華子節(jié)隧道燕尾段施工組織設(shè)計(jì)探討

翁東郁,李懷鑒

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

華子節(jié)隧道燕尾段施工組織設(shè)計(jì)探討

翁東郁,李懷鑒

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

燕尾式隧道是國內(nèi)近幾年出現(xiàn)的一種新的隧道結(jié)構(gòu)形式,它由小間距隧道、大拱隧道組成。以山西省中南部鐵路通道華子節(jié)燕尾式隧道為例,從設(shè)計(jì)方案的選擇、施工組織設(shè)計(jì)和監(jiān)控量測等方面對大跨段和小凈距段進(jìn)行分析探討?？偨Y(jié)出燕尾式隧道設(shè)計(jì)及施工時應(yīng)注意的事項(xiàng)。該隧道圍巖強(qiáng)度不均勻,預(yù)應(yīng)力錨桿的作用松弛較大,不能有效的起到加固圍巖的作用,在設(shè)計(jì)和施工中須對中間巖墻進(jìn)行注漿加固。

燕尾式隧道;大拱隧道;小間距隧道;隧道設(shè)計(jì)

0 引 言

由于特殊地質(zhì)及地形條件、線橋隧銜接方式、與既有線路相順接、總體線路線形和工程造價等原因的制約,雙洞隧道間距不能保證達(dá)到規(guī)范的要求,為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,燕尾式隧道和小凈距隧道方案則成為必要的可選方案,尤其對于中短隧道或長大隧道洞口局部地段為了盡快展線接入車站等。本文通過調(diào)查研究,并結(jié)合新建山西中南部通道華子節(jié)隧道設(shè)計(jì)、施工方案等關(guān)鍵技術(shù)研究對燕尾式隧道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1 工程概況[1]

山西中南部鐵路通道華子節(jié)隧道進(jìn)口受南呂梁山隧道(全長23 441 m)設(shè)2條單線隧道線間距30 m的影響,在華子節(jié)隧道內(nèi)需過渡到線間距4.0 m,即由兩條單線隧道(線間距30 m)逐漸過渡為一條雙線隧道(線間距4.0 m)。華子節(jié)隧道左線起迄里程為DK321+665～DK322+860,左線隧道全長1 195m,右線起迄里程為右DK321+687～DK322+850,右線隧道全長1 163 m。華子節(jié)隧道的坡度為單面坡,隧道內(nèi)線路坡度為10.9‰的下坡。華子節(jié)隧道左線DK321+666～DK322+136和右線DK321+687～右DK322+136段為單線隧道,長919 m。DK322+136～DK322+261長125 m為喇叭口隧道(線間距4.0 m～12.591 m),DK322+261～DK322+850長589 m為雙線隧道。隧道左線進(jìn)口至DK322+302.7及DK322+489.6～隧道出口位于半徑為800 m的右偏曲線上,DK322+302.7～DK322+489.6位于直線段上。隧道右線進(jìn)口至DK322+350.4及DK322+489.6～隧道出口位于半徑為800 m的右偏曲線上,DK322+350.4～DK322+489.6位于直線段上。

隧道區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3eol),新黃土:淺黃色,堅(jiān)硬～硬塑,含鈣質(zhì)結(jié)核,厚約19 m～31 m;第四系中更新統(tǒng)坡洪積層(Q2dl+pl),碎石土,淺黃色,密實(shí),成分為灰?guī)r;粗角礫土:灰色,密實(shí),稍濕。下伏露奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)石灰?guī)r:青灰色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層構(gòu)造。隧道除進(jìn)出口為Ⅴ級圍巖,洞身DK321+666～DK322+742洞頂及側(cè)墻均為弱風(fēng)化石灰?guī)r,圍巖級別為Ⅲ級。

2 設(shè)計(jì)方案的選擇及確定

2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇

燕尾式隧道作為國內(nèi)近幾年出現(xiàn)的一種新的結(jié)構(gòu)形式,一般由小間距隧道、連拱隧道、大拱隧道、雙線隧道組成。燕尾式隧道由于結(jié)構(gòu)的特殊性,該段受力相對較復(fù)雜,因此在燕尾式隧道的設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵因素有以下幾方面,首先,兩單線隧道的最小凈距;其次,大拱段的斷面形式。由于小凈距隧道通過加固中間巖墻和合理安排施工工序,減小兩洞開挖對圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的影響,充分利用中間巖墻圍巖的自承能力,在相同圍巖級別下,施工工序優(yōu)于連拱隧道[2],因此華子節(jié)隧道燕尾段采用了小凈距段過渡至大拱段的過渡形式。

2.1.1 單雙線交界處的凈距選擇

相互影響是小凈距隧道與分離式獨(dú)立隧道的根本區(qū)別所在,先行隧道施工時,臨近隧道的圍巖初始應(yīng)力場會發(fā)生很大變化,隨著間距的增大,圍巖應(yīng)力場的擾動量將迅速減小。因此如何合理確定兩隧道之間的間距尤為重要。

鄰近隧道相互影響的作用表現(xiàn)在地表沉降、圍巖應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等方面,由于相鄰隧道的存在,開挖過程中兩隧道的應(yīng)力區(qū)相互影響,使得隧道的穩(wěn)定性趨于不利條件;研究已有的資料分析表明[3]:相互影響程度與隧道間凈間距密切相關(guān),隧道靠近中間巖柱側(cè)受鄰近隧道的影響大于遠(yuǎn)離中間巖柱側(cè);由于相鄰洞室的存在,后行隧道所處的初始應(yīng)力場被破壞,且由于相鄰洞室的襯砌結(jié)構(gòu)改變了地層剛度條件,使地層與襯砌的相互作用產(chǎn)生變化。

通過對我國研究人員針對不同圍巖級別、不同埋深等方面對小凈距的合理取值進(jìn)行探討,所得到的成果總結(jié)如表1所示。A為2004年魯彪[4]利用平面有限元方法對初襯、二襯的主壓應(yīng)力進(jìn)行了分析,初步提出了不同埋深下的最小安全凈距;B為2005年田志宇、何川等[5]通過模型試驗(yàn),以毛洞情況下中間巖柱是否破壞作為判斷標(biāo)準(zhǔn),提出了不同圍巖級別下雙洞合理凈距的最小值。工程對象普遍為土體(London Clay,Chicago Clay)中修建的圓形隧道,涉及工程的凈間距范圍為0.25～1.0倍隧道直徑[6]。綜合分析確定華子節(jié)隧道在單雙線交界處的凈距取為3 m。

圖1 DK322+136處斷面(線間距為9.94 m)

表1 雙線隧道最小凈距建議值

2.1.2 大跨段設(shè)計(jì)

從單雙線分界里程DK322+136處向大里程方向?yàn)殡p線段,向小里程方向?yàn)閮蓚€單線隧道,兩隧道在大拱段內(nèi)要將線間距從9.94 m漸變?yōu)? m,經(jīng)過對比分析后認(rèn)為為了既方便施工又能有效地節(jié)約材料,采用了三個逐漸變化的斷面進(jìn)行過渡,DK322+136處的斷面形式如圖1所示,三個過渡段的斷面如圖2所示(三個斷面參數(shù)見表2)。

其中DK322+106～DK322+136(單雙線過渡加強(qiáng)段)、DK322+136～ DK322+176段、DK322+176～ DK322+211段、DK322+211～DK322+261段為大拱漸變段,線間距由9.94 m漸變?yōu)? m。

2.1.3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)(見表3)

圖2 DK322+136～DK322+261段斷面(大拱段)

表2 大拱段隧道開挖面設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 大拱段隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 燕尾段隧道施工組織設(shè)計(jì)

3.1 施工方案及支護(hù)參數(shù)

3.1.1 大拱段施工方案

大拱段開挖跨度大,如何確保安全是該隧道的施工技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。大拱段位于洞身,采用超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)輔助施工。在大拱段初期支護(hù)中拱部采用了中空注漿錨桿。

根據(jù)勘探地質(zhì)情況,大拱段開挖支護(hù)方案定為4部開挖支護(hù),這樣減少了工序之間的干擾,既提高了進(jìn)度又有利于保證施工安全。各部之間的開挖應(yīng)錯開1倍以上的洞徑。大跨段在預(yù)支護(hù)下采用上下臺階法施工(預(yù)留核心土),如圖3。在單雙線交界里程DK322+136處設(shè)堵頭墻,堵頭墻支護(hù)采用25 cm厚噴射混凝土,襯砌采用45 cm厚C30鋼筋混凝土。

圖3 大拱段開挖斷面圖

3.1.2 小間距段施工方案

由于華子節(jié)隧道燕尾段處于Ⅲ級圍巖地段,圍巖狀況較好,為了盡量減少開挖對圍巖的擾動和開挖后的暴露時間,小間距段開挖支護(hù)同樣采用全斷面開挖方式,人工利用多功能臺架鉆孔爆破開挖,錨網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。同正常的分離式隧道的支護(hù)方式不同之處是在左、右洞之間較薄的巖墻上打設(shè)注漿錨桿,對圍巖的裂隙進(jìn)行注漿,加強(qiáng)巖墻的承載能力,同時施工對拉低預(yù)應(yīng)力鋼筋,以增加巖墻的受力性能。

通過已有的研究資料表明:左右掌子面距離是決定小間距隧道相互影響的重要因素,掌子面距離的變化改變了洞室圍巖壓力的分布,從而使洞室的施工力學(xué)反映有所不同。掌子面距離增大可以避免兩洞室對周邊圍巖擾動效應(yīng)的疊加,并可充分利用先行洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固效應(yīng)以減小后行洞室的施工影響作用,但另一方面卻相對惡化了先行洞室的受力狀態(tài)。

掌子面距離變化的具體表現(xiàn):對于地表沉降的影響主要集中在現(xiàn)行隧道拱頂上方地表位置,隨著距離的增大,此處地表沉降值增大;掌子面距離對洞周主要影響為橫向位移值,隨著距離的增大,橫向收斂值減小,對左洞的影響尤其明顯;中間巖柱處的位移、應(yīng)力隨著掌子面距離的增大而減小,穩(wěn)定性增強(qiáng);塑性區(qū)、初襯內(nèi)力均隨著掌子面距離的增大而減小,且變化速率隨著距離增大而減小。通過綜合分析左右洞掌子面距離的變化對各分析參量的影響,在華子節(jié)隧道的近距隧道施工中,左右洞掌子面距離為20m時的相對效果較好,此距離可有效減小支護(hù)受力,對于洞室本身收斂的控制也有顯著效果,有利于洞室的穩(wěn)定。

為了保證安全施工,在小間距段DK322+106～DK322+136、右DK322+106～右DK322+136采用左右線錯開開挖的方法,其中拱部段拱部140°范圍采用超前小導(dǎo)管支護(hù)如圖4所示。

圖4 小凈距段開挖斷面圖

3.2 預(yù)加固及支護(hù)參數(shù)

(1)大跨段:拱部采用Φ 42超前小導(dǎo)管注漿支護(hù),環(huán)向間距中至中30 cm;拱墻設(shè)置Ⅰ25a型鋼拱架進(jìn)行支護(hù),間距0.8 m,拱墻設(shè)Φ 8鋼筋網(wǎng),噴射 C25混凝土32 cm厚,拱部布設(shè) Φ 25中空注漿錨桿,邊墻布設(shè)Φ 22全長粘結(jié)砂漿錨桿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù);二次襯砌采用45 cm厚的C30鋼筋混凝土。

(2)小間距段:拱部采用L=3 m的Φ 25中空注漿錨桿,間距1.5 m(環(huán))×1.0 m(縱);中間巖墻打設(shè)注漿錨桿注漿加固圍巖,并采用L=3.5 m、Φ 25的低預(yù)應(yīng)力錨桿;兩側(cè)邊墻采用Φ 22的砂漿錨桿;拱、墻鋪設(shè)Φ 6、25 cm×25 cm的鋼筋網(wǎng)片架設(shè)Ⅰ16工字鋼加強(qiáng)支護(hù)。

4 監(jiān)控量測

4.1 燕尾隧道監(jiān)控量測項(xiàng)目及測點(diǎn)布設(shè)

本隧道進(jìn)、出口及燕尾段應(yīng)作為監(jiān)控量測的重點(diǎn)。大拱段由于斷面大,斷面變化頻繁且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,監(jiān)測斷面應(yīng)適當(dāng)加密。監(jiān)測斷面,測點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)施工安全的需要和實(shí)際可適當(dāng)增加或減少,監(jiān)控量測的結(jié)果反饋于設(shè)計(jì),以便對支護(hù)的力學(xué)性態(tài)及安全度及時進(jìn)行評價和分析,從而采取相應(yīng)的技術(shù)措施和工程措施,防止意外事故發(fā)生。

施工中選擇有代表性的斷面埋設(shè)測試元件進(jìn)行監(jiān)測,每個監(jiān)測斷面可設(shè)7個測點(diǎn),對稱布置,以利校對和分析,監(jiān)測項(xiàng)目包括:

(1)隧道凈空收斂、拱頂和地表沉降、底板隆起量測;

(2)利用多點(diǎn)位移計(jì)對圍巖內(nèi)部位移進(jìn)行監(jiān)測;

(3)圍巖與混凝土之間壓力量測;

(4)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測試;

(5)鋼拱架應(yīng)力量測;

(6)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力和錨桿應(yīng)力測試。

4.2 燕尾隧道監(jiān)控量測目標(biāo)

為確保華子節(jié)隧道的順利施工和長期安全運(yùn)行,施工中對隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力特征進(jìn)行必要的監(jiān)測和分析工作,進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場安全合理的施工,并對原有設(shè)計(jì)提出修改和優(yōu)化。其中隧道燕尾段是全局工作中的難點(diǎn)、重點(diǎn)和核心,相應(yīng)的燕尾段現(xiàn)場監(jiān)控量測工作也需格外加強(qiáng)。

對該燕尾段隧道進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測的目的,首先直接服務(wù)于設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工,同時也為燕尾式隧道數(shù)值模擬、正反分析、物理模型實(shí)驗(yàn)等提供第一手資料。為今后該類隧道設(shè)計(jì)及施工提供參考。

5 結(jié) 語

(1)燕尾式隧道是地形條件和線路受到限制的情況下專門設(shè)計(jì)的,適應(yīng)于長大隧道緊鄰特大橋或接入站場等的情況。從成本角度分析,燕尾式隧道并不是經(jīng)濟(jì)的,小凈距隧道的設(shè)計(jì)尚沒有規(guī)范可依,還有大拱段對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)也相應(yīng)加強(qiáng),施工風(fēng)險(xiǎn)也越大,所以施工也就越困難,投資相應(yīng)也越高。

(2)從已經(jīng)施工的小凈距隧道分析,由于圍巖強(qiáng)度不同,預(yù)應(yīng)力錨桿的作用松弛較大,不能有效的起到加固圍巖的作用,因此施工中要對中間巖墻進(jìn)行注漿加固,確保圍巖的密實(shí)度,提高低預(yù)應(yīng)力錨桿的作用。

(3)監(jiān)控量測工作作為新奧法的一項(xiàng)關(guān)鍵步序,施工中應(yīng)加強(qiáng)量測,分析并及時反饋設(shè)計(jì),以便于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.山西中南部通道華子節(jié)隧道設(shè)計(jì)圖[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院,2009.

[2]鄭光輝.公路連拱隧道與小凈距隧道施工力學(xué)特征對比研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[3]杜菊紅.小間距隧道動態(tài)施工力學(xué)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[4]魯彪.公路小凈距隧道最小安全凈距確定與雙連拱隧道中隔墻斷面優(yōu)化研究[D].西安:長安大學(xué),2004.

[5]田志宇,何川,姚 勇,等.雙洞小凈距隧道合理凈距模型試驗(yàn)研究[C]//2005年全國公路隧道學(xué)術(shù)會議論文集,北京:人民交通出版社,2005:37-41.

[6]Ghaboussi J,Ranken R E.Interaction between two parallel tunnels[J].International Journal forNumerical andAnalytical Methods inGeomechanics,1977,(1):75-103.

Discussion on Construction Design for Swallow-tail Section of Huazijie Tunnel

WENG Dong-yu,LI Huai-jian
(3rd Railway Survey andDesign Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)

The swallow-tail tunnel is a new structure in recent years,which consists of a small space tunnel and large-arch tunnel.Taking Huazijie tunnel in Shanxi for example,the large-span section and small-distance section of the tunnel are analyzed and discussed here from the design and construction programs,and the considerations in design and construction of swallow-tail tunnels are summarized and introduced.As the rock strength is different,the role of pre-stressed bolts is loose,and the role of reinforcement for surrounding rocks could not be played effectively,the grouting to the middle of rock walls must be made in design and construction.

swallow-tail tunnel;large arch tunnel;small space tunnel;design of tunnel

U455

A

1672—1144(2010)02—0126—04

2009-12-20

2010-01-26

翁東郁(1983—),男(漢族),福建泉州人,助理工程師,主要從事隧道工程設(shè)計(jì)與研究工作。