宜萬鐵路云霧山隧道溶腔段雙連拱隧道施工技術

李建銘

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

宜萬鐵路云霧山隧道溶腔段雙連拱隧道施工技術

李建銘

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

介紹宜萬鐵路云霧山隧道溶腔段雙連拱隧道施工過程。在先行施工了右側正洞的情況下,通過在右洞側加固中導洞頂部巖體,分段開挖余下半邊中導洞,對中墻頂部采用工字鋼架支頂和噴射混凝土回填中墻頂部空隙,完成先進洞的二襯后,再進行后進洞的開挖、初襯和二襯,成功完成了該段雙連拱隧道施工。

宜萬鐵路;溶腔段;雙連拱隧道;鐵路隧道;施工

1 工程概況

1.1 工程情況

宜(昌)萬(州)新建鐵路云霧山Ⅰ線隧道全長6640m,Ⅱ線隧道全長6682m,系宜萬線8座Ⅰ級高風險隧道之一。進口314m為三線車站隧道地段, 282m為雙線車站隧道地段,211m為燕尾式隧道地段,此后分為兩條單線隧道地段,其中82m為雙連拱隧道。進口端設置1處橫洞,橫洞口位于DK242+ 293線路左側130m,橫洞進口里程HDK0+641,出洞坡度為-5‰,橫洞長度641m。雙連拱隧道平面如圖1所示。

圖1 雙連拱段隧道平面(單位:m)

1.2 施工順序

開工伊始,在進口和橫洞口各設一工作面分別向前掘進。進口工作面主要承擔三線、雙線和燕尾段等807m大跨段施工;橫洞口工作面力圖快速完成橫洞小斷面施工后,進入正洞單線段開創單線隧道主攻工作面。

(1)橫洞施工

橫洞口工作面向前開挖571m時,遭遇一大型無充填溶洞,采用洞砟回填溶腔底部繼續向前施工,發現前方存在一倒懸體,倘若按原設計繼續向前施工,存在非常大的安全隱患。經過建設、設計、監理和施工四方現場會商,決定暫停向前施工,退回自橫洞已開挖段(距橫洞口431m)新增橫通道進入正線燕尾段,進行燕尾式隧道右線施工后向前掘進提前進入單線地段施工。

(2)繞避溶洞進入Ⅰ線隧道施工

自橫洞進入右線隧道,向前掘進73m后到達雙連拱段,鑒于前方地質情況仍不明朗,決定放棄雙連拱隧道三導洞施工方案,先施工右線隧道。在右線隧道向前開挖過程中,相繼在 DK242+803、DK242+852、DK242+872等處遭遇無充填干溶腔,并通過溶腔支洞對前方發育情況進行了勘察,前方地質仍不明朗,經建設、設計、監理和施工四方現場會商確定返回原橫洞工作面,在橫洞溶洞左側增加繞行導坑,繞避溶洞向前開挖進入右線,一方面可以向前開挖單線隧道,另一方面反向施工進一步揭示溶洞,探明地質。在繞行施工中2次發現小型溶洞,回填通過后,于2005年1月12日進入原設計橫洞與隧道正線交匯點。隨后進行反向開挖,并于2005年2月26日將該溶腔在隧道正線發育范圍貫通,所揭示溶腔為一特大型干溶腔,與線路斜交約70°,縱向長約42m,橫向最寬約38m,深約20m,高度尚無法確定。

2 雙連拱隧道施工方案的確定

2.1 DK242+763～DK242+853雙連拱段施工現狀(圖2)

雙連拱隧道段共長82m,該段地層為寒武系中統光竹嶺組之淺灰、條帶狀灰巖夾白云巖及白云質灰巖;巖層產狀136°∠24°～130°∠50°,節理較發育,巖體較完整。隧道設計為現澆直中墻雙連拱隧道,墻厚0.8～3.12m,墻高5.39m,位于巖溶強烈發育地段。

圖2 雙連拱段施工現狀(單位:cm)

施工中為了確保高風險巖溶地段安全施工,先行開挖了右洞,造成了已不能按雙連拱隧道的常規施工方法——三導洞法施工雙連拱隧道的客觀事實。另外,右線貫通后,為了確保雙連拱隧道施工安全,雙連拱隧道施工須待所揭示大型干溶腔處理完成后進行,于是雙連拱隧道段一度被擱置,直到2008年9月才開始施工。

2.2 雙連拱段施工方案

總體思路:先加固Ⅰ線正洞,接著開挖剩余半邊中導洞,修筑中隔墻,再施工右洞(Ⅰ線)二次襯砌混凝土,最后施工左洞(Ⅱ線)。

雙連拱隧道右洞的開挖,打破了常規雙連拱隧道施工的既有次序,為后序施工增加了難度,而其中導洞的開挖支護、中隔墻的修筑和左洞施工時機的確定,關系到整個雙連拱隧道施工的成敗。

2.2.1 中導洞開挖中隔墻澆筑方案比選

(1)中導洞開挖中隔墻澆筑方案

①方案1

半邊中導洞采用弱爆破短開挖(進尺≤1.5m/每茬炮),設置全環I20鋼架(0.5m/榀),并設置I20型鋼斜撐加固鋼架,每榀間設縱向φ22mm螺紋鋼筋連成整體,縱向連接鋼筋環向間距2.0m,采用錨噴支護(φ22mm砂漿錨桿,間距縱向1.2m×橫向1.0m)臨時支護中導洞左邊墻及左拱部;中導洞開挖完成后,每5m一個段落,拆除臨時支撐、澆筑中隔墻C25混凝土混凝土。其施工步序見圖3。

圖3 施工步序

②方案2

縱向間隔預留中間巖柱(5m),分段(長度5m)開挖,分段澆筑中隔墻。即縱向每5m跳段開挖,每循環進尺≤1.5m,采用φ8mm鋼筋網,網眼間距15cm× 15cm,φ25mm中空注漿錨桿,間距縱向1.0m×橫向1.0m,20cm厚C20噴射混凝土,澆筑4m中隔墻后,再開挖預留巖柱部分,澆筑余下中隔墻。其施工步序見圖4。

③方案3

圖4 縱向間隔預留中間巖柱施工步序(單位:cm)

逐段(長度5m)開挖、逐段(長度4m)澆筑中隔墻,逐步逼近。即縱向每5m分段開挖,每循環進尺≤1.5m,采用錨網噴支護(φ8mm鋼筋網,網眼間距15cm×15cm,φ25mm中空注漿錨桿,間距縱向1.0 m×橫向1.0m,20cm厚C20噴射混凝土),立即澆筑C25中隔墻混凝土,逐段推進完成中隔墻施工。其施工步序見圖5。

圖5 逐段開挖、逐段澆筑中隔墻施工步序(單位:cm)

(2)方案比選

①中導洞開挖后洞體的受力分析

為修筑中隔墻,開挖后斷面形狀如圖6(a)所示。

開挖后,形成如圖6(b)所示的偏壓結構。根據研究結果[2],水平應力對地下工程中拱的影響與支座水平力對拱結構的影響相似。

圖6 中導洞開挖前后斷面

眾所周知,拱結構中,支座水平力的存在使得荷載能夠沿著拱線傳遞,沒有水平向約束,拱結構將無法存在,水平應力作為荷載和水平向約束作用在壓力拱上,但作為水平向約束對壓力拱的影響最大,因此導坑開挖后開挖體右側失去了水平向約束,同時在導坑頂部存在應力集中和重分布,施工中極易發生坍塌;其次,開挖后,跨度將增大至10m,其高跨比減小,洞體的穩定性下降;此外,分段爆破開挖還會造成巖體多次被撓動,會增大偏壓結構的失穩幾率。

②方案比選

方案1～方案3,都從不同角度采取了不同的工程措施,力求完成從偏壓到對稱結構的體系轉換,減小跨度,但在結構安全、進度、成本、是否便于現場施工上卻各有優劣。其對比情況如表1所示。

表1 方案比選

綜上所述,根據Ⅰ線所揭示出的該段圍巖情況:地層為中厚層狀白云質灰巖,節理裂隙、地下水均不發育,受地質構造影響輕微,巖石強度高且為微風化,圍巖可判定為Ⅱ級圍巖的實際情況,選擇方案3進行施工。

2.2.2 左洞開挖時機及左右洞襯砌施工順序的確定

中隔墻施工完成后,雙連拱隧道左右洞的施工順序的確定,也是一個關鍵的環節。根據文獻[3],對先進導坑在一次支護狀態和襯砌狀態下的施工順序的研究,結合雙連拱隧道段的實際施工情況,確定左右洞的施工順序。盡管該段圍巖為Ⅱ級圍巖,圍巖完整性好,有在先進導坑一次支護狀態下立即進行左洞開挖的條件,能減小工期壓力,但由于右洞(先進導坑)原一次襯砌并未設計鋼支撐加固,考慮到后進導坑施工時如果出現大于先進導坑支護承載力的應力,勢必要加強右洞支護措施,較不經濟;且右洞是云霧山隧道進口進入隧道深處施工的關鍵通道,一旦雙連拱隧道出現坍塌,將導致關鍵施工通道中斷,影響整個施工全局。

綜上所述,將施工順序定為,中隔墻澆筑完成→右洞襯砌(先進導坑)→左洞開挖支護→左洞襯砌(后進導坑)。在左洞開挖過程中,加強收斂觀測,根據爆破時在右洞觀測采集到的爆破振速和收斂結果,對爆破設計進行優化調整;開挖時,為防止爆破飛石對中隔墻已澆筑混凝土的損傷,還應對中隔墻混凝土采用木板等防護措施進行保護。

3 雙連拱隧道施工

3.1 加固中導洞頂部巖體

在余下半邊中導洞開挖前于先行洞(右洞)左側,對中導洞頂部巖體用錨桿進行加固。對節理裂隙不發育,較完整巖體采用早強藥包型錨桿(φ22mm螺紋鋼筋)加固,長2.0～4.0m,間距1.0m;對節理裂隙發育,裂隙內充填泥沙型,較破碎巖體采用注漿錨桿(φ25mm中空注漿錨桿),長2.0～4.0m,間距1.0m。鉆孔采用YT -28濕式鑿巖機鉆孔,注漿采用ZMP710V高壓注漿泵注漿。

3.2 開挖

中導洞開挖在右洞左側加固后進行,左洞在中隔墻澆筑右洞襯砌后進行。中導洞和左洞開挖,均采用全斷面開挖,光面爆破。開挖時,采用YT -28濕式鑿巖機鉆孔,采用非電毫秒雷管爆破,電雷管起爆;開挖后采用ZL50裝載機出砟,挖掘機CAT220配合,紅巖自卸車運砟。

3.3 中隔墻混凝土及左右洞混凝土澆筑

雙連拱隧道段混凝土施工,始終按照“先施工中隔墻混凝土,接著施工右洞混凝土,最后開挖左洞和施工左洞混凝土”的順序進行。中隔墻在每開挖5m后,澆筑4m混凝土,依此逐段推進。中隔墻混凝土澆筑采用1.5m長、1.5m寬鋼模板拼裝立模,一次成型,外用鋼管腳手架支撐加固,拌和站集中拌制混凝土,混凝土罐車運至現場,混凝土輸送泵泵送入模,人工澆搗而成。右洞混凝土澆筑時,將正洞整體鋼模臺車的左側邊墻板沿中隔墻頂截去,測量放樣后就位,現場澆筑洞身混凝土;左洞混凝土澆筑時,將正洞整體鋼模臺車的右側邊墻板沿中隔墻頂截去,測量放樣后就位,現場澆筑洞身混凝土。

3.4 中隔墻澆筑后墻頂與開挖巖壁間空隙加強措施

由于中隔墻頂部存在一定超挖,中隔墻混凝土澆筑后造成中隔墻頂與巖壁之間存在較大空隙,存在應力集中和重分布,在后序開挖過程中多次撓動,可能會失穩坍塌。采用工字鋼(I20,間距50cm)兩端焊接鋼板(□25cm×25cm×2cm)支頂,工字鋼之間用φ22mm螺紋鋼筋連接,再噴15cm厚的鋼纖維噴射混凝土予以加強。

3.5 防排水措施

雙連拱隧道中隔墻頂施工縫若處理不好,易出現滲漏水,是雙連拱隧道施工防水薄弱環節。施工中采用在中隔墻頂預埋φ100mm縱向排水管,每5m設置1根φ50mm豎向排水管,通過三通管與縱向排水管相連,將水排至雙連拱隧道內的水溝里排走。中隔墻澆筑后,先于墻頂設置2mm厚PVC復合式防水卷材,留足與雙連拱隧道兩側拱部防水板搭接量,然后在其上設置I20型鋼支頂中墻頂部巖體,并采用C25噴射混凝土將墻頂與巖體之間的空隙填實,噴混凝土采用微膨脹混凝土。見圖7。

圖7 中隔墻頂工字鋼及噴混凝土加固(單位:cm)

4 結論及思考

(1)云霧山隧道DK242+763～DK242+853段雙連拱隧道的成功施工,印證了施工中采取的各種工程措施的有效性;

(2)云霧山隧道DK242+763～DK242+853段雙連拱隧道,在特殊地質、特殊施工條件下,通過先開挖支護右洞,開挖中洞施工中隔墻,再澆筑右洞混凝土,最后開挖左洞和澆筑左洞混凝土,完成了該段雙連拱隧道的施工,不失為一種雙連拱隧道施工的有效方法;

(3)在雙線隧道向兩個單線隧道的過渡隧道設計時,為方便施工和降低工程造價(需2次改整體鋼模臺車的邊模),確保施工質量(中隔墻頂防水施工易失敗,在后進導坑開挖時易使中隔墻混凝土表面受損),不宜采用直墻式中隔墻,最好采用復合式曲中墻或小間距隧道。

[1] 隋修志,滕文彥.大跨連拱隧道初期支護與二次襯砌相互作用分析[J].石家莊鐵道學院學報,2003(S1):8 -11.

[2] 曹云欽,王小林.淺埋偏壓連拱隧道中墻優化分析[J].巖土工程學報,2006,28(4):537 -540.

[3] 陳貴紅,于炳言.連拱隧道中墻受力型式比選[J].鐵道建筑技術, 2004(6):29 -32.

[4] 翟小寧.宜萬鐵路云霧山隧道穿越溶洞施工技術[J].鐵道標準設計,2007(S1).

[5] 汶文釗,周歲紀.雙連拱隧道設計及施工中應注意的幾個問題[J].鐵道標準設計,2007(S2).

[6] 梁曉丹,劉 剛,趙 堅.地下工程壓力拱拱體的確定與成拱分析[J].河海大學學報(自然科學版),2005,33(3):314 -317.

[7] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

U455

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2010 -05 -17

李建銘(1975—),男,工程師。