橫洞爬坡法在鐵路隧道施工中的應(yīng)用

趙景宇

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司， 遼寧 沈陽 110136)

1 工程概況

某隧道位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)彭原鄉(xiāng)，行走于黃土梁塬溝壑區(qū)。地面高程1 270～1 430 m，相對高差越160 m，南側(cè)塬面緩平，北側(cè)沖溝發(fā)育，多為“V”型溝，隧道西安端洞口位于慶陽市西峰區(qū)彭原鄉(xiāng)李寺村塬面，交通便利；銀川端洞口位于驛馬溝右岸黃土梁斜坡上，車輛可至塬邊，交通較為便利。隧道起訖里程：DK254+200～DK259+006.36，全長4 806.36。隧道內(nèi)縱坡依次為22.5‰、25‰的單面下坡；整座隧道左線位于R-7000m的曲線上，右線位于R-6995m的曲線上。

隧道增設(shè)橫洞位于線路右側(cè)，洞身穿越第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q2eol3),橫洞進(jìn)口處有一淺層黃土滑坡體存在。橫洞長340 m，與正洞交點(diǎn)里程DK257+400,井底高程1 319.2918 m，平面夾角為83°5′44″，縱坡為向洞外9%(85 m)，1%(255 m)的下坡，采用雙車道無軌橫洞，按臨時工程設(shè)計。

線路經(jīng)過的地層為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q2eol3)。

工點(diǎn)區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，第四系松散層孔隙潛水主要分布于黃土塬上部，含水層主要為中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，工點(diǎn)處地下水水位約為75 m。橫洞洞身位于地下水位以下，施工掘進(jìn)中局部出現(xiàn)滲、滴水現(xiàn)象，地下水對隧道施工有一定影響。

2 施工方案

2.1 總體方案

2.1.1 工程特點(diǎn)

橫洞洞身穿越第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)軟塑黃土，橫洞拱頂距離軟塑層4.5～6.5 m，垂直節(jié)理發(fā)育，水敏性強(qiáng)，含水率高。開挖后掌子面穩(wěn)定性極差，極易發(fā)生變形、坍塌，施工難度大，安全風(fēng)險高。橫洞與隧道正洞交叉處跨度較大，處于復(fù)雜的三維受力狀態(tài)[1]，正洞初期支護(hù)必須坐落于嚴(yán)格牢固的落腳平臺。

2.1.2 工程難點(diǎn)

(1)洞身開挖后，洞室周圍土體處于臨空狀態(tài)，地下水力坡度發(fā)生變化，在動、靜水壓力作用下,土體結(jié)構(gòu)極易受到破壞，強(qiáng)度急劇降低，發(fā)生變形、破壞，掌子面穩(wěn)定性極差，在拱頂易發(fā)生塌方及變形，邊墻易發(fā)生滑動，墻腳流土(泥)等破壞現(xiàn)象[2]。

(2)軟塑狀黃土，錨管作用效果差，拱腳穩(wěn)定性不易控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體沉降大。如何預(yù)防支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體下沉、控制圍巖穩(wěn)定是施工的關(guān)鍵。

(3)針對軟塑黃土地層，如何制定排水方案降低土體含水率，改善物理力學(xué)性能，同時優(yōu)化工序工法，加強(qiáng)機(jī)械配套以達(dá)到及早封閉、安全快速施工的目的是方案制定的關(guān)鍵。

(4)雙車道橫洞斷面大，交叉口處為受力集中點(diǎn)，橫梁跨度大，集中受力為薄弱點(diǎn)。

2.1.3 總體施工方法

橫洞與正洞交叉口結(jié)構(gòu)特殊，在橫洞接近正洞時，橫洞斷面雙車道長度10 m。在正洞與橫洞相交處，正洞采用小導(dǎo)洞法開挖[3]。導(dǎo)洞由橫洞開始斜向上爬坡開挖達(dá)到正洞拱頂高程，再下坡開挖至正洞外側(cè)上臺階拱腳，然后在小導(dǎo)洞范圍內(nèi)施工正洞上臺階初期支護(hù)，完成工序轉(zhuǎn)換后，按標(biāo)準(zhǔn)的正洞斷面進(jìn)行正洞開挖。

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程，見圖1。

圖1 施工工藝流程

2.3 分步施工方案

2.3.1 橫洞施做大管棚

具體措施如下：拱部180°范圍施做Φ108大管棚+Φ42小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)并預(yù)注漿，采用臺階法設(shè)臨時橫撐(I18鋼架)輔助施工。全斷面設(shè)I25a型鋼鋼架，間距0.5 m/榀，噴射混凝土標(biāo)號提高至C30，厚度28 cm[4]。

2.3.2 門梁架設(shè)施工

根據(jù)門梁受力計算，橫梁越短受力越小，則變形量越小，同時為避免橫梁范圍內(nèi)的焊接接頭，保證橫梁一次性安裝到位。為盡可能縮短門梁跨徑，施工時門梁立柱置于初支內(nèi)，安裝位置位于橫洞初期支護(hù)兩榀鋼拱架之間，最終確定的門梁跨徑為11.21 m。門梁與橫洞最后一循環(huán)初支拱架同時安裝，采用兩臺階安裝，初期支護(hù)下臺階接長時同時接長門梁立柱，立柱坐落于條形基礎(chǔ)之上。在橫洞左右兩側(cè)邊墻腳處澆筑1.0 m×0.76 m×0.6 m的C25混凝土條形基礎(chǔ)，并預(yù)埋尺寸為65 cm×40 cm×15 mm的鋼板，鋼板底部設(shè)置4根Ф22錨筋(帶彎鉤)，長度45 cm/根。條形基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，安裝門梁豎腿，長度7.78 m，上部與橫梁預(yù)留連接板螺栓連接，下部與條形基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板焊接牢固，條形基礎(chǔ)與橫洞仰拱澆筑為整體。交叉口處最終受力結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 橫洞與正洞交叉口處受力結(jié)構(gòu)圖

2.3.3 橫洞向主洞管棚施工

交叉口處受力形式比較復(fù)雜，且工字鋼門梁至第1榀小導(dǎo)洞鋼架之間的高差為1.03 m，爬坡難度比較大，圍巖易失穩(wěn)。為保證安全，自橫洞H3+28.24處向4 m寬小導(dǎo)洞門架范圍內(nèi)施工超前大管棚以保證安全，采用Φ108超前大管棚，施工角度為上仰33°，長度7.0 m/根，環(huán)向間距0.5 m，施工7根，管棚內(nèi)注雙液漿加固。

大管棚施工采用管棚鉆機(jī)，在橫洞上臺階完成下臺階落底前施工，將上臺階作為鉆機(jī)平臺，橫洞初期支護(hù)鋼拱架作為管棚支撐點(diǎn)。

2.3.4 小導(dǎo)洞爬坡施工

小導(dǎo)洞爬坡開挖支護(hù)采用I20a型鋼鋼架支護(hù)，凈寬4 m，高度隨爬坡施工相應(yīng)調(diào)整。鋼架間距0.6 m/榀，兩側(cè)拱架各設(shè)置2根Φ89鎖腳錨管，長度L=4.0 m，每循環(huán)開挖完成后對所有暴露的圍巖采用C25噴射混凝土封閉，厚度25 cm。小導(dǎo)洞開挖預(yù)留變形量為40 cm。

2.3.5 正洞上臺階鋼拱架安裝

23榀小導(dǎo)洞門架全部施工完成后，小導(dǎo)洞由右側(cè)邊墻爬坡施工至左側(cè)邊墻，正洞上臺階作業(yè)面全部形成，此時按照正洞初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行上臺階拱架安裝，此處正洞初期支護(hù)鋼拱架安裝前需要將橫洞洞內(nèi)襯砌全部施工完成。上臺階拱架采用I25a型鋼鋼架，間距0.5 m，鋼架采用異型結(jié)構(gòu)。

正洞右側(cè)拱腳置于橫洞門梁上，并與門梁采用焊接連接牢固；左側(cè)拱腳置于圍巖上，采用擴(kuò)大拱腳的方式避免拱部沉降，同時拱腳設(shè)置4根Φ108鎖腳錨管加固，長度L=6.0 m，安裝角度斜向下45°。

3 施工中注意事項

橫洞與正洞形成的喇叭口，由于開挖斷面大，作為施工通道放置時間長，圍巖在應(yīng)力重分布和應(yīng)力釋放的過程中，會引起支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移、變形，直至支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，危及隧道安全，因此在施工中建立嚴(yán)密的監(jiān)控量測是保證安全的主要手段，同時也是調(diào)整支護(hù)參數(shù)的信息來源。

在挑頂施工期間，監(jiān)控量測布點(diǎn)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行布設(shè)，同時量測頻率由每天1次加密至2～4次(視變形情況而定)，將各監(jiān)控量測的預(yù)警級別全部提高一級，并每周組織專題會分析沉降變形情況，分析主要內(nèi)容如下：在取得圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)后，及時整理分析數(shù)據(jù)。結(jié)合圍巖、支護(hù)受力及變形情況，進(jìn)行分析判斷，將實測值與允許值進(jìn)行比較，及時繪制各種變形或應(yīng)力～時間關(guān)系曲線，預(yù)測變形發(fā)展趨向及圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，并將結(jié)果反饋給設(shè)計、監(jiān)理，從而實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工。

(1)若時間—位移曲線出現(xiàn)反常，表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，必要時暫停開挖并進(jìn)行施工處理。

(2)當(dāng)時間—位移曲線趨于平緩時，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規(guī)律。

(3)當(dāng)各量測項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定后，可進(jìn)行二次襯砌的施作。

4 小結(jié)

本文通過對橫洞貫穿主洞時開挖施工、大管棚、門架安設(shè)施工時的方法及注意事項的研究，得出了以下結(jié)論：在開挖時，特別是軟弱圍巖地區(qū)要遵循短進(jìn)尺、快支護(hù)的原則，開挖面不能暴露時間過長；精確控制大管棚安裝角度，確保管棚不侵入初期支護(hù)限界；嚴(yán)格按設(shè)計圖制作安裝鋼拱架。