復(fù)雜環(huán)境下鐵路柔性鋼棚洞施工關(guān)鍵技術(shù)*

張立華,張 林,張利軍

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司,山東 青島 266061)

0 引言

隴海線是我國(guó)重要的鐵路大動(dòng)脈,寶天段更是連接關(guān)中與西北的重要通道,隨著時(shí)間的推移,南北崖隧道出口病害問題愈發(fā)突出和險(xiǎn)峻,隧道出口坡面大,無法建造混凝土明洞,同時(shí)又緊鄰國(guó)道310、渭河河道,存在坡面危石掉落風(fēng)險(xiǎn),危及隴海鐵路及國(guó)道行車安全,屬于西安鐵路局一級(jí)防洪點(diǎn),是鐵路局多年來未能解決的難題。

病害區(qū)域?qū)儆诘椭猩轿己訊{谷區(qū),山勢(shì)陡峻,河流曲折,地面高程768.000(河床)～1 030.000m(山頂),相對(duì)高差262m。隧道出口仰坡高約230m,坡度70°～85°,中下部近于直立,基巖裸露,坡面方向與鐵路走向近一致,坡面植被較差。鐵路隧道出口緊接渭河大橋,隧道出口與橋梁下方是國(guó)道310和渭河河道,如圖1所示。每年6月以后進(jìn)入汛期。

病害整治方案的比選如下。

常規(guī)做法是采用“混凝土明洞”“型鋼立柱+型鋼棚洞”“輕型拱形棚洞”[1]或“波紋鋼板棚洞”[2]或 “T構(gòu)基礎(chǔ)+型鋼棚洞”[3]等形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)。但該處地形由于國(guó)道與河道原因無法設(shè)置這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),必須另覓思路,尋求新途徑和方法。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況,擬采用“橋式基礎(chǔ)+ 柔性防護(hù)棚洞”[4],該方案兼顧了鐵路危巖防護(hù)、國(guó)道交通和河道泄洪不受影響,巧妙解決了復(fù)雜環(huán)境下危巖防護(hù)難題。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼棚洞示意

1 柔性鋼棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鋼棚洞下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棚洞下部結(jié)構(gòu)采用在既有橋梁兩側(cè)獨(dú)立設(shè)置樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩柱和隧道洞室等結(jié)構(gòu)。

1)樁基礎(chǔ)于既有橋梁兩側(cè)分別各新增4根φ1.25m樁,樁長(zhǎng)29m,樁中心橫向間距3.5m、縱向間距3.4m。樁基礎(chǔ)采用C35鋼筋混凝土。

2)承臺(tái)采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),于既有橋梁兩側(cè)分別各新增1座矩形承臺(tái),尺寸為5.7m×5.8m× 2.5m(長(zhǎng)×寬×高)。

3)采用矩形實(shí)體橋墩,為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),尺寸為2.5m×3.6m(縱×橫),高32.5m(含既有橋梁軌面以下26.1m、軌面以上6.4m)。

4)新建2個(gè)洞室呈城門形,開挖尺寸為5.04m×5.44m(寬×高),分別位于既有鐵路隧道左、右側(cè),中心距24.83m,縱向深度分別為8,11m。洞室設(shè)計(jì)為馬蹄形斷面,采用復(fù)合式鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)為2根縱梁、8根縱梁橫向纜索、鋼棚架?？v梁采用箱梁,尺寸為2.43m×2.43m(寬×高),長(zhǎng)37.1m。兩側(cè)鋼箱梁中心距24.83m,橫向采用纜索對(duì)拉減少水平力作用?？v梁一端與橋墩剛接,另一端插放到隧洞中,隧洞內(nèi)建設(shè)承臺(tái),承臺(tái)上設(shè)置縱向2個(gè)活動(dòng)支座。鋼棚架為9榀拱架用12道縱向拉桿(鋼管)栓接成一個(gè)整體,拱架上方鋪設(shè)柔性網(wǎng),用于彈性接收掉落危石[5],耗散落石能量[6],如圖3所示。

圖3 柔性防護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)示意

1.3 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

附屬結(jié)構(gòu)包括:防止落石滾落至國(guó)道的縱梁頂面雙側(cè)格柵網(wǎng)、防止落石滾落至鐵路的柔性防護(hù)棚洞末端攔阻網(wǎng)(見圖4)、靠山側(cè)柔性網(wǎng)與山體的縫合結(jié)構(gòu)、橋墩上維修爬梯、危石預(yù)應(yīng)力錨索加固等。

圖4 鋼棚架吊裝就位及平臺(tái)支架、附巖腳手架

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

南北崖隧道出口病害整治工程采用柔性鋼棚洞對(duì)線路進(jìn)行危石防護(hù),存在臨近既有線路、水中橋墩及國(guó)道施工,作業(yè)面受到極大限制;工程類別涉及隧道、橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等工程,具有風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大、工期緊的特點(diǎn)。經(jīng)查閱,該柔性防護(hù)棚洞方案屬世界最大跨度柔性鋼棚洞,國(guó)內(nèi)首例,施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)國(guó)內(nèi)少有。

2.1 臨近既有線隧道高空隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

由于臨近既有線隧道,凈距只有3.1m,不能采用爆破施工,同時(shí)開挖的隧洞為片麻巖地質(zhì),非常堅(jiān)硬。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)巖體分析:寶雞側(cè)隧洞巖體堅(jiān)硬,但節(jié)理發(fā)育,完整性較差,裂隙交叉較多,利用水磨鉆施工減少施工擾動(dòng),對(duì)巖體穩(wěn)定性破壞較小,對(duì)該洞室采用“水磨鉆+劈裂取芯”方案,并將斷面分為上下臺(tái)階法施工;天水側(cè)隧洞巖體較硬,節(jié)理發(fā)育,裂隙少,圍巖完整性較好,靜態(tài)爆破[7]效率較高,對(duì)該洞室采用“靜態(tài)爆破+劈裂取芯”方案,并采用全斷面法施工。

主要施工要點(diǎn)如下。

1)左洞采用電動(dòng)機(jī)與鉆筒在開挖輪廓線鉆孔取芯,使鉆孔處形成周邊槽,以周邊槽作為臨空面,用液壓劈裂機(jī)分裂巖體,向周邊槽道方向劈裂巖塊。劈裂自上而下分裂巖塊,人工撬落。

2)右洞按測(cè)量輪廓線鉆孔后,將膨脹劑和水按一定比例拌成流質(zhì)狀,并進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬?分次倒入已鉆好的鉆孔內(nèi),24h后,利用劈裂器對(duì)中部巖體進(jìn)行破碎,由上往下逐步進(jìn)行[8]。

3)劈裂機(jī)將巖體分裂后,分裂巖塊隨時(shí)由人工將石塊用手推車運(yùn)至掌子面以外的平臺(tái)上臨時(shí)堆放,然后集中采用起重機(jī)倒運(yùn)至指定堆放棄碴點(diǎn)。

4)由于洞口處在幾乎直立的坡面上,下方即是國(guó)道,進(jìn)洞開挖無作業(yè)面,也無出碴的通道,所以需搭設(shè)一個(gè)平臺(tái)作為開挖和出碴作業(yè)面,并兼作國(guó)道的安全防護(hù)門洞。鋼縱梁架設(shè)前的貝雷梁支架如圖4所示。采用鋼管貝雷梁支架形式,頂面鋪設(shè)鋼板并支立鋼板圍擋,避免石碴掉落危及行車安全。

2.2 水中墩施工關(guān)鍵技術(shù)

1)原河道如圖1所示,水流位于河道右側(cè)。為減小新建鋼棚洞墩柱對(duì)排洪水流的影響,新建墩柱與既有墩柱處在同一橫斷面位置。根據(jù)施工期間水流的情況,選用改移河道的方案,將水流通過開挖堵截方式改移到河道左側(cè)。由于渭河在該處為彎道,水流湍急,對(duì)岸堤沖刷嚴(yán)重,所以需對(duì)迎水面采用大石塊和石籠進(jìn)行圍護(hù)。

2)在開挖方式方面對(duì)鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、混凝土沉井和放坡開挖等方案進(jìn)行比選[9],從可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工周期等幾個(gè)方面綜合考慮,最終選取了放坡開挖方案。

3)承臺(tái)基坑開挖6m,因地質(zhì)為砂礫石,透水性強(qiáng),又易坍塌,故在基坑周邊采用黏土改良,形成透水性差的“堵墻”。放坡開挖形成臺(tái)階,底層臺(tái)階處的承臺(tái)采用鋼模板支護(hù)?；右粋€(gè)角落挖出集水坑,采用大功率水泵抽水。然后按標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行承臺(tái)施工。

4)針對(duì)鉆孔樁采取旋挖鉆和沖擊鉆配合使用鉆孔,墩柱采用翻模施工工藝。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1安裝制約因素

1)環(huán)境因素 鋼結(jié)構(gòu)的吊裝跨越國(guó)道310、渭河、隴海鐵路。起重機(jī)站位只能在河道內(nèi),棚架預(yù)拼裝、鋼縱梁進(jìn)場(chǎng)放置、起重機(jī)站位及輔助工具放置都需進(jìn)行合理規(guī)劃。

2)時(shí)間因素 鋼結(jié)構(gòu)吊裝分別有臨近既有線和跨既有線施工,這都需在天窗點(diǎn)內(nèi)完成。

3)質(zhì)量與體積因素 鋼結(jié)構(gòu)分為2個(gè)部分,第1部分是鋼縱梁,重113t;第2部分是鋼棚架,重60t。鋼縱梁全長(zhǎng)37.1m,寬和高都為2.43m,鋼棚架長(zhǎng)24m、寬24.83m,平面面積接近600m2,高5m,是一個(gè)拱形巨型柔性支架,為當(dāng)前世界最大跨度鐵路柔性鋼棚洞。

4)高度因素 鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度>34m。

5)運(yùn)輸因素 鋼結(jié)構(gòu)需考慮從外地工廠運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的道路限載要求,同時(shí)進(jìn)場(chǎng)受到新冠肺炎疫情防控制約,現(xiàn)場(chǎng)需按鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)場(chǎng)有關(guān)屬地政策規(guī)定,提前做好個(gè)人健康檢測(cè)和屬地提前報(bào)備。

2.3.2主要吊裝方案選擇

通過對(duì)吊裝質(zhì)量、吊裝半徑、吊裝高度等因素綜合計(jì)算,采用650t汽車式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。

1)鋼縱梁吊裝 鋼縱梁長(zhǎng)37.1m,對(duì)整體式吊裝、兩段式吊裝、三段式吊裝進(jìn)行比選,選擇兩段式吊裝方案。兩段式吊裝優(yōu)點(diǎn)為:①兩段式分為洞室段22m、橋墩段15m,前期作為洞室施工的鋼平臺(tái)改造成縱梁支撐架,便于承受縱梁荷載與縱梁接縫焊接。支撐架的兩頭鋼管柱仍采用單排鋼管樁,但分別與山體和橋墩進(jìn)行適當(dāng)橫向連接,增加橫向約束減小壓桿失穩(wěn)傾向,保證了支撐的整體穩(wěn)定性[10]。兩段式吊裝質(zhì)量較恰當(dāng),符合起重機(jī)選型與環(huán)境條件。②22m段采用四吊點(diǎn)三節(jié)段,使進(jìn)入洞室的節(jié)段長(zhǎng)度正好滿足洞室深度要求。鋼縱梁如圖4所示。③時(shí)間上可與天窗時(shí)間完美結(jié)合,不會(huì)出現(xiàn)對(duì)一個(gè)天窗點(diǎn)的浪費(fèi)情況。左、右2根鋼縱梁吊裝就位后進(jìn)行接縫焊接,然后進(jìn)行鋼縱梁與橋墩的剛接和隧洞內(nèi)鋼縱梁與支座的位置精調(diào)和連接。

2)鋼棚架吊裝[11]鋼棚架施工難點(diǎn)為:①整體現(xiàn)場(chǎng)預(yù)拼裝后的平面面積接近600m2,立面為拱形柔性結(jié)構(gòu),吊裝需考慮吊裝變形控制。②鋼棚架與鋼縱梁設(shè)計(jì)為栓接,共有18個(gè)栓接法蘭支座。需考慮所有法蘭支座上的所有螺栓孔精準(zhǔn)對(duì)位才能進(jìn)行螺栓連接,難度極大。

針對(duì)以上難點(diǎn),分別選取以下方案:①優(yōu)化棚架吊裝形式,增加吊裝框架,在棚架頂部對(duì)稱放2根長(zhǎng)24m雙拼I40,工字鋼在橫向拉桿第4與第5根中間位置縱向放置,與每榀拱架通過U型卡連接,在每根工字鋼上設(shè)置4個(gè)吊耳平均分布。這樣便可讓9榀拱架均勻受力減少變形量,整體實(shí)際變形量控制在2cm以內(nèi)。②鋼棚架與縱梁間栓接支座的安裝采用先栓接后焊接工藝,即上、下栓接法蘭板先栓接好后懸掛到鋼棚架上,一起吊裝到位后進(jìn)行位置調(diào)整,然后進(jìn)行支座在縱梁上的焊接施工。該工藝未改變鋼棚架與縱梁的栓接特性,但大大減小了施工難度,縮短了施工時(shí)間。

3)鋼纜索安裝 施工難點(diǎn)為:連接縱梁的8根纜索如果逐根安裝需多個(gè)天窗點(diǎn),而且在鐵路上方吊裝柔性纜索對(duì)鐵路接觸網(wǎng)有較大危險(xiǎn)。采用先懸掛在鋼棚架上“攜帶”吊裝,就位后再轉(zhuǎn)換到縱梁鋼索錨具上進(jìn)行安裝,減小了安裝難度,減少了對(duì)既有線的影響和安全風(fēng)險(xiǎn)。即在棚架拼裝完畢后分別將8根鋼纜索放在每榀拱架間的中間位置并對(duì)準(zhǔn)錨具位置用倒鏈拉緊,中間用5根均勻分布的麻繩將鋼纜索懸吊,懸吊高度基本水平,方便纜索安裝,如圖4所示。安裝完成后抽除麻繩。

2.4 陡峭坡面危石預(yù)應(yīng)力錨索加固措施

1)首先需搭設(shè)附巖腳手架[12]根據(jù)山體坡面情況用鋼卷尺拉直,分出立桿位置,并用油漆點(diǎn)出立桿標(biāo)記;墊板、底座應(yīng)準(zhǔn)確放在定位線上,墊板必須鋪放平整,不得懸空。立桿在頂部搭接時(shí),搭接長(zhǎng)度≥1m,必須等間距3個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件固定,端部扣件蓋板邊緣至搭接縱向水平桿桿端距離≥100mm。某些桿件需隨山體的變化做成傾斜狀,為使桿件與山體附著牢固,采用加工連墻件方式固定。附巖腳手架如圖4所示。

2)錨索鉆孔采用潛孔沖擊式鉆機(jī) 該鉆機(jī)所配鉆桿統(tǒng)一規(guī)格,按錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊,鉆桿用完,孔深也恰好到位,鉆孔深度13～25m, 孔距3m。因施工場(chǎng)地因素影響,錨索在現(xiàn)場(chǎng)編束完成后,采取人工+起重機(jī)協(xié)同安裝,安裝時(shí)暫時(shí)封閉國(guó)道。安裝錨索后立即進(jìn)行預(yù)制混凝土錨板安裝,并初步進(jìn)行加壓固定。

2.5 施工監(jiān)測(cè)

1)由于既有鐵路隧道口存在危石,時(shí)刻影響現(xiàn)場(chǎng)施工安全,在進(jìn)場(chǎng)后對(duì)山體危石進(jìn)行標(biāo)記,做好監(jiān)測(cè)點(diǎn),每天監(jiān)測(cè),并形成記錄,特別是錨索鉆孔時(shí)鉆機(jī)的振動(dòng)可能會(huì)加大危石滑落可能,隨之監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行調(diào)整。

2)新建洞室開工前對(duì)既有隧道進(jìn)行無損檢測(cè),并做好監(jiān)測(cè)點(diǎn),形成報(bào)告,與工務(wù)段進(jìn)行溝通確定缺陷位置,施工時(shí)再次進(jìn)行檢測(cè),觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變動(dòng)情況,及時(shí)了解既有隧道變動(dòng)情況,待工程結(jié)束后最后進(jìn)行檢測(cè),確定對(duì)隧道的擾動(dòng)情況。

3)鋼結(jié)構(gòu)安裝前進(jìn)行支撐體系檢測(cè),做好數(shù)據(jù)記錄,在安裝過程中隨時(shí)進(jìn)行沉降、位移監(jiān)測(cè),并與之前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,待鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后,拆除支撐體系,進(jìn)行力學(xué)轉(zhuǎn)換再次進(jìn)行沉降觀測(cè),確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定符合要求。

3 結(jié)語

這座世界最大跨度柔性鋼棚洞歷時(shí)4個(gè)多月建設(shè)完成,經(jīng)過相關(guān)部門的竣工驗(yàn)收[13]。施工過程中未發(fā)生任何安全事故,使用過程中各部位結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,性能優(yōu)良。