浏阳河隧道技术特点及安全质量监控

1浏阳河隧道技术特点及安全质量监控王登浩1工程概况武广客运专线浏阳河隧道是我国铁路第一条下穿城市的市内隧道，该隧道工程起于长沙市潇湘西路南侧，穿越京珠高速与长永高速立交的牛角冲互通立交，通过长沙开发区的厂区密集群、学校与民房区后下穿浏阳河，终于机场高速南侧。隧道起始里程DIIK1560＋785，终止里程DIIK1570＋900，隧道全长10115m，是武广客运专线最长隧道。隧道设计最大纵坡为20‰，辅助坑道施工为3个竖井、1个斜井。隧道施工条件差，工期紧，是铁路施工风险较高的隧道。2工程特点[1][2]2.1地质条件差、施工难度大2.1.1人工填土。沿线多有素填土、杂填土，堆积时代较新，多结构疏松，松散～稍松，工程性质差且不稳定。最大填土厚度达13.9米。2.1.2红层溶洞及裂隙溶洞水。DIIK1561＋700～DIIK1562＋875段溶洞多为半填充至全填充，含承压水。DIIK1565＋790～DIIK1566＋303小溶洞较密集。2.1.3不均匀风化。DIIK1562＋050～DIIK1562＋875段为风化槽谷，DIIK1565＋140～＋575为全风化地段，风化最大深度达53.6米，施工时易造成坍塌失稳。2.1.4穿越高速公路和建筑物较多。浏阳河隧道下穿高速公路有京珠高速、长永高速、长沙机场高速；穿越市内重要街道有京珠西辅道、开元西路、经贸西路、西霞路、海华路等；在DIIK1568＋666～DIIK1569＋028段下穿浏阳河河底；隧道上方既有厂房和住宅较多。2.2施工风险高浏阳河隧道由于是下穿市内的城市地下隧道，隧道埋深浅，地表建筑物多，地面公路车流量大，对隧道施工的变形控制要求严格，隧道变形控制不好容易引起地表建筑物沉陷和裂缝。且隧道下穿浏阳河河底，施工风险较高。2.3施工技术新、施工工法全浏阳河隧道防水设计采用全包防水[3]理念，隧道防水板采用自粘式防水板，除DIIK1565＋743～DIIK1567＋097段采用纵向排水外，其余地段全部采用全包防水。施工开挖原设计有明挖法、双侧壁导坑法、三台阶法、三台阶临时仰拱法、铣挖法[4]等，被专家称为“隧道工法博物馆”，其中铣挖机作为隧道主要掘进设备在隧道施工中尚属首次。3隧道新技术及方案优化2由于是下穿市内隧道，地表有很多建筑物、高速公路、市内公路、管线等，隧道变形控制要求特别高，同时隧道排水设计以堵为主。隧道浅埋区、人工填土地段变形不易控制，隧道施工中针对不同地段、地质、建筑物等采用了一些特殊的方法和技术。3.1盖挖法[5]盖挖法是地铁车站在既有道路下进行施工的常用方法，铁路隧道很少采用。浏阳河隧道进口DⅡK1560+924～DⅡK1561+010地段为人工填土，原设计隧道两侧采用钻孔桩加固、双侧壁导坑法施工。现场施工中，由于是人工填土，采用钻孔桩加固后开挖变形还是很难控制，现场只进行到两个作业面，进尺也只到14m、6m时，拱顶已下沉224mm，地表最大开裂18mm，后集中几方的观点，提出了盖挖法进行此段隧道施工。即利用钻孔桩做牛腿，隧道上方做一拱顶后采用三台阶进行隧道施工，施工中监控量测数据显示，沉降变形几乎为零，施工安全、工期大有保障。3.2后做CRD法CRD法是隧道V级围岩施工采用较多的施工方法，分6个作业面进行，易控制变形，开挖进尺相对较慢。浏阳河隧道DIIK1565＋120～＋320段风化特别严重，呈流塑状态，施工时易坍塌。原设计此段以及前后施工段采用三台阶临时仰拱法，经过钻孔取样了解地质状况后，发现此种方法已经保证不了隧道施工的安全。考虑到隧道施工变化工法相对时间较长，也不利于安全保证。集合专家的意见，即施工中采用介于三台阶临时仰拱与CRD之间的一种方法。先进行三台阶开挖，开挖后立即做好临时仰拱和竖向支撑，控制隧道变形，同时掌子面用锚杆固定，随着开挖锚杆逐步往里顶进，保证掌子面稳固。经过现场施做，收到的效果较好，且竖向支撑可以根据监控量测数据确定是否施做。该段控制浏阳河隧道以及武广客运专线的工期，该法施工对确保工期起到了关键作用。3.3全包防水城市内隧道防水如以排为主，时间较长可能易引起地表下沉。浏阳河隧道防水除DIIK1565＋743～DIIK1567＋097段为排水型外，其余地段为防水型。原设计明挖暗做地段采用EVA型双面自粘型防水板，暗挖地段采用单面自粘型防水板，防水板之间靠材料自身的粘结性搭接在一起。现场施做缺点较多，由于洞内灰尘较大，再加上仰拱与二衬施工间歇时间长，温度较低时，防水板的粘结性也相对较低，防水板施工缝的质量不好保证，每次二衬施工防水板最少要检查3～4次才能保证全部地段都粘贴好。后期防水板进行改进，防水板卷材环向连接采用双缝焊接，防水板出厂前在两边预留15cm的EVA台基，此范围内取消焊接面的土工布及粘结层，满足焊接要求；纵向连接在上下两幅防水板接缝处的背水侧附加铺设幅宽为60cm的双面自粘防水板，其粘结采用橡化沥青非固化防水涂料，防水板改进后，效果相对较好。33.4铣挖法在浏阳河隧道斜井、斜井进洞南北100m、隧道穿越河底段、出口明挖段等处所，为了防止爆破对围岩四周扰动大，而采用铣挖法进行施工。铣挖法采用日立ZAXIS330型挖掘机配艾尔卡特ER1500—1S型铣挖头进行铣挖作业，该设备适应开挖节理或裂隙发育、完整性差的围岩，理论铣挖功效达到50～60m3/h左右。其优点对围岩扰动少，超欠挖容易控制；安全性较好，噪声小。但铣挖过程中粉尘大，需要增加除尘设备；同时，对硬度在20Mpa以上的围岩其铣挖功效较低，仅能达到10m3/h左右。3.5弱爆破法隧道开挖方式主要采用弱爆破法，弱爆破主要体现在两个方面，一个是炸药单耗小（每立方的炸药用量）、一个是一次起炮药量少。具体结果就是将爆破振动速度和对围岩的扰动控制在合理范围以内，以确保围岩的稳定和地表建筑物的安全。由于浏阳河隧道围岩岩性为泥质砂岩，岩石完整性较差，强度低，且埋深浅，地表建筑物众多，对爆破参数的选定非常重要。通过现场多次优化比选，在爆破方式上主要采用的是以斜眼楔形掏槽的光面爆破，按照“密打眼、少装药、分段爆”的原则进行布眼和联线，周边眼的眼距控制在35cm左右。周边眼采用导爆索进行爆破；其它辅助眼、底板眼采用导爆管进行爆破，按照由内到外的爆破顺序通过采用不同段别，实现分层、分段爆破。装药结构采用空气柱状装药。通过对爆破参数的认真比选，隧道开挖达到了光面爆破的效果。爆破后断面圆顺、齐整；同时炸药单耗控制在0.5kg/m3左右，一次最大起爆药量控制在10kg以内。通过实地监测，爆破振动速度为2.8cm/s，远小于规范所规定的小于10cm/s的要求。3.6隧道测量隧道测量控制也是至关重要的，1#、2#、3#竖井深度均在50米左右，一般测量满足不了精度，要求施工单位采用陀螺仪进行测量放样，并几次进行复核，以确保精度。2#竖井往南是中铁四局施工的，斜井往北是中铁一局施工的，两家在DIIK1565＋644点进行交汇，两家测量模拟的方法不同，监理组织两家召开了测量专题方案，对两家的测量方法进行探讨，并组织进行地表模拟测量，贯通时误差水平为6mm，轴线为18mm，满足精度要求。3.7玻璃纤维锚杆浏阳河隧道过河段施工风险大，为了确保掌子面的稳固，施工时在开挖面中上部分设置φ25mm玻璃纤维锚杆，长度18m，12m一环，搭接长度6m，布置方式为1.5X1.5m梅花形，外插角1°～3°。3.8地下管线保护和控制下沉的监测方案4根据地下管线的功能、管材、接头形式、埋深等条件，在隧道开挖前布设好管线沉降监测点。监测点分直接监测点和间接监测点。布点原则是对位于隧道施工影响范围内的管线作为重点监测保护对象，一般情况下对直径小于300mm的刚性管线(煤气、上水)及直埋的柔性管线(电力通讯)，采用包裹法布设直接监测点（见图1），即把被监测管线开挖暴露，将一根测针包裹在管线上，测针垂直管顶并露出地面；对于直径大于等于300mm的刚性管线(煤气、上水)及以排管或管块方式埋设的柔性管线(电力通讯)，采用包裹法布设直接监测点将无法实施，特别是在道路上施工，大面积的开挖时不现实。以地质钻孔或人工开挖，钻至被监测管线的顶部，然后埋设φ70PVC护管，测量时把测针通过护管直接置于被监测管线顶部即可，即采用模拟式（见图2）测试，也可按管线单位要求布设在管线设备上(人孔、窨井、阀门、抽气孔等)；间接测点是将管线测点设在靠近管线底面的土体中。4施工过程重点控制措施浏阳河隧道是武广客运专线重难点工程，为了保证隧道施工安全，监理除做好日常监理工作外，即施工前做好图纸审核、审核施工单位的实施方案，编制了《浏阳河隧道监理实施细则》、《浏阳河隧道监控量测监理实施细则》，施工中做好超前支护、初期支护、防水板施工、二衬施工等安全质量控制，做好过程中原材料、混凝土控制外，重点做好如下方面的控制。4.1地表调查地表调查是地铁施工必须进行的环节，隧道施工前，监理组织两家施工单位对隧道线路地表进行全面的调查，调查地表现有建筑物、管线、废弃水井、探测孔等，制定详细列表。做好施工前废弃水井、探孔的封闭，保证地表水不渗入隧道，确保隧道内开挖安全；监控建筑物、管线等监测原点的埋设，做好地表测量和建筑物点的测量工作，防止地表下沉，引起建筑物、管线的开裂。4.2超前地质预报做好超前地质预报是隧道施工的安全前提条件。浏阳河隧道超前地质预报采用地质素描、超前水平钻、TSP、红外线探水等综合手段，预测前方掌子面的地质情况，以便及时调整施工参数和做好施工准备工作。4.3监控量测4.3.1洞内量测隧道内监控量测主要通过对洞内、外观察，量测净空收敛、拱顶下沉和围岩变形压力等，通过变形速图2模拟式管线测点示意钢板与管线底齐平φ100钢板点焊净砂填实φ100钻孔φ20钢筋大于50mm雨水管或污水管图1抱箍式管线测点示意扁铁φ20钢筋远离管线点焊焊接煤气管或上水管地面地面5率和变形大小来判断隧道是否处于安全状态。4.3.2地表及建筑物量测浏阳河隧道浅埋地段和穿过既有建筑物地段，采用量测地表及建筑物的沉降来保证地面和建筑物的安全，监测起点要早于开挖面2D～3D的距离，以便及早取得最原始的数据。监控量测所得的数据，要认真分析变形速率和变形大小，通过分析指导现场施工，如在DⅡK1562+870段地表沉降较大，及时地采用注浆加固，变形逐渐稳定，保证施工安全。地表注浆参数：φ42注浆钢管采用水泥浆液。φ42注浆钢管垂直打设至距初期支护1.0m左右。水泥浆液水灰比：1：1（重量比），注浆压力：0.5～2.0MPa。4.4做好初期支护与围岩间的注浆浏阳河隧道设计采用全包防水，除采用其他隧道的防排水措施外，在初支与围岩间增设堵水。初支完毕后如发现有渗漏水，在初支与围岩间采用注浆加固手段进行堵水。5结论通过对浏阳河隧道特殊地段方案的优化和实施过程中的监控，隧道在施工中安全始终处于平稳状态。隧道施工中特殊地段采用的方法，很好地解决了该隧道复杂的地质条件和外部环境问题，为该工程顺利施工提供了依据和理论指导，从而表明浅埋隧道工程施工动态优化控制不仅在理论上是可行的，在实践中也是可以实现的。工程施工的实际效果及现场量测分析结果表明，文中的措施是合理可行的。