高速铁路超大断面隧道施工方法研究

高速铁路超大断面隧道施工方法研究

摘要:高速铁路客运专线因其高效率、使用寿命长等特点将成为近期甚至以后铁路发展的趋势,结合客专线铁路隧道的特点,分析研究了大断面铁路隧道的经济、合理的施工技术。

关键词:高速铁路隧道施工方法

1 引言

随着国家对基础建设的逐步完善,我国的高速铁路建设又进入了一个新的大发展时期。目前,国内大力发展的铁路客运专线基本上都是一次建成双线,同时考虑工程技术作业空间、内部配件空间、安全空间、救援通道以及考虑空气动力学的影响,客运专线单洞双线隧道开挖断面积均在150m2以上,最大开挖宽度15m,开挖高度13m左右,属超大断面隧道。这种超大断面隧道虽然在既有铁路建设工程中偶尔也有(比如三线车站隧道、喇叭口隧道等),但断面形式不完全一致,隧道长度都较短,对施工工期一般没有要求,因此存在一定区别,需要进行专题研究。

目前世界上对大断面隧道采用的施工方法主要有双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、CD法和CRD法。

根据高速铁路大断面隧道自身的力学特征,结合以往类似工程施工经验,CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、

角砾土及黄土组成的V级围岩和软塑状黏性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段和浅埋段等。本文对某隧道CRD施工工艺及其优化改进措施进行了介绍,以供同仁们商榷和探讨。

2CRD法施工技术

2.1 工法特点

(1)本工法适用于围岩级别Ⅳ级￣Ⅵ级浅埋双线或多线大跨隧道。

(2)施工时采用分步开挖、分步支护的技术,在各工作面处及时封闭成环,减少周壁岩体的暴露时间,防止围岩的进一步风化,充分利用围岩的自稳能力,使之与初期支护体系形成良好的受力稳定结构。

(3)上半断面的前方导坑能够起到超前地质预报的作用,确保能在遇到不良地质时,提前采取应对措施。

(4)采用监控量测信息技术,使隧道施工时刻处于受控状态,安全可靠。

(5)四个作业面可以平行施工,不相互干扰,确保施工进度。

2.2 施工工艺

2.2.1 工艺原理

CRD法施工以新奥法的基本原理为依据,以“短开挖、弱爆破、快封闭、早成环、强支护、勤量测”为指导。根据围岩地质情况以及风水管路的布置,首先开挖上半断面的左侧并支立拱架和中隔壁钢架,喷射混凝土封闭,并施作临时仰拱,然后开挖上半断面右侧,待上半断面施工到一定里程后,再施工下半断面的左侧,然后开挖右侧。每个开挖作业面必须坚持光面爆破施工并及时支护,迅速封闭成环,防止围岩的进一步风化,使钢架支撑和锚喷混凝土等初期支护与围岩共同组成承荷系统,共同变形和承荷,充分利用围岩的自承能力。

2.2.2 初期支护

初期支护作为永久衬砌的一部分,是施工中的重要一环,主要包括中空注浆锚杆(长度3.5m,梅花形布置,间距1m)的安装、Ⅰ14工字钢支撑的支立及喷射钢纤维混凝土(厚度20cm)等。

在开挖后应及时对围岩初喷2～5cm厚的混凝土,封闭围岩及找平圆顺围岩表面,为下一步安设锚杆及拱架创造良好的施工条件。在按照测量放线准确进行完锚杆安装及Ⅰ14工字钢支立之后,复喷钢纤维混凝土至设计厚度并及时施作临时仰拱,使之与初期支护形成共同的封闭受力圈。在施作中空注浆锚杆时应控制好注浆压力,注浆压力一般为地下水静水压的2倍—3倍,同时应考虑岩层的裂隙阻力,具体数据应根据现场试验情况后确定,但瞬间最高压力值不应超过

0.4MPa。

3工程概况

该隧道全长345m,埋深30m,开挖面积209m2,是当今国内高速铁路最大断面积隧道。隧道采用CRD法施工。本隧道所处位置地表覆盖0.5～2.0m细角砾土,下部为页岩和石英砂岩,其中Ⅲ级围岩159m,Ⅳ级围岩186m,设计按Ⅳ级围岩防护。

4施工中存在问题

施工初期按照原设计进行施工,但是施工进度较慢,主要原因是该隧道属于山岭隧道,地层为岩石,开挖需要爆破作业,使得整个施工环节处于单工序作业。

由此造成大量的人员、机械、设备处于闲置状态。按照全断面计算平均每月最多进尺20.5m,严重影响施工进度。

此施工工艺主要暴露的问题有:

(1)各断面施工工序间距小原设计各断面施工工序间距为15m,每次爆破时,其它断面的操作人员及施工机械都要撤离,停止施工,造成施工不连续。同时大型机械操作空间狭小,施工效率低。

(2)中隔壁的设置将左右两洞隔离开,造成机械转场频繁,利用率低。

(3)施工仰拱前,设计要求仅拆除中隔壁下部钢支撑,仰拱施工中的这段时间,中隔壁长时间悬空,存在较大的安全隐患。

(4)中隔壁拆除困难,需要爆破,影响了其它工序的作业。

(5)开挖后即刻安装中隔壁水平横撑,影响上部机械通行、下部爆破和机械开挖。

5 CRD工法局部优化措施

在保证隧道质量和施工安全的前提下,以监控量测数据为依据,对原设计CRD工法进行了局部优化。

5.1 临时支撑结构优化

(1)为方便拆除中隔壁,隧道岩石地段,在能保证侧壁围岩不坍塌的前提下,取消中隔壁喷射混土。加强钢拱架的纵向连接(加密连接钢筋或采用其它的较强连接方式)。在软弱围岩处加强初期支护,必要时加长和加密超前小导管,保证开挖面的临时稳定。

(2)中隔壁竖向弧形支撑改为垂直支撑,以提高临时支撑的竖向承载力。

(3)中隔壁临时弧形仰拱改为水平支撑,由原来的I18型钢加强为I20型钢,纵向每侧采用2根I18型钢通过焊接连接,将水平支撑连为整体。

5.2 临时支撑拆除顺序优化

为避免仰拱施工时中隔壁长时间悬空,中隔壁水平和竖向支撑一次性全部拆除,拆除范围不超过2m,初期支护封闭成环后继续拆下一段不超过2m的临时支护,待支护封闭达到6m后立即施作衬砌仰拱。

6施工控制要点及注意事项

(1)施工中须严格按照优化后的工序间距进行,各受力能力,以确保钢支撑的安装质量。同时为减小下台阶开挖爆破时对中隔壁水平横撑的扰动,横撑安装时应高出约50cm。

(2)中隔壁拆除前须确保初支变形趋于稳定,每2m分段拆除,分段闭合,仰拱及时跟进。拆除过程中加强监控量测,如有变形突变现象,停止拆除,并进行加固。

(3)为加强开挖时初期支护的稳定性,在原设计原则上每脚增设2根锁脚锚管。