斜通道輔助豎井施工技術(shù)研究

雍 毅，李 俊，李 鍇

(1．中交第一公路工程局廈門(mén)工程有限公司，廈門(mén) 361021;2．中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

隨著鐵路跨越式發(fā)展，大規(guī)模鐵路建設(shè)全面展開(kāi)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，未來(lái)幾年鐵路隧道工程總長(zhǎng)度將超過(guò)2 500 km，其中特長(zhǎng)隧道要占隧道總長(zhǎng)的的1/5［1］。在長(zhǎng)隧道的修建中，采用合適的輔助坑道，可以改善施工條件，增加工作面，提高施工進(jìn)度和縮短工期。常用的輔助坑道有橫洞、平行導(dǎo)坑、斜井和豎井，根據(jù)隧道長(zhǎng)度及其所處地形、地質(zhì)及水文條件綜合考慮，輔助坑道可以單個(gè)、多個(gè)或組合使用。全長(zhǎng)20．05 km的烏鞘嶺隧道，根據(jù)地質(zhì)和工期等要求，設(shè)置了單豎井、長(zhǎng)斜井、平導(dǎo)和橫洞等多座輔助坑道［2］。文獻(xiàn)［3-4］介紹了輔助坑道中單豎井的布置原則及方式，文獻(xiàn)［5］結(jié)合施工因素進(jìn)行比選和分析，采用了2單豎井+1斜井的優(yōu)化方案。為減少單豎井施工周期，降低建井成本和考慮豎井施工安全，文獻(xiàn)［6］提出了1座進(jìn)碴、出料豎井，1座專(zhuān)用逃生副井和1座提供供風(fēng)、供電等設(shè)施的組合豎井設(shè)計(jì)方案，但無(wú)論單豎井設(shè)計(jì)，還是在組合豎井設(shè)計(jì)中，由于豎井出碴、進(jìn)料都需垂直提升，且只能從一個(gè)通道口出入，因此，勢(shì)必造成進(jìn)料與出碴不能同步進(jìn)行，且施工交叉較多，不便于施工管理，嚴(yán)重影響到主隧道施工進(jìn)度，也增加了主隧道開(kāi)挖后不能及時(shí)進(jìn)行支護(hù)的時(shí)間，從而影響到了主隧道施工安全。為解決這一難題，綜合考慮隧道施工工期、成本和安全需要，以東莞至惠州軌道交通工程GZH-5標(biāo)斜通道輔助豎井施工工程為例，首次提出了將豎井出碴與進(jìn)料分離的方法，即增設(shè)一斜通道與主隧道斜交的方案以輔助豎井施工。該斜通道斷面小，自身施工工期短，可輔助豎井輸送鋼筋和混凝土等材料，以期緩解豎井壓力，也為主隧道施工進(jìn)度和安全提供保障。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通工程GZH-5標(biāo)段，線(xiàn)路起止里程為 GDK25+080～GDK33+022．303，工程地點(diǎn)位于東莞市寮步鎮(zhèn)境內(nèi)，正線(xiàn)長(zhǎng)7．94 km，其中明挖段隧道長(zhǎng)4．15 km，暗挖段隧道長(zhǎng)3．79 km。GDK31+700施工豎井為該標(biāo)段第4個(gè)施工豎井，該豎井暗挖隧道位于東莞市常平鎮(zhèn)松山湖大道，東側(cè)約250 m為工業(yè)北路。地形北高南低，地面高程22．74～26．8 m，南側(cè)路面高程較低。隧道拱頂埋深約22．0 m，覆土主要有素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、全—弱風(fēng)化混合片麻巖層，洞身主要位于強(qiáng)—弱風(fēng)化混合片麻巖層。沿線(xiàn)地下水主要為第四系地層中的孔隙水，埋深1．0～7．0m，在基巖中賦存有裂隙水，水量不大，一般略具承壓性，埋深不等。GDK31+700施工豎井與暗挖隧道平面關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 豎井與暗挖隧道平面布置圖Fig．1 Plan relationship between vertical shaft and tunnel

2 施工方案優(yōu)化

2．1 原有方案分析

單豎井出碴、進(jìn)料需垂直提升，GDK31+700豎井與龍門(mén)吊提升布置見(jiàn)圖2［7］。從圖2可以看出，由于出碴與進(jìn)料只能從一個(gè)通道口通過(guò)龍門(mén)吊提升，因此，造成進(jìn)料與出碴不能同步進(jìn)行，嚴(yán)重影響主隧道施工進(jìn)度，主隧道掌子面開(kāi)挖后，也不能及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，影響到了主隧道施工安全，施工成本較高，工效較低。

2．2 優(yōu)化改進(jìn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有施工條件，為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，增設(shè)1條輔助豎井施工的斜通道，該斜通道為拱形直墻形。該斜通道位于GDK31+700豎井左側(cè)，斜通道與左線(xiàn)主隧道橫向中心線(xiàn)夾角為42．29°，斜通道長(zhǎng)度為40．85 m，只用于輸送混凝土、下放鋼筋等材料。斜通道的支護(hù)采取C25模噴鋼筋混凝土，為減少對(duì)圍巖的影響，邊開(kāi)挖邊及時(shí)施作支護(hù)。斜通道與豎井平面布置見(jiàn)圖3，斜通道與左線(xiàn)主隧道橫剖面見(jiàn)圖4。

3 數(shù)值模擬分析及結(jié)果

采用MⅠDAS/GTS大型有限元分析軟件進(jìn)行斜通道施工階段的三維動(dòng)態(tài)模擬，圍巖使用實(shí)體單元，主隧道的初支體和斜通道噴射混凝土采用板單元，數(shù)值模擬模型采用Mohr-Coulomb模型。

在進(jìn)行斜通道施工前，現(xiàn)場(chǎng)左線(xiàn)主隧道已封閉成環(huán)60 m且回歸分析已穩(wěn)定，因此，主要分析該斜通道施工作用下，對(duì)斜通道自身和對(duì)左線(xiàn)主隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力情況的影響。

3．1 三維有限元模型

該斜通道與主隧道斜交，整體模型長(zhǎng)度取60 m，寬度取60 m，高度取50 m，有限元分析模型見(jiàn)圖5。

圖5 有限元分析模型Fig．5 Finite element analysis model

3．2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)［8］資料和等效剛度原理，隧道初期支護(hù)的鋼拱架和連接鋼筋折算到隧道初期支護(hù)參數(shù)中。為安全考慮，斜通道支護(hù)采用C20噴射混凝土模擬(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為C25模噴鋼筋混凝土)，錨桿僅作為安全儲(chǔ)備，不進(jìn)行計(jì)算。巖土物理力學(xué)參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

3．3 計(jì)算結(jié)果分析

1)位移結(jié)果。隨著斜通道的開(kāi)挖，地表下沉最大位移為17．5mm，斜通道最大下沉9．9mm，主隧道拱頂上抬4．3mm。巖體、斜通道及主隧道豎向位移見(jiàn)圖6。

2)主隧道初期支護(hù)應(yīng)力。在施工斜通道過(guò)程中，主隧道初期支護(hù)的拱部和斜通道與主隧道的連接口處主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為2．24 MPa。在斜通道未開(kāi)挖前，拱腳承受拉應(yīng)力最大值為1．79 MPa，隨著斜通道開(kāi)挖的進(jìn)行，由于巖體的卸載作用，主隧道初期支護(hù)拱腳承受的拉壓應(yīng)力逐漸減少，斜通道開(kāi)挖至最后階段時(shí)，拱腳承受拉應(yīng)力為1．58 MPa。施工第1階段及最后階段主隧道最大主應(yīng)力見(jiàn)圖7。

3)斜通道初期支護(hù)應(yīng)力。在施工斜通道過(guò)程中，由于斜通道的開(kāi)挖斷面比較小，斜通道噴射混凝土拉應(yīng)力與壓應(yīng)力值均較小，最大拉壓應(yīng)力值為0．36 MPa，小于 C20 噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度 1．1 MPa［9］。斜通道最大主應(yīng)力見(jiàn)圖8。

通過(guò)有限元理論分析表明，由于斜通道施工時(shí)對(duì)土體的卸載作用，使得主隧道的拱頂有上抬趨勢(shì);在斜通道施工的過(guò)程中，斜通道支護(hù)拉、壓應(yīng)力都較小，主隧道支護(hù)拱腳承受的拉應(yīng)力是一個(gè)逐漸減小的過(guò)程，在斜通道與主隧道的連接口處，產(chǎn)生的應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，數(shù)值也不大。因此，斜通道施工對(duì)自身及主隧道的影響較小，該方案理論上基本可行，但由于巖、土體本身的復(fù)雜性、非均質(zhì)性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不可避免地存在一定程度的差異，因此，需在施工過(guò)程中進(jìn)行跟蹤量測(cè)并及時(shí)反饋。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

1)為減少斜通道與主隧道施工的相互影響，待主隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)一定距離(現(xiàn)場(chǎng)為60 m)且穩(wěn)定后，再采取措施施作斜通道。

2)斜通道開(kāi)挖土質(zhì)及軟巖段采用人工風(fēng)鎬挖孔，硬巖段采用光面爆破開(kāi)挖，盡量減少?lài)鷰r擾動(dòng)，每開(kāi)挖一段及時(shí)支護(hù)一段。

3)斜通道出碴方式采用人工裝碴，使用卷?yè)P(yáng)機(jī)做提升設(shè)備，將斗車(chē)直接放在斜通道的軌道上，將碴拉出送到棄土點(diǎn)，為保證斜通道空氣流通，在井口設(shè)1臺(tái)軸式通風(fēng)機(jī)，用直徑500 mm的軟管向斜通道內(nèi)送風(fēng)。

4)在斜通道進(jìn)行爆破開(kāi)挖時(shí)，為減小對(duì)主隧道的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制用藥量和開(kāi)挖進(jìn)尺，并進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確保主隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

5)斜通道施工完成后，在斜通道內(nèi)可分區(qū)安裝混凝土輸入管及鋼筋下料通道等，斜通道進(jìn)料通道安裝見(jiàn)圖9。

圖9 斜通道進(jìn)料通道安裝Fig．9 Material supply lines installed in access ramp

5 監(jiān)控量測(cè)

5．1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

增加輔助通道后，為監(jiān)測(cè)斜通道及主隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，使斜通道能安全順利地建成，依據(jù)設(shè)計(jì)［8］和規(guī)范［10］制訂了以下監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，詳見(jiàn)表2。

5．2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋

1)該斜通道開(kāi)挖支護(hù)完成后，監(jiān)測(cè)結(jié)果［11］與計(jì)算結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)表3。

2)為了監(jiān)測(cè)主隧道受斜通道爆破時(shí)的振動(dòng)效應(yīng)，在左線(xiàn)主隧道初期支護(hù)上分別安裝豎向傳感器和水平傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，沿隧道水平方向最大振速為 5 mm/s，小于設(shè)計(jì)值 10 mm/s［12］的要求。爆破時(shí)振動(dòng)分析見(jiàn)圖10。

表2 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目Table 2 Monitoring items

表3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring datamm

圖10 爆破時(shí)振動(dòng)分析Fig．10 Analysis on blasting vibration

通過(guò)數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)比較，兩者相差不大，變化規(guī)律基本一致，現(xiàn)場(chǎng)采用增設(shè)斜通道輔助豎井施工方案組織施工，斜通道及主隧道是安全可靠的，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

6．1 成本分析

按新方案增設(shè)一斜通道，完成該斜通道需要1個(gè)月左右，費(fèi)用投入在8萬(wàn)元左右;而按新方案調(diào)整后，主隧道施工每月可提高進(jìn)尺10 m左右，縮短工期約4．5個(gè)月，在該豎井暗挖隧道施工中，不考慮機(jī)械投入成本，每月僅人工費(fèi)就達(dá)50萬(wàn)元左右，只計(jì)人工費(fèi)就可節(jié)約225萬(wàn)元。因此，增設(shè)斜通道輔助豎井施工，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6．2 環(huán)境影響

由于斜通道自身具有開(kāi)挖斷面小，占地小，易于布置，干擾因素少，有利于文明施工等優(yōu)點(diǎn)，各種資源能較好地利用，能確保人員和附近構(gòu)筑物的安全，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小。

7 結(jié)論與討論

1)計(jì)算和監(jiān)測(cè)表明，隨著隧道斜通道開(kāi)挖施工，主隧道拱頂沉降觀測(cè)有上抬趨勢(shì)，主隧道收斂有向外側(cè)收斂變化，這會(huì)抵消一部分原主隧道的凈空變化(拱頂下沉和隧道向內(nèi)收斂)數(shù)值，從控制主隧道凈空變化的角度來(lái)看，不會(huì)影響到后續(xù)主隧道二次襯砌施工凈空，而斜通道自身凈空變化也比較小。

2)在斜通道施工過(guò)程中，斜通道支護(hù)自身應(yīng)力比較小;由于土體的卸載作用，引起應(yīng)力重分布，使得主隧道初期支護(hù)拱腳承受的拉壓應(yīng)力逐漸減小，在斜通道與主隧道的連接口處，產(chǎn)生的應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力數(shù)值不大。

3)為減少斜通道與主隧道施工的相互影響，待主隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)一定距離且穩(wěn)定后，再施作斜通道;在斜通道進(jìn)行爆破開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制用藥量和開(kāi)挖進(jìn)尺，將爆破振動(dòng)速率控制在允許范圍內(nèi)，從而減小斜通道施工對(duì)主隧道的影響，以確保主隧道安全。

4)斜通道與主隧道斜交的方案，有效地避免了豎井垂直提升出碴與進(jìn)料施工交叉的問(wèn)題，緩解了豎井施工壓力，使主隧道施工進(jìn)度提高了50%左右，大大降低了施工成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5)現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)斜通道輔助豎井施工，斜通道自身具有開(kāi)挖斷面小，占地小，易于布置，工程進(jìn)度快，干擾因素少，有利于文明施工等優(yōu)點(diǎn)，各種資源能較好地利用，能確保人員和附近構(gòu)筑物的安全，產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

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