宜萬鐵路下村壩隧道 2號溶腔拱跨結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

陽敦國

(中鐵十九局集團有限公司,遼寧遼陽 111000)

1 工程概況

宜萬鐵路下村壩隧道全長1 978 m,位于恩施市白果鄉(xiāng),由中鐵十九局集團有限公司承建。隧道設(shè)計地質(zhì)為寒武系上統(tǒng)耗子沱群白云質(zhì)灰?guī)r、局部夾灰質(zhì)白云巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,地表溶槽、溶溝發(fā)育。

DK237+080～DK237+110溶腔于 2005年 12月揭示,溶腔規(guī)模為沿線路縱向 30 m,拱頂以上空腔不規(guī)則發(fā)育 20～50 m,隧底以下半充填空腔發(fā)育 20～30 m;該溶腔橫穿隧道,發(fā)育至隧道左側(cè)邊墻外 28 m,至隧道右側(cè)邊墻外約 22 m,并斜向下發(fā)育一落水洞,落水洞深度未知。該隧道溶腔段埋深 220 m,溶腔周圍地層為寒武系上統(tǒng)耗子沱群白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r局部含灰質(zhì)白云巖,褶皺發(fā)育,巖體較破碎,溶腔周圍圍巖基本承載力為1 000 kPa,但局部由于節(jié)理裂隙發(fā)育,溶腔周圍巖體局部較破碎。溶腔頂部巖體節(jié)理較發(fā)育,裂隙寬 1～2mm,局部由于受該溶腔的影響,頂部局部溶腔延伸向上 0.5～1.5 m,長 2～3 m,寬 0.5～0.8 m,存在大塊巖體掉落的可能,溶腔平面如圖1所示。

圖1 溶腔平面

2 溶腔處理方案比選

該溶腔自揭示后,鐵道部宜萬鐵路工程建設(shè)總指揮部曾多次牽頭,組織由鐵道部、武漢鐵路局、設(shè)計院及施工單位多位專家參加,對該溶腔進行現(xiàn)場會勘,商議確定處理方案。

方案 1:自 DK237+072左側(cè)大避車洞外插 15°、縱坡 17%,沿隧道大里程方向作一 3 m×3m,長 120 m導(dǎo)洞,穿越到溶腔上方,再在溶腔大、小里程兩側(cè)施作支洞繞行至 DK237+092～DK237+110溶腔兩端,在隧道拱頂 5 m處開鑿 2 m寬的施工工作面,施作 2 m厚縱向型鋼拱梁作為溶腔防護結(jié)構(gòu),隧底以下采用洞砟填筑、縱向拱梁跨越,再施作隧道二次襯砌。

方案 2:采用洞砟對隧道下部溶腔進行填筑,在隧道限界以外 1.5 m處兩側(cè)先施作 1道寬 3 m縱向拱梁,再用型鋼混凝土在拱梁上施作 3 m厚鋼筋混凝土拱罩,拱罩上方設(shè)環(huán)向廢舊輪胎緩沖層,在隧底設(shè)縱向拱梁跨越溶腔,再施作隧道二次襯砌,如圖2所示。

圖2 溶腔空腔段護拱設(shè)計(單位:cm)

方案比選結(jié)論:

方案 1 因溶腔豎向發(fā)育高,層狀、節(jié)理發(fā)育,溶腔頂部情況復(fù)雜,無法準確掌握溶腔頂部巖層情況,導(dǎo)洞從隧道上方繞行勢必對溶腔周圍節(jié)理、裂隙發(fā)育圍巖造成較大擾動,施工安全風險大,施工難度大,施工成本高。

方案 2 采用 3層防護結(jié)構(gòu)自下而上施作,能最大限度減少對溶腔周圍節(jié)理、裂隙發(fā)育圍巖的擾動,結(jié)合隧道邊墻以外縱向拱梁施工,拱梁上布置防護結(jié)構(gòu),能確保隧道整體結(jié)構(gòu)、施工和營運安全,最大限度地規(guī)避了施工安全風險,降低了施工成本。決定采用方案2作為實施方案。

3 方案實施

3.1 施工工藝流程

本段施工為溶腔處理,溶腔地質(zhì)復(fù)雜,施工難度大,所以施工必須嚴格按照以下施工順序進行施工:清?！鷩婂^防護→兩側(cè)縱向拱梁施工→拱罩施工→緩沖層施工→隧底主拱施工。

3.2 施工方法

3.2.1 溶腔防護

(1)該溶腔在揭示后,已兩次對溶腔頂部水平斷層、豎向順層及危石進行了機械配合人工清除。在方案確定后,根據(jù)溶腔危石情況,采用機械配合人工的施工方法逐段清除溶腔危石,清危范圍為隧道中線至可能的工程活動范圍以外 5 m。

(2)清除危石后,對 DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段空腔進行噴錨防護,參數(shù)為:φ32 mm自進式錨桿,L=6 m,間距 2.0 m×2.0 m,梅花形布置;φ8 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 20 cm×20 cm;網(wǎng)噴 C20混凝土,厚 20 cm。特別是對縱向拱梁拱座范圍上部圍巖加強防護,必要時進行錨固補強加固,確保施工安全。

(3)溶腔圍巖監(jiān)測:DK237+080～DK237+110段縱向 3～5m布設(shè) 1處監(jiān)測斷面,環(huán)向 3～5 m設(shè) 1處監(jiān)測點,必要時應(yīng)增設(shè)監(jiān)控量測斷面,加密監(jiān)測點。監(jiān)測項目包括溶腔頂板穩(wěn)定性、危石位移、支護變形等,對監(jiān)測信息及時反饋及時分析,以便及時掌握溶腔穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)安全性。

3.2.2 隧道邊墻外縱向拱梁施工

該溶洞豎向發(fā)育較深,且溶腔橫穿隧道,發(fā)育至隧道左側(cè)邊墻外 28 m處溶腔呈三角形結(jié)束,至隧道右側(cè)邊墻外約 22 m,斜向下發(fā)育一落水洞,落水洞深度未知。按照設(shè)計文件要求,在 DK237+094～DK237+104段施作型鋼混凝土拱罩,雙層工字鋼架落于對稱的縱向拱梁上,拱梁寬 3 m,拱圈為半徑 R=18.75 m的圓弧拱,跨度 L=18 m(DK237+086.5～DK237+104.5),矢高 f=3 m,矢跨比 f/L=1/6;拱圈厚度 1.5 m。拱梁基座位于隧底上部,可從隧道內(nèi)側(cè)向外施作,最大限度地避免在溶腔中施工的安全風險。

(1)拱座開挖

開挖前先由測量隊測定拱座平面位置及地面高程,再采用機械打眼、弱爆破、機械清理的方法開挖拱座,開挖過程中嚴格控制拱座基礎(chǔ)高程、拱座位置及拱座尺寸,并在開挖過程中進行安全監(jiān)控,保證施工安全;為了確保拱座位于完整基巖上,開挖完成后對拱座基底進行釬探(布孔 6個,釬探深度 5～5.6 m),保證拱座能夠坐在完整的基巖上。

(2)拱座施工

在拱座開挖到位,經(jīng)驗收合格后,測量人員對拱座平面位置及高程進行復(fù)測,正確無誤后對拱座基底進行人工清理;清理完成后開始拱座鋼筋施工,鋼筋施工中注意同一搭接區(qū)段內(nèi)鋼筋接頭面積不大于全部鋼筋面積的 50%,鋼筋搭接采用雙面搭接焊。拱座鋼筋施工完成后預(yù)埋拱圈鋼筋的連接筋;加固模板后澆筑拱座混凝土,一次澆筑完畢。

(3)拱圈施工

①拱模施工

首先由測量人員按照拱圈設(shè)計半徑進行放樣,利用經(jīng)緯儀及水準儀用放大樣的方法,把拱圈的弧度及長度、寬度放出來,再利用 M10漿砌片石砌筑拱模,然后按照拱圈的弧度在拱模上鋪設(shè) 5 cm厚 M10砂漿墊層,以方便立模及鋪設(shè)鋼筋。為了確保拱圈弧度能滿足設(shè)計要求,經(jīng)計算,在施作拱模時考慮 5 cm預(yù)留沉落量。

②模板施工

縱向拱梁拱圈設(shè)計厚度為 1.5 m;在拱圈拱模強度達到 70%以上后,拱圈兩側(cè)采用長 1.5 m、寬 1.0 m厚 5mm鋼模板,模板安裝必須穩(wěn)固牢靠,嚴禁跑模。接縫要嚴密,用密封條塞縫,不得漏漿。模板支立前,進行二次放線,定出拱圈的邊線和軸線。模板與底?；炷恋慕佑|面必須清理干凈,并涂脫模劑。模板安裝完成后模板內(nèi)的積水和雜物應(yīng)清理干凈。模板軸線位置允許偏差為 15 mm;表面平整度允許偏差為 5 mm;相鄰兩板表面高低差允許偏差為 2 mm。為避免澆筑過程中發(fā)生脹?；蚬羌芤莆坏痊F(xiàn)象,影響混凝土質(zhì)量及鋼筋受力情況,采用鋼管結(jié)合拉桿(φ14 mm的圓鋼,縱向 2 m/環(huán))加固模板,保證模板及鋼筋的均勻受力。

③拱圈鋼筋施工

先將拱圈的主筋與拱座預(yù)埋的鋼筋連接,鋼筋布置應(yīng)按設(shè)計要求間距布置均勻,鋼筋搭接長度應(yīng)滿足設(shè)計要求,焊接時焊縫要飽滿,鋼筋保護層按照圖紙要求設(shè)置,鋼筋的彎鉤采用標準彎鉤;鋼筋施工完成后,由試驗室對鋼筋焊接頭進行取樣,試驗合格后,方可進行下道工序施工。

④拱圈混凝土澆筑

在綁扎完拱圈鋼筋經(jīng)驗收合格后,用輸送泵澆筑拱圈混凝土。為了確?；炷翝仓粚澳＝Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,應(yīng)采取分段、兩側(cè)對稱澆筑。

3.2.3 護拱(拱罩)初支及護拱(拱罩)施工

(1)護拱(拱罩)初支施工

①根據(jù)方案要求,DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段護拱內(nèi)壁設(shè)置 I18鋼架,縱向間距 1.0 m,鋼架間縱向采用 φ22 mm鋼筋連接,間距 1.0 m。護拱預(yù)留吹砂孔,護拱與隧道結(jié)構(gòu)凈距 0.5 m;護拱于周邊圍巖間設(shè)置連接筋,連接筋與噴錨網(wǎng)防護結(jié)合設(shè)置,伸入基巖長度大于 3 m。

DK237+094～DK237+104段護拱內(nèi)壁設(shè)置 I18鋼架,縱向間距 0.5 m,鋼架間縱向采用 φ22 mm鋼筋連接,間距 0.5 m。鋼架內(nèi)壁設(shè)置環(huán)、縱向 φ14 mm鋼筋,間距 20 cm×20 cm,環(huán)、縱向鋼筋及鋼架間應(yīng)有效焊接,環(huán)、縱向鋼筋保護層厚度 5 cm。

DK237+094～DK237+104段護拱外壁設(shè)置 I16鋼架,縱向間距 1.0 m,鋼架間縱向采用 φ22 mm鋼筋連接,間距 0.5m。DK237+096～DK237+102段護拱拱頂外側(cè)設(shè)置環(huán)、縱向 φ28 mm鋼筋,間距 10 cm×10 cm,環(huán)、縱向鋼筋保護層厚度 5cm。

護拱內(nèi)外側(cè)鋼架基腳都垂直落于縱向拱梁上,支護施工時確保工字鋼鋼架與二次襯砌的凈空,確保達到設(shè)計要求。

②DK237+094～DK237+104段在施作護拱鋼架防護時,為方便施工,需按照先外后內(nèi)的原則進行。

(2)護拱(拱罩 )施工

①護拱(拱罩)模板施工

DK237+094～DK237+104段護拱內(nèi)外壁設(shè)置的I18鋼架兼作模板骨架,在支立完工字鋼拱架后,在護拱內(nèi)側(cè)鋼架下吊裝 5 cm厚木模板,澆筑 1層厚 20 cm C30混凝土,在強度達到標準后可充當護拱(拱罩)底模使用。DK237+094處鋼架緊貼溶腔圍巖支立,此端護拱封頭板利用溶腔圍巖充當(局部小空隙可采用木塊填塞,確保不漏漿);DK237+104端護拱(拱罩)封頭板模板采用 1.5 m×1.2 m鋼模板。

模板加固方法為:支立 DK237+104處護拱內(nèi)外層鋼架時,在鋼架上每間隔 1.2 m預(yù)埋 1根長 30 cm、φ14 mm鋼筋,鋼筋一端焊接在鋼架上,一端預(yù)先車絲以便與鋼模板連接,安裝時模板與螺栓一一對應(yīng)并用螺母擰緊固定;而護拱厚度為 3 m,用 2塊模板連接方可,兩模板間用螺栓連接,并使用長 3 m的75 mm×75mm×8mm角鋼加固;外模采用 5cm厚木模,環(huán)向3 m循環(huán)倒用。DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段底模也采用在鋼架下吊裝 5 cm厚木模板,澆筑 1層 20cm厚 C30混凝土充當?shù)啄?模板架立時預(yù)留泵送混凝土天窗及進人口)。

②護拱(拱罩)護面鋼筋施工

在護拱內(nèi)外側(cè)各設(shè)置 1層護面鋼筋,內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)、縱向 φ18 mm鋼筋,間距 10 cm×10 cm;外側(cè)設(shè)置環(huán)、縱向 φ22 mm鋼筋,間距 10 cm×10 cm。確保內(nèi)外側(cè)保護層厚度不小于 5 cm,面筋錨固至縱向拱跨底部。

③護拱(拱罩)混凝土澆筑

在護拱(拱罩)底?；炷翉姸冗_到 70%以上時即可進行護拱(拱罩)混凝土澆筑。在澆筑過程中,在護拱內(nèi)側(cè) I18型鋼架拱腰和拱腳處采用 I18型鋼臨時橫向支撐,橫撐縱向間距 1 m。同時,同一斷面上護拱內(nèi)側(cè) I18型鋼和外側(cè) I16型鋼采用 φ18 mm鋼筋徑向焊接,徑向間距不得小于 15°,防止灌注過程鋼架變形過大而導(dǎo)致跑模。為保證護拱(拱罩)初支均勻受力,在澆筑護拱(拱罩)混凝土時采用分層、左右兩側(cè)對稱連續(xù)循環(huán)澆筑,兩側(cè)每次循環(huán)澆筑高度不超過 1 m?；炷劣苫炷吝\輸車運輸,輸送泵泵送入模;在預(yù)留天窗設(shè)置輸送管道,混凝土采用兩側(cè)對稱均衡澆筑,即先澆筑兩側(cè)拱腳、拱腰,后澆筑拱頂。澆筑工程中嚴格控制混凝土坍落度及配合比保證混凝土質(zhì)量。

3.2.4 緩沖層施工

在護拱(拱罩)混凝土強度達到規(guī)范要求后,開始進行緩沖層施工。

DK237+094～DK237+104段護拱外懸掛一層廢舊輪胎作為緩沖層,廢舊輪胎直徑1 000 mm,采用人工環(huán)向碼砌廢舊輪胎緩沖層,輪胎環(huán)向和縱向之間采用鋼絲相互連接。DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段護拱上分層吹入 2.0 m厚中粗砂緩沖層。

3.2.5 隧底主拱施工

下村壩隧道 DK237+080～DK237+110段溶腔經(jīng)過有關(guān)單位多次現(xiàn)場會勘,并經(jīng)過方案比選,此段溶腔隧底處理方案為 DK237+082.10～DK237+107.60段隧底采用拱跨結(jié)構(gòu),布置一孔 L=22.5 m的實腹式拱橋跨越,拱圈為 R=18.75 m的鋼筋混凝土圓弧板拱,矢高 f=3.75 m,矢跨比f/L=1/6。拱跨拱圈及拱座上填 C15混凝土以形成橋面,橋面采用與隧道相同的縱坡。

(1)主拱梁拱座開挖

開挖前先由測量隊測定兩端拱座平面位置及地面高程,再采用機械打眼、弱爆破、機械清理開挖拱座,開挖過程中要嚴格控制高程、拱座位置及拱座平面幾何尺寸,并在開挖過程中進行安全監(jiān)控,保證施工安全;開挖完成后對拱座基底進行釬探(深度不小于 5 m),保證拱座能夠坐在完整的基巖上。

(2)拱座下小溶腔處理

根據(jù)設(shè)計院地質(zhì)鉆探資料顯示:線路左側(cè) 6.0 m及線路右側(cè) 6.0m鉆孔均揭示出拱座下部巖溶發(fā)育有小型溶腔。

對線路左側(cè) 6.0m拱座下部的小溶腔進行徹底清除充填物及巖壁松動碎石后,對空腔部位采用 C40混凝土滿灌回填。對線路右側(cè) 6.0 m拱座下部發(fā)育的小溶腔采用導(dǎo)管注漿加固處理。

小溶腔處理施工中嚴禁采用爆破法施工,避免基底基層松動,保證基底巖石的完整性。

(3)主拱梁拱座施工

混凝土灌注及注漿完成,經(jīng)評定合格后,由測量人員采用全站儀對拱座平面位置及高程進行復(fù)測,正確無誤后對拱座基底進行清理;清理完成后開始拱座鋼筋施工。鋼筋施工中注意同一搭接區(qū)段內(nèi)鋼筋接頭面積不大于全部鋼筋面積的 50%,鋼筋搭接采用雙面搭接焊接。拱座鋼筋施工完成后預(yù)埋拱圈鋼筋的連接筋。

在鋼筋綁扎驗收合格后,開始澆筑拱座混凝土,由于拱座混凝土澆筑屬于大體積混凝土澆筑,必須分層澆筑,每次澆筑厚度不超過 1.0 m,一次連續(xù)澆筑完畢。

(4)拱圈施工

①拱圈基礎(chǔ)處理

首先由測量人員用全站儀按照拱圈設(shè)計弧度用放大樣的方法,把拱圈的弧度及長度、寬度放出來,對回填物采用分層用重錘沖擊夯實,每層厚度控制在 15 cm,壓實度≥90%,壓實后拱模承載力應(yīng)≥150 kPa;然后按照拱圈的弧度在拱胎上鋪設(shè) 10 cm厚、C20混凝土墊層,以方便立模及鋪設(shè)鋼筋。

②預(yù)拱度設(shè)置

拱模在施工中將承受荷載,拱圈澆筑完畢在自重、溫度變化等因素影響下,會產(chǎn)生彈性或非彈性變形,為使拱圈的拱軸線、矢跨能滿足設(shè)計要求,須設(shè)置預(yù)拱度。根據(jù)計算得出,拱模預(yù)留拱度為 7cm。

③拱圈模板施工

在拱圈地基處理完成后,因主拱設(shè)計為實腹式拱橋,所以拱圈底模采用處理后的拱圈地基,拱圈兩側(cè)模板采用長 1.5 m、寬 1.0 m、5 mm厚的鋼模板,模板安裝必須穩(wěn)固牢靠,嚴禁跑模。接縫要嚴密,用密封條塞縫,不得漏漿。

模板支立前進行二次放線,定出拱圈的邊線和軸線。模板與混凝土的接觸面必須清理干凈,并涂脫模劑。模板安裝完成后模板內(nèi)的積水和雜物應(yīng)清理干凈。模板軸線位置允許偏差為 15 mm;表面平整度允許偏差為 5 mm;相鄰兩板表面高低差允許偏差為 2 mm。為避免澆筑過程中發(fā)生脹?；蚬羌芤莆坏痊F(xiàn)象,影響混凝土質(zhì)量及鋼筋受力情況,采用拉桿(φ20 mm的圓鋼,縱向 2 m/環(huán))加固模板,保證模板及鋼筋的均勻受力。

④拱圈鋼筋施工

主拱的鋼筋結(jié)構(gòu)比較簡單,施工前按照設(shè)計圖紙畫出 1∶1大樣圖,在加工現(xiàn)場將主筋及橫向箍筋網(wǎng)片拼裝好,吊裝到模內(nèi)進行綁扎、焊接。先將拱圈的主筋與拱座預(yù)埋的鋼筋連接,主筋采用雙排 φ32 mm鋼筋,間距為 12.5 cm,主筋保護層厚度為 7 cm,鋼筋布置間距應(yīng)均勻,鋼筋搭接采用單面焊接,搭接長度不小于32cm,焊縫要飽滿,鋼筋保護層采用 7 cm厚 C40混凝土墊塊設(shè)置,鋼筋的彎鉤采用標準彎鉤;鋼筋施工完成后,由試驗室對鋼筋焊接頭進行取樣,試驗合格后,方可進行下道工序施工。

⑤拱圈混凝土澆筑

在綁扎完拱圈鋼筋經(jīng)驗收合格后,用輸送泵澆筑拱圈混凝土。為了確?；炷翝仓粚澳＝Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,應(yīng)采取分段、對稱澆筑。為了避免輸送泵的蠕動影響支架及模板的穩(wěn)定,所以在拱肋兩側(cè)各設(shè)置了 4個臨時支架穩(wěn)定輸送管。拱圈混凝土應(yīng)一次連續(xù)澆筑完畢,為了避免中途發(fā)生停電現(xiàn)象,備用 1臺 120 kW發(fā)電機。因混凝土方量較大,可摻加緩凝劑保證澆筑過程連續(xù),在澆筑混凝土過程中要加強監(jiān)測工作,質(zhì)檢員及試驗員全過程旁站,試驗員認真控制水灰比和坍落度,確?；炷量杀眯院涂刹僮餍粤己?質(zhì)檢員嚴格控制混凝土的振搗工藝,務(wù)求混凝土達到內(nèi)實外美的要求。

⑥拱圈混凝土的養(yǎng)護

拱圈混凝土澆筑完畢后采用編織袋覆蓋,灑水養(yǎng)護,在混凝土強度達到 70%后,再進行下道工序施工。

4 主要經(jīng)驗和體會

(1)在溶腔處理過程中,要嚴格按照設(shè)計文件、工序要求及施工規(guī)范進行科學(xué)組織,合理安排工序;

(2)在護拱及主拱拱座施工前,要對地質(zhì)資料進行現(xiàn)場核對,弄清楚實際地質(zhì)情況與設(shè)計是否相符;施工中,地質(zhì)釬探驗證一定要施作,且保證釬探深度不小于 5m,確保拱座坐落在完整的基巖上;

(3)在縱向拱梁及雙層護拱施工中,要保證拱跨的參數(shù)符合設(shè)計要求,才能確保隧道主體的結(jié)構(gòu)安全;

(4)采用護拱、拱罩、拱梁與隧道相結(jié)合的施工方法,橋上有隧、隧中有橋,既有效地規(guī)避了施工、結(jié)構(gòu)及營運安全風險,又大大降低了施工成本,是隧道與橋梁很好的結(jié)合實例。

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