高速铁路富水浅埋软弱围岩综合施工技术:高速铁路

　　摘要：以南广铁路许村隧道为实例，介绍了富水浅埋软弱围岩隧道的地质预报、地表加固、变形观测、开挖支护、衬砌等综合施工技术，施工中容易出现的问题以及采取的对策和取得的经验。
　　关键词：隧道；富水；浅埋；软弱围岩；地质预报；地表加固；变形观测；开挖支护；衬砌
　　中图分类号：U455.49 文献标识码:B
　　1、工程概况
　　新建南（宁）广（州）铁路为I级干线、双线电气化，线路全长577.1公里。许村隧道位于广西东部藤县境内,丘陵地区，全遂位于R-5500的曲线上，隧道内纵坡为单面坡，坡度为-3.0‰，坡长1806m。隧道全长645m，（衬砌后）设计半径6.41m。隧道中部IDK178+180～IDK178+470为沟谷富水浅埋软弱围岩段。其地质情况是:奥陶系粉砂岩，钙质胶结，强风化，呈碎块状，局部砂土状，σ0=300KPa，基岩裂隙水发育，属Ⅴ级围岩；围岩埋深平均为8.4m，最浅6m,稳定性差，风化强烈，节理密度小，多以顺层剪节理性质的构造裂隙露出，在施工过程中易发生突泥突水、塌方、掉块、冒顶、侧壁失稳等不良地质灾害，危及施工安全。
　　采用超前地质预报、地表注浆加固、变形观测、三台阶七法开挖及洞内衬砌的综合施工方法，安全、优质、快速、经济的完成许村隧道富水浅埋软弱围岩段施工。
　　2、超前地质预报
　　铁路隧道超前地质预报纳入工序化管理。超前地质预报的方式有很多种，但是每种预报方式都存在优缺点，只有采用两种及两种以上的预报方式才能准确的预知前方的围岩状况。通过有效的地质超前预报，能够较准确的预知掌子面前方的不良地质状况，施工中提前进行准备，保证隧道施工安全。许村隧道采用地质调查、TSP203、超前地质钻探相结合的综合地质预报方式。
　　2.1超前地质预报工作流程
　　许村隧道富水浅埋软弱围岩段落掌子面掘进前，先进行超前地质预报，若地质预报的结果与设计地质不一致，需要进行加强支护。隧道开挖后，及时进行地质素描，与超前预报的结果进行对比，对找出产生差异的原因，在下次的预报中避免，超前地质预报工作流程见图一。
　　图一
　　2.2地质调查
　　根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线、地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况。许村隧道主要进行隧道内地质素描。
　　对隧道拱顶、左右边墙进行的地质素描，直观反映隧道周边地层岩性及不良地质体的发育规模、在空间上对隧道的影响程度等，主要描述工作面立面围岩状况。地质素描应随隧道开挖及时进行，对地层岩性变化点、构造发育部位、岩溶发育带附近等复杂、重点地段应每开挖循环进行一次素描，其他一般地段不应超过10m进行一次素描。根据地质调查结果，确定许村隧道IDK178+180～IDK178+470为高风险区段。
　　2.3超前地质钻探法
　　许村隧道采用冲击钻在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息。孔数：断层、节理密集或破碎富水地层每循环钻3～5个孔，见图二超前地质钻探布置示意图。
　　图二
　　孔深：每循环可钻30～50m；连续预报时前后两循环钻孔应重叠5m。孔径：钻孔直径大于75mm。
　　超前钻探过程中应在现场做好钻探记录，钻机钻进速度比在其他的完整岩石中钻进的速度快慢，由此判断该段岩石强度等级；在钻进时有没有出现掉钻、卡钻等现象，由此判断该段围岩有没有夹层、断层或溶洞的地质构造；在钻进时的回水颜色是否呈浊、变黄，由此判断该段围岩有无充填泥质或碎屑的夹层；在钻进时根据钻出的钻渣判断该段围岩的岩性。在钻进过程中是否出现渗水现象，由此可以判断前方地下水是否发育。通过对钻进记录分析确定许村隧道在IDK178+280～IDK178+400段存在渗水、软弱岩层，为高风险施工区段。
　　2.4．TSP203超前地质预报
　　（1）探测原理
　　TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法,采用回声测量原理地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24 个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震传感器器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。
　　（2）炮孔布置
　　数量：18～24个，根据隧道工作面的实际情况确定；根据岩层界面总体走向确定在左侧或右侧。直径：38mm（20～45mm）。深度：1.5m（最浅0.8m，最深2.0m）定向：径向隧道轴，下倾10°～20°(用水填炮孔)，垂直隧道壁(或夹角10°)高度：离地面高1～1.5m。位置：第1个炮点离同侧接收器约20m（≥15m），炮点距1.5m （≤2.0m）。
　　接收器和炮点的位置应在同一水平面上,见图三TSP预报系统布置示意。
　　（3）接收器孔布置
　　数量：2个，隧道左右边墙各1个（特殊情况下，可采用1个，在左或右边墙）。直径：43～45mm深度：2m定向：径向隧道轴，上倾5°～10°(使用环氧树脂)或下倾～10°。(使用灰泥)高度：离地面高1m。位置：距离隧道工作面（或可到达的面）约55m（预计在TSP测量时）
　　图三
　　（4）接收器孔和炮孔的钻制
　　根据测定的接收器和炮点的位置进行钻孔。一般情况下，不能偏离测定的位置。特殊情况下，以测定位置为圆心，在半径0.2m的范围内钻孔。
　　在不稳定的岩层中钻炮孔，应防止炮孔围岩坍塌，可以利用薄壁的塑料管（外径应与孔径一致）放入孔中加以保护。
　　（5）安装接收器套管
　　钻孔完毕后，逐个测量孔的深度和倾斜度，并作好纪录。埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴。接收器孔完钻后，首先进行接收器套管的安装。在钻孔中必须充填（注入）特殊的双组份无收缩细颗粒组成的灰泥。注入时可使用薄壁的PVC管和漏斗。把接收器套管推入已用灰泥充填的钻孔中。在安装前，要注意套管水平校准（即套管内侧凹口沿铅直方向）。在安装过程中，操作柄与套管应当保持成直线，确保套管不弯曲变形。待传感器杆固定后，插入传感器，注意传感器方向朝向掌子面。
　　（6）装药连线
　　装炸药前，先用电子倾角水准仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度，用装药杆检查炮孔否畅通（无阻塞）。由炮工完成装药连线。
　　地震波在设计的震源点（即24个炮孔处），用小量炸药激发产生，把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连接并检查其是否正常工作，注意此时起爆器不得与雷管相连。围岩较差时，炸药量可加大，但不能超过100g，炸药量配置参考如下：
　　（7）安装接收器单元
　　分别检查接收器套管与围岩之间的耦合以及套管外端的机械损伤情况。移去头部的插座盖，用信号传输线连接接收器和记录单元。分步骤进行：启动记录单元、噪音测试、起爆器测试。
　　起爆和记录成功后，地震数据从记录单元缓冲储存上载到电脑储存。
　　（8）数据采集、分析
　　所有数据记录完成后，应存储测量文件，按照《TSP 203隧道超前地质预报技术规范》的要求，对数据野外数据进行整理，数据的分析应由专业人员进行。
　　（9）成果分析
　　结合隧道设计资料推断隧道工作面前方围岩的工程地质和水文地质情况，如软弱岩层、断层、岩层破碎带、裂隙发育带、富水带、溶洞、暗河等不良地质的性质、规模和位置。许村隧道在掌子面里程IDK178+408采用TSP203预报IDK178+408～IDK178+295的地质情况。预报里程范围内，岩体破碎严重，局部渗水，易塌方，具体情如下：
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　IDK178+408～IDK178+365（43米）里程段范围内岩体与当前掌子面相似，岩体较破碎，节理裂隙较发育，地下水不发育，仍按设计方案施工。
　　IDK178+365～IDK178+345（20米）里程段范围内岩体破碎严重，岩体稳定性差，节理裂隙极发育，易塌方，局部渗水，丰水期水量较大，施工过程中开展超前钻探工作，并加强支护及防排水工作。
　　IDK178+345～IDK178+295（50米）里程段范围内岩体较前段稍有改善，岩体稳定性有所加强，地下水不发育，仍按设计方案施工。
　　3、地表加固
　　根据探明的地质情况，许村隧道IDK178+365～IDK178+345（20米）埋深最浅，只有5m～7m，围岩很差，存在塌方、冒顶隐患，施工中在IDK178+370～IDK178+340采用地表加固围岩和上覆层，提高其自承力，使原为主洞荷载的上覆层变成能承载的承载拱。自隧道中线左右两侧各加固15m，见图四地表横断面布置示意图。
　　图四
　　3.1．注浆参数
　　注浆孔采用梅花型布置，间距1.5m×1.5m，钻孔直径φ60mm。注浆管采用φ42mm，厚3.5mm的钢花管管壁每隔15cm交错布眼，孔眼直径为10mm，呈梅花形布置。注浆P.O 42.5水泥水灰比0.6：1～1：1，注浆压力0.2～1.0MPa。隧道断面上方注浆管控制在初支表面以上0.5m,断面左右侧注浆管控制在初支�面以上2.5m。
　　3.2、钻孔
　　注浆孔位标定后，移动钻机至钻孔位置，完成钻机就位。
　　将钻杆对准所标孔位，用φ76钻头开孔钻进。开孔时要轻加压、慢速、大水量，防止将孔开斜。钻进至一定深度，采用套管护壁。钻进过程中应注意观察地层变化，详细作好钻孔记录。
　　3.3、注浆
　　开泵前先将三通转芯阀调到回浆位置，待泵吸水正常时，将三通回浆口慢慢调小，泵压徐徐上升，当泵压达到预定注浆压力时，持续二、三分钟不出故障，即可结束。钻孔完毕，进行清孔检查，在确认没有坍孔和探头石的情况下，方可下管。否则，必须用钻机进行扫孔。
　　在确定注浆管内无阻塞物后，即可进行注浆管安装。将注浆管和止浆塞固定。注浆管外露的长度不小于30～40cm，以便连接孔口阀门和管路。注浆管安放好后，在注浆管管口加上孔口盖，以防止杂物进入。压水试验时，压力由小逐渐增大到预定注浆压力0.2～1.0，并持续15min。按设计要求的水灰比0.6：1～1：1，用高速拌浆机拌合水泥浆液。注浆顺序：自加固边缘向线路中心的顺序进行，先两侧后中间，并采用跳孔注浆，每孔采取分段后退的方式，以保证注浆质量。注浆压力控制：注浆终压埋深小时取小值，埋深大时取大值。注浆过程中要随时观察、记录注浆压力及注浆泵排量的变化，防止堵管、漏浆，分析注浆效果。
　　3.4、结束注浆
　　注浆结束标准以注浆终压和注浆量进行综合判定。当注浆达到下列标准之一时，可结束该孔注浆：(1)注浆孔口压力维持在1MPa左右，吸浆量不大于40L/min，维持30min。(2)单孔注浆量达到平均注浆量的1.5~2.0倍，且进浆量明显减少时。
　　为使浆液在一定范围内扩散，在进浆量很大而压力不升的情况下，以注浆量作为结束控制标准；当进浆量很小时，以注浆压力来控制。当达不到上述标准时，应清孔再次注浆。
　　3.5、注浆效果检查
　　注浆孔数的10%检查孔，边注边检查。洞内每循环开挖后，检查地表注浆效果，未发现地表有漏注浆情况。
　　4、洞内开挖支护
　　4.1设计支护参数
　　Ф42超前小导管，长4.0m，环向间距为40cm，纵向搭接长度为1.0m；20a工字钢间距为60cm，每榀拱架设4根Ф50mm锁脚小导管长4.5m；拱部采用φ25中空锚杆，边墙采用φ22砂浆锚杆1.2m×1.0m，长度为4.0m；φ8mm钢筋网(全断面)，网格尺寸20cm×20cm；C25喷射砼厚度为28cm；二次衬砌为C35钢筋混凝土，厚60cm，环向主筋Ф20，纵向水平筋Ф12。开挖预留变形量为15cm。
　　4.2台阶六步开挖法
　　第一步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺根据初期支护钢架间距，最大不能超过1.5m，开挖后立即初喷3～5m混凝土，上台阶开挖矢跨比不应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
　　第二、三步，左右中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右台阶错开2～3m，开挖后立即初�3～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
　　第四、五步，左右下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右台阶错开2～3m，开挖后立即初�3～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
　　第六步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施做仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施做仰拱，仰拱长度宜为4～6m。
　　上台阶高度控制在2m，长度2～3m，中台阶高度3m，长度为3～5m，下台阶高度3～5m，长度5～8m，每循环开挖长度为1.0m。形成超前支护、开挖、初期支护、仰拱填充、二次衬砌、整体推进的施工格局。仰拱初期支护封闭距离掌子面不超过35m。
　　5、变形观测
　　在施工过程中，按照设计文件中的监控量测要求对地表沉降及洞内围岩和支护结构的位移、变形、受力情况及施工过程的完整监测，提供及时、可靠的信息用以评定施工期间围岩和支护结构的稳定性及对周边环境的影响，避免支护结构破坏和施工安全事故的发生。根据本隧道的施工特点，隧道的监控量测项目包括：洞内外观察、拱部沉降观测、隧道净空水平收敛量测、进出口地表下沉量观测。
　　5.1、洞身围岩监控量测
　　不同的开挖工艺采用不同的布点方式，不同的围岩级别布点间距不同。许村隧道IDK178+180～IDK178+470段属Ⅴ级围岩，布置五个监测点，量测断面间距为10m，布置断面见示意图。
　　洞身五点监控量测法
　　由位移速度决定的监控量测频率和由距开挖面的距离决定的监控量测频率之中，原则上取较高值。出现异常情况或不良地质时，应增大监控量测频率。表中B为隧道宽度。监控量测频次按照下表进行：
　　按距开挖面距离确定的监控量测频率
　　
　　按位移速度确定的监控量测频率
　　5.2、地表沉降观测
　　地表下沉量测应根据隧道埋深、地质条件、地表有无建筑物、所采用的开挖方式等因素决定。地表下沉量测的测点应与水平净空相对变化和拱顶下沉量测饿测点布置在同一个横断面内，沿隧道中线，地表下沉量测断面的间距按照下表采用：
　　地表下沉量测测点纵向间距
　　注：无地表建筑物时取表中上线值；B表示开挖宽度
　　横断面方向地表下沉量量测的测点间隔应取2～5m，在一个量测断面内应设7～11个观测点。地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h(隧道埋深＋隧道高度)处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止为止。地表下沉的量测频率应和拱顶下沉及水平相对位移净空变化的量测频率相同。
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　　采取上述加固方案后，经过地表和洞内的持续变形观测，发现累计变形值在5cm以内，变形速率都小于0.15mm/d。
　　6、洞内衬砌
　　二次模筑应在围岩及初期支护基本稳定后施作，变形基本稳定应符合下列条件：
　　(1)隧道周边变形速率有明显减缓的趋势；
　　(2)拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d；
　　(3)浅埋隧道应及早施作二次衬砌。
　　按照 《时速250公里客运专线铁路双线隧道复合式衬砌－通隧（2008）0201》中的"V级围岩复合式加强衬砌断面（有砟轨道）"分别进行仰拱、拱墙C35钢筋混凝土衬砌和仰拱C20混凝土填充。仰拱衬砌厚度60cm，拱墙衬砌厚度50cm。仰拱填充与仰拱衬砌分开进行。仰拱、拱墙及仰拱填充的分段长度均为10.5m，环向施工缝均在同一断面。
　　拱墙混凝土衬砌利用钢模台车进行，离掌子面距离不超过70m。仰拱衬砌掌子面距离不超过40m。
　　7、结论
　　通过采取地质预报、地表加固、变形观测、台阶六步法开挖支护、复合式衬砌等综合施工技术，安全快速完成许村隧道IDK178+180～IDK178+470沟谷富水浅埋软弱围岩段施工，总结得到如下经验：
　　7.1浅埋富水软弱围岩隧道，应提高支护刚度，同时支护体结构与强度设计，应与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配。浅埋隧道地表注浆加固作用明显，建议在以后浅埋软弱围岩设计中增加地表注浆。
　　7.2浅埋隧道工序衔接尽可能缩短，洞身开挖后，尽量在20天内施工完二次衬砌。为防止衬砌开裂，可适当增加预留沉落量，提高混凝土防裂性能及强度等级。
　　7.3浅埋软弱围岩隧道施工过程中，进行地表沉降、洞内位移量测及超前地质预报对指导施工作用重大。
　　7.4加强拱架的纵向连接，设置超前小导管，有利于提高支护刚度，减少环向裂缝和沉降。
　　7.5软弱围岩施工中，必须遵循"短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌"的施工原则；初支及二次衬砌距离掌子面的安全距离必须满足要求。
　　本隧道的地质构造具有较强的代表性，为以后的铁路、公路、水利等隧道施工提供了宝贵经验和参考价值，具有较大的推广价值。
　　参考文献
　　[1]高速铁路富水黄土隧道激振试验研究分析.[学位论文] 陈冲，2010 - 西南交通大学，西南交通大学：岩土工程.
　　[2]高速铁路富水黄土隧道隧底循环动载试验研究.[期刊论文] 《振动与冲击》.2010年9期.薛富春，马建林，颜利平，刘智毅，程琴辉，陈冲.
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