王曉鋒

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

1 工程簡介

宜萬鐵路趙家?guī)X隧道位于宜昌市土城鄉(xiāng),隧道進(jìn)口里程為 DK39+318,左線出口里程 DK40+446,右線出口里程 DK40+456,全長1138m。進(jìn)口段趙家?guī)X大橋伸入隧道 32.48m。左線 DK39+351.27～DK39+961.55位于 R=2000m的曲線上,DK40+312.01至出口位于 R=16000的曲線上,區(qū)域隧道段位于直線上。全隧道縱坡設(shè)置分別為 15.36‰、6.9‰的上坡,其坡長分別為 382m和 756m。隧道進(jìn)口與趙家?guī)X大橋連接,DK39+318～DK39+500段為雙線隧道;DK39+500～DK40+188段為雙線大跨隧道;DK40+188～出口段為雙孔四線隧道,其中雙孔四線隧道段共計268m。

隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,表層覆蓋 Q4dl+el粉質(zhì)黏土 ,褐黃色,硬塑,厚 0～2m;下伏∈ 3sn白云巖,∈ 2sn灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)頁巖薄層,頁巖呈強風(fēng)化破碎,灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為弱風(fēng)化,巖層產(chǎn)狀 140°～190°∠5°～15°,風(fēng)化節(jié)理產(chǎn)狀:①170°∠70°,2條 /m,長 3 ～ 5m;②120°∠70°,1m/條 ,長 3m。

2 施工方法

2.1 施工方案確定

新奧法原理以巖土力學(xué)原理為基礎(chǔ),合理利用圍巖的自承能力,盡量減少開挖隧道對圍巖的擾動,以噴射混凝土、錨桿、掛網(wǎng)為主要支護(hù)手段,及時封閉,使圍巖成為支護(hù)體系的重要組成部分。在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下再進(jìn)行二次襯砌的修筑。根據(jù)趙家?guī)X隧道現(xiàn)場地形條件,進(jìn)口不具備進(jìn)洞條件,隧道施工采用從出口向進(jìn)口方向獨頭掘進(jìn)方案,新奧法施工。

由于出口段設(shè)計有 268m的四線雙連拱隧道,施工難度較大,為保證施工安全,在施工中采用了包括地震波法、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前炮眼、超前水平鉆孔和常規(guī)地質(zhì)分析相結(jié)合的方法,相互驗證、補充的綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報手段,并把地質(zhì)工作納入正常施工工序中,一方面嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、早支護(hù)、勤量測、分部開挖、及時襯砌”的原則組織施工,另一方面為保證隧道掘進(jìn)施工的連續(xù)性,確定采用中導(dǎo)先行,中隔墻混凝土跟進(jìn)澆筑作業(yè),兩側(cè)正洞先右后左臺階法掘進(jìn),如圖1、圖2所示。中導(dǎo)洞掘進(jìn)進(jìn)入雙線大跨段后改為臺階法開挖,直至完成隧道全部掘進(jìn)任務(wù)。

圖1 中導(dǎo)洞施工作業(yè)面布置(單位:m)

圖2 雙孔四線段施工作業(yè)面布置(單位:m)

隧道開挖施工采用光面爆破技術(shù)和微振爆破技術(shù),最大限度地控制超欠挖并減小對圍巖的擾動。初期支護(hù)緊跟掘進(jìn)作業(yè)面。仰拱施工、防水層施工及襯砌施工及時跟進(jìn)。

2.2 四線雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

2.2.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)

趙家?guī)X隧道四線雙連拱段斷面比較大,其受力結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。隧道二次襯砌的軸力隨著隧道上覆荷載的增大而增大,最大軸力值分布于中隔墻,其次是仰拱和邊墻的結(jié)合部位(邊墻腳);最大彎矩同樣分布在中隔墻上,其次是邊墻腳和邊墻,其中拱腰和邊墻腳主要受拉,拱頂、邊墻和仰拱主要受壓。因此,隧道開挖必須進(jìn)行光面爆破。開挖輪廓線要圓順,特別是盡量避免拱腰、拱腳處應(yīng)力集中。二次襯砌時,邊墻和仰拱結(jié)合部位的鋼筋綁扎必須到位,并做好接頭處理。

2.2.2 施工過程中的中隔墻受力變化分析

雙連拱隧道的中隔墻受到左右洞施工時各個方向反復(fù)荷載和拱頂以上荷載的作用,受力復(fù)雜,壓、拉、彎、剪均有,內(nèi)力經(jīng)常發(fā)生變化,其中主要發(fā)生 5次明顯的內(nèi)力轉(zhuǎn)換(圖3)。但由于地質(zhì)及施工原因,荷載作用方向的不確定性使內(nèi)力轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜。

圖3 中隔墻內(nèi)力轉(zhuǎn)換(受力變化)

第 1次內(nèi)力轉(zhuǎn)換:中導(dǎo)洞開挖時,中隔墻主要承受來自拱頂圍巖松弛產(chǎn)生的豎向壓力(P豎),屬于軸心受壓結(jié)構(gòu),由于中隔墻斷面比較大,這一階段受力比較穩(wěn)定。如果隧道存在偏壓,中隔墻還受偏壓荷載的作用。

第 2次內(nèi)力轉(zhuǎn)換:右洞開挖時,破壞了開挖中導(dǎo)洞后圍巖形成的穩(wěn)定,整個隧道產(chǎn)生了偏壓。中隔墻主要承受拱頂壓力(P豎)和左洞偏壓形成的側(cè)壓力(F左)。中隔墻屬于偏心受壓結(jié)構(gòu),此時中隔墻主要抗剪(F剪)、抗彎(F彎),必須驗算抗傾覆力矩。

第 3次內(nèi)力轉(zhuǎn)換:右洞開挖后,立即進(jìn)行初期支護(hù),拱部采用 φ25mm中空注漿錨桿,噴 C25鋼纖維混凝土,及時封閉圍巖裂隙,抑制圍巖變形,并且襯砌緊跟。右洞同樣對中隔墻產(chǎn)生側(cè)壓力,此時中隔墻承受的偏心荷載方向和大小取決于 F右與 F左的大小。

第 4次內(nèi)力轉(zhuǎn)換:開挖左洞時,右洞形成了偏壓(F右)。中隔墻受到向左的側(cè)壓力(F右)不變,但是 F左減小,因此中隔墻主要受到豎向壓力和向左的水平推力 F右,同時也受部分抗剪及抗彎。

第 5次內(nèi)力轉(zhuǎn)換:由于左右洞均已成形,理論上受到的側(cè)壓力為零(F左-F右=0),中隔墻主要承受豎向力(P豎),受力穩(wěn)定。

2.3 主要工序施工

2.3.1 洞口施工

在洞門表土開挖施工過程中,利用挖掘機爬坡能力強、活動范圍大的特點,采用不爆破或弱爆破,挖掘洞門土石方。因隧道出口兩端巖層節(jié)理發(fā)育,且風(fēng)化嚴(yán)重,為保證洞口圍巖的完整性,減少暴露時間,在中導(dǎo)洞進(jìn)洞之前,將邊坡和仰坡刷坡到位,按照山體走勢和設(shè)計要求做好天溝;在邊坡和仰坡上,垂直于巖層層面方向打入錨桿,入巖深度 3.4m,外露 0.1m,并且在巖面上布置 φ8mm的鋼筋,網(wǎng)眼尺寸 25cm×25cm,錨噴混凝土厚 10cm。沿開挖輪廓線打 15°仰角,方向盡量與巖層層面垂直,間距 30cm,入巖深度 3.5m,外露 0.5m的超前錨桿;在距巖面 1.0m和緊貼巖面處,分別立鋼拱架(I16型鋼冷彎制成),鋼拱架與超前錨桿焊在一起,鋼拱架之間用 φ22mm鋼筋連接,環(huán)向間距 1.0m,且在鋼支撐之間環(huán)向布置 φ12mm鋼筋,間距 20cm。后沿鋼支撐立模板,澆筑 40cm厚混凝土。為確保安全,在混凝土強度達(dá)到設(shè)計要求后,開挖上半斷面,嚴(yán)格控制裝藥量,,每一循環(huán)進(jìn)尺不大于 1m。按照要求打系統(tǒng)錨桿,在洞口 5m范圍內(nèi),每米布置 1榀鋼拱架,并及時噴射混凝土。

2.3.2 鑿巖掘進(jìn)

2.3.2.1 雙孔四線段掘進(jìn)方案

雙孔四線段處于Ⅲ級圍巖地段,跨度大,為確保施工安全,采用中導(dǎo)洞及上導(dǎo)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖,下導(dǎo)左右交替長段開挖方案。其施工工序如圖4所示。

圖4 Ⅲ級圍巖雙孔四線段開挖支護(hù)順序(單位:cm)

在施工中,中導(dǎo)洞采用全斷面開挖,開挖時采用風(fēng)動鑿巖機鉆眼,斜眼掏槽,光面爆破。

中隔墻在中導(dǎo)洞開挖完成后,先施作基底加固錨桿,并澆筑中隔墻基礎(chǔ),然后采用定型鋼模澆筑中隔墻墻身,每 10m一個循環(huán)。為保證中隔墻頂部回填密實,形成較強的受力體,在頂部立設(shè)側(cè)模,若仍有空隙則采用同級混凝土回填。

在中隔墻完成適當(dāng)長度后,以上導(dǎo)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部開挖正洞,下導(dǎo)坑左右交替長段開挖,并及時進(jìn)行初期支護(hù)。開挖時先施工右線隧道,待右線隧道完成后,再施工左線隧道。

2.3.2.2 鉆孔爆破施工要點

采用新奧法施工,鉆孔、爆破均嚴(yán)格按光面爆破要求實施。嚴(yán)格按鉆爆設(shè)計司鉆,特別是周邊眼和掏槽眼的位置、間距及數(shù)量。準(zhǔn)確定位鑿巖機鉆桿,使鉆孔位置誤差不大于 5cm,保持鉆孔方向平行,根據(jù)巖石強度選用炸藥,有水地段及周邊眼選用乳化炸藥,其余采用 2號巖石硝銨炸藥。周邊眼采取 φ25×200小藥卷,不耦合裝藥,其余炮眼用 φ32×200藥卷。采用合理的裝藥結(jié)構(gòu),使炸藥沿孔深均勻分布。在施工時均采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu),不耦合裝藥系數(shù)控制在 1.4～2.0。隧道周邊采用光面爆破,不良地質(zhì)、淺埋地段采用微振控制光面爆破。

2.3.2.3 出砟運輸

采用無軌運輸出砟方案,施工中使用 2臺裝載機裝砟,1臺 VOLVO裝載機,1臺柳州 ZL50F裝載機,6輛鐵馬自卸車運砟。無軌出砟車輛滿載時運行速度15km/h,空載時 20km/h。裝載機平均每臺裝車時間為 8min/輛。隧道開挖出砟時間可以控制在 4h以內(nèi),實踐證明,滿足隧道施工出砟的需要。

2.3.2.4 初期支護(hù)

新奧法的初期支護(hù)是永久襯砌的一部分,它承受了整個隧道 60%～70%的受力,因此趙家?guī)X隧道施工中初期支護(hù)采用砂漿錨桿、中空注漿錨桿、工字鋼鋼架及噴射混凝土聯(lián)合支護(hù),確保了施工安全質(zhì)量。

2.3.2.4.1 砂漿錨桿及中空注漿錨桿

(1)施工方法

砂漿錨桿采用風(fēng)槍鉆孔,注漿泵注漿。注漿工藝依據(jù)錨桿傾角不同采取不同的注漿方法,上傾采用雙管排氣注漿法,下傾或水平采用單管注漿法。

(2)工藝要點

錨桿孔開孔前做好量測工作,按設(shè)計要求布孔并做好標(biāo)記,錨桿孔的孔軸方向滿足設(shè)計的要求,圖紙未規(guī)定時垂直于開挖面,局部加固錨桿的孔軸方向與可能滑動面的傾向相反,交角大于 45°。

孔深度達(dá)到設(shè)計規(guī)定后,用高壓風(fēng)沖洗、清掃錨桿孔,確保孔內(nèi)不留石粉。砂漿采用高濃度砂漿,配合比通過現(xiàn)場試驗確定,并堅持隨拌隨用的原則,對超過初凝時間的砂漿做報廢處理。

止?jié){塞牢固塞入以確保能承受錨桿及注滿錨桿孔砂漿的重量。排氣管必須確保插入錨桿孔底,排氣孔未出漿前,不得停止注漿。止?jié){塞在砂漿具有一定強度后方可拔出,拔出時不得振動錨桿。

2.3.2.4.2 中空注漿錨桿

(1)施工方法

中空注漿錨桿主要用于正洞拱部。施工時,采用風(fēng)槍鉆孔,注漿泵注漿。

(2)工藝要點

注漿壓力:一般為地下水靜水壓的 2～3倍,同時應(yīng)考慮巖層的裂隙阻力,但瞬間最高壓力值不應(yīng)超過0.4MPa。根據(jù)已有資料進(jìn)行工程類比及現(xiàn)場砟體注漿試驗情況選定注漿壓力范圍,確定漿液擴散半徑 r的大小。洞內(nèi)注漿壓力達(dá)到 0.35MPa或單孔灌注量達(dá)1t時注漿結(jié)束。

2.3.2.4.3 鋼架支護(hù)

(1)施工方法

采用鋼格柵鋼架進(jìn)行支護(hù),在洞外分段加工制作,運輸車運進(jìn)洞內(nèi)后人工配合機具采用法蘭拼裝。

(2)工藝要點

施工前進(jìn)行了原材料試驗,合格后加工使用。安裝前清除底腳處浮砟,按設(shè)計焊接定位筋及縱向連接筋,段間連接安設(shè)墊片擰緊螺栓,嚴(yán)格控制中線及高程,拱架與巖面間安設(shè)鞍形混凝土墊塊,確保巖面與拱架密貼。拱腳必須支立在基巖上不準(zhǔn)懸空,若懸空必須用混凝土塊、片石塞緊。拱架安裝后必須保證垂直度,不能發(fā)生扭曲變形。

2.3.2.4.4 噴射普通混凝土

(1)施工方法

在噴射混凝土之前要按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對開挖斷面進(jìn)行檢驗,一般地段按濕噴工藝施工。施工機械采用TK961型濕噴機。

(2)工藝要點

噴射混凝土嚴(yán)格按設(shè)計配合比進(jìn)行拌和,噴射前認(rèn)真檢查隧道斷面,對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點、崩解的破損巖石進(jìn)行清理和處理,清除浮石和墻角虛砟,并用高壓水或風(fēng)沖洗巖面。

噴混凝土作業(yè)采取分段、分塊,先墻后拱、自下而上的順序進(jìn)行。噴嘴做反復(fù)緩慢的螺旋形運動,螺旋直徑為 20～30cm,以保證混凝土噴射密實。同時掌握風(fēng)壓、水壓及噴射距離,減少回彈量。噴射混凝土厚度 ＞5cm時分 2層作業(yè),第 2次噴射混凝土如在第 1層混凝土終凝 1h后進(jìn)行,需沖洗第 1層混凝土面。

2.3.2.5 二次襯砌

開挖右洞時,中隔墻屬于偏心受壓結(jié)構(gòu),受力比較復(fù)雜,因此必須襯砌緊跟,抵御左洞產(chǎn)生的側(cè)壓力,保證施工安全,襯砌離掌子面的距離最好在 40m左右,各工序既不互相干擾,又使圍巖開挖暴露時間短,圍巖變形基本穩(wěn)定,水平收斂和拱頂下沉均符合規(guī)范要求。圍巖為Ⅳ級地段,襯砌 C30鋼筋混凝土,厚 50cm,仰拱填充 C25混凝土,仰拱和仰拱填充分開澆筑。圍巖為Ⅲ級地段,襯砌 C30鋼筋混凝土,厚 40cm。在二次襯砌施工時,參考圍巖監(jiān)控量測數(shù)值,了解圍巖的收斂速率,選擇合適的澆筑時機,防止了在隧道個別部位出現(xiàn)受拉、受壓破壞情況。

2.4 施工排水

趙家?guī)X隧道從出口施工,隧道出口段為反坡施工,且坡度較大。在洞內(nèi)一側(cè)布置集水池,水池間采用水泵接力抽水,直至排至洞外污水凈化池后排放。

由于該隧道部分地段有涌水的可能,水流量很大,且有突發(fā)性,因此在反坡排水時備用足夠的抽水機及管道以應(yīng)急需。

3 結(jié)語

(1)綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報是規(guī)避風(fēng)險、確保隧道安全施工的重要保證,必須提高預(yù)測預(yù)報水平和精度。

(2)企業(yè)在首先保證施工安全質(zhì)量的同時,還要做到經(jīng)濟(jì)效益最大化。四線雙連拱鐵路隧道的受力比較復(fù)雜,中隔墻是主要的受力構(gòu)件,施工方法的選擇必須綜合考慮施工安全、工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益等方面因素。中導(dǎo)洞法在連拱隧道施工中既能保證施工安全,又能保證工程進(jìn)度,與多導(dǎo)坑法相比,減少臨時支護(hù)費用,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)光面爆破是新奧法施工的重要環(huán)節(jié)。趙家?guī)X隧道在施工過程中,堅持推行光面爆破,采用控制周邊眼距、抵抗線距以及裝藥量,實施微差爆破的技術(shù)措施;采用檢查炮眼留痕率為主要檢驗手段,保證了光面爆破的效果。炮眼留痕率均達(dá)到 90%以上,為錨噴支護(hù)創(chuàng)造了良好條件。

(4)監(jiān)控量測在隧道施工全過程中發(fā)揮了重要作用。通過監(jiān)控量測反饋的信息,得以及時調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù),減小了二次襯砌在軟弱圍巖中沉降變形量。同時通過監(jiān)測信息反饋,掌握二次襯砌最佳時機,避免初次支護(hù)與圍巖因松弛變形造成失穩(wěn)。全隧道在地質(zhì)條件惡劣的狀況下未發(fā)生坍塌事故,保證了施工安全質(zhì)量。

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