水平泥巖地層大跨高鐵隧道挑頂施工關(guān)鍵技術(shù)

張衛(wèi)鋒

(京昆高速鐵路西昆有限公司,重慶 400020)

隨著我國(guó)交通工程的不斷發(fā)展,長(zhǎng)大隧道逐漸增多。為了提高施工效率、節(jié)省工期,同時(shí)為后期隧道運(yùn)營(yíng)提供條件,多采用橫洞、斜井、豎井、平行坑道等輔助坑道開(kāi)辟新的工作面,其中橫洞和斜井是兩種最常見(jiàn)的輔助坑道方式[1]。但由于橫洞進(jìn)入主洞交叉口部位施工過(guò)程復(fù)雜,結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換頻繁,導(dǎo)致圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)受力及變形影響因素復(fù)雜。目前針對(duì)輔助坑道進(jìn)行主洞的挑頂施工主要包括大包法、小包法和垂直挑頂?shù)萚2],眾多學(xué)者對(duì)挑頂施工技術(shù)進(jìn)行研究。薛平[3]、鄧啟華[4]等分別對(duì)斜井進(jìn)入正洞的垂直挑頂施工技術(shù)進(jìn)行了研究,通過(guò)優(yōu)化施工工序和完善施工細(xì)節(jié)優(yōu)質(zhì)快速的完成了落底作業(yè)。隧道斜井進(jìn)入主洞時(shí)斷面結(jié)構(gòu)特殊、工序多、風(fēng)險(xiǎn)高,眾多學(xué)者其對(duì)力學(xué)行為及變形規(guī)律進(jìn)行了研究[5-7]。由于泥巖強(qiáng)度低,穩(wěn)定性差,尤其對(duì)于水平泥巖地層,大斷面隧道施工挑頂施工時(shí),其施工安全性更應(yīng)引起重視[8-10]。

1 工程概況

七星坪隧道位于四川省達(dá)州市宣漢縣境內(nèi),隧道起訖里程WD2K1+864-WD2K15+493,全長(zhǎng)13 669 m,進(jìn)口接碧溪溝單線大橋,出口接廟子壩1號(hào)大橋,設(shè)計(jì)速度為350 km/h,鐵路雙線隧道。隧道最大埋深約為870 m。隧道寬度14.85 m,高度12.53 m,斷面如圖1所示。七星坪隧道為II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道,圍巖級(jí)別以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主,隧道大跨段施工工序復(fù)雜、工法轉(zhuǎn)換多、襯砌斷面變化頻繁,施工工效低,不良地質(zhì)集中,主要有滑坡、巖堆、危巖落石、有害氣體、高地應(yīng)力等,是本標(biāo)段重難點(diǎn)工程。輔助坑道方案采用“1橫洞+2斜井”。隧道進(jìn)口、出口附近有鄉(xiāng)村公路與省道相連,1號(hào)橫洞、1號(hào)斜井及2號(hào)斜井均有鄉(xiāng)村公路可利用,交通較為方便。

圖1 隧道斷面(單位:m)

隧道上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、粗角礫土等,下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組、中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖。巖層近似水平產(chǎn)狀,在外力作用下呈碎屑狀剝落,強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差。

2#橫洞長(zhǎng)90.2 m,線路平面交角為45°,交左線里程為WD2K15+400。2#橫洞主要穿越粉質(zhì)粘土、卵石層和強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化的泥巖夾砂巖地層,與主洞相交位置主要為弱風(fēng)化水平狀泥巖夾砂巖地層。地質(zhì)剖面如圖2所示。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 總體方案及施工要點(diǎn)

采取先加固后開(kāi)挖的原則,挑頂前對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理及初期支護(hù)加強(qiáng)后方可開(kāi)挖[11],施工至橫洞與正洞交界后,采用棚洞進(jìn)入正洞洞身開(kāi)挖,于正洞中線處達(dá)到正洞拱頂高程,施工中預(yù)留變形量和臨時(shí)支護(hù)厚度,導(dǎo)洞施工完成后向兩側(cè)再逐步擴(kuò)挖至正洞標(biāo)準(zhǔn)斷面。挑頂段施工時(shí)橫洞二次襯砌盡早緊跟至交叉口范圍,挑頂進(jìn)入正洞后,交叉段正洞二次襯砌應(yīng)及時(shí)施作。交叉口段施工應(yīng)加強(qiáng)橫洞及正洞范圍監(jiān)控量測(cè),指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,保障施工安全。正洞和橫洞初支預(yù)留沉降量均按40 cm考慮[12],根據(jù)情況可適當(dāng)增加。橫洞與正洞相交處內(nèi)軌頂面高程718.563 3 m,橫洞坑底高程718.008 3 m。

圖2 2#橫洞地質(zhì)剖面(單位:m)

正洞與橫洞相交地段處于復(fù)雜的三維受力狀態(tài),為保證正洞安全挑頂施工的完成,交叉段門(mén)架支護(hù)必須坐落于一個(gè)牢固的落腳平臺(tái),同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)門(mén)架支護(hù)的鎖腳小導(dǎo)管施工,根據(jù)圍巖情況必要時(shí)加設(shè)臨時(shí)支撐立柱,以防止拱架下沉及失穩(wěn)。

(1)橫洞變斷面段施工,加強(qiáng)初期支護(hù),立I18鋼架80 cm/榀,交叉處設(shè)置加強(qiáng)環(huán),并用噴射混凝土填滿。

(2)設(shè)置雙排拱架加強(qiáng)環(huán),為交叉段門(mén)架支護(hù)立柱提供剛性落腳平臺(tái)。由于交叉口橫梁跨度較大,立柱支撐的基礎(chǔ)為正洞與橫洞兩側(cè)的交叉口,為確保挑頂?shù)秸催^(guò)渡施工的安全,在正洞與橫洞交接處設(shè)置加強(qiáng)環(huán),加強(qiáng)環(huán)由2榀I22b 型鋼鋼架焊接一起組成,為支撐提供足夠的剛度。

(3)加密設(shè)置加強(qiáng)環(huán)外側(cè)立柱的鎖腳小導(dǎo)管,防止拱架的下沉及失穩(wěn)。在立主洞加強(qiáng)環(huán)拱架時(shí),需將門(mén)架立柱侵入拱架部分進(jìn)行割除,然后安設(shè)拱架將立柱焊接于拱架之上,在割除前每榀立柱根據(jù)高度情況單側(cè)打設(shè)不少于2根長(zhǎng)3.5 m的鎖腳導(dǎo)管,并將鎖腳導(dǎo)管與鋼架牢固焊接,視圍巖情況必要時(shí)安設(shè)臨時(shí)支撐立柱。割除立柱時(shí)要從兩側(cè)起拱線向拱頂按拱架長(zhǎng)度分片割除,完成一段立即安裝好拱架再割除下一段。并應(yīng)及早施作該段仰拱封閉成環(huán)。

(4)由于交叉段應(yīng)力分布較復(fù)雜,在挑頂施工過(guò)程中加大拱頂預(yù)留沉降量到40 cm,以防止拱架下沉侵入凈空。

2.2 橫洞交叉口段施工

考慮到正洞上臺(tái)階拱架落腳位置的穩(wěn)固性,在橫洞與正洞交匯處拱頂必須設(shè)置一個(gè)牢固的落腳平臺(tái)。橫洞開(kāi)挖至H2DK0+015里程處,開(kāi)始改變開(kāi)挖斷面,按照扇形結(jié)構(gòu)由斜交45°逐漸過(guò)渡到與正洞初支拱架正交,保證受力穩(wěn)定,同時(shí)預(yù)留核心土,以便后期在挑頂施工中作為作業(yè)平臺(tái)[13]。橫洞交叉口段異型拱架設(shè)置見(jiàn)圖3。

圖3 橫洞交叉口段異型拱架設(shè)置平面

橫洞及交叉口附近支護(hù)參數(shù)如表1所示。

橫洞與正洞交接H2DK0+009.5里程處設(shè)置加強(qiáng)鋼架(門(mén)架),采用2榀I22b并聯(lián)型鋼鋼架,采用14 mm厚鋼板按環(huán)向間距1 m將其焊接成為整體,鋼架連接設(shè)置雙排鎖腳進(jìn)行固定。施工過(guò)程嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,加強(qiáng)鋼架根據(jù)正洞異型鋼架的間距設(shè)置連接板并采用螺栓進(jìn)行連接,鋼架拱腳設(shè)置0.8 m×0.9 m×0.8 m的C20混凝土基礎(chǔ)。橫洞與正洞交接處門(mén)架設(shè)置見(jiàn)圖4。

表1 橫洞及交叉口附近支護(hù)參數(shù)

圖4 橫洞與正洞交接處門(mén)架設(shè)置(單位:cm)

2.3 挑頂棚洞施工

橫洞與正洞交叉段上臺(tái)階開(kāi)挖,按垂直正洞線路中線走向采用3.5 m(高)×4.0 m(寬)的棚洞以上坡方式開(kāi)挖到正洞線路中線位置,然后再向前平坡開(kāi)挖至正洞外側(cè)上臺(tái)階拱腳位置,棚洞鋼架初支及臨時(shí)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。

矩形導(dǎo)坑兩側(cè)正洞鋼架噴砼支護(hù)施工完畢后,采用兩臺(tái)階法開(kāi)始正洞施工。按照?qǐng)D5所示步驟開(kāi)挖,①～⑨部施工順序:超前支護(hù)(垂直線路方向)→立架工字鋼及超前支護(hù)→施工徑向錨桿→錨網(wǎng)噴,重復(fù)以上步驟到⑨,垂直于正洞中線的開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.5 m。

圖5 橫洞挑頂施工(單位:cm)

橫洞挑頂施工布置詳見(jiàn)圖5,現(xiàn)場(chǎng)施工如圖6所示。棚洞鋼架采用I18型鋼,每榀拱架間距1.5 m;系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度3.0 m,間距1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱);?8 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距25 cm×25 cm;?42 mm超前小導(dǎo)管,單根長(zhǎng)4.5 m,環(huán)向間距0.4 m;?42 mm鎖腳錨管,單根長(zhǎng)2.5 m;C25噴射混凝土,厚25 cm。

圖6 棚洞施工現(xiàn)場(chǎng)

2.4 挑頂段正洞初支施工

橫洞至正洞過(guò)渡段①～⑨部結(jié)構(gòu)支護(hù)完成后,施作正洞上導(dǎo)挑頂段初期支護(hù)。該段初期支護(hù)拱腳一側(cè)坐在上臺(tái)階底面,底面設(shè)臨時(shí)鋼墊板;另一側(cè)坐在門(mén)架上,并采用螺栓連接牢固。初支施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖7 正洞初支施工

正洞上臺(tái)階擴(kuò)挖前,確保棚洞內(nèi)正洞初支拱架設(shè)計(jì)支護(hù)措施均落實(shí)到位后,拆除①～⑨部邊墻初支,完成后再進(jìn)行正洞擴(kuò)挖。為確保安全,先向進(jìn)口方向進(jìn)行上臺(tái)階開(kāi)挖,開(kāi)挖30 m后暫時(shí)停止掘進(jìn),封閉掌子面;然后跟進(jìn)下臺(tái)階,掘進(jìn)20 m后停止。上臺(tái)階拱腳設(shè)置臨時(shí)仰拱,下臺(tái)階拱腳設(shè)置臨時(shí)橫撐。再轉(zhuǎn)向出口方向開(kāi)挖掘進(jìn),待出口方向也形成兩臺(tái)階(長(zhǎng)度20 m)后,停止掘進(jìn)施工,開(kāi)始交叉口段仰拱施工。

2.5 交叉口處二襯施工

在進(jìn)入正洞一段距離后(形成交叉口橫洞模筑襯砌空間后),及時(shí)對(duì)橫洞交叉口往橫洞口方向10 m范圍內(nèi)施作二次襯砌,交叉口段與線路中線平行,緊貼加強(qiáng)環(huán)關(guān)堵頭模板,襯砌厚度35 cm,標(biāo)號(hào)C30,二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆模,形成對(duì)交叉口處圍巖受力的有效支護(hù)。

交叉口連接段正洞二襯和橫洞5 m范圍二襯須同時(shí)灌注混凝土,保證連接處混凝土的整體性,且正洞拱墻防水板伸入橫洞長(zhǎng)度不小于2 m。

交叉口處輔助坑道拱部,隧道正洞內(nèi)側(cè)環(huán)向主筋伸入輔助坑道襯砌不小于2 m,隧道正洞外側(cè)設(shè)加強(qiáng)鋼架以加強(qiáng)輔助坑道與正洞襯砌的連接,加強(qiáng)鋼筋伸入正洞襯砌與輔助坑道襯砌均不小于2 m。

交叉口處輔助坑道邊墻部分,隧道正洞內(nèi)側(cè)縱向鋼筋伸入輔助坑道襯砌不小于2 m,靠隧道正洞外側(cè)設(shè)加強(qiáng)鋼架以加強(qiáng)輔助坑道與正洞襯砌的連接,加強(qiáng)鋼筋伸入正洞襯砌與輔助坑道襯砌均不小于2 m。

3 變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)是了解掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的重要途徑、評(píng)價(jià)支護(hù)措施及變形控制效果的重要手段。在輔助坑道進(jìn)入正洞的交叉口位置,由于施工過(guò)程復(fù)雜、受力體系轉(zhuǎn)變頻繁,極易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此,挑頂施工過(guò)程中對(duì)正洞及橫洞變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),橫洞及主洞拱頂沉降典型時(shí)程曲線如圖8所示。從圖可知,拱頂沉降受施工過(guò)程影響顯著,呈臺(tái)階式增長(zhǎng),最終主洞沉降為45.2 mm,橫洞拱頂沉降為30.2 mm。表明通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)鎖腳錨管、逐步開(kāi)挖、穩(wěn)扎穩(wěn)打的開(kāi)挖方式,有效保證了結(jié)構(gòu)安全,控制了結(jié)構(gòu)變形。

圖8 隧道拱頂變形時(shí)程曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

以西渝高鐵七星坪隧道2#橫洞進(jìn)入主洞挑頂施工為研究對(duì)象,針對(duì)水平泥巖夾砂巖地層巖體強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn),通過(guò)橫洞交叉段加強(qiáng)支護(hù),設(shè)置加強(qiáng)門(mén)架、增加鎖腳錨管、分段開(kāi)挖棚洞和及時(shí)施作二次襯砌等措施,可以有效控制結(jié)構(gòu)變形、保證結(jié)構(gòu)安全,同時(shí)加快施工過(guò)渡、節(jié)省工期,可以為類似工程提供借鑒。