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        淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞施工技術(shù)探討

        2016-12-08 02:53:49羅德趙冠華
        工程建設與設計 2016年12期
        關(guān)鍵詞:大管棚拱架臺階

        羅德,趙冠華

        (中交第二航務工程局有限公司,武漢430012)

        淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞施工技術(shù)探討

        羅德,趙冠華

        (中交第二航務工程局有限公司,武漢430012)

        結(jié)合成貴鐵路廖家坡隧道工程實例,對隧道出洞施工進行探討并總結(jié)提出隧道出洞的設計方法和施工技術(shù),為以后類似工程施工提供借鑒。

        偏壓結(jié)構(gòu);陡峭地形;出洞技術(shù)

        【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.044

        1 引言

        隧道施工中坍塌風險是主要安全風險之一,而坍塌風險主要發(fā)生在洞口段、淺埋段及不良地質(zhì)地段。現(xiàn)階段高速鐵路隧道洞口一般采用大管棚作為超前支護方式進洞,安全風險相對較低[1]。但在實際施工中,一些洞口地形陡峭,且處在淺埋偏壓軟弱圍巖地段,不具備進洞施工條件,超前大管棚施工較為困難,適宜從一端直接單向出洞,出洞時由洞內(nèi)向洞外施作超前大管棚,并輔以超前小導管支護,以確保施工安全。

        2 工程概況

        成貴鐵路四標段廖家坡隧道全長223m,起訖里程D1K106+417~D1K106+640,均為Ⅴ級圍巖,雙線隧道,全隧位于直線上。隧道區(qū)為川南紅層重丘地貌,進口地段地形較緩,出口地形較陡。地面海拔360~420m,最大高差達60m,地形起伏較大,最大埋深41m,最小埋深2m,大部分處在淺埋地段,洞身巖層傾斜,圍巖為軟質(zhì)巖且節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性極差。隧道出口段D1K106+620~D1K106+640線路左側(cè)地表巖石裸露,上部泥質(zhì)砂巖形成孤石局部倒懸,形成危石,埋深約30m,線路右側(cè)為表土及全風化層,埋深小于3m,形成偏壓結(jié)構(gòu),施工坍塌風險較大。

        隧道進口采用φ89mm大管棚超前支護,出口采用φ108mm大管棚超前支護。設計采用復合式襯砌,初期支護采用噴錨支護、濕噴工藝,施工工法采用兩臺階法。

        3 施工方案制定

        隧道從進口單向掘進,主要施工步驟:洞頂截水天溝施工→進口邊仰坡開挖及防護→進口導向墻施工→進口超前大管棚施工(洞身超前小導管施工)→上臺階開挖及初期支護→下臺階開挖及初期支護 (左右錯開)→仰拱開挖及初期支護→仰拱及填充層施工→拱墻防水層施工→二襯混凝土施工→拱頂回填注漿→水溝電纜槽施工[2]。

        出洞前施作隧道出口邊仰坡開挖及防護→洞外導向墻施工→大管棚施工,然后從進口向出口出洞。但實際施工中,出口段地形地質(zhì)條件極差,需改為由洞內(nèi)向洞外施工超前大管棚。出洞總體施工方案:(1)D1K106+614~D1K106+620段上臺階擴大拱部斷面開挖及支護;(2)D1K106+620~D1K106+640段大管棚施工、上臺階右側(cè)拱部采用小導管輔助進行超前支護;(3)D1K106+620~D1K106+640段上臺階開挖及支護、上臺階安裝臨時仰拱控制支護變形;(4)D1K106+630~D1K106+640段小導洞出洞;(5)D1K106+630~D1K106+640段擴挖出洞;(6)后續(xù)工序施工。

        4 施工技術(shù)措施

        4.1 地表處理

        隧道出口段線路左側(cè)地表巖石裸露,上部泥質(zhì)砂巖形成孤石局部倒懸,形成危石。為確保施工安全,提前對出口邊坡陡峭巖壁上的危石進行清理,以免隧道爆破時巖石松動掉落,并用主動防護網(wǎng)進行防護[3]。對出口段線路右側(cè)埋深較淺地段地表采用錨網(wǎng)噴進行加固處理。洞頂截水溝提前施作,避免地表水浸入洞身,影響施工安全。

        4.2 監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預報

        4.2.1 監(jiān)控量測

        隧道監(jiān)控量測采用信息化進行管理,建立實時預警機制,分級管理。通過對圍巖進行監(jiān)控量測,及時掌握圍巖穩(wěn)定性,支護可靠性,指導日常施工管理,確保施工安全[4]。根據(jù)該隧道地質(zhì)特點,施工中主要開展洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊位移收斂以及地表下沉4個必測項目。

        1)根據(jù)對圍巖實測位移值的分析,實測位移值U小于U0/3(U為實測位移值,U0為最大允許位移值),隧道圍巖較為穩(wěn)定,按Ⅲ級進行管理,正常施工。

        2)根據(jù)對圍巖變形速度的分析,隧道凈空變形速度在0.5mm/d左右,圍巖處于緩慢增長狀態(tài),施工過程中應適當加強支護措施。

        3)根據(jù)對位移時態(tài)曲線判別,曲線趨于平緩,圍巖和支護較為穩(wěn)定。

        根據(jù)對量測數(shù)據(jù)的分析及以往類似工程經(jīng)驗,施工上臺階時采用增設臨時仰拱措施加強支護,確保施工安全。

        4.2.2 超前地質(zhì)預報

        建立超前地質(zhì)預報系統(tǒng)是進行隧道安全施工的重要前提,成立專門地質(zhì)超前預報小組,進行超前地質(zhì)預報,超前預知和處理不良地質(zhì),是實現(xiàn)隧道安全施工和快速掘進的必要條件,根據(jù)該隧道地質(zhì)特點,采用地質(zhì)調(diào)查法和超前鉆探法探測。超前鉆探法是每次開挖前,在掌子面施作加深炮孔方法對前方地質(zhì)進行探測,加深炮孔上臺階布置3個,下臺階布置2個,炮孔深5m,直徑60cm,鉆孔方向向隧道軸線外傾5°。

        4.3 超前支護措施

        4.3.1 超前大管棚支護措施

        洞內(nèi)施作超前大管棚。當隧道施工至D1K106+614時,加大拱部開挖斷面,加大斷面里程D1K106+614~D1K106+620段,共6m,拱部加大50cm,作為超前管棚工作室。在D1K106+ 620斷面開始施作超前大管棚,首先利用初支架立2榀I20b型鋼拱架,間距50cm,用鋼筋焊接成整體。在鋼支撐上安裝φ146mm導向鋼管、鋼管長100cm,上傾角與管棚方向一致,然后立模澆注C25混凝土包裹鋼支撐和導向管,形成導向墻,墻厚60cm,待混凝土強度達到70%設計強時施作大管棚。

        鋼管外徑108mm,壁厚6mm,采用熱軋無縫鋼花管,環(huán)向間距40cm,外插角1°~3°,注漿材料采用水泥或水泥砂漿。

        大管棚施工質(zhì)量控制,嚴格控制鋼管節(jié)段的連接質(zhì)量、管棚外插角、注漿效果。

        4.3.2 超前小導管支護措施

        隧道出口D1K106+620~D1K106+640段兩側(cè)埋深相差較大,地面高差約25m,處于偏壓結(jié)構(gòu)狀態(tài),且右側(cè)拱部圍巖較軟弱,自穩(wěn)能力差,開挖后局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,為保證人員設備安全,在右拱部范圍采用φ42mm小導管進行超前支護。超前小導管配合型鋼拱架使用,鋼管采用熱軋無縫鋼管,每環(huán)縱向搭接長度不小于1m,外徑42mm,壁厚3.5mm,環(huán)向間距30cm,外插角5°~12°,注漿材料采用水泥砂漿。

        4.4 洞身開挖及支護措施

        4.4.1 洞身開挖

        隧道施工嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的原則。按照設計要求采用臺階法,分2個臺階開挖,上臺階開挖進尺0.5m,下臺階開挖進尺1m,左右臺階相互錯開,嚴禁兩側(cè)同時對稱對挖。仰拱開挖進尺3m,及時封閉成環(huán)。臺階法施工工藝流程如圖1所示。

        采用光面爆破技術(shù),嚴格控制炮眼間距及裝藥量,減小超欠挖,確保開挖效果。

        4.4.2 洞身支護措施

        采用拱墻系統(tǒng)錨桿、全環(huán)型鋼拱架、拱部鋼筋網(wǎng)片、全環(huán)噴混凝土進行聯(lián)合支護。

        開挖后及時對圍巖初噴混凝土(厚4cm),盡快封閉圍巖,形成封閉的受力圈,防止圍巖松動,然后施作組合中空(砂漿)注漿錨桿,同時設置鋼筋網(wǎng)并與錨桿外露頭綁扎牢固,最后準確架立型鋼鋼架,復噴混凝土至設計厚度。

        1)系統(tǒng)錨桿

        拱部144°采用組合中空錨桿,錨桿長4m,縱環(huán)向間距1.0 m×1.2m,梅花型布置;邊墻采用砂漿錨桿長3.5m,縱環(huán)向間距1.0m×1.2m。

        圖1 臺階法施工工藝流程圖

        組合中空錨桿施工工藝:確定孔位→鉆孔→清孔→安插中空錨桿→孔口封堵→配置注漿材料注漿→達到設計要求→施加緊固力→進入下一個孔循環(huán)。

        砂漿錨桿施工工藝:鉆孔→清孔→注漿→插入桿體→安裝錨桿墊板。

        錨桿施工應在初噴混凝土后進行,以保證錨桿墊板有較平整的基面。注漿材料采用水泥砂漿,其強度不應低于M20。錨桿孔內(nèi)灌注砂漿應飽滿密實。水泥砂漿達到一定強度后才能上緊墊板螺母。

        2)鋼支撐、鎖腳錨管及臨時仰拱

        開挖完成后,及時架設鋼支撐,保證鋼支撐置于穩(wěn)固的地基上,且安設位置準確,盡可能多地與錨桿露頭焊接,以增強其聯(lián)合支護效應。鋼支撐采用I20b型鋼拱架,全環(huán)設置,各節(jié)段長度根據(jù)臺階開挖高度確定,縱向間距0.5m,拱架背后采用φ22mm螺紋鋼筋進行縱向連接,環(huán)向間距1m,在拱腳及邊墻腳打設鎖腳φ42mm錨管,以控制初支鋼架移位。鎖腳錨管長4m,每處設2根,與鋼架采用φ22mm“U”型鋼筋焊接牢固,注漿飽滿,打設角度向下20°~40°,起到懸挑作用。

        根據(jù)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,為控制圍巖變形,在上臺階拱架安裝時,同時安裝臨時仰臥,其縱向間距與初支鋼架間距一致,臨時仰拱采用I18熱扎普通工字鋼及20cm厚C20噴混凝土組成。I18臨時仰拱節(jié)段間及與初支拱架間的連接處均設置240mm×200mm×16mm鋼墊板,并采用高強螺栓連接。臨時仰拱在施作下臺階初支時拆除。

        鋼支撐安裝平面垂直于隧道中線,其傾斜度不大于2°。鋼支撐的任何部位偏離鉛垂面不應大于5cm。鋼支撐縱向間距偏差不大于±5cm。鋼支撐與巖面做到多點接觸,確保鋼支撐達到預期的效果。

        3)掛網(wǎng)、C25噴混凝土

        隧道每一分部開挖完成后,立即對巖面進行初噴混凝土,以防巖體松動脫落。按設計要求安裝φ8mm鋼筋網(wǎng)片,并與拱架或錨桿點焊連接,網(wǎng)格間距20cm×20cm,鋼筋網(wǎng)片間搭接長度不小于1~2個網(wǎng)格。噴混凝土厚28cm,在噴射混凝土前用壓縮空氣或壓力水將所有待噴面吹凈,吹除待噴面上的松散雜質(zhì)或塵埃,以確保噴射混凝土和圍巖之間的黏結(jié)力。

        4.5 小導洞率先出洞

        為了減少爆破震動,確保出洞安全,避免坍塌事故發(fā)生,D1K106+630~D1K106+640段采取小導洞率先出洞。小導洞開挖斷面尺寸為寬4m、高4.5m,斷面尺寸如圖2所示。小導洞布置在上臺階中部偏下位置,由于坑道斷面較小,開挖時采用直眼掏槽,控制、減震爆破。由于出洞口右側(cè)覆蓋層薄,圍巖自穩(wěn)性差,為防止洞口坍塌,小導洞施工要做到“快開挖、快支護、快封閉”。

        圖2 小導洞斷面圖

        小導洞采用I16型鋼拱架、砂漿錨桿、φ6mm鋼筋網(wǎng)片、C25噴混凝土進行臨時支護。砂漿錨桿采用φ22mm螺紋鋼,長度2.0m,縱環(huán)間距1.0m×1.2m,梅花型布置;鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格間距25cm×25cm;噴射混凝土厚20cm;型鋼拱架間距1m,工字鋼拱架各節(jié)間用14mm厚鋼板、高強螺栓連接;拱架間縱向采用φ22mm螺紋鋼進行連接,以加強整體受力,環(huán)向間距1.5m。

        小導洞出洞后,從洞內(nèi)向洞外擴挖施工。導洞臨時支護隨開挖拆除,不得提前或預先拆除,以確保安全,然后進行后續(xù)工序施工。

        4.6 安全步距要求

        該隧道為泥質(zhì)砂巖地質(zhì),遇水極易軟化,穩(wěn)定性極差,施工中必須嚴格控制安全步距,二襯距掌子面距離不得大于70m,仰拱距掌子面距離不得大于35m,且仰拱距下臺階距離不得大于10m,仰拱及早封閉成環(huán),以降低安全風險。

        5 結(jié)語

        由于廖家坡隧道出口段地形地質(zhì)的特殊性,采用超前大管棚支護型式對隧道拱部巖層進行了加固,避免了較大危險的坍塌情況發(fā)生;超前小導管的運用防止局部圍巖的脫落,保證了施工期間人員設備的安全;上臺階臨時仰拱的增設使隧道及早臨時封門成環(huán),待初期支護與圍巖形成整體受力結(jié)構(gòu)時拆除,充分利用臨時支撐作為受力體系的轉(zhuǎn)換;小導洞率先出洞以減小對圍巖的擾動。以上幾種措施的運用,保證了出洞的施工安全??傊?,特殊地質(zhì)條件下隧道施工安全是首要的。如何充分有效地利用好各種手段和措施,達到既安全又經(jīng)濟的效果,將是隧道施工長期研究的課題。

        【1】Q/CR 9604—2015高速鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程[S].

        【2】Q/CR 9217—2015鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)規(guī)程[S].

        【3】Q/CR 9218-2015鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程[S].

        【4】馮義濤.洞口懸壁臨河隧道進洞施工技術(shù)[J].隧道/地下工程,2011 (4)∶90-93.

        Discussion on the Tunnel Exit Construction Technology in the Shallow Buried Double Track Railway

        LUO De,ZHAO Guan-hua
        (CCCC Second Harbor Engineering Bureau Co.Ltd.,Wuhan 430012,China)

        Combined with Liaojiapo tunnel engineering in Cheng-Gui railway,the paper discusses the tunnel exit construction and puts forward the design method and construction technology of tunnel exit,in order to providereference for similar projects.

        biasing structure;steep terrain;technology for tunnel exit

        U459.1

        A

        1007-9467(2016)09-0103-04

        2016-08-15

        羅德(1976~),男,貴州遵義人,工程師,從事隧道、橋梁工程施工技術(shù)研究。

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