黃土隧道斜井交叉口挑頂施工方法

郭新兵

1 工程概況

包西鐵路通道大保當(dāng)至張橋段慶興隧道起訖里程DK 691+253～DK 701+493,全長 10240m,設(shè)計(jì)為一座雙線黃土隧道,4號斜井與正洞設(shè)計(jì)相交里程為 DK 699+070,主要承擔(dān)西安方向的施工,斜井開挖斷面 43.01 m2,與正洞成 55°2′6″夾角,坡度為11.7%,4號斜井穿越上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土地層,圍巖全部為Ⅴ級,Ⅳ級土質(zhì)圍巖。

交叉處正洞設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下:支護(hù)采用Ⅰ20鋼拱架,間距1.2m,φ22砂漿錨桿,間距 1.2m×1.2m,φ8鋼筋網(wǎng),22cm C25噴混凝土,拱墻模筑 C 30混凝土襯砌 45cm厚,仰拱 C30混凝土厚45cm。

斜井設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下:支護(hù)采用Ⅰ16鋼拱架,間距 1.2m(交叉口段 0.8m),φ22砂漿錨桿,間距 1.2m×0.8m,φ6鋼筋網(wǎng),18cm C 20噴混凝土,拱墻模筑 C25混凝土襯砌 35cm厚。

2 施工方案的選定

經(jīng)過多種方案比選,最終確定的方案為:在斜井施工至與正洞設(shè)計(jì)二次襯砌最大跨度相交時(shí),在交匯面處設(shè)置斜井初期支護(hù)加強(qiáng)環(huán)及托梁和立柱支撐,以解決交叉口處正洞初期支護(hù)的鋼架落腳問題,及時(shí)完成斜井襯砌,襯砌終點(diǎn)端頭面應(yīng)與正洞該側(cè)縱向開挖平行。采用人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī),以 4.2m寬的小導(dǎo)坑方式橫向垂直進(jìn)入正洞洞身并進(jìn)行弧面挑頂開挖,開挖過程中及時(shí)采用Ⅰ16型鋼棚架臨時(shí)支頂支護(hù)。當(dāng)隧道正洞拱部上導(dǎo)坑開挖面合格后及時(shí)初噴,施作正洞設(shè)計(jì)初期支護(hù),其鋼架拱腳落在托梁上,拱頂處縱向棚架橫梁保留,拆除臨時(shí)棚架兩側(cè)立撐。按相同方法將交叉口范圍拱部上導(dǎo)坑沿鈍角方向開挖支護(hù)兩個(gè)循環(huán)(每循環(huán)進(jìn)尺1.2m)且穩(wěn)定后,及時(shí)施作初期支護(hù),再反方向開挖支護(hù)兩個(gè)循環(huán)(每循環(huán)進(jìn)尺1.2m)且穩(wěn)定后,及時(shí)施作初期支護(hù),直至該段 9 m范圍拱部封閉。接著擴(kuò)挖正洞中部土體并將該段右半幅初期支護(hù)接長至起拱線處。最后按環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行隧道主攻或副攻方向上斷面開挖,當(dāng)上斷面開挖達(dá) 30m后,進(jìn)行邊墻落底及仰拱、填充施工,從而使正洞初期支護(hù)封閉成環(huán),具備正?？焖偈┕さ陌踩珬l件。

3 施工步驟、方法及施工工藝

1)根據(jù)斜井與正洞設(shè)計(jì)相交角度及復(fù)合式襯砌參數(shù),應(yīng)對交叉口段斜井初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng),確保下步正洞跨越斜井提供支護(hù)保障。在斜井掌子面施工至距正洞設(shè)計(jì)二次襯砌水平最大跨度處內(nèi)緣 6.6m處時(shí),將原Ⅰ12.6型鋼鋼架由法向逐步均勻過渡至與正洞縱向平行,相鄰兩榀中心處間距均為80cm,每榀鋼架尺寸根據(jù)內(nèi)插交角單獨(dú)計(jì)算,專門加工,并按偏立法架立。

2)由于斜井初期支護(hù)最后一榀拱架也需承受正洞拱架及圍巖傳遞的荷載,因此必須對其加強(qiáng)。在斜井末端即距正洞二襯最大跨度內(nèi)緣 20cm處采用兩榀Ⅰ20a型鋼并焊在一起作為加強(qiáng)環(huán),改善受力條件,加強(qiáng)承載能力。

3)為解決交叉口段正洞上斷面拱架落腳位置并保證其牢固性,在斜井初期支護(hù)加強(qiáng)環(huán)鋼架拱頂上沿正洞方向設(shè)置縱向水平托梁,托梁采用Ⅰ25b型鋼,兩端聯(lián)接Ⅰ25b型鋼立柱支撐至主洞邊墻底。為防基底承載力不夠?qū)е轮ёo(hù)下沉,先夯實(shí)基底,立柱底部加焊 30cm×20cm×2cm鋼板,另加提前預(yù)制的鋼筋混凝土墊塊(8cm厚)。型鋼托梁頂面按間距 1.2m焊接 30cm×20cm×2cm厚鋼板,以解決交叉口段主洞設(shè)計(jì)拱部鋼架左側(cè)落腳問題。

4)對托梁及支撐進(jìn)行錨、噴防護(hù),錨桿尾部彎折 90°后與托梁、支撐焊接在一起,按設(shè)計(jì)厚度噴射混凝土?xí)r,托梁范圍暫不噴射。

5)及時(shí)施作斜井加強(qiáng)段二次襯砌,為交叉口提供有力的支撐。其襯砌終點(diǎn)端頭面必須與正洞該側(cè)縱向開挖平行,并伸出加強(qiáng)環(huán) 5cm。端頭斜交三角帶采用小塊鋼模、拱架配合臺車加固,另外考慮到襯砌尾端和托梁共同受力,在其尾端 1m范圍給予配筋加強(qiáng)。

6)挑頂開挖順序。a.二襯混凝土達(dá)到拆模條件后,撤出斜井二襯臺車,回填土修筑斜坡道,采用臨時(shí)輪胎式輕型小挖機(jī)以 4.5m寬的小導(dǎo)坑方式橫向垂直進(jìn)入正洞洞身拱部,并進(jìn)行拱頂上導(dǎo)坑弧面挑頂開挖,人工風(fēng)鎬及作業(yè)臺架進(jìn)行修邊。當(dāng)隧道正洞拱部上導(dǎo)坑開挖面合格后及時(shí)初噴,移除臨時(shí)棚架兩側(cè)豎撐,施作初期支護(hù),其拱頂處縱向棚架橫梁將作為永久支護(hù)。b.待拱部上導(dǎo)坑初期支護(hù)穩(wěn)定后再采用人工風(fēng)鎬及作業(yè)臺架向主攻(西安)方向開挖拱部上導(dǎo)坑,進(jìn)尺 1.2m,開挖土方經(jīng)人工清運(yùn)至斜井后,由裝載機(jī)及汽車運(yùn)至洞外棄渣場。開挖合格后立即初噴,及時(shí)施作初期支護(hù)。c.掉頭采用人工風(fēng)鎬及作業(yè)臺架向次攻(包頭)方向開挖拱部上導(dǎo)坑,進(jìn)尺 1.2m,開挖土方經(jīng)人工清運(yùn)至斜井后,由裝載機(jī)及汽車運(yùn)至洞外棄渣場。開挖合格后立即初噴,及時(shí)施作初期支護(hù),方法同上,從而拱部上導(dǎo)坑開挖支護(hù)范圍達(dá)到 6.9m。d.當(dāng)拱部上導(dǎo)坑 6.9m范圍開挖支護(hù)完成后,采用挖機(jī)逐段擴(kuò)挖中上部土體,并將右半幅初期支護(hù)接長至起拱線處,每循環(huán)進(jìn)尺為 1.2m。e.在上斷面初期支護(hù)下,采用環(huán)向開挖預(yù)留核心土臺階法向主攻方向開挖支護(hù) 10m后,采用相同方法向副攻方向開挖。為確保安全,該段正洞 40m范圍上弧導(dǎo)分兩次開挖支護(hù)至最大跨度(起拱線)處。前期開挖采用人工配合臨時(shí)小型挖機(jī)的方法,隨著工作面的擴(kuò)大,視實(shí)際情況創(chuàng)造條件采用PC200型挖機(jī)開挖。f.當(dāng)主副掌子面距達(dá)到 30m時(shí),開始下半斷面邊墻落底施工。落底施工采用左右幅差開施工的方法,以防止拱架下沉,造成隧道變形、塌方,左右幅錯(cuò)開距離為 3m,并平行推進(jìn),開挖后,及時(shí)施作初期支護(hù),封閉圍巖,以防止圍巖松弛造成隧道變形。g.當(dāng)左、右側(cè)邊墻連續(xù)落底支護(hù)達(dá)到30m時(shí),分段開挖仰拱,每次開挖 3m,及時(shí)施作仰拱混凝土及填充混凝土,利用仰拱棧橋保證掌子面繼續(xù)施工。當(dāng)仰拱混凝土及填充混凝土施工 30m后,立即在洞內(nèi)既定位置組裝襯砌臺車施作二次襯砌,將交叉口處8.8m(襯砌臺車長9.0m)長范圍襯砌預(yù)留至最后封堵。

4 施工技術(shù)要點(diǎn)

1)斜井交叉口段施工,應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù),設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)比正常斷面相應(yīng)提高。

2)交叉處加強(qiáng)環(huán)設(shè)置。由于正洞開挖斷面較大,為確保擴(kuò)頂段正洞施工安全,在斜井與正洞交接處設(shè)置一加強(qiáng)環(huán),加強(qiáng)環(huán)由2榀Ⅰ20a型鋼鋼架并焊組成,鋼架間采用 φ22鋼筋連接,根據(jù)施工方案對其進(jìn)行準(zhǔn)確定位加固,鎖腳錨桿宜沿斜井與正洞交角平分線方向施作,并確保其質(zhì)量。

3)設(shè)置托梁,為正洞拱架提供落腳平臺。在斜井初期支護(hù)加強(qiáng)環(huán)鋼架拱頂上沿正洞方向設(shè)置縱向水平托梁,托梁采用Ⅰ25b型鋼,牢固焊接于斜井加強(qiáng)環(huán)拱頂,托梁長度超過 9m時(shí),居中聯(lián)接接頭,除對焊外,另采用雙面夾板(10mm厚鋼板)鉆孔、高強(qiáng)螺栓擰緊、夾板四邊騎縫焊等多重加固方式。托梁兩端聯(lián)接Ⅰ25b型鋼立柱支撐至主洞墻底。噴射C 25混凝土 25cm～30cm厚覆蓋加強(qiáng)環(huán)、立柱鋼架,托梁范圍暫不噴射,待正洞鋼架落腳后一并噴射,及早施作斜井二次襯砌。

4)加強(qiáng)正洞交叉口范圍初期支護(hù)質(zhì)量。將交叉口 10.8m范圍內(nèi)原鋼格柵改為Ⅰ20a和Ⅰ16型鋼拱架(8榀 +2榀),其他按設(shè)計(jì)參數(shù)施工。每榀鋼架單側(cè)不少于 4根φ22鎖腳錨桿,藥卷式錨桿長 4.0m,鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接,防止拱架下沉。

5)正洞擴(kuò)頂開挖,依據(jù)圍巖穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)采用Ⅰ16臨時(shí)棚架支撐頂部,棚架間距為 0.8m,棚架間采用φ22鋼筋焊接為整體,初噴混凝土 5cm,臨時(shí)棚架橫梁采用 18cm網(wǎng)噴,網(wǎng)格尺寸 25cm×25cm(臨時(shí)棚架橫梁將作為永久支護(hù)),形成臨時(shí)支護(hù)體系,棚架結(jié)構(gòu)見圖1,H,h,根據(jù)現(xiàn)場情況確定尺寸,現(xiàn)場加工。

5 施工注意事項(xiàng)及總結(jié)

1)施工前做好各種相關(guān)施工準(zhǔn)備,按方案要求配置好勞力、機(jī)械設(shè)備及工程材料,施工中嚴(yán)格按本方案、相應(yīng)技術(shù)交底及規(guī)范要求施作。

2)交叉口段斜井襯砌應(yīng)及早施作,擋頭板沿正洞線路方向安設(shè)。

3)開挖支護(hù)中必須加大拱頂下沉及圍巖位移收斂觀測頻率,根據(jù)量測結(jié)果及時(shí)反饋支護(hù)信息,確保支護(hù)措施安全合理,一旦發(fā)現(xiàn)變形過大或其他異常情況,立即暫停開挖施工,采取應(yīng)急加固措施,并上報(bào)處理。

4)加強(qiáng)施工排水措施,防止積水浸泡。

5)加強(qiáng)安全培訓(xùn)、現(xiàn)場技術(shù)人員及專職安全人員必須晝夜輪流跟班指導(dǎo)監(jiān)控,督促各類安全、質(zhì)量措施落到實(shí)處。

6)制定挑頂施工的安全應(yīng)急預(yù)案,做好應(yīng)急材料、物資的儲備。

[1] 辜鼎中.隧道斜井進(jìn)正洞施工方案[J].山西建筑,2010,36(11):335-336.