某大跨、偏压隧道施工技术资料.doc

曾家坪一号三线隧道施工技术

前 言
资料表明，国内目前已建成的大跨度铁路隧道的地质条件一般均在Ⅲ类围岩或Ⅲ类以上，在Ⅱ类围岩尤其是岩堆体中修建多线、大跨、浅埋隧道尚无前例。内昆线水（富）昭（通）段曾家坪1号大跨、偏压隧道，能在岩堆中成功修建，标志着我国铁路隧道修建技术又迈上一个新台阶。
一、 工程概况
曾家坪1号隧道全长2563m（DK291+187——DK293+750）。因受地形限制，曾家坪车站昆明端站线被迫伸入曾家坪1号隧道进口，形成三线及喇叭口隧道长413m。以K291+456断面划分，三线隧道长269m，喇叭口隧道长144m，其余2150m为单线隧道。（如图1所示）
工程及水文地质：
进口段90m位于堆积体中，其成分以块石土为主，砂粘土填充，并于堆积体下发育一断层，该断层以10度倾角与线路相交，并向隧道大里程方向延伸，在三线及渡线以后逐渐向洞顶转移，使三线与渡线处于断层破碎带（含影响带）中，其组成结构为：上半部为角砾岩，以块状灰岩、泥质灰岩为主，胶结松散，自稳能力差，下部3～5m厚为断层泥，该断层泉水发育，在多处出现大量断层泉水，泉水以下降泉为主，局部因断层泥隔水作用而形成上升泉。
隧道总涌水量Q=15628m3/d。其中DK291+187～DK291+350段为1280m3/d；DK291+350～DK292+220段为4216mm3/d。
二、 工程特点
1、 三线大跨、浅埋、偏压
DK291+187～DK291+456段269m为三线车站隧道；其开挖宽度20.68m，高度13.83m，高跨比0.67，属典型的扁平结构；其洞口段埋深仅3～15m，洞口处于山沟边，地形横坡1:1.2，并处于大陡凌空面上。如图2所示。

2、地质条件差
三线段位于堆积体（块石土）和Ⅱ类断层破碎带中，且地下水丰富，极易坍塌。
三、 施工方法选择
（一）、采用数值法计算分析
数值分析法主要有：地层-结构法和荷载-结构法，在计算参数一致的情况下两者计算结果基本相同，特别是曾家坪1#隧道进口，覆盖层薄、围岩软弱 ，荷载相对明确，因而这里仅按荷载-结构法计算分析。围岩和喷射砼用四结点单元模拟；杆单元模拟锚杆；采用等效刚度法简化钢支撑结构，并加入喷砼中。边界条件按浅埋隧道，上边界为自由边取自地表，另三边为约束边，约束边至洞中心距为洞平均直径5倍，两侧受水平约束，底边受竖向约束，计算参数根据具体地质条件和设计支护参数确定：计算结果见图3-1。

大跨隧道开挖稳定状态及塑性区域图3—1
计算分析表明：
1、 底脚和侧壁应力集中，产生了较大的松驰底压。
2、 底脚和侧壁松驰范围均较大，在Ⅱ类围岩条件下，采用台阶法在相同支护条件下，侧壁出现塑性破坏。
3、 设置仰拱后，底脚处的塑性区范围变小，说明先修仰拱及早封闭结构，对提高底部承载力，稳定整个隧道结构具有重要作用。
4、 类围岩计算条件下，双侧壁导坑法支护结构各截面能满足要求，并且有较大的安全储备。
综上所述，由于受围岩条件约束，不宜采用台阶法或中壁法。而双侧壁导坑法能较好地满足各种基本条件，确保围岩的稳定性，故采用双侧壁导坑法
（二）双侧壁导坑法施工工序 （图3-2）
1、施工顺序
①、左导超前，先施作超前小导管并注浆，开挖1、2部，
在2部底设一道H18工字钢临时横撑；
②、开挖左导3、4部，使4部及时封闭成环；
③、灌注仰拱砼（Ⅴ）
④、待左导开挖15m后，进行右导开挖。6、7部同左导1、
2部，8、9部同左导3、4部。
⑤、灌注右导仰拱砼（Ⅹ）。
⑥、灌注左、右导边墙砼（Ⅺ、Ⅻ）。
⑦、边墙钢筋混凝土施作完毕后开挖中洞13。
⑧、灌注拱部砼ⅩⅣ。
⑨、开挖中层15。
⑩、开挖中洞仰拱16。
⑾、灌注仰拱ⅩⅦ。

2、主要施工支护选择：
拱部小导管注浆：φ42小导管，L=3.5m、纵向间距2m、环向间距0.4m。
格栅钢架：主格栅25cm×20cm，内壁格栅20cm×15cm。格栅间距均为0.5m/榀。
系统锚杆：WTD25锚杆，1m×1m布置。
锁脚锚杆：Φ42钢花管， L=3.5m,注浆加固。
喷 砼：C30。
（四）衬砌方法
为避免开挖出碴、进料相互干扰，确保砼质量，衬砌采用边墙、拱部组合模板台车，泵送砼。整个系统包括2个挂板台架、2个边墙台车、2个拱部台车。
四、 施工
（一）洞口段及左、右导上部开挖：
首先对洞口坡面进行锚+网+喷砼加固，并在开挖轮廓线外侧打超前小导管。左导1部开挖15m后，进行右导1部开挖及左导2部开挖，并进行地表注浆。
在施工过程中，通过监测数据反映，初期支护结构受力大，地表下沉明显。当左导1部开挖29m，右导1部开挖25m，左导2部开挖仅5m时突然出现洞顶地表开裂，裂缝宽6～10mm，边仰坡喷砼受挤压开裂、错动15cm，Φ 22钢筋弯曲变形上拱12cm ，洞内DK 291+200处喷砼环向开裂13mm，隧道右侧距中线25m处出现2条裂缝，裂缝宽达5～10cm。（图4-1、图4-2）

采取以下整治措施：
1、 洞内停止开挖，在洞内开裂处加设格栅套拱。
2、 洞口段纵向55m，隧道中线左侧15m右侧25m范围进行地表深孔注浆加固。
3、 加固参数： Φ75钢花管，15m～55m，1.5m×1.5m梅花布孔，注水泥砂浆，注浆压力0.3MPa。
实施中发现： 由于堆积体中孔隙甚大，加之多台钻机同时作业，施工中造成洞内初支面喷水，对孔内钢管注浆，无压状态下，吃浆量太大，洞内也出现环向开裂。
对地表注浆作如下调整：
1、钻机由12台减少到4台，隧道两侧各2台。
2、先施工隧道两侧各3排钢管桩，待钢管桩施作后可进行1、2部开挖，与此同时再逐渐向中间及右侧钻孔施工。
3、对洞内环向开裂处采取加固环措施。
通过以上措施，洞内拱顶下沉、净空收敛、地表下沉、土体位移基本
到控制，地表下沉、土体位移基本得到控制（见图4-3）。
（二）左、右导坑下部施工：
为解决工期压力，保证1、2部开挖不停，同时开挖3、4部，在左、右导1、2部之间设一横通道，解决左、右导1、2部出渣进料问题。
在左、右导坑3、4部开挖过程中，出现以下问题：
1、收敛变形大：左导平均累计变形67mm，最大变形113mm；右导平均累计变形76mm，最大107mm，见（图4-4）

2、临时支撑Ｈ18工字钢严重弯曲。
3、内壁喷砼开裂：（见图4-5）
原因分析：
1、 进口实际为90m堆积体，其下伏一断层。该断层以10度倾角向隧道延伸，使三线与渡线段处于断层破碎带中，并伴有地下泉水出露。
2、 根据Ｂ项量测结果，拱腰处出现较大压力区，最大围岩压力0.8MPa，最大钢架轴力93kN(压力)，底脚处出现拉力区，最大拉力35kN，证明施工过程中底脚和边墙松驰范围较大，产生较大的松驰地压。
3、 导洞下部开挖后，开挖高度11.9mm，跨度7.5m，呈瘦高形，根据侧向土压力理论，中部土体开挖扰动后将对内壁产生较大的水平侧向压力。
4、 3部开挖过程中，一次拉槽过长，横撑未能及时架设。
针对以上情况，采取如下措施：
1、 内壁喷砼由15cm加厚到30cm，外壁由20cm加厚到30cm。
2、 在原横撑上增加一道原木支撑，并将原横撑（H18工字钢）纵向连接，形成桁梁，以提高刚度。
3、 严格控制开挖进尺，每6m即施作仰拱、灌注底部砼，使初支结构及时封闭。
通过以上措施，有效地抑制了结构的净空位移，最大累计位移由113mm减为48mm，边墙处围岩压力由0.8Mpa降为0.3Mpa。
（三）、拱部开挖：
施工顺序：
第一步：打超前小导管注浆加固，L=3.5m，环向间距40cm，2m/环。
第二步：人工利用风镐开挖，个别孤石放小解炮。
第三步：架设格栅钢架，打系统注浆钢管，挂钢筋网、焊纵向联接筋，喷混凝土支护。
第四步：架设临时竖撑每排3根，每m1排。
第五步：开挖8m即进行拱部二次衬砌砼施工。
第六步：割除内壁上部格栅后，用钢丝绳对拉，纵向2m/根。
中部开挖中，开挖面前方20m范围内，内壁2、3部结合处又出现大范围的喷砼开裂，钢拱架变形严重。经分析，原因主要有以下几个方面：
1、 地质条件的变化（如前所述）
2、 拱部开挖造成对围岩的再次扰动，引起开挖面前方一定范围内围岩应力的重新分布，在此过程中，内壁承受二次扰动荷载。
3、 内壁割除过程中，结构受力有一个转换过程。拱部初支结构在此过程中将承受较大的垂直荷载，也造成一定范围内的应力传递。
4、 根据二次衬砌B项量测结果，二衬与初支接触应力为0.09MPa，二衬最大
13

5、
6、
7、
口三线大跨的结构特点及特殊的地质条件，初步制定相应的管理基准——周边允许相对位移值（见表5--1）。
周边允许相对位移值% 表5--1
围岩类别
拱顶下沉
水平收敛
Ⅲ
0.95
1.30
Ⅱ
1.25
2.05
注：相对位移是指位移值与两测点距离之比或拱顶下沉与隧道跨度之比
2、监测项目的管理基准
根据曾家坪一号隧道施工成功经验，我们推荐《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》（TBJ108-92）的Ⅲ级管理并配合位移速率作为监测管理基准，见表5--2、表5--3。
位移管理等级 表5--2
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅲ
Uo<Un/3
可正常施工
Ⅱ
（Un/3）≤Uo<(2Un/3)
应加强支护
Ⅰ
Uo>2Un/3
应采取特殊措施
注：Uo—实测位移值；Un—允许位移值
位移速率控制基准 表5--3
序号
监测项目
位移速率
（mm/d）
施工情况
1
地表下沉
3
可正常施工
5
施工中应注意
8
加强支护或采取特殊措施
2
拱顶下沉
净空收敛
5
可正常施工
8
施工中应注意
10
加强支护或采取特殊措施
现场监测时，可根据监测结果所处的管理阶段来选择监测频率：一般Ⅲ级管理阶段监测频率可放宽些；Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；Ⅰ级管理阶段则应加强监测，通常监测频率为1-2次/天或更多。
六、取得的成果及建议
1、 完善、优化了设计
理论计算和监测结果都表明：曾家坪1#进口大跨段施工时，导坑内壁和边墙的围岩应力呈不对称分布，内壁围岩应力大于边墙，最大围岩应力出现在Ⅱ、Ⅲ部结合处，在各个施工阶段内壁该部位均是结构受力最不利位置，围岩压力和支护内力在开挖过程中均呈增长趋势，部分支护截面的钢筋和砼应力已超过允许应力。因此，在堆积体或Ⅱ类围岩中，侧导应采取不均衡支护，既内壁支护强度大于外壁，建议在导洞间的土体中设对拉锚杆，以对内壁补强，并且侧导应及时施作仰拱，改善侧导受力状态。
2、 立了一套严密的监控量测反馈体系，掌握了软弱围岩条件下大跨隧道施工阶段地层和支护结构的变位、应力大小及其分布规律。
① 给出了沉降预测的方法
施工引起的沉降，可用指数函数加以描述：
地表纵向、洞内拱顶、收敛：U=A（1-e-Bt） t≥0
地表横向：

② 分析了施工过程对变形的影响比重及变形发展规律
围岩和支护结构变位大致经历这么几个阶段：超前影响阶段、加速变形阶段、缓慢变形阶段。各阶段引起的变位分别占总变位的30.2%、51.4%和18.4%。开挖面距测点一倍洞径（Ⅲ、Ⅳ步开挖距测点前后2m）施工过程中，围岩和支护结构变位占总变位的60%以上，控制这部分变形是施工的关键。同时中洞、左右导洞开挖时在相互影响范围之内，分析指出后挖洞室对先挖洞室的变挖、应力重分布影响更大，因此宜先加强先挖导坑的支护及先挖洞室结构的及时封闭，提高其整体稳定性和抵抗变形及施工荷载的能力。另一方面需要指出的是大量的监测数据表明：影响变位及应力分布的因素有地质条件、开挖跨度、开挖高度、施工方法等，但开挖跨度和开挖高度对变位的影响程度不一样，开挖高度对水平变位的影响占主导地位，而开挖跨度则对拱顶下沉影响较大。如在施工过程中，导坑Ⅰ、Ⅱ步开挖拱顶下沉平均值大于水平收敛值，而在Ⅲ、Ⅳ步开挖过程中水平收敛值则远大于拱顶下沉值，同时围岩的侧压力也很大，最大侧压力出现在Ⅱ、Ⅲ步结合处。
③ 给出了地层稳定的沉降允许值及计算公式，并且在理论分析、工程经验和现场实测的基础上得出了大跨隧道的变形控制基准、接触应力分布规律及回归方程。但需指出的是有关基准、规律是在特定条件下得出的，仍需在以后大量工程实践的基础上加以修正和完善。
3、 对施工发挥了较好的指导作用
如前所述，除在施工过程中根据科研结果调整部分设计、施工支护参数外，提出了以下方面的建议：
①控制导坑Ⅲ、Ⅳ步开挖长度在6m以内，紧跟施作仰拱和底部砼；
②控制中洞开挖进尺0.5m，控制中洞拱部台阶长度在6m以内，拱部二次衬砌紧跟，控制全隧仰拱封闭距中洞开挖面在2倍洞径以内；
③提出了在各个施工阶段二衬不仅是作为安全储备而且是极为重要的承载结构。特别是中洞部分地段，初支与二衬的接触应力高达1.75Mpa。
④在洞内大变形和喷砼环向裂缝处施作了钢支撑喷砼加强环；
⑤在未设计临时横撑地段加设了临时横撑，提出了加强临时仰拱对抑制Ⅲ、Ⅳ步开挖时围岩变形具有极为重要的作用；
4、丰富了大跨隧道的施工方法，为以后类似条件下三线大跨隧道的施工提供了依据和借鉴。通过多种手段如有限元模拟计算、工程类比和监控量测等手段正确指导了设计、施工，积累了大量资料，丰富了三线大跨山岭隧道的钻爆施工技术。但曾家坪1#三线大跨隧道施工仍有值得探讨之处如左右导坑呈瘦高形不利于抵抗水平侧向变位和施工载、导坑断面有进一步优化的必要；系统锚杆在软弱围岩中的作用不明显等。