当前铁路隧道建设中几个问题的探讨

张建生

当前铁路隧道建设中几个问题的探讨

张建生

(南宁铁路局田德铁路建设指挥部,广西百色 533000)

针对当前铁路隧道钻爆法建设中普遍采用的机具装备与工序组织,分析现阶段存在仰拱栈桥长度不足、初期支护工序矛盾、锁脚锚杆设置意见不统一、初期支护缺乏检测4个方面的问题,提出加长仰拱栈桥、调整初期支护工序、规范锁脚锚杆设置、增加初期支护无损检测的解决方案。

铁路隧道;仰拱栈桥;初期支护;锁脚锚杆;无损检测

近20年来,随着隧道建设理论的发展及装备水平的提高,我国铁路隧道建造技术有了长足的进步,如随着认识的加深及实践经验的不断积累,隧道底部结构普遍得到了加强,底板由原来的素混凝土改成了钢筋混凝土;随着超前地质预报技术的普遍应用,降低了安全风险,有效减少了突发事件;随着泵送混凝土及无损检测技术的全面推行,大幅减少了衬砌厚度不足及背后空洞;随着激光断面仪的应用及爆破技术的提高,超欠挖控制技术有了很大提高。然而,随着社会的发展与进步,在安全、质量、投资、工期等各个方面对隧道建造技术又有了更高的要求,原来的一些非主要问题变为主要问题,现将当前隧道建设过程中遇到的一些难题和观点提出来,与广大同行共同探讨。

1 仰拱栈桥长度问题

出于工程质量及施工安全的考虑,现行规范要求仰拱及底板应各段一次成型,不得分部灌筑,且随掌子面一并前进,两者距离不得超过规定的安全步距。为解决仰拱施工与前方运输车辆相互干扰的问题,目前普遍做法是采用长度10 m左右的栈桥架空仰拱作业地段,逐段前进。从目前隧道掘进进度来看,长度10 m的仰拱栈桥已远不能满足施工需要,不但影响施工进度,同时也不利于工程质量的提高。以Ⅲ级围岩为例,按照正常的施工组织,每月进度约100 m,采用长度10 m的仰拱栈桥架空作业地段,需进行10个循环,即每3 d一个循环,扣除开挖、绑扎钢筋、检验、灌筑混凝土等作业时间,混凝土的养护时间一般在2 d以内就需放行车辆,显然无法满足《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ204—2008)“仰拱填充和底板混凝土强度达到5 MPa后允许行人通行,达到设计强度的100%后允许车辆通行”的要求。在隧道施工现场,经常遇到的仰拱填充或铺底面破损、塌陷或凹凸不平等现象,多由混凝土龄期不足,过早放行车辆所致。

从运营的铁路隧道情况来看,隧底病害是一个较为突出的问题。一方面,隧底病害常常引起翻浆冒泥及线路沉降,造成线路几何尺寸变化快,危及行车安全;另一方面,运营线上隧底病害极难整治,不但整治费用大,而且施工期间安全风险高。以单线铁路隧道为例,运营线上采用慢行扣轨方式逐段重做仰拱,每延米工程费用高达2万余元,基本等同于新建隧道造价,代价极高。为此,还是应从建设阶段着手,设法满足仰拱或铺底混凝土的龄期,确保工程质量。从目前情况来看,若降低隧道的施工进度来满足仰拱或铺底混凝土的养护龄期显然是不经济的,同时也不利于现场管理。随着经济能力的增强及质量要求的不断提高,建议参照国外的做法,研制或引进大型仰拱栈桥,加大架空长度,减少仰拱栈桥的循环次数,提高混凝土龄期后再放行车辆。按照目前的掘进速度,综合考虑经济、工期、技术等综合因素,建议仰拱栈桥长度按不小于40m设计,同时该栈桥须具备架空地段分段施工功能,避免单次开挖过长影响施工安全,实现仰拱或铺底混凝土在龄期10 d以后再放行车辆,从而确保施工安全与工程质量。

2 初期支护工序流程问题

目前,初期支护的一般工序流程:第一步,开挖后初喷混凝土;第二步,安装钢架、钢筋网、钻孔装入锚杆与固结材料;第三步,待锚杆固结材料强度达到10 MPa后,安装锚杆垫板及紧固螺帽;第四步,复喷混凝土至设计厚度。

上述工序流程中存在一个问题,即第三步等待锚杆固结材料(砂浆或水泥浆)强度达到10 MPa需要的时间太长。若不添外加剂,一般需要5 d以上;若添加外加剂,也需要2 d以上。等待这么长的时间,显然不符合初期支护应在开挖后及时施做的设计理念。对于上述问题,施工过程中要么不设锚杆垫板及螺帽,省略了第三步;要么在固结材料尚未达到规定强度时先行安装垫板,两者均达不到设计效果。

为解决上述问题,建议调整初期支护的工序流程,具体如下:第一步,开挖后初喷混凝土;第二步,安装钢架、钢筋网;第三步,复喷混凝土至设计厚度;第四步,在喷混凝土上钻孔、装入锚杆与固结材料;第四步,待固结材料强度达到10MPa后,在喷混凝土上凿槽安装垫板、紧固螺帽及封锚。

调整后的工序虽然增加了在初期支护上凿槽及封锚的工作,但其好处也是显然的,不但解决了开挖后及时封闭围岩、及早发挥喷混凝土及钢架作用的问题,同时也使锚杆作业有了时间保证,易于实现设计意图。此外,工序调整后锚杆作业在钢架、钢筋网、喷混凝土等支护措施的保护下进行,施工安全更有保障,工序易于控制与管理。

3 锁脚锚杆设置问题

现行规范没有对锁脚锚杆做出明确规定,钢架拱脚是否需要设置锁脚锚杆以及如何设置问题,意见尚未完全统一。支持者认为,工程实践中锁脚锚杆对于拱脚下沉、水平收敛、喷混凝土开裂等方面效果明显,因此认为应该将其作为必要的措施纳入工程设计。反对者认为,从隧道结构力学模型分析,在设置系统锚杆后锁脚锚杆的作用非常有限,大多情况无需设置。此外,锁脚锚杆是该采用普通锚杆还是注浆花管、布置方式等,业内也有不同看法。

笔者经过调查分析,认为问题的关键在于钢架的安装工艺上。目前,铁路隧道钢架安装一般为人工作业。由于钢架形体大质量大,隧道内作业条件相对恶劣,施工困难,为便于安装,一般做法是在拱脚位置适当超挖,钢架安装完成后再用砟体将钢架拱脚垫到合适高度。这存在一个问题,即钢架拱脚是否置于稳实基础上。就目前的工艺水平及管理能力而言,拱脚基础的质量很难保证,常被置于松散的回填砟体上,这与设计单位力学计算时假定的钢架拱脚置于稳实基础上的边界条件相去甚远。当钢架拱脚基础为砟体等松散材料时,锁脚锚杆的作用是显而易见的,能有效减少拱架下沉、水平收敛及喷射混凝土开裂,防止事故发生。因此,就现阶段我国铁路隧道建造的工艺水平与管理能力而言,在钢架拱脚基础质量难以保证的现实情况下,锁脚锚杆虽是无奈的选择,但仍有其重要的现实意义,有必要加以推广与应用,将其作为常规措施纳入工程设计。同时,还需对锁脚锚杆的作用机理与效果进行深入研究,进一步明确在各种不同条件下最合适的锚杆类型、布置方式、施做工艺等,形成指导性意见,以便于现场实施与推广。

4 初期支护检测问题

目前,隧道工程的质量检测多仍沿用老的做法,即在二次衬砌完成后采用地质雷达检测混凝土厚度、钢架钢筋布置、背后空洞、混凝土强度等,属于事后复核。而从现场情况看,近年来随着全断面衬砌台车、泵送混凝土、混凝土集中拌和的普及,二次衬砌的工程质量有了显著提高,目前隧道工程的质量问题主要集中在初期支护上,如喷射混凝土厚度不足、钢架间距过大、锚杆施做不合要求等。此外,由于隧道工序的不可逆转性,二次衬砌完成后,对于检测出来的初期支护问题难以整改或成本巨大,往往只能是留有遗憾,检测难以起到督促提高工程质量的目的。

为此,建议增加过程控制的质量检测,即在初期支护完成后即开展第三方地质雷达无损检测,确保初期支护合格后再进行二次衬砌。目前,随着地质雷达无损检测技术的发展与普及,检测价格的持续降低(以6条测线为例,隧道检测费用约为3万元/km),在建设成本上已无太多障碍。而开展初期支护无损检测的作用将是多方面的,不但可以及时发现与整治初期支护的质量问题,便于过程控制,减少质量、安全事故的发生,而且有利于参建人员质量意识的提高,消除部分人员“隧道初期支护是隐蔽工程,不做或少做别人也看不到”的侥幸心理,从而切实提高质量意识与管理水平。

5 结语

隧道工程是一门理论性与实践性都很强的学科,随着建造理论、机具装备、工艺水平的不断发展与提高,存在的问题与改进的方向也不断发展变化,本文针对当前铁路隧道建设中的几个问题进行探讨,意在抛砖引玉、投砾引珠,与广大同行一道共同推动铁路隧道建造技术的进步。

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Discussion on Several Problems Concerning Current Railway Tunnels Construction

ZHANG Jian-sheng
(Tian-De Railway Project Management Department of Nanning Railway Administration,Baise 533000,China)

Focusing on commonly-used machinery and equipment in current railway tunnels constructed by drill-blasting method as well as process organization,four existing problems are discussed in this paper,including insufficiency of inverted arch trestle length,contradiction of initial support process, difference of feet-lock bolt settlement,and shortage of initial support testing.And then the methods to solve above-mentioned problems are proposed in this paper,including lengthening inverted arch trestle, adjusting initial support process,standardizing settlement of feet-lock bolt,increasing nondestructive testing of initial support.

railway tunnel;inverted arch trestle;initial support;feet-lock bolt;nondestructive testing

U459.1

A

1004-2954(2013)07-0078-02

2013-02-04

张建生(1974—),男,工程师,1998年毕业于西南交通大学地下结构与隧道工程专业,工学学士,E-mail:tdjzsd@163.com。