富水砂岩夹泥岩不良地质铁路隧道施工技术

2023-10-14吴文富张军平

西部交通科技 2023年8期

吴文富,张军平

(广西南玉铁路有限公司,广西南宁 530022)

0 引言

铁路隧道工程施工阶段应根据施工图阶段的风险管理报告开展风险管理,重点结合施工前及施工过程中的调查对风险因素进行核对,对施工方案和地质因素有重大变化的风险进行评估[1]。施工中应结合现场踏勘、超前地质预报等手段对自然、地质和社会风险因素进行动态识别、评估控制。矿山法隧道富水软弱围岩不良地质段主要风险因素含基底变形、大变形、突水(泥)和塌方[2]。采用常规的隧道施工工艺和支护参数不能完全控制隧道施工风险,因此应根据特定的施工地质条件制定相应措施对隧道施工风险进行控制,确保隧道施工安全。

在隧道掘进过程中,超前地质预报探明前方地质情况、围岩监控量测发生预警、初支发生变形出现裂缝等,说明结构承载力不能满足要求[3]。通过选择相匹配的开挖方法、主动加固围岩、加强支护强度、采取适宜的施工工艺、增大预留变形量等一系列行之有效的措施,确保有足够的强度抵抗隧道围岩流变现象产生的有害荷载,保证隧道施工安全和隧道结构安全。

1 工程背景

某高速铁路隧道位于低山丘陵区,地面最低高程为70 m,最高高程为279 m,差约210 m,地势差异较大,坡面植被发育,洞身埋深为15～169 m。隧道为时速350 km的新建高速铁路双线隧道,隧道线间距5.0 m。隧道范围内地层岩性主要为泥盆系下统郁江组薄-中厚层状砂岩夹泥岩、灰岩、那高龄组砂岩、莲花山组砂岩,寒武系小内冲组砂岩、砂岩夹泥岩、构造岩主要为碎裂岩,中等富水-富水。

2 超前地质预报

为及时掌握隧道掘进前方不良地质围岩的规模、性质、稳定性以及富水情况,本隧道在富水软弱围岩地质段掘进施工采用TSP长距离、地质雷达短距离相结合的预报手段,并适时结合中短距离的超前地质钻探。该工程使用YQL980型钻机、TETSP-2地震波探测仪、100 MHz屏蔽天线地质雷达设备。综合地质预报结论:DK100+855～DK100+980段洞身埋深约为70～130 m,围岩地层岩性为寒武系小内冲组砂岩夹泥岩,节理裂隙发育,岩体破碎,泥质胶结,岩质极软,强风化,遇水易软化,为富水区段。

3 围岩监控量测

隧道监控量测纳入施工工序管理,监控工作与隧道掘进作业同步,按表1所示进行布点和监测,并动态调整或增加量测的项目和内容。隧道按原设计开挖至掌子面DK100+920处,监控量测数据显示DK100+915隧道拱顶沉降累计达到 568.6 mm,隧道洞身净空收敛变化值累计592.1 mm,隧道初支发生变形。

4 施工措施

根据隧道变形情况,如图1所示对DK100+855～DK100+980软弱围岩不良地质段制定相应施工优化措施,保证隧道施工和结构安全。

图1 优化支护参数示意图

4.1 初支侵限净空段拆除处理

4.1.1 掌子面临时封闭

隧道开挖掌子面暂停施工,采用C25喷混凝土进行封闭处理,厚度为25 cm,以保证掌子面稳定及后序施工安全。上台阶及中台阶设置临时仰拱临时封闭,以控制变形,临时仰拱钢架采用Ⅰ18轻型工字钢,钢架间距结合洞身拱墙钢架间距,每2榀钢架设置一处,临时仰拱喷射C25混凝土,厚18 cm。

4.1.2 套拱支护

对初支拱墙采用Ⅰ20a 型钢进行临时加固,间距0.8 m/榀,钢架采用Ⅰ16型钢纵向焊接连接,环向间距1 m,钢架与初支密贴。

4.1.3 径向注浆

对初支背后围岩进行注浆加固和堵水,注浆范围4 m,注浆浆液采用双液浆,注浆压力为1.5 MPa。

4.1.4 初支侵限部分拆除

利用风镐对已施作的变形初支段落凿除15 cm宽的凹槽划分工作单元,工作单元取0.5 m,利用液压破碎机拆除作业,拆除后立即初喷C25喷射混凝土,重新施作初期支护。

4.2 支护参数优化

对隧道DK100+855～DK100+920净空侵限段和DK100+920～DK100+980未开挖段支护参数优化如表2所示。

表2 隧道优化支护参数表

4.3 施工工艺优化

4.3.1 施工工法

采用三台阶预留核心土法施工,上台阶、中台阶每2榀拱架增设Ⅰ18轻型工字钢作临时横撑。

4.3.2 工艺流程

工艺流程图如图2所示。

图2 工艺流程图

4.3.3 施工进尺及步距

严格遵循“短进尺,强支护”原则,施工中应严格控制开挖循环进尺,上、中、下台阶每循环不大于1榀钢架;为初期支护尽早闭合,以保证隧道安全,仰拱与下台阶同步开挖,每循环不大于1榀钢架。仰拱初期支护达3 m后,立即施作仰拱及填充,仰拱及填充达12 m立即施作拱墙衬砌。恢复掌子面掘进后,仰拱初支封闭位置与隧道开挖面步距≤25 m,二衬端头与隧道开挖面步距≤70 m。

4.3.4 洞内排水

采用引流槽做好隧道渗水的引排工作,及时将渗水引排至临时集水坑,避免浸泡基底围岩,采用阶梯排水及时将集水坑内的水排出隧道。在隧道开挖的过程中,在掌子面设移动潜水泵,将隧道出水抽排至集水坑,经由集水坑抽至洞外的污水沉淀池,经污水处理后排放,同时配备足够的排水设施以便能应急处理突发的涌水。

4.4 施工质量控制

(1)初支采用湿喷混凝土,避免混凝土后期强度不足,从而导致初支变形。

(2)二衬前初支结构的7 d平均变形速率<1 mm/d时方可施工二衬混凝土。

(3)清理仰拱面基底,不允许有虚渣淤泥情况,防止后期不利荷载集中在薄弱环节,致使拱脚脱离开裂。

(4)根据二衬施工前支护断面计算混凝土使用量,因结构不能均匀变形,无法避免超填地段,根据超填位置在灌注过程中着重考虑,避免二衬台车不均匀浇筑出现偏离。

(5)受变形影响,隧道内二衬混凝土厚度以及断面要远大于常规设计,导致混凝土浇筑量变大,属于大体积混凝土施工,要制定相应的大体积混凝土施工控制措施。

4.5 结构受力监测

施工后及时对围岩压力、接触压力、二衬混凝土应力进行测试。围岩压力测试采用双膜振弦式压力盒,量程规格2.0 MPa,布置于围岩与初支间;接触压力测试采用用双膜振弦式压力盒,量程规格2.0 MPa,布置于初支与二衬防水板之间;二衬混凝土应力进行测试设置于二衬混凝土结构内。

5 施工效果

5.1 施工工效

DK100+855～DK100+980软弱围岩不良地质段于2022-07-20优化措施施工,于2022-10-26施工完成,工期99 d,进度指标为37.9 m/月,满足施工要求。隧道于2022-11-20安全顺利贯通。

5.2 安全性分析

通过优化隧道施工的相应措施,DK100+855～DK100+980软弱围岩不良地质段监控量测数据显示隧道变形趋于稳定。优化支护参数后施工段变形最大断面(DK100+975)拱顶沉降累计达到94.7 mm,收敛变化值累计110.1 mm,如图3、图4所示。监控量测数据均小于预留变形量200 mm,7 d平均变形速率<1 mm/d,优化施工参数后对隧道变形控制效果明显。