单线隧道开挖预变形值见表3

表3 预留变形量

根据上表以Ⅴ级围岩，泥岩夹砂岩地层，埋深50～100m单线铁路隧道（设计时速120km／h）为例，设计预留变形量为70mm，理想状态下可视为围岩与支护共同受力变形，达到70mm后，支护发挥最大作用，同时很好的利用围岩自身强度，开挖后若钢架拱部与围岩间隙为30mm，即可视为在没有支撑的条件下，围岩变形已达到弹塑性变形的下限，钢架支护随后受力与围岩一起变形，在此过程中钢架有个自身调整稳定的过程，由此看来当钢架最终起到支撑作用时，围岩变形或许已超出塑性变形极限，接近破坏状态，甚至出现坍塌，这也是很多已支护段发生坍塌的原因之一，即使不发生坍塌，围岩的过度松弛也不利于围岩自支护能力的利用。

由此可看出钢架施工质量是保证施工安全、提高围岩自身支护能力的保证。应严格控制钢架施工质量，落底牢固，与围岩密贴，按设计要求设置垫块，并根据开挖情况适当加密。

三、砂浆锚杆。

锚杆施作质量差是隧道施工中普遍存在的问题，主要是锚杆数量、长度达不到设计要求，锚杆钻孔施工费时费力是客观原因，施工人员轻视锚杆作用是主要原因。特别是土质地段，施工认为砂浆中的水会软化围岩，或者采用树脂锚杆代替全长粘结砂浆锚杆。隧道开挖后，洞身周边形成松弛区，锚杆的施工能有效控制松弛区扩大，起到悬吊、挤压、组合梁或锁脚的作用，有助于围岩自身支护能力的发挥，前提条件是锚杆施工有足够长度，能穿透应力松弛区，并且有足够的密度。

树脂锚杆施工方便，抗拔力较高，但是对于土质隧道或软弱破碎石质隧道，由于围岩自身强度较低，树脂锚杆锚固点有限，很难提供足够的抗拔力，全长粘结砂浆锚杆可以通过相对较大的摩擦面提供足够的抗拔力。宝中线大寨岭隧道是我国第最早按新奥法原理设计、施工的土质山岭隧道。根据现场对36根砂浆锚杆抗拔试验，平均锚固力为67KN，说明锚杆与砂浆、砂浆与土体有着良好的粘着力。测定的11个断面隧道周边围岩平均松弛厚度：拱顶1.63m，拱脚1.69m，边墙中部1.75m，轨顶面处2.05m。与有限元分析及变形收敛值进行的分析是一致的。设计采用的2.5m长砂浆锚杆也是满足要求的。

由此可见设计要求的全长粘结砂浆锚杆是十分必要的，可以提高围岩自身支护能力，保证施工安全。施工中减少锚杆数量、减短锚杆长度的做法增大了施工安全风险，降低了工程质量，必须杜绝。