宜萬鐵路趙家嶺隧道四線雙連拱段新奧法施工技術

王曉鋒

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

1 工程簡介

宜萬鐵路趙家嶺隧道位于宜昌市土城鄉,隧道進口里程為 DK39+318,左線出口里程 DK40+446,右線出口里程 DK40+456,全長1138m。進口段趙家嶺大橋伸入隧道 32.48m。左線 DK39+351.27～DK39+961.55位于 R=2000m的曲線上,DK40+312.01至出口位于 R=16000的曲線上,區域隧道段位于直線上。全隧道縱坡設置分別為 15.36‰、6.9‰的上坡,其坡長分別為 382m和 756m。隧道進口與趙家嶺大橋連接,DK39+318～DK39+500段為雙線隧道;DK39+500～DK40+188段為雙線大跨隧道;DK40+188～出口段為雙孔四線隧道,其中雙孔四線隧道段共計268m。

隧道地質條件復雜,表層覆蓋 Q4dl+el粉質黏土 ,褐黃色,硬塑,厚 0～2m;下伏∈ 3sn白云巖,∈ 2sn灰巖、白云質灰巖夾泥質頁巖薄層,頁巖呈強風化破碎,灰巖、白云質灰巖為弱風化,巖層產狀 140°～190°∠5°～15°,風化節理產狀:①170°∠70°,2條 /m,長 3 ～ 5m;②120°∠70°,1m/條 ,長 3m。

2 施工方法

2.1 施工方案確定

新奧法原理以巖土力學原理為基礎,合理利用圍巖的自承能力,盡量減少開挖隧道對圍巖的擾動,以噴射混凝土、錨桿、掛網為主要支護手段,及時封閉,使圍巖成為支護體系的重要組成部分。在圍巖與初期支護變形基本穩定的條件下再進行二次襯砌的修筑。根據趙家嶺隧道現場地形條件,進口不具備進洞條件,隧道施工采用從出口向進口方向獨頭掘進方案,新奧法施工。

由于出口段設計有 268m的四線雙連拱隧道,施工難度較大,為保證施工安全,在施工中采用了包括地震波法、紅外探水、地質雷達、超前炮眼、超前水平鉆孔和常規地質分析相結合的方法,相互驗證、補充的綜合超前地質預測預報手段,并把地質工作納入正常施工工序中,一方面嚴格按照“短進尺、弱爆破、早支護、勤量測、分部開挖、及時襯砌”的原則組織施工,另一方面為保證隧道掘進施工的連續性,確定采用中導先行,中隔墻混凝土跟進澆筑作業,兩側正洞先右后左臺階法掘進,如圖1、圖2所示。中導洞掘進進入雙線大跨段后改為臺階法開挖,直至完成隧道全部掘進任務。

圖1 中導洞施工作業面布置(單位:m)

圖2 雙孔四線段施工作業面布置(單位:m)

隧道開挖施工采用光面爆破技術和微振爆破技術,最大限度地控制超欠挖并減小對圍巖的擾動。初期支護緊跟掘進作業面。仰拱施工、防水層施工及襯砌施工及時跟進。

2.2 四線雙連拱隧道結構內力分析

2.2.1 隧道襯砌結構

趙家嶺隧道四線雙連拱段斷面比較大,其受力結構較為復雜。隧道二次襯砌的軸力隨著隧道上覆荷載的增大而增大,最大軸力值分布于中隔墻,其次是仰拱和邊墻的結合部位(邊墻腳);最大彎矩同樣分布在中隔墻上,其次是邊墻腳和邊墻,其中拱腰和邊墻腳主要受拉,拱頂、邊墻和仰拱主要受壓。因此,隧道開挖必須進行光面爆破。開挖輪廓線要圓順,特別是盡量避免拱腰、拱腳處應力集中。二次襯砌時,邊墻和仰拱結合部位的鋼筋綁扎必須到位,并做好接頭處理。

2.2.2 施工過程中的中隔墻受力變化分析

雙連拱隧道的中隔墻受到左右洞施工時各個方向反復荷載和拱頂以上荷載的作用,受力復雜,壓、拉、彎、剪均有,內力經常發生變化,其中主要發生 5次明顯的內力轉換(圖3)。但由于地質及施工原因,荷載作用方向的不確定性使內力轉換更加復雜。

圖3 中隔墻內力轉換(受力變化)

第 1次內力轉換:中導洞開挖時,中隔墻主要承受來自拱頂圍巖松弛產生的豎向壓力(P豎),屬于軸心受壓結構,由于中隔墻斷面比較大,這一階段受力比較穩定。如果隧道存在偏壓,中隔墻還受偏壓荷載的作用。

第 2次內力轉換:右洞開挖時,破壞了開挖中導洞后圍巖形成的穩定,整個隧道產生了偏壓。中隔墻主要承受拱頂壓力(P豎)和左洞偏壓形成的側壓力(F左)。中隔墻屬于偏心受壓結構,此時中隔墻主要抗剪(F剪)、抗彎(F彎),必須驗算抗傾覆力矩。

第 3次內力轉換:右洞開挖后,立即進行初期支護,拱部采用 φ25mm中空注漿錨桿,噴 C25鋼纖維混凝土,及時封閉圍巖裂隙,抑制圍巖變形,并且襯砌緊跟。右洞同樣對中隔墻產生側壓力,此時中隔墻承受的偏心荷載方向和大小取決于 F右與 F左的大小。

第 4次內力轉換:開挖左洞時,右洞形成了偏壓(F右)。中隔墻受到向左的側壓力(F右)不變,但是 F左減小,因此中隔墻主要受到豎向壓力和向左的水平推力 F右,同時也受部分抗剪及抗彎。

第 5次內力轉換:由于左右洞均已成形,理論上受到的側壓力為零(F左-F右=0),中隔墻主要承受豎向力(P豎),受力穩定。

2.3 主要工序施工

2.3.1 洞口施工

在洞門表土開挖施工過程中,利用挖掘機爬坡能力強、活動范圍大的特點,采用不爆破或弱爆破,挖掘洞門土石方。因隧道出口兩端巖層節理發育,且風化嚴重,為保證洞口圍巖的完整性,減少暴露時間,在中導洞進洞之前,將邊坡和仰坡刷坡到位,按照山體走勢和設計要求做好天溝;在邊坡和仰坡上,垂直于巖層層面方向打入錨桿,入巖深度 3.4m,外露 0.1m,并且在巖面上布置 φ8mm的鋼筋,網眼尺寸 25cm×25cm,錨噴混凝土厚 10cm。沿開挖輪廓線打 15°仰角,方向盡量與巖層層面垂直,間距 30cm,入巖深度 3.5m,外露 0.5m的超前錨桿;在距巖面 1.0m和緊貼巖面處,分別立鋼拱架(I16型鋼冷彎制成),鋼拱架與超前錨桿焊在一起,鋼拱架之間用 φ22mm鋼筋連接,環向間距 1.0m,且在鋼支撐之間環向布置 φ12mm鋼筋,間距 20cm。后沿鋼支撐立模板,澆筑 40cm厚混凝土。為確保安全,在混凝土強度達到設計要求后,開挖上半斷面,嚴格控制裝藥量,,每一循環進尺不大于 1m。按照要求打系統錨桿,在洞口 5m范圍內,每米布置 1榀鋼拱架,并及時噴射混凝土。

2.3.2 鑿巖掘進

2.3.2.1 雙孔四線段掘進方案

雙孔四線段處于Ⅲ級圍巖地段,跨度大,為確保施工安全,采用中導洞及上導雙側壁導坑開挖,下導左右交替長段開挖方案。其施工工序如圖4所示。

圖4 Ⅲ級圍巖雙孔四線段開挖支護順序(單位:cm)

在施工中,中導洞采用全斷面開挖,開挖時采用風動鑿巖機鉆眼,斜眼掏槽,光面爆破。

中隔墻在中導洞開挖完成后,先施作基底加固錨桿,并澆筑中隔墻基礎,然后采用定型鋼模澆筑中隔墻墻身,每 10m一個循環。為保證中隔墻頂部回填密實,形成較強的受力體,在頂部立設側模,若仍有空隙則采用同級混凝土回填。

在中隔墻完成適當長度后,以上導雙側壁導坑法分部開挖正洞,下導坑左右交替長段開挖,并及時進行初期支護。開挖時先施工右線隧道,待右線隧道完成后,再施工左線隧道。

2.3.2.2 鉆孔爆破施工要點

采用新奧法施工,鉆孔、爆破均嚴格按光面爆破要求實施。嚴格按鉆爆設計司鉆,特別是周邊眼和掏槽眼的位置、間距及數量。準確定位鑿巖機鉆桿,使鉆孔位置誤差不大于 5cm,保持鉆孔方向平行,根據巖石強度選用炸藥,有水地段及周邊眼選用乳化炸藥,其余采用 2號巖石硝銨炸藥。周邊眼采取 φ25×200小藥卷,不耦合裝藥,其余炮眼用 φ32×200藥卷。采用合理的裝藥結構,使炸藥沿孔深均勻分布。在施工時均采用不耦合裝藥結構,不耦合裝藥系數控制在 1.4～2.0。隧道周邊采用光面爆破,不良地質、淺埋地段采用微振控制光面爆破。

2.3.2.3 出砟運輸

采用無軌運輸出砟方案,施工中使用 2臺裝載機裝砟,1臺 VOLVO裝載機,1臺柳州 ZL50F裝載機,6輛鐵馬自卸車運砟。無軌出砟車輛滿載時運行速度15km/h,空載時 20km/h。裝載機平均每臺裝車時間為 8min/輛。隧道開挖出砟時間可以控制在 4h以內,實踐證明,滿足隧道施工出砟的需要。

2.3.2.4 初期支護

新奧法的初期支護是永久襯砌的一部分,它承受了整個隧道 60%～70%的受力,因此趙家嶺隧道施工中初期支護采用砂漿錨桿、中空注漿錨桿、工字鋼鋼架及噴射混凝土聯合支護,確保了施工安全質量。

2.3.2.4.1 砂漿錨桿及中空注漿錨桿

(1)施工方法

砂漿錨桿采用風槍鉆孔,注漿泵注漿。注漿工藝依據錨桿傾角不同采取不同的注漿方法,上傾采用雙管排氣注漿法,下傾或水平采用單管注漿法。

(2)工藝要點

錨桿孔開孔前做好量測工作,按設計要求布孔并做好標記,錨桿孔的孔軸方向滿足設計的要求,圖紙未規定時垂直于開挖面,局部加固錨桿的孔軸方向與可能滑動面的傾向相反,交角大于 45°。

孔深度達到設計規定后,用高壓風沖洗、清掃錨桿孔,確保孔內不留石粉。砂漿采用高濃度砂漿,配合比通過現場試驗確定,并堅持隨拌隨用的原則,對超過初凝時間的砂漿做報廢處理。

止漿塞牢固塞入以確保能承受錨桿及注滿錨桿孔砂漿的重量。排氣管必須確保插入錨桿孔底,排氣孔未出漿前,不得停止注漿。止漿塞在砂漿具有一定強度后方可拔出,拔出時不得振動錨桿。

2.3.2.4.2 中空注漿錨桿

(1)施工方法

中空注漿錨桿主要用于正洞拱部。施工時,采用風槍鉆孔,注漿泵注漿。

(2)工藝要點

注漿壓力:一般為地下水靜水壓的 2～3倍,同時應考慮巖層的裂隙阻力,但瞬間最高壓力值不應超過0.4MPa。根據已有資料進行工程類比及現場砟體注漿試驗情況選定注漿壓力范圍,確定漿液擴散半徑 r的大小。洞內注漿壓力達到 0.35MPa或單孔灌注量達1t時注漿結束。

2.3.2.4.3 鋼架支護

(1)施工方法

采用鋼格柵鋼架進行支護,在洞外分段加工制作,運輸車運進洞內后人工配合機具采用法蘭拼裝。

(2)工藝要點

施工前進行了原材料試驗,合格后加工使用。安裝前清除底腳處浮砟,按設計焊接定位筋及縱向連接筋,段間連接安設墊片擰緊螺栓,嚴格控制中線及高程,拱架與巖面間安設鞍形混凝土墊塊,確保巖面與拱架密貼。拱腳必須支立在基巖上不準懸空,若懸空必須用混凝土塊、片石塞緊。拱架安裝后必須保證垂直度,不能發生扭曲變形。

2.3.2.4.4 噴射普通混凝土

(1)施工方法

在噴射混凝土之前要按照規范和標準對開挖斷面進行檢驗,一般地段按濕噴工藝施工。施工機械采用TK961型濕噴機。

(2)工藝要點

噴射混凝土嚴格按設計配合比進行拌和,噴射前認真檢查隧道斷面,對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點、崩解的破損巖石進行清理和處理,清除浮石和墻角虛砟,并用高壓水或風沖洗巖面。

噴混凝土作業采取分段、分塊,先墻后拱、自下而上的順序進行。噴嘴做反復緩慢的螺旋形運動,螺旋直徑為 20～30cm,以保證混凝土噴射密實。同時掌握風壓、水壓及噴射距離,減少回彈量。噴射混凝土厚度 ＞5cm時分 2層作業,第 2次噴射混凝土如在第 1層混凝土終凝 1h后進行,需沖洗第 1層混凝土面。

2.3.2.5 二次襯砌

開挖右洞時,中隔墻屬于偏心受壓結構,受力比較復雜,因此必須襯砌緊跟,抵御左洞產生的側壓力,保證施工安全,襯砌離掌子面的距離最好在 40m左右,各工序既不互相干擾,又使圍巖開挖暴露時間短,圍巖變形基本穩定,水平收斂和拱頂下沉均符合規范要求。圍巖為Ⅳ級地段,襯砌 C30鋼筋混凝土,厚 50cm,仰拱填充 C25混凝土,仰拱和仰拱填充分開澆筑。圍巖為Ⅲ級地段,襯砌 C30鋼筋混凝土,厚 40cm。在二次襯砌施工時,參考圍巖監控量測數值,了解圍巖的收斂速率,選擇合適的澆筑時機,防止了在隧道個別部位出現受拉、受壓破壞情況。

2.4 施工排水

趙家嶺隧道從出口施工,隧道出口段為反坡施工,且坡度較大。在洞內一側布置集水池,水池間采用水泵接力抽水,直至排至洞外污水凈化池后排放。

由于該隧道部分地段有涌水的可能,水流量很大,且有突發性,因此在反坡排水時備用足夠的抽水機及管道以應急需。

3 結語

(1)綜合超前地質預測預報是規避風險、確保隧道安全施工的重要保證,必須提高預測預報水平和精度。

(2)企業在首先保證施工安全質量的同時,還要做到經濟效益最大化。四線雙連拱鐵路隧道的受力比較復雜,中隔墻是主要的受力構件,施工方法的選擇必須綜合考慮施工安全、工程進度、經濟效益等方面因素。中導洞法在連拱隧道施工中既能保證施工安全,又能保證工程進度,與多導坑法相比,減少臨時支護費用,創造了良好的經濟效益。

(3)光面爆破是新奧法施工的重要環節。趙家嶺隧道在施工過程中,堅持推行光面爆破,采用控制周邊眼距、抵抗線距以及裝藥量,實施微差爆破的技術措施;采用檢查炮眼留痕率為主要檢驗手段,保證了光面爆破的效果。炮眼留痕率均達到 90%以上,為錨噴支護創造了良好條件。

(4)監控量測在隧道施工全過程中發揮了重要作用。通過監控量測反饋的信息,得以及時調整隧道支護參數,減小了二次襯砌在軟弱圍巖中沉降變形量。同時通過監測信息反饋,掌握二次襯砌最佳時機,避免初次支護與圍巖因松弛變形造成失穩。全隧道在地質條件惡劣的狀況下未發生坍塌事故,保證了施工安全質量。

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