合川東隧道泄水洞盾構(gòu)施工方案研究

摘要：在小斷面隧道施工過(guò)程中，通常采用爆破人工開(kāi)挖等方式進(jìn)行隧道掘進(jìn)，該方式存在效率低，擾動(dòng)大等問(wèn)題。依托西渝高鐵康渝段合川東隧道泄水洞工程，研究盾構(gòu)施工工藝在鐵路隧道中的可行性，通過(guò)對(duì)工程重難點(diǎn)的分析，結(jié)合盾構(gòu)施工的各項(xiàng)要點(diǎn)，闡述其施工工藝，并分析了盾構(gòu)施工工藝的經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)成果可為類(lèi)似的工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：泄水洞；盾構(gòu)；反力架；管片

0 引言

鐵路隧道施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的各種地層，存在隧道涌水、突泥等安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。在隧道斷面施工方面，如何規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，是需要首先解決的問(wèn)題。

目前，關(guān)于隧道斷面施工主要采用人工開(kāi)挖和機(jī)械開(kāi)挖兩種方式[2]。在機(jī)械開(kāi)挖方面，主要采用盾構(gòu)掘進(jìn)的方式進(jìn)行施工[3-4]。該技術(shù)較為成熟，在施工過(guò)程中效率較高，且對(duì)土體擾動(dòng)較小，便于各項(xiàng)工作的開(kāi)展。

為了解決合川東隧道復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的掘進(jìn)難題，本文從工程重難點(diǎn)及盾構(gòu)施工要點(diǎn)等方面對(duì)鐵路隧道泄水洞盾構(gòu)施工技術(shù)方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

西渝高鐵康渝段合川東隧道位于廣安-合川東區(qū)間，起訖里程DK411+227～DK418+615，全長(zhǎng)7388m，Ⅲ級(jí)圍巖240m，Ⅳ級(jí)圍巖1285m，Ⅴ級(jí)圍巖5863m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比96.7%，其中隧道為全線Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，為本標(biāo)段重點(diǎn)控制性工程。

本隧輔助坑道采用“進(jìn)口平導(dǎo)帶泄水洞+中部斜井+出口泄水洞”方案，其中出口泄水洞全長(zhǎng)1800m，為解決出口段V字坡運(yùn)營(yíng)期間排水而設(shè)。其設(shè)置于正洞DK417+650處線路左側(cè)，與線路大里程端平面交角45°，超出正洞出口約800m。

該泄水洞主要以泥巖、泥巖夾頁(yè)巖、砂巖夾灰?guī)r為主，地下水以基巖裂隙水為主，表層為松散孔隙水，隧道巖石強(qiáng)度硬巖段為10～40MPa，平均值約20MPa，與正洞交接處測(cè)點(diǎn)約120m巖層為灰?guī)r，灰?guī)r硬度50～80MPa。

2 設(shè)計(jì)概況及重難點(diǎn)分析

2.1 設(shè)計(jì)概況

2.1.1 區(qū)間線路設(shè)計(jì)

泄水洞采用無(wú)軌單車(chē)道運(yùn)輸，內(nèi)徑3.6m，泄水洞與正洞交叉處坑底高程276.94m低于正洞設(shè)計(jì)軌面1.93m，出口坑底高程275.34m，隧道小里程端洞口100m為20‰下坡，剩余1700m隧道為2‰上坡，采用盾構(gòu)法施工。泄水洞位置如圖1所示。

2.1.2  結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片寬度為1200mm，管片外徑4100mm，厚度為250mm，每環(huán)管片沿環(huán)向分為6塊，即3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)≥P12。管片采用通用楔形環(huán)，楔形量36mm。

管片安裝采取錯(cuò)縫拼裝方式，管片環(huán)、縱向均以彎螺栓連接，環(huán)向?yàn)?4根M24螺栓螺栓，縱向?yàn)?2根M24螺栓。

2.2 施工重難點(diǎn)及對(duì)策分析

2.2.1 始發(fā)井口防淹控制措施

泄水洞盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)拱底里程標(biāo)高275.33m，百年洪水位標(biāo)高276.86m，在施工過(guò)程中可能發(fā)生井口水倒灌入隧道、盾構(gòu)機(jī)被淹等險(xiǎn)情。對(duì)此可采取以下對(duì)策：

盾構(gòu)始發(fā)應(yīng)避開(kāi)汛期施工，密切關(guān)注氣象部門(mén)預(yù)報(bào)，做好施工組織管理，盡快進(jìn)洞封堵洞門(mén)。在盾構(gòu)始發(fā)井坡面開(kāi)挖線外側(cè)3～5m設(shè)置截水天溝。洞口設(shè)置施工三級(jí)沉淀池1座并及時(shí)清理，降低施工廢水沉淀堆積后導(dǎo)致積水倒溢進(jìn)入隧道。

為防止洞外地表水流入井內(nèi)，井口場(chǎng)地需向洞外呈不小于3%的下坡。在隧道內(nèi)正1環(huán)使用磚砌筑防汛墻，并預(yù)備防洪沙袋，如遇洞口水位上升，應(yīng)及時(shí)封堵洞口，避免水倒灌入隧道。洞口預(yù)留污水泵并定期檢查保養(yǎng)，當(dāng)洞口水位過(guò)高時(shí)，及時(shí)對(duì)洞口水進(jìn)行抽排。

2.2.2 始發(fā)段管片質(zhì)量控制

盾構(gòu)始發(fā)易發(fā)生姿態(tài)盾構(gòu)機(jī)“載頭”，螺栓發(fā)生形變，引起錯(cuò)臺(tái)。對(duì)此可采取以下對(duì)策：

始發(fā)基座的位置定位要精準(zhǔn)，要使盾構(gòu)機(jī)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線保持一致，保證始發(fā)階段隧道內(nèi)襯不超限。

反力架安裝位置要精確，在洞壁內(nèi)預(yù)埋足夠數(shù)量的預(yù)埋件，預(yù)埋件與反力架連接后的強(qiáng)度要能夠承受盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)的反力，并且預(yù)埋位置能保證反力架精確定位。

反力架采用鋼板焊接的箱型鋼結(jié)構(gòu)件，后部采用型鋼與反力架斜撐連接并與地面預(yù)埋鋼板連接，以達(dá)到滿(mǎn)足掘進(jìn)機(jī)始發(fā)推力所需的強(qiáng)度、剛度和定位精度，并具有一定的保險(xiǎn)系數(shù)。

調(diào)整主機(jī)的姿態(tài)，使軸線和隧道軸線的誤差在要求范圍之內(nèi)?？刂坪玫谝画h(huán)負(fù)環(huán)管片拼裝精度，保證第一環(huán)負(fù)環(huán)與基準(zhǔn)環(huán)、始發(fā)基座間連接與穩(wěn)固措施。管片縱向連鎖，始發(fā)段前0～10環(huán)管片采用工字鋼將管片縱向進(jìn)行連鎖拉緊，保證始發(fā)段管片質(zhì)量。

2.2.3 正常掘進(jìn)段管片變形控制

巖層掘進(jìn)時(shí)，管片背部空隙填充不及時(shí)、不密實(shí)，造成管片變形、破損、錯(cuò)臺(tái)和滲漏水等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重時(shí)可能造成隧道結(jié)構(gòu)位移、變形超限，危及結(jié)構(gòu)安全。

管片背后回填為填充管片壁后空隙、控制地面沉降的重要措施。掘進(jìn)過(guò)程中需保證砂漿的及時(shí)注入，同時(shí)要關(guān)注注漿壓力保證及時(shí)、飽滿(mǎn)。

遵循管片拼裝趨向跟隨盾體趨向、保證盾尾間隙的原則。始發(fā)前做好管片選型工作，制作管片選型模擬卡，現(xiàn)場(chǎng)張貼區(qū)間管片型號(hào)配置、選型原理圖等，施工過(guò)程中及時(shí)量取盾尾間隙，選型過(guò)程技術(shù)主管把關(guān)，使管片選型形成閉環(huán)管理。

3 確定盾構(gòu)機(jī)配置及技術(shù)參數(shù)

結(jié)合該標(biāo)段隧道工程特點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)布局、掘進(jìn)機(jī)配置、推進(jìn)系統(tǒng)及鉸接結(jié)構(gòu)、渣土運(yùn)送系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和動(dòng)力供電系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。所采用的CTE4150型盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 盾構(gòu)施工方案

4.1 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)

泄水洞隧道始發(fā)段位于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖內(nèi)，為全斷面泥巖夾砂巖頁(yè)巖、泥巖夾砂巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度35MPa。泄水洞盾構(gòu)始發(fā)采用反力系統(tǒng)+負(fù)環(huán)的形式，底部放置始發(fā)托架，洞門(mén)安裝柔性密封裝置，反力架底部采用鉆孔樁作為受力基礎(chǔ)，地面伸出短立柱預(yù)埋鋼板與反力架斜撐進(jìn)行焊接。反力架斜撐一般采用工字鋼或鋼筒。反力系統(tǒng)提供反力需大于其始發(fā)推力。

4.2 盾構(gòu)正常掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)參考相同地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確保泥質(zhì)砂巖的貫入度在3～8之間。同時(shí)每環(huán)同步向管片壁后空隙注入3m3水泥漿量，用以控制地面沉降。此外，通過(guò)安裝SLS-TAPD導(dǎo)向系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)在掘進(jìn)中的各種姿態(tài)以及盾構(gòu)的線路和位置關(guān)系進(jìn)行精確測(cè)量，以便快速、實(shí)時(shí)地對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)方向及姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證盾構(gòu)掘進(jìn)方向的正確。

4.3 盾構(gòu)到達(dá)

盾構(gòu)機(jī)在泄水洞隧道大里程洞門(mén)始發(fā)，最后在隧道小里程暗挖洞門(mén)內(nèi)接收，步進(jìn)至洞門(mén)外，拆解轉(zhuǎn)運(yùn)。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)需要進(jìn)行貫通測(cè)量、貫通掘進(jìn)以及盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收3個(gè)步驟。其中盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收時(shí)施工要點(diǎn)如下：

4.3.1 渣土清理

盾構(gòu)機(jī)接收時(shí)，會(huì)有大量渣土掉落在洞門(mén)圈內(nèi)和洞門(mén)外。施工人員清渣前，必須先認(rèn)真觀察洞門(mén)圈內(nèi)是否有松散的混擬土塊或渣土等，清除危險(xiǎn)物后再進(jìn)行土渣清理。

4.3.2 最后5環(huán)管片安裝

最后5環(huán)管片拼裝前，刀盤(pán)前方須緊貼焊接鋼板，阻擋盾體在拼裝過(guò)程前移。拼裝完成螺栓復(fù)緊完成后割除，控制推進(jìn)速度，保證同步注裝量，控制注裝壓力，防止?jié){液擊穿管片的環(huán)縱縫。

4.3.3 止水環(huán)施工

盾尾完全脫開(kāi)洞門(mén)之前，在倒數(shù)第3、第4環(huán)做二次注漿，與加固體連成整體，形成一道止水環(huán)，徹底將隧道后部可能垮塌的土體堵住。漿液選用雙液漿，漿液初凝時(shí)間控制在10s，快速凝固，減少漿液漏出。

4.3.4 折頁(yè)板拉緊

盾構(gòu)刀盤(pán)推出洞門(mén)前，將倒鏈適當(dāng)放松，防止盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)鋼絲繩過(guò)度張緊崩斷。盾売接觸簾布橡膠板后，拉緊倒鏈，使簾布橡膠板緊壓在盾売上。待盾尾推出洞門(mén)，管片外弧面接觸簾布橡膠板后，再次拉緊倒鏈，使簾布橡膠板緊壓在管片外弧面上，防止洞門(mén)范圍內(nèi)土體流出。

4.3.5 盾構(gòu)上接收托架

盾構(gòu)推出洞門(mén)前，需認(rèn)真檢查導(dǎo)軌、接收架等的加固情況以及盾構(gòu)刀盤(pán)底部與接收架高差等情況。確認(rèn)無(wú)誤后可將盾構(gòu)推上接收架。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中必須密切關(guān)注接收架以及接收架加固與支撐的情況，一旦出現(xiàn)變形等異常情況，應(yīng)及時(shí)停止推進(jìn)并進(jìn)行處理。

完成最后一環(huán)管片拼裝后，盾構(gòu)機(jī)借助單塊管片繼續(xù)向前推進(jìn)至完全上接收架。為便于人員及材料運(yùn)輸從洞門(mén)通過(guò)，要求將盾尾推離洞門(mén)至少0.8m，方便螺旋機(jī)吊出。

4.3.6 主機(jī)與后配套系統(tǒng)分離

在盾構(gòu)主機(jī)完全推上接收托架之后，以特制的門(mén)架式支撐架，將連接橋前端支撐在拖車(chē)行走鋼軌上。支撐穩(wěn)妥后將連接橋與盾構(gòu)主機(jī)分離，并將各種管線同時(shí)與主機(jī)拆開(kāi)。完成管線分離后，盾構(gòu)完成到達(dá)，可進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)吊裝轉(zhuǎn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

本文提出采用高鐵隧道盾構(gòu)施工工法對(duì)泄水洞進(jìn)行開(kāi)挖。其優(yōu)點(diǎn)如下：

5.1 經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)

現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)為施工單位自有設(shè)備，大大節(jié)省設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，且距離工點(diǎn)50km處有十四局自有管片廠，可作為盾構(gòu)管片生產(chǎn)場(chǎng)，運(yùn)距短、運(yùn)費(fèi)可控。對(duì)小斷面隧道施工，盾構(gòu)法對(duì)比鉆爆法可節(jié)約成本812萬(wàn)，為項(xiàng)目重點(diǎn)降效點(diǎn)。

5.2 對(duì)土體擾動(dòng)小

泄水洞最大埋深62m，主要以軟土和泥巖、頁(yè)巖為主，部分地段下穿河床、房屋和公路，涉及2處淺埋段，最小埋深7.1m。盾構(gòu)機(jī)作業(yè)僅對(duì)1倍洞徑范圍土體有擾動(dòng)，下穿結(jié)構(gòu)物尤其是淺埋地段下穿施工安全性高。

5.3 作業(yè)工效高

按照施組工期，本泄水洞施工平均月進(jìn)尺約40m，總工期43.6個(gè)月，盾構(gòu)法施工在40MPa以?xún)?nèi)單日可完成10m進(jìn)尺，月進(jìn)尺約300m，總工期不超過(guò)9個(gè)月，縮短工期34.6個(gè)月。

5.4 成洞質(zhì)量高

擬采用Φ4250土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，為現(xiàn)有設(shè)備，盾構(gòu)機(jī)機(jī)械化作業(yè)后采用成品管片支護(hù)洞身，管片為工廠化生產(chǎn)，有利于能保證泄水洞施工質(zhì)量。

5.5 有利于減少房屋拆遷數(shù)量

泄水洞下穿10棟房屋，房屋總面積3877m2。采用盾構(gòu)方案，盾構(gòu)機(jī)可平穩(wěn)穿越房屋建筑群，有效減少了房屋拆遷任務(wù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文依托西渝高鐵康渝段合川東隧道泄水洞工程，研究盾構(gòu)施工工藝在鐵路隧道中的可行性，通過(guò)對(duì)工程重難點(diǎn)的分析，結(jié)合盾構(gòu)施工的各項(xiàng)要點(diǎn)，闡述其施工工藝，并分析了盾構(gòu)施工工藝的經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)成果可為類(lèi)似的工程提供參考和借鑒。

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