第三系泥巖地層斜井支洞進(jìn)入主洞安全施工技術(shù)

孫 軍

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 272100)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新疆某輸水隧洞工程I標(biāo)，工程范圍包括5 200 m主洞和Z1#斜井支洞的開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌及附屬施工。隧洞分別自主洞進(jìn)口和Zl#斜井支洞進(jìn)入主洞施工，施工區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，伴隨突泥、涌水、圍巖變形、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，施工難度較大。隧洞設(shè)計(jì)斷面為同心平底圓形。V級(jí)圍巖地段隧洞開(kāi)挖寬度和高度均為6.7 m，凈空寬度5.3 m，高度5.15 m。隧洞輸水流量70 m3/s，隧洞縱坡為1.7‰，主洞進(jìn)口采用無(wú)軌運(yùn)輸。

Z1#斜井位于恰奇溝內(nèi)，全長(zhǎng)458 m，設(shè)計(jì)縱坡41.35%，襯砌為馬蹄形斷面，凈空洞徑5 m。自Z1支洞K0+416.25開(kāi)始設(shè)置26 m近平坡段，采用3 m(漸變段)+19 m(擴(kuò)寬段)+4 m(漸變段)+銜接段與主洞實(shí)現(xiàn)交叉。主支洞貫通形式為斜交，主支洞交叉段主洞軸線方向長(zhǎng)11.47 m，支洞軸線長(zhǎng)5.30 m。主支洞交叉段隧洞埋深約250 m。

由于支洞與主洞交叉段屬于典型的三維復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)程度高[1-3]，而且主洞與支洞斜井交叉段地層為埋深較大的泥質(zhì)軟巖，容易產(chǎn)生大變形，變形不易控制[4]，因而交叉段施工必須采取相應(yīng)的合理技術(shù)措施，以保證交叉段隧洞施工安全。

1.2 地質(zhì)情況

Z1#支洞進(jìn)口位于恰奇溝右岸，恰奇溝內(nèi)常年有水流不斷。支洞進(jìn)入正洞交叉段附近地層主要為第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)風(fēng)積層、上更新統(tǒng)沖積層、第三系中新統(tǒng)～上新統(tǒng)。各地層主要巖性及特征從上而下分述如下：

第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)風(fēng)積層，巖性為風(fēng)積黃土，淺黃色，干，土質(zhì)較均一，層厚17～70 m。

第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石，灰色，稍濕～濕，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)。卵礫石含量約60%～70%，磨圓度較差，呈次棱角～次圓狀，主要成分為凝灰質(zhì)砂巖等；泥質(zhì)含量較大，層厚10～15 m。

第三系中新統(tǒng)～上新統(tǒng)，巖性為磚紅色、黃褐色砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚層或塊狀，圍巖穩(wěn)定性較差。支洞附近第三系中新統(tǒng)～上新統(tǒng)(N1+2)地層主要為單斜構(gòu)造，地層傾角多小于10°，多為厚層、巨厚層構(gòu)造。支洞范圍主要為內(nèi)陸湖相紅色碎屑巖構(gòu)造，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，為V級(jí)圍巖。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 總體施工方案

靠近主洞處，為滿足支洞渣土及材料倒運(yùn)和設(shè)置儲(chǔ)水池的需求，需要設(shè)置城門洞形斷面的擴(kuò)寬段，擴(kuò)寬段長(zhǎng)19 m，凈空尺寸為8.5 m(寬)×5.1 m(高)。為此，支洞斜井從K0+416.25開(kāi)始經(jīng)過(guò)3 m漸變段由馬蹄形一般斷面漸變?yōu)槌情T洞型的擴(kuò)寬段斷面，然后再通過(guò)4 m長(zhǎng)的漸變段將斷面凈寬從8.5 m過(guò)渡到5.3 m。主洞與支洞相交叉區(qū)域分為主洞區(qū)域交叉段和支洞區(qū)域交叉段，并在支洞進(jìn)入主洞馬頭門處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，如圖1所示。

在斜井支洞擴(kuò)寬施工至里程K0+438.25時(shí)，開(kāi)始施工4 m長(zhǎng)的漸變段，然后施工支洞區(qū)域交叉段和支洞馬頭門加強(qiáng)環(huán)，最后通過(guò)小導(dǎo)洞爬坡進(jìn)入主洞，完成主洞區(qū)域交叉段施工。在主洞區(qū)域交叉段兩側(cè)各設(shè)置18 m城門洞形斷面，城門洞形斷面兩側(cè)各設(shè)置9 m的過(guò)渡段，將城門洞形斷面過(guò)渡到近圓形的馬蹄形斷面。城門洞形過(guò)水凈斷面尺寸為5.30 m(寬)×5.55 m(高)。

圖1 支洞進(jìn)入主洞交叉區(qū)域分區(qū)(單位：cm)

由于支洞和主洞交叉施工屬于典型的三維受力結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜且受力過(guò)程不斷轉(zhuǎn)換，為此采取“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、緊封閉”的施工原則，穩(wěn)扎穩(wěn)打，每開(kāi)挖一步，立刻施作本部初期支護(hù)，控制圍巖變形，保證交叉段施工安全。

2.2 斜井支洞漸變段施工

斜井支洞漸變段為K0+438.25～K0+442.25，共4 m，采用臺(tái)階法開(kāi)挖。初期支護(hù)參數(shù)為： 濕噴C25聚酯纖維混凝土層厚25 cm；鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm，鋼筋直徑?8 mm；HW150鋼架間距0.5 m，全環(huán)設(shè)置；拱墻系統(tǒng)錨桿采用?25 mm中空注漿錨桿長(zhǎng)3.5 m，間距1.25 m×1.25 m。

2.3 支洞區(qū)域交叉段施工

當(dāng)支洞漸變段施工完成后，采用臺(tái)階法施工支洞區(qū)域交叉段，此段共架立7榀HW200鋼拱架，右側(cè)間距23 cm，左側(cè)間距110 cm，相鄰鋼架之間采用?25 mm螺紋鋼連接，環(huán)向間距1 m。掛?8 mm鋼筋網(wǎng)，分2～3次噴C25纖維混凝土至設(shè)計(jì)厚度25 cm。在鋼架接頭處兩側(cè)各打設(shè)2根?63 mm的注漿鎖腳錨管，長(zhǎng)3.5 m。拱部及邊墻打設(shè)?25 mm中空注漿系統(tǒng)錨桿，錨桿長(zhǎng)度5 m，間排距1 m，起始斷面(D-D剖面)如圖2所示。

圖2 支洞區(qū)域交叉段起始斷面支護(hù)(單位：cm)

2.4 支洞進(jìn)入主洞施工

2.4.1 加強(qiáng)環(huán)施工

支洞區(qū)域交叉段開(kāi)挖至主洞右側(cè)邊界時(shí)，噴3～5 cm混凝土層封閉開(kāi)挖面，施作支洞進(jìn)入主洞馬頭門加強(qiáng)環(huán)。在斜井支洞靠近正洞的3 m范圍內(nèi)施作HW200縱向托梁。為確保擴(kuò)頂段正洞施工安全，挑挖支洞斜井與正洞相交面處拱部，開(kāi)挖出工作空間后，與正洞交叉口處連續(xù)架立3榀HW200型鋼加強(qiáng)環(huán)。加強(qiáng)環(huán)外側(cè)增設(shè)HW200立柱，形成門型鋼架，如圖3所示。門型鋼架橫梁與支洞拱架設(shè)置立柱豎撐，并將豎撐與橫梁及支洞拱架焊接在一起。豎撐之間采用間距1 m的?25 mm鋼筋進(jìn)行縱向連接，將鋼架形成空間三維整體結(jié)構(gòu)，增加其整體穩(wěn)定性和整體剛度，從而增強(qiáng)其抗變形能力，保證相交地段三維結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定。豎撐間距0.5 m與主洞支護(hù)拱架間距及位置相對(duì)應(yīng)，豎撐之間噴C25纖維混凝土，厚度25 cm。

圖3 斜井支洞交叉口加強(qiáng)環(huán)立面(單位：cm)

2.4.2 小導(dǎo)洞施工

根據(jù)支洞與主洞拱頂之間的高差，從交叉口支洞加強(qiáng)環(huán)斷面采用爬坡小導(dǎo)洞進(jìn)入主洞。將拱頂抬高加大仰角打設(shè)?63 mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間距30 cm，長(zhǎng)度4.5 m，緊貼加強(qiáng)環(huán)框架頂部橫梁斜向上打設(shè)，傾角22～25°。小導(dǎo)洞斷面底部寬4.5 m，頂部寬2.5 m，起始斷面高度3.5 m，挑高后最大高度4.2 m(圖3)。小導(dǎo)洞爬坡至正洞中線位置處改為平坡，然后平坡向前開(kāi)挖至主洞左側(cè)上臺(tái)階拱腳位置處，及時(shí)施作小導(dǎo)洞型鋼拱架臨時(shí)支護(hù)。

小導(dǎo)洞采用人工手持風(fēng)鎬預(yù)留核心土方式開(kāi)挖。在小導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，導(dǎo)洞拱頂120°范圍內(nèi)施作長(zhǎng)4 m的?63 mm自進(jìn)式超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距30 cm，防止開(kāi)挖導(dǎo)洞時(shí)頂部坍塌。小導(dǎo)洞采用HW150型臨時(shí)鋼拱架支護(hù)，間距0.5 m，每處拱腳打設(shè)4根?28 mm鎖腳錨桿，為支護(hù)鋼架提供牢固支撐，保證鋼架有效承載。小導(dǎo)洞底部則設(shè)置橫向支撐與導(dǎo)洞鋼架連為一體，構(gòu)成臨時(shí)閉合環(huán)。掛設(shè)?8 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；打設(shè)?25 mm系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)3.5 m，間排距1.0 m×1.0 m，梅花型布置；噴射20 cm厚C25合成纖維混凝土。

施工中，導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)體系中的頂部鋼架橫梁位于正洞初期支護(hù)之外，后期施作正洞初期支護(hù)時(shí)不再取出，所以小導(dǎo)洞拱頂要高出正洞原設(shè)計(jì)開(kāi)挖線50 cm，以滿足臨時(shí)支護(hù)、鋼纖維噴護(hù)混凝土加固和預(yù)留15 cm變形量需要，保證正洞初期支護(hù)的空間。小導(dǎo)洞第1榀鋼架與支洞加強(qiáng)環(huán)之間采用12#角鋼縱向斜撐進(jìn)行牢固焊接，保證小導(dǎo)洞安全穩(wěn)定。支洞挑頂施工小導(dǎo)洞縱剖面如圖4所示。

圖4 小導(dǎo)洞施工進(jìn)入主洞施工側(cè)面(單位：cm)

2.4.3 主洞施工

小導(dǎo)洞內(nèi)開(kāi)挖并完成臨時(shí)支護(hù)后，架設(shè)輸水主洞上臺(tái)階的HW200型鋼拱架，鋼拱架間距50 cm，鋼架之間采用12#角鋼連接，環(huán)向間距1.2 m，角鋼與鋼架之間要焊接牢固。鋼拱架右側(cè)落腳于支洞平交口加強(qiáng)環(huán)橫梁上，左側(cè)拱腳下部墊0.3 m×0.5 m鋼板。主洞鋼拱架與加強(qiáng)橫梁焊接牢固，每個(gè)拱腳打設(shè)4根?63 mm注漿鎖腳錨管；噴射C25合成纖維混凝土封閉，注意主洞鋼拱架頂面與小導(dǎo)洞頂部之間的空隙要填充密實(shí)，厚度25 cm。

小導(dǎo)洞范圍主洞拱架安裝完成后，并在噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，在主洞拱頂160°范圍內(nèi)施作長(zhǎng)4.5 m的?63 mm自進(jìn)式超前注漿管棚，仰角5～10°，環(huán)向間距30 cm。拆除主洞上游小導(dǎo)洞豎向臨時(shí)支護(hù)，向主洞上游施工直至里程K4+379.829并采用噴混凝土封閉主洞上臺(tái)階開(kāi)挖面，然后拆除小導(dǎo)洞下游豎向臨時(shí)支護(hù)，向主洞下游施工直至里程K4+391.299，完成主洞區(qū)域交叉段上臺(tái)階開(kāi)挖與支護(hù)。主洞區(qū)域交叉段上臺(tái)階每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為1榀鋼架間距，即0.5 m。每次開(kāi)挖后均要立即架設(shè)HW200鋼拱架，鋼架之間采用12#角鋼連接形成空間三維結(jié)構(gòu)，環(huán)向間距1.2 m；掛?8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm，分2～3次噴C25混凝土，層厚25 cm；打設(shè)拱墻?25 mm中空注漿系統(tǒng)錨桿，錨桿長(zhǎng)3.5 m，間排距1 m×1 m，梅花型布置。

待主洞區(qū)域交叉段上臺(tái)階噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，進(jìn)行下臺(tái)階及仰拱部分圍巖開(kāi)挖與支護(hù)。下臺(tái)階每榀鋼架墻腳打設(shè)4根?63 mm注漿鎖腳錨管以穩(wěn)固支撐鋼架，仰拱鋼架左端部通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與左側(cè)豎直鋼架用高強(qiáng)螺栓連接牢靠，右端部則與支洞加強(qiáng)環(huán)底橫梁連接，及時(shí)噴射C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度25 cm，從而形成封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)。最后進(jìn)行主洞及斜井襯砌鎖口混凝土施工，確保交叉段安全穩(wěn)定。

3 拱頂沉降監(jiān)測(cè)

輸水隧洞Z1支洞斜井進(jìn)入主洞后要開(kāi)辟上下游兩個(gè)工作面，與主洞相連的交叉段，在施工期長(zhǎng)時(shí)間作為出渣進(jìn)料的施工通道，交叉段主洞和支洞的開(kāi)挖斷面均較大，且圍巖為埋深較大的泥巖地層。交叉段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移大，支護(hù)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)破壞，影響隧洞施工安全，因而需要進(jìn)行施工過(guò)程中的位移監(jiān)測(cè)，以了解圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。在斜井進(jìn)入主洞施工時(shí)，在主洞拱頂埋置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行拱頂下沉位移監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整。主洞典型拱頂沉降曲線見(jiàn)圖5(K4+386)。從圖5中可看出沉降曲線受開(kāi)挖工序影響明顯，在交叉段支護(hù)封閉之后隧洞是穩(wěn)定的，最大拱頂沉降也只有43.3 mm。由此可知，采用強(qiáng)支護(hù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主支洞交叉段變形的有效控制，保證了交叉段施工安全，因而支洞斜井與主洞交叉施工技術(shù)是安全可靠的。

圖5 主洞拱頂沉降曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

在斜井支洞與正洞交叉處將原近圓形斷面漸變?yōu)槌情T洞形，有利于簡(jiǎn)化施工和保證施工安全。通過(guò)在支洞交叉口部設(shè)置加強(qiáng)環(huán)承受上部地層應(yīng)力，小導(dǎo)洞挑頂爬升至正洞拱部進(jìn)行施工，將主洞鋼拱架一側(cè)支撐在加強(qiáng)環(huán)橫梁上，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。交叉段的施工實(shí)踐表明，第三系泥巖地質(zhì)條件下采取的隧洞支洞與主洞交叉段部位的施工技術(shù)是有效的，這種方法能在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的空間進(jìn)行正洞施工，既保證了在復(fù)雜應(yīng)力下軟弱圍巖的穩(wěn)定，又加快了施工進(jìn)度，各項(xiàng)工藝施工技術(shù)可行，可為今后類似工程提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。