金川隧道零開挖出洞單向貫通施工技術

敬 海

1 工程概況

1.1 概述

金川水電站S211改線公路工程為電站施工期的主要交通干線,主要目的是解決施工期地方交通過壩,按三級公路、單洞、雙車道雙向交通設計,建筑限界為:10.5 m×5.3 m。金川隧道進口樁號K3+598,設計出口樁號K4+384(暗洞出洞樁號K4+379),縱坡2.365%。

1.2 地質條件

金川隧道出口地層為雜谷腦組上段(T3z2)薄層狀變質細砂巖夾含碳質千枚巖,巖體風化強烈,由于受大渡河及新扎溝的切割破壞,巖體中斷層裂隙等構造發育,巖體卸荷、傾倒變形強烈。金川隧道出洞口邊坡為QD2傾倒體,巖層傾倒彎曲折斷,結構面發育,為弱風化上帶,卸荷強烈,巖體極易破碎,呈散體結構,為V2級巖體。出口近地表30 m內巖體可使用挖掘機開挖,局部孤石解爆。

1.3 工程特點

1)場地狹窄、緊鄰省道。2)設計洞口明挖工程量較大。3)早期勘探平硐影響圍巖穩定。

2 設計調整

2.1 推遲出洞

原設計 K4+379～K4+384段為明洞,按照“早進洞、晚出洞”的原則,若將出洞樁號向外順延可降低開口線高度,減少明挖。經現場實測,K4+379處埋深近5 m,邊坡坡度在35°～55°之間,若將出洞樁號外移2 m～4 m,將大幅減少明挖和開口線高度,即客觀上存在調整的空間。綜合其他因素,最后決定暗洞出洞樁號外移2.5 m,調整至K4+381.5,K4+381.5～K4+384段為明洞。

2.2 坡度調整

設計邊仰坡坡度1∶0.5,邊坡高度超過20 m。根據地質資料,金川隧道出口處為殘坡積碎礫石土層,整體結構松散,穩定性差,但巖層走向與路線走向大角度相交,對邊坡穩定有利。若盡量利用天然邊坡(輔以有效的錨固支護措施),避免大面積的開挖觸動,可保證邊坡穩定,故將左側路基邊坡、洞臉仰坡坡度1∶0.5調整為1∶0.25,增大坡度后降低了邊坡高度,減少了開挖范圍。

調整前后開挖范圍對照圖見圖1。

經過對出洞樁號、邊坡坡度等進行調整,洞口明挖工程量由2000 m3減少為500 m3,邊坡高度由平均20 m(最高30 m)降低至平均 14.5 m(最低 9 m),K4+379處埋深由4.8 m降低至1.6 m。最大程度上避免了對原始地貌的大面積開挖,也為在出洞口貫通隧道創造了有利條件。

3 主要施工難點

3.1 超前支護

施工方法:小導管尾部焊加強箍,并設置止漿塞,前部呈圓錐形并予以封焊,管壁間隔30cm布置φ 8mm梅花形泄漿孔(后端1 m左右、頭部0.2 m范圍不設泄漿孔);注漿管孔位沿設計開挖輪廓線外側拱頂120°范圍布置,采用風鉆造孔,成孔后立即插入小導管,必要時用鉆機配氣錘快速壓入,防止成孔時間過長造成塌孔使導管無法插入;導管外露長度30cm左右,安裝完成后對環形開挖區域噴混凝土厚5cm～10cm封閉止漿;上述工作完成后按設計要求對超前小導管進行注漿,注漿完成后待4 h～6 h進行開挖。

要點:設計小導管環向間距30cm,K4+350～K4+381.5段因受探硐影響,在拱頂左拱肩處最易發生坍塌,因此在每循環施工前由專業技術人員根據掌子面巖體巖性、產狀對超前注漿小導管孔位進行略微調整,如:對破碎部位、左拱肩探硐處小導管適當加密,而巖體較完整處、結構面有利穩定處則相對減少布孔。

3.2 洞身開挖

洞身分部開挖施工順序為:Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ,見圖2。

施工方法:施工遵循“短進尺、弱爆破(盡量不爆破)”原則,采用人工配合挖掘機進行開挖,確需爆破的堅硬巖石部位,要控制爆破總裝藥量、最大單響藥量等爆破參數,減小爆破規模;控制每循環進尺在40cm～60cm之內;開挖完成后立即噴5cm厚C25混凝土對出露巖體進行封閉。通過監控量測數據反饋,在上一層臺階初期支護設施基本穩定后進行洞身下臥開挖,下層臺階滯后上層約10 m～15 m。

要點:循環進尺控制、下臺階開挖,在此重點介紹下臺階開挖方法。

下臺階開挖容易被大家忽視,但如果施工方法不恰當,極易造成初期支護開裂、變形、下沉等現象,甚至侵入二次襯砌空間,處理相當棘手。本工程中下層臺階開挖左右側拱腳分段跳槽開挖,每側應至少錯位10 m以上;開挖每循環進尺按一倍鋼支撐間距控制;開挖后及時焊接加長并進行支護,盡量減少開挖后圍巖暴露時間;鋼支撐基礎必須受力良好,安裝時要清除浮渣,嚴禁用片石干砌拱腳基礎;鎖腳錨桿在鋼支撐安裝完成后立即施工,將錨桿端部彎曲5cm～10cm,包住鋼拱架并進行焊接。

上、中層之間增設鎖腳錨桿,利用鎖腳錨桿先對上層臺階拱腳處進行固定后再掏空基礎接長工字鋼。

3.3 洞口工程施工

施工程序:洞內中、下層臺階開挖、支護→仰拱及二襯混凝土澆筑→洞口土石方明挖、支護→明洞、洞門端墻澆筑。

施工方法:洞內開挖支護及襯砌與前文所述方法相同,洞口明挖則采用由內向外、由上至下分層開挖的方法,由人工配合挖機進行刷坡。洞頂以上邊仰坡主要由人工進行刷坡(當然若未對原設計洞口進行修改,大幅縮減開挖范圍,推遲出洞以降低出洞點埋深,那么人工刷坡將非常困難,甚至單向出洞亦不可行),洞頂以下則主要由挖掘機進行開挖,局部孤石解爆。采用這種方法,在開挖過程中甚至開挖石渣基本未從邊坡滾落,全部棄土石方由運渣車運往進口方向棄渣場,給下方S211省道通行提供了安全保障,當然此外在開挖過程中仍然采取了其他安全技術措施。

開挖完成后,及時對邊坡進行了支護,并完成明洞端墻等工程施工。為確保隧道運營期間長久安全,后期對探硐進行了封堵。

4 結語

金川隧道地質條件差,巖層傾倒變形嚴重,施工條件復雜,施工難度大。通過對出口洞門工程的設計修改,不斷優化施工技術措施,有效的施工組織管理,隧道出口最后31.5 m洞挖順利完成,實現隧道零開挖出洞單向貫通,為在V2類圍巖地段不具備雙向開挖條件的隧道工程提供了單向貫通隧道的施工經驗。

[1] 朱鐵巖.隧道開挖與支護的力學性能分析[J].山西建筑,2008,34(17):313-314.