軟巖大跨度鐵路隧道斜井喇叭口施工技術(shù)研究

王中華

(中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司, 江蘇蘇州 215100)

長(zhǎng)大隧道或控制工期的重點(diǎn)隧道,常常需要增設(shè)輔助坑道,其中以橫洞和坡率較小、施工車(chē)輛能夠自行的斜井發(fā)揮的作用最大[1]。而一般所選定的橫洞和斜井處的隧道埋深相對(duì)較淺,地質(zhì)較差,其與正洞相交的喇叭口如果處理不好,極易發(fā)生下沉開(kāi)裂甚至發(fā)生坍塌事故。因此,研究和改進(jìn)軟弱圍巖條件下大跨度隧道斜井喇叭口開(kāi)挖和支護(hù)方案,對(duì)于指導(dǎo)隧道施工、提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、降低工程費(fèi)用等均具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2,3]。

1 工程概況

某隧道是一條雙線鐵路隧道,最大設(shè)計(jì)斷面為15.1 m×13 m(寬×高),平均開(kāi)挖斷面160 m2,全長(zhǎng)1 148 m。

該隧道的主要工程特點(diǎn)：

(1)斷面大,埋深淺。該隧道按滿足200 km/h時(shí)速度要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并滿足通行貨車(chē)雙層集裝箱的凈空要求。部分隧道洞身在曲線上,平均開(kāi)挖斷面160 m2,最大開(kāi)挖斷面達(dá)15.1 m×13 m(寬×高)。隧道埋深多為20～40 m,進(jìn)口90 m范圍和隧道中部馬鞍形淺埋地段洞身埋深分別為3～8 m、17～22 m。

(2)地質(zhì)復(fù)雜,多裂隙水。隧道地質(zhì)為全風(fēng)化至嚴(yán)重風(fēng)化的變質(zhì)砂巖及礫巖。開(kāi)挖揭示,變質(zhì)砂巖及礫巖全風(fēng)化后變成土質(zhì),嚴(yán)重風(fēng)化部分夾有砂礫。層狀明顯,多裂隙水,穩(wěn)定性差,綜合判定全隧均為Ⅴ級(jí)圍巖。最突出的特點(diǎn)是注漿效果差,多次調(diào)壓、更換漿液試驗(yàn)也只能是包住管孔,難以形成有效擴(kuò)散半徑,加大了施工難度。

2 施工設(shè)計(jì)方案

該隧道開(kāi)工后險(xiǎn)情不斷,發(fā)生多次坍塌,由于施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理得當(dāng),應(yīng)急措施及時(shí),未發(fā)生安全事故；雖采用了增設(shè)明洞,再次坍方后在明洞上施做雙層大管棚“洞內(nèi)坍方,洞外處理”,較好地治理了“冒頂”坍塌,但卻嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。后決定在接近隧道中部的淺埋地段增設(shè)一處斜井,保證工期目標(biāo)要求。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,將斜井井口設(shè)在距正洞右邊墻60 m處,井口頂比正洞隧頂高6 m,按10∶1坡度下挖。原設(shè)計(jì)斜井普通段凈空為5 m×5.5 m(寬×高),曲邊墻結(jié)構(gòu)。采用φ42超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù),初期支護(hù)為Ι18鋼架全環(huán)支撐,間距60 cm,噴混凝土厚30 cm。進(jìn)入正洞喇叭口后凈空為5.6 m×6.3 m(直邊墻),按中壁法開(kāi)挖線路方向右上側(cè)四分之一斷面,分別與進(jìn)出口貫通后即封閉斜井。

施工設(shè)計(jì)的總體思路[4]是設(shè)計(jì)出一種便于施工的可靠結(jié)構(gòu)安全跨越斜井喇叭口,滿足快速增開(kāi)兩個(gè)完整工作面的要求。而當(dāng)斜井向正洞兩側(cè)開(kāi)挖時(shí),采用何種措施能夠確保正洞與斜井喇叭口上部的結(jié)構(gòu)安全成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。喇叭口寬6.8 m,正洞開(kāi)挖寬度為14.26 m,地質(zhì)情況為Ⅴ級(jí)全風(fēng)化變質(zhì)砂巖及礫巖,多裂隙水,埋深17.5 m。在此種情況下要想破除喇叭口豎向支撐,向進(jìn)出口方向提供兩個(gè)完整工作面,風(fēng)險(xiǎn)太大。后經(jīng)反復(fù)比較,決定在喇叭口架設(shè)H175型鋼鋼架,增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度。具體施工設(shè)計(jì)步驟為：

第一步,將斜井喇叭口“當(dāng)作”斜井的一部分,在斜井進(jìn)入喇叭口后按正洞斷面形狀上挑開(kāi)挖,繼續(xù)采用斜井普通段的Ι18鋼架等初期支護(hù)和超前預(yù)支護(hù)參數(shù)。

第二步,采用類(lèi)比法,正洞初期支護(hù)為全環(huán)H175鋼架,間距60～80 cm,喇叭口6.8 m范圍則需要架設(shè)10組H175鋼架。該10組H175鋼架橫向采用[100短槽鋼兩兩相連,間距1.5 m,梅花形布置；縱向跨越正洞開(kāi)挖范圍。為確?；A(chǔ)承載力,在斜井喇叭口入口端以外設(shè)5 m×6.8 m×1.2 m鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),喇叭口終端以外設(shè)3 m×6.8 m×1.2 m鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)(如圖1所示)。在10組H175組合鋼架跨越喇叭口入口端,因過(guò)車(chē)通道上部需留開(kāi)口,左右兩側(cè)各3組鋼架支腿置于(如圖1、圖2所示),中部4組鋼架通過(guò)預(yù)埋在待灌注混凝土拱墻內(nèi)的I18鋼架傳入鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)；在組合鋼架跨越喇叭口終端,將其10組鋼架支腿全部置于鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。灌注H175組合鋼架兩側(cè)拱腳混凝土,上部組合鋼架復(fù)噴混凝土,形成鋼拱橋式結(jié)構(gòu)跨越斜井喇叭口。

圖1 喇叭口段立面(單位：cm)

圖2 喇叭口段平面(單位：cm)

3 施工程序

3.1 按正洞斷面形狀上挑開(kāi)挖、支護(hù)斜井喇叭口

在斜井距正洞8 m至5 m地段,將斜井曲邊墻變?yōu)橹边厜?凈寬從5.6 m逐漸加大到6.8 m(如圖2)。進(jìn)入喇叭口后按正洞斷面形狀上挑開(kāi)挖,采用φ42超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù),初期支護(hù)為Ι18鋼架全環(huán)支撐,間距60 cm,噴混凝土厚30 cm。到達(dá)喇叭口終端按預(yù)設(shè)斷面開(kāi)挖并灌注3 m×6.8 m×1.2 m鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),開(kāi)挖灌注入口端以外5 m×6.8 m×1.2 m鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。

3.2 架設(shè)斜井喇叭口組合鋼拱橋式結(jié)構(gòu)

本隧道正洞初期支護(hù)為H175全環(huán)鋼架,間距60～80 cm,噴混凝土35 cm。類(lèi)比計(jì)算,6.8 m寬需采用10組H175鋼架,平均間距77 cm。

兩側(cè)各三組H175鋼架間距60 cm,寬18.66 m,預(yù)留20 cm沉降高度；并按同等預(yù)留高度下接正洞初期支護(hù)H175鋼架(如圖1),每組鋼架兩側(cè)各有二條支腿,將兩側(cè)鋼架支腿全部置于1.2 m厚鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)上。

中部四組H175鋼架間距88 cm,喇叭口終端與兩側(cè)做法相同；入口端預(yù)留過(guò)車(chē)通道開(kāi)口,在5 m擴(kuò)大基礎(chǔ)上待灌注混凝土范圍內(nèi)置I18型鋼邊墻、拱架,將中部四組鋼架分別焊接在拱架上(如圖2所示)。

10組H175鋼架采用[100槽鋼兩兩焊接,間距1.5 m,梅花形布置。分別灌注組合鋼架兩側(cè)拱腳混凝土,上部組合鋼架?chē)娚?5 cm厚鋼纖維混凝土,形成組合鋼拱橋式結(jié)構(gòu)跨越斜井喇叭口。

3.3 通過(guò)斜井喇叭口進(jìn)入正洞施工

在正洞拱部,喇叭口兩外側(cè)H175鋼架上施做φ42超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù),即可拆除正洞范圍內(nèi)豎向I18鋼架支撐。原設(shè)計(jì)初期支護(hù)強(qiáng)度不能滿足本隧道淺埋、大跨、軟巖特殊地質(zhì)條件的要求,因而不論采用原設(shè)計(jì)的中壁法,或是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案均不能保證結(jié)構(gòu)和施工安全。后經(jīng)綜合比選,本隧道采用以H175型鋼鋼架作為初期支護(hù)的環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工方案,向進(jìn)出口兩個(gè)方向進(jìn)行正洞開(kāi)挖。

其施工步驟為：①上部弧形開(kāi)挖及初期支護(hù)；②超前小導(dǎo)管注漿加固；③開(kāi)挖單側(cè)中部馬口并支護(hù)；④錯(cuò)位開(kāi)挖另一側(cè)中部馬口并支護(hù)；⑤開(kāi)挖下部馬口并施工矮邊墻；⑥開(kāi)挖另一側(cè)下部馬口并施工矮邊墻；⑦縮短預(yù)留核心土；⑧半幅開(kāi)挖澆筑仰拱；⑨鋪設(shè)防水板二次襯砌(如圖3所示)。

圖3 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工示意

4 施工質(zhì)量控制措施

(1)在按正洞斷面上挑開(kāi)挖時(shí),需要做好中線水平測(cè)量控制。上挑開(kāi)挖每榀Ι18鋼架(間距60 cm)需上抬30 cm左右,φ42超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度不受限制；下降開(kāi)挖時(shí),φ42超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度受限,現(xiàn)場(chǎng)采用2.5 m長(zhǎng)小導(dǎo)管,將小導(dǎo)管環(huán)距和排距相應(yīng)減小。

(2)為保證正洞H175鋼架準(zhǔn)確安裝,鋼架需在洞口放樣、編號(hào)。鋼架接頭與正洞作業(yè)要求相同,分別加設(shè)鋼墊板,螺栓連接。

(3)復(fù)架正洞H175鋼架時(shí),為確保與初期支護(hù)Ι18鋼架密貼,在兩組鋼架間楔入[100短槽鋼,要求間隔1.5 m梅花形布置。實(shí)際安裝不足一半,間隙較小處均改用φ25短鋼筋楔入。

5 工后沉降監(jiān)測(cè)及分析

軟弱圍巖中進(jìn)行隧道施工,初期支護(hù)收斂變形大,圍巖難于穩(wěn)定,在設(shè)置二次襯砌后還會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。因此應(yīng)根據(jù)軟巖特性,進(jìn)行開(kāi)挖控制監(jiān)測(cè),判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和工作狀態(tài)[5,6],確定二次襯砌與開(kāi)挖工作面之間的合理距離關(guān)系[7],確保初期支護(hù)和二次襯砌的穩(wěn)定。

該隧道圍巖軟弱、穩(wěn)定性差、變性大,采用小斷面開(kāi)挖并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)后,仍會(huì)產(chǎn)生較大變形,因此應(yīng)增加初期支護(hù)的剛度以有效減小隧道收斂量,提高隧道的穩(wěn)定性。工前在喇叭口開(kāi)口處、喇叭口中部及地表分別布設(shè)了下沉觀測(cè)點(diǎn),從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,采用H175型鋼鋼架?chē)娚浠炷林ёo(hù)后效果明顯。因同類(lèi)工程下沉值較大,本隧道在喇叭口處比原設(shè)計(jì)增設(shè)了20 cm預(yù)留沉落量(原設(shè)計(jì)有20 cm收斂預(yù)留量)。工后實(shí)測(cè)累積沉降值不足20 mm,圍巖沒(méi)有十分明顯的流變變形,地表無(wú)下沉。

6 結(jié)論及效益分析

施工隊(duì)伍能夠熟練掌握施工工藝,工效較高,工后沉降較小,能夠在斜井增開(kāi)兩個(gè)完整工作面,對(duì)類(lèi)似工程有一定的借鑒作用；組合后所形成的聯(lián)合鋼拱橋式結(jié)構(gòu)安全可靠,有效地控制了地層沉降,產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。具體體現(xiàn)為：

(1)本成果結(jié)構(gòu)安裝便捷,一次成形,不需反挑換拱,便于現(xiàn)場(chǎng)施工,有利于盡早投入到正洞施工。

(2)斜井喇叭口采用“上挑式”開(kāi)挖,有效縮短了斜井長(zhǎng)度或牽引設(shè)施及牽引過(guò)程中所發(fā)生的二次倒運(yùn)、誤工費(fèi)用。施工過(guò)程中斜井抬高了5 m,坡率為10∶1,可縮短斜井長(zhǎng)度50 m,按每延米斜井0.5萬(wàn)元計(jì),可節(jié)省投資20余萬(wàn)元。

(3)本工法按類(lèi)比法進(jìn)行施工設(shè)計(jì),所采用的主要材料I18、H175型鋼均為斜井與正洞初期支護(hù)材料,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠熟練操作。

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