本文摘要：摘要：在富水弱膠結(jié)地層中，隧道施工極易誘發(fā)圍巖坍塌或支護結(jié)構(gòu)大變形。以蘭渝客運專線桃樹坪隧道3#斜井工區(qū)正洞段為背景，提出了一種適用于富水砂巖地層的底部雙導洞超前施工工法。同時采用真空輕型井點+集水井的聯(lián)合降水方案進行隧道內(nèi)超前降水，以降低施工難度;采
摘要：在富水弱膠結(jié)地層中，隧道施工極易誘發(fā)圍巖坍塌或支護結(jié)構(gòu)大變形。以蘭渝客運專線桃樹坪隧道3#斜井工區(qū)正洞段為背景，提出了一種適用于富水砂巖地層的“底部雙導洞超前”施工工法。同時采用真空輕型井點+集水井的聯(lián)合降水方案進行隧道內(nèi)超前降水，以降低施工難度;采用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對方案的合理性和有效性進行分析與評價。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，隧道在采用“底部雙導洞超前”施工法時，拱頂沉降和凈空收斂值分別為50mm、32mm;其支護結(jié)構(gòu)上的最大接觸壓力為135.3kPa;支護結(jié)構(gòu)的變形和受力均在允許范圍之內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。“底部雙導洞超前”的施工工法已成功應用于桃樹坪隧道，可為后續(xù)富水弱膠結(jié)地層或軟弱巖層中的超大斷面隧道施工提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：隧道工程;富水弱膠結(jié)地層;底部雙導洞超前工法;數(shù)值分析;現(xiàn)場監(jiān)測
1引言
隨著施工技術(shù)的不斷改進，中國隧道和地下工程的基礎(chǔ)設施建設得到了迅速發(fā)展。隧道工程數(shù)量不斷增多地同時，其所處的施工地質(zhì)環(huán)境也愈加復雜，尤其在西北地區(qū)軟弱巖層的隧道建設中頻繁出現(xiàn)圍巖坍塌和支護結(jié)構(gòu)大變形等災害[1,2]。因此，在復雜地質(zhì)壞境的隧道建設中，需要選擇并提出合理的施工方案[3~5]，以解決施工困難、施工安全性差的問題。
上世紀50年代Rabcewicz教授提出的“新奧法”是目前軟弱圍巖隧道的基本施工方法。根據(jù)隧道所處的具體地質(zhì)環(huán)境，眾多學者和專家對施工方法進行了優(yōu)化和改進，從而發(fā)展出了多種隧道施工方法。朱正國等[6]對三臺階七步開挖法的臺階高度 和開挖進尺進行了優(yōu)化;Luo等[7]指出三臺階七步開挖法在縮短中、下臺階長度的同時應增加核心土尺寸。Li等[8]提出了環(huán)切開挖方法，聯(lián)合大拱腳、斜鎖腳錨桿的三臺階七步開挖法，有效解決了新黃土地層中隧道施工引起的拱頂和地表沉降量大等問題。
針對CRD法臨時支護拆除困難、機械設備利用率低的問題，姚紅偉等[9]提出了核心土代替下部中隔壁以提高施工效率的措施;楊招等[10]提出了設置上臺階核心土，以臨時鋼管代替下臺階中隔壁及擴大下臺階面積的優(yōu)化施工措施。Li等[11]對超大斷面深埋隧道各部位襯砌的破壞問題進行了模型實驗研究，提出了加強隧道邊墻和拱頂襯砌強度的施工措施。Wu等[12]、Zhang等[13]利用有限元軟件對不同地質(zhì)條件下的隧道施工工序進行了優(yōu)化分析，提出了相應的施工措施。
陶志剛等[14]對斷層地區(qū)隧道錨索支護參數(shù)進行了優(yōu)化研究;資曉魚等[15]對層狀千枚巖隧道合理的錨桿布置形式、鋼拱架間距等進行了對比分析。由上述分析可見，目前已有研究對復雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工提出了相應的優(yōu)化方案和應對措施，但由于富水弱膠結(jié)砂巖具有黏聚力低、膠結(jié)性差及不能自穩(wěn)定的特點，目前對該地層的施工方案研究還不夠完善，尚需進行進一步研究。
本文以蘭渝鐵路桃樹坪隧道3#斜井工區(qū)正洞段的施工為工程背景，基于現(xiàn)場實踐和數(shù)值模擬分析，提出了一種適用于富水弱膠結(jié)地層“底部雙導洞超前”的隧道施工新工法;針對桃樹坪隧道地層富水的特性，根據(jù)新工法的特點，制定了輕型真空井點+集水井的洞內(nèi)聯(lián)合降水施工措施。對提出的新工法通過數(shù)值模擬研究了各施工步序時圍巖的變形和支護結(jié)構(gòu)的應力演化特征。跟蹤施工進行的施工監(jiān)測，驗證了提出工法的合理、可行性。
2工程概況
蘭渝鐵路大致呈南北走向，是連接中國西北至西南區(qū)域的鐵路大動脈。由北向南經(jīng)過黃土高原區(qū)、秦嶺高中山區(qū)兩大地貌單元，均位于青藏高原隆升區(qū)邊緣地帶，地質(zhì)環(huán)境復雜，尤其是甘肅境內(nèi)的地質(zhì)為第三系富水粉細砂層。
富水粉細砂地層的大斷面隧道施工難度大，穩(wěn)定性差。蘭渝鐵路桃樹坪隧道位于甘肅省蘭州市蘭州東站東部，起止里程為DK3+435~DK6+655，全長3220m，從進口段至出口段呈一字坡，進出口相對高差超過200m。桃樹坪隧道為單洞雙線隧道，斷面最大跨度達14.8m，是典型的超大斷面隧道。隧道圍巖為VI級軟巖，其承載力低，自穩(wěn)性差，極易發(fā)生坍塌，被稱為中國施工難度最大的隧道之一。
為縮短工期，桃樹坪隧道設置5座斜井以提高施工效率，其中3號斜井工區(qū)正洞段長度為590m，里程為DK5+040~DK5+630。隧道開挖揭露該段隧道圍巖為富水粉細砂層，在正洞底部有厚度不一的鈣質(zhì)結(jié)核層存在。在隧道開挖初期，采用CRD法施工，因隧道內(nèi)施工環(huán)境差，圍巖工程性質(zhì)較差，地下水位高等，隧道施工中多次出現(xiàn)突涌砂問題，隧道突涌水災害情況如圖2所示。前期施工存在的問題如下：
(1)在正洞底部存在不透水的鈣質(zhì)結(jié)核層，且富水粉細砂層底部含有大量孤石，導致常規(guī)降水方法施工困難，效率低。(2)在鈣質(zhì)結(jié)核層之上的超細粉細砂含水量大，并在結(jié)核層處聚集，導致隧道邊墻腳處易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，造成初期支護懸空、下沉，甚至變形開裂。
(3)第三系粉細砂顆粒細、孔隙比低，造成巖層的透水性與可注性極差。采用注漿法加固時漿液不易擴散，導致初期支護背后土體流動，形成局部的流砂變形，誘發(fā)初期支護懸空，產(chǎn)生大變形。(4)隧道斷面開挖跨度大，圍巖成拱困難。粉細砂巖變形周期較長，一般為20～30d。
3施工方案
3.1施工方案優(yōu)化
由于前期的CRD開挖方法無法有效解決隧道上部土體降水困難以及降水效果極差的問題，富水砂層隧道基底軟化，施工中不斷涌水、涌砂，造成初期支護懸空、下沉、變形甚至開裂等現(xiàn)象頻發(fā)。在吸取前期施工經(jīng)驗教訓基礎(chǔ)上，充分利用底部存在的 鈣質(zhì)結(jié)核層隔水、強度高的特點，在雙側(cè)壁導坑工法基礎(chǔ)上，提出了一種適用于弱膠結(jié)富水粉細砂地層的隧道施工新工法——“隧道底部雙導洞超前”法。
該工法拱頂處采用弧形導坑一次開挖成型，初期支護拱架一次性拼接完成，成環(huán)速度快，符合不良地質(zhì)隧道快開挖、快支護的理念;在正洞下部保留大尺寸的核心土，有利于減少掌子面的持續(xù)變形;初期支護拱架架設完成后，通過徑向回填注漿進行空洞回填和圍巖固結(jié)，以最大限度的控制圍巖的變形，避免初期支護變形過大造成侵限換拱問題。基于現(xiàn)場不同含水狀態(tài)下隧道施工穩(wěn)定性的分析，在隧道開挖過程中當粉細砂巖的含水率較低，無明顯滲水時，圍巖穩(wěn)定性較好;當含水率達到12%后，弱膠結(jié)砂巖失去自穩(wěn)能力，呈流塑狀，圍巖工程性質(zhì)迅速惡化，從而導致隧道初期支護大變形及坍塌等。
因此，地下水處理是隧道施工的關(guān)鍵。考慮到降水方案的工法適用性，結(jié)合地層特點和施工難點，提出了輕型真空井點+集水井的聯(lián)合降水措施，以降低富水砂層的含水量，提高圍巖的穩(wěn)定性。由于正洞底部結(jié)核層抗壓強度為弱膠結(jié)砂層的3倍，將導洞設在底部，有利于導洞圍巖穩(wěn)定。同時導洞施工破壞了結(jié)核層的完整性，利用導洞設置降水設備，有效利用重力效應實現(xiàn)上部富水砂層的高效降水。
3.2優(yōu)化方案施工要點
該工法的施工順序及技術(shù)要點如下所示：
(1)底部上導洞開挖(1、3部)：采用鋼筋骨架加混凝土封閉掌子面，預留核心土，確保隧道工作面穩(wěn)定。同時，為確保初期支護受壓后不會因基底支撐力不足而造成初期支護下沉、變形甚至開裂等問題，將上導洞鋼拱架伸入導洞底部30～50cm。
(2)底部下導洞開挖(2、4部)：為保證施工穩(wěn)定性，下導洞分左、右兩側(cè)開挖，間隔2~3m(先外后內(nèi))。導洞施工完成后，初期支護形成了一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu);在導洞側(cè)壁設置鎖腳錨桿，提高支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止支護結(jié)構(gòu)沿洞壁滑動，出現(xiàn)下沉變形。
(3)隧道降水：降水設備設置在導洞內(nèi)，對前方土體進行降水。在設備的真空力和地下水的重力作用下，地下水不斷從井管中抽出。井管材質(zhì)為ϕ32mm的PPR(無規(guī)共聚聚丙烯)。
(4)上斷面弧形導坑開挖(5部)：為保證降水范圍，減少導洞施工對圍巖的擾動，待導洞開挖10m后，開挖弧形導坑�；⌒螌Э友卣垂安恐行闹羶蓚�(cè)呈弧形開挖，開挖高度為1m。隧道開挖后噴射3~5cm厚C25混凝土封閉圍巖表面，并架立型鋼拱架，放置雙層鋼筋網(wǎng)。
(5)回填注漿：待初期支護完成后，對支護結(jié)構(gòu)全環(huán)注漿。將松散砂體、超前導管和初期支護鋼架固結(jié)成混凝土殼，增強支護結(jié)構(gòu)的整體性，形成圍巖-支護結(jié)構(gòu)承載環(huán)。由于漿液流動擴散影響掌子面的開挖以封閉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，回填注漿應拖后5部掌子面5～10m施工。
(6)分兩步開挖，上下臺階高度別為2.4m、2.0m。利用下部核心土架立臨時仰拱和中隔壁。
(7)下部核心土開挖(8部)：下部大核心土待上半斷面圍巖穩(wěn)定后，分多臺階開挖完成。
(8)仰拱開挖(9部)：當隧道圍巖變形穩(wěn)定后，拆除上斷面臨時支護，按左、右、中順序開挖仰拱，開挖進尺為3m。開挖完成后施作初期支護，完成初期支護的封閉成環(huán)。最后，對仰拱進行混凝土澆筑和填充層的回填。
4數(shù)值模擬
為探究“底部雙導洞超前”工法施工引起的圍巖變形特性和應力特征，采用MidasGTSNX對桃樹坪3#斜井工區(qū)正洞段DK5+241斷面(埋深175m)進行數(shù)值分析。分析該工法的合理性，預測開挖薄弱部位。
4.1數(shù)值模型
由于3#斜井工區(qū)正洞段埋深均超過70m，根據(jù)隧道彈塑性分析理論，確定模型尺寸為110m(寬)×60m(長)×113m(高)。
5現(xiàn)場施工
為評價方案的有效性，選取典型斷面進行施工監(jiān)測，采用全站儀監(jiān)測DK5+241、DK5+292、DK5+394斷面的拱頂沉降和凈空收斂，分析隧道圍巖的變形規(guī)律;采用土壓力盒量測DK5+292斷面的初期支護接觸壓力，以評價隧道支護結(jié)構(gòu)的安全性。監(jiān)測位置分別為：拱頂、拱腰、最大跨度處。
5.1變形監(jiān)測結(jié)果及分析
由于現(xiàn)場測量設備無論在時間上還是空間上，總是遲于土體開挖，導致一些變形發(fā)生在觀測之前。拱頂沉降與凈空收斂監(jiān)測值均在第5部土體開挖后進行，隧道第5部開挖與模擬結(jié)果第39步對應。對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可知：
模擬斷面沉降值為36.5mm，監(jiān)測結(jié)果最終穩(wěn)定值為50.0mm，峰值相差13.5mm;模擬斷面凈空收斂變形值為29.6mm，監(jiān)測結(jié)果最終穩(wěn)定值為32.0mm，峰值相差2.4mm，監(jiān)測結(jié)果稍大于模擬結(jié)果，這主要是由于巖土的構(gòu)成非常復雜，數(shù)值模型對土體進行了一定簡化。但通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比可知，模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)變形發(fā)展規(guī)律一致，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的合理、可行性。
5.2接觸壓力監(jiān)測結(jié)果及分析
接觸壓力整體呈“急劇上升→波動下降→趨于穩(wěn)定”的變化狀態(tài);圍巖壓力在支護結(jié)構(gòu)上分布不均，拱頂處接觸壓力最大，最大跨度處壓力最小，拱腰處適中，這與模擬結(jié)果相符。
監(jiān)測結(jié)果分析表明，隧道拱頂處接觸壓力在35d內(nèi)呈急劇上升趨勢，壓力值迅速達到最大值的65%; 由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，前方導洞開挖時沉降較小，5部土體開挖后，圍巖變形速率較大，隨著掌子面的不斷推進，拱頂沉降、凈空收斂變形持續(xù)增大，變形速率呈不斷減小的趨勢;在45d后目標斷面初期支護封閉成環(huán)并完成二次襯砌的施作，圍巖變形受到抑制，拱頂沉降、凈空收斂變形趨于穩(wěn)定;監(jiān)測斷面拱頂沉降最終穩(wěn)定在50mm，凈空收斂變形值穩(wěn)定在32mm左右，滿足設計預留變形量大于55mm的要求。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測標準化管理實施意見》可知，Ⅵ級圍巖變形量小于75mm時，圍巖變形處于正常變化范圍之內(nèi)，說明該方案在富水弱膠結(jié)砂地層中的應用是合理、可行的。
6結(jié)論
基于蘭渝鐵路桃樹坪隧道富水粉細砂地層的工程特性提出了適用該地層的“底部雙導洞超前”施工工法及適應于該工法的洞內(nèi)聯(lián)合降水施工措施;采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析和評價了該施工工法的合理、可行性。研究可以得到以下結(jié)論和建議：
(1)“底部雙導洞超前”施工工法采取先行開挖底部兩側(cè)導洞，利用重力實現(xiàn)隧道上部超粉細砂的超前降水，有效降低了圍巖的含水率，實現(xiàn)了高效快速降水;該工法具有降水效率高、支護結(jié)構(gòu)步步封閉，初期支護封閉成環(huán)距離短等優(yōu)勢，能有效防止圍巖的坍塌和支護結(jié)構(gòu)的過大變形。
(2)結(jié)合“底部雙導洞超前”施工工法采用的“輕型真空井點降水+集水井降水”的聯(lián)合降水措施可解決正洞底部不透水鈣質(zhì)結(jié)核層降水困難的技術(shù)難題，增加圍巖的自穩(wěn)性，保障了隧道施工的安全。
(3)“底部雙導洞超前”施工工法的上部弧形導坑開挖對圍巖的變形影響顯著，該部開挖引起的隧道拱頂沉降、拱腰下沉和收斂變形的量值分別占總變形量的39.1%、56.7%和30.3%。因此，施工時應加強第5部土體開挖處支護的結(jié)構(gòu)強度;此時隧道拱頂及邊墻處的支護結(jié)構(gòu)應力變化較大，建議加強拱頂及邊墻處支護強度，適量增加鎖腳錨桿數(shù)量。
(4)隧道開挖引起的拱頂沉降和凈空收斂變形的穩(wěn)定值分別為50mm、32mm，滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測標準化管理實施意見》規(guī)范要求小于75mm的規(guī)定;支護結(jié)構(gòu)最大接觸壓力為135.30kPa，襯砌最大軸向應力為6.71MPa，滿足《鐵路隧道設計規(guī)范》支護結(jié)構(gòu)極限抗壓強度值小于22.5MPa的要求。
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作者：王懷正1宋戰(zhàn)平1,2張學文3田小旭1,2潘紅偉
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