劉家梁隧道進(jìn)洞方案選擇及橫洞與正洞交叉段施工技術(shù)

郝文廣

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司,太原 030032)

由于隧道洞口段圍巖一般多為風(fēng)化嚴(yán)重,節(jié)理、斷層、破碎帶,且經(jīng)常存在嚴(yán)重的淺埋、偏壓、富水等現(xiàn)象。故“進(jìn)洞難”成為了隧道設(shè)計(jì)與施工人員的共識(shí)。隨著鐵路大斷面隧道日益增多,洞口施工問題亦顯突出,迫切需要對(duì)隧道進(jìn)洞施工技術(shù)進(jìn)行深入研究[1-3]。

目前,常用的進(jìn)洞方案有：直接進(jìn)洞、采用超前預(yù)加固及超前支護(hù)措施后進(jìn)洞或采用輔助導(dǎo)坑方案進(jìn)洞。直接進(jìn)洞法適用于隧道進(jìn)、出口,洞口地質(zhì)較好,場(chǎng)地寬闊的情況；采用超前預(yù)加固及超前支護(hù)措施后進(jìn)洞法適用于隧道進(jìn)、出口,洞口地質(zhì)較差,場(chǎng)地寬闊的情況；輔助導(dǎo)坑方案進(jìn)洞法適用于長(zhǎng)大隧道或隧道進(jìn)、出口不具備施工條件且側(cè)向橫洞較短的情況[3,4]。輔助導(dǎo)坑進(jìn)洞法即通過選擇進(jìn)洞條件較好的地段從溝谷一側(cè)修筑橫洞到達(dá)隧道設(shè)計(jì)開挖線處,從而開辟2個(gè)工作面,其中一個(gè)工作面反向開挖,挑開洞口,變進(jìn)洞為出洞,避開洞口處不良的條件。這樣不僅可以最大限度地保護(hù)洞口環(huán)境,實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)洞,而且對(duì)于長(zhǎng)隧道,橫洞還可以作為通風(fēng)、出渣等的通道,有利于施工的開展。因此,對(duì)于洞口段地質(zhì)較差,不具備施工場(chǎng)地的情況,輔助坑道進(jìn)洞法成為了行之有效的施工方法。

輔助坑道相對(duì)隧道正洞而言,斷面較小,且橫洞與正洞交叉處圍巖受力復(fù)雜,尤其正洞橫向挑頂開挖支護(hù)難度大,工作面小、質(zhì)量安全隱患多,因此如何從小斷面安全地過渡到大斷面,交叉口段施工就顯得尤為重要[5,6]。針對(duì)輔助坑道與隧道交叉段施工方案的選擇及支護(hù)措施,前人已有不少研究,如徐青等人針對(duì)蘭渝鐵路兩水隧道工程情況比較了橫洞轉(zhuǎn)向擴(kuò)挖法與直接挑頂擴(kuò)挖法各自的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為前者更適合于該工程[7];馮義濤詳述了山嶺地區(qū)采用橫洞進(jìn)洞的施工技術(shù)[8]；張智軍研究了雙線黃土隧道斜井與正洞交叉段施工措施[9]；黎冬來研究了膨脹土隧道橫洞進(jìn)正洞挑頂技術(shù)的坑道驗(yàn)算、施工工藝及施工要點(diǎn)[10]。

在前人的基礎(chǔ)上,為了對(duì)隧道的進(jìn)洞方案及其關(guān)鍵技術(shù)——橫洞與正洞交叉段的施工作進(jìn)一步的了解,在山西中南部鐵路通道劉家梁隧道中對(duì)此種方案進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1 工程概況

山西中南部鐵路通道劉家梁隧道,區(qū)域地形屬黃土高原的丘陵及低山區(qū),以黃土梁、峁和深切沖溝為主,溝壑縱橫,地形起伏較大,沖溝發(fā)育,海拔高程1 100～1 334 m。隧道進(jìn)、出口地層覆蓋土為新黃土、老黃土及粉質(zhì)黏土。隧道進(jìn)口里程為DK29+864,出口里程為DK32+475,全長(zhǎng)2 611 m,最大埋深94 m。

劉家梁隧道進(jìn)口位于蔡家崖村,距鄉(xiāng)村公路約1 500 m,通往洞口的沖溝長(zhǎng)1 200 m(其中有2處斷崖高差約7 m),兩側(cè)山坡陡峭(洞口高程與山頂高差75 m,山體坡比約1∶0.5),場(chǎng)地狹窄,溝底凈寬不足4 m,施工便道修建困難,無施工場(chǎng)地,不具備進(jìn)洞施工條件。

2 進(jìn)洞總體方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)量比較,里程為DK30+449處有一沖溝,距線路左側(cè)62 m,溝深20多m；溝底較寬,溝底寬度10～20 m,距線路左側(cè)1 000 m處,沖溝具備棄砟條件。可采用橫洞進(jìn)洞。最終決定從距線路左線(DK30+447)左側(cè)62 m處開始進(jìn)洞,采用臺(tái)階法施工,I18a鋼拱架進(jìn)行支護(hù),縱坡控制在0.6%,橫洞與隧道軸線交叉角為60°。橫洞開挖至距隧道右邊墻開挖線3.5 m處,停止開挖,待整體支護(hù)完成,則通過隧道右邊墻開挖線3.5 m范圍的內(nèi)交叉口施工后可轉(zhuǎn)入正洞施工。

橫洞洞身地層為新黃土、老黃土、上第三系粉質(zhì)黏土。新黃土：淺黃色,堅(jiān)硬,呈松軟結(jié)構(gòu)。老黃土,褐黃色,呈松軟結(jié)構(gòu),局部呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)。粉質(zhì)黏土,棕紅色,堅(jiān)硬,呈松軟結(jié)構(gòu),局部呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)。

橫洞的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)為：XK0+000～XK0+030段為Ⅴ級(jí)復(fù)合式襯砌,超前支護(hù)為小導(dǎo)管,I18型鋼支護(hù),噴射C25混凝土,厚23 cm,襯砌C25混凝土厚30 cm。

3 施工技術(shù)及工藝

3.1 橫洞開挖

橫洞臺(tái)階法施工至XK0+050.96里程處之前為平坡段施工,該區(qū)段采用I18a鋼架支護(hù),鋼架內(nèi)邊緣面垂直于橫洞軸線,鋼架之間相互平行；XK0+050.96～XK0+058.21段施工中需調(diào)整橫洞左右側(cè)施工進(jìn)度,即橫洞左側(cè)進(jìn)度快、右側(cè)進(jìn)度慢,從而調(diào)整橫洞開挖面,使之逐漸與正洞平行,該區(qū)段的鋼架分布呈扇形,縱坡為0.6%；XK0+058.21至隧道右邊墻開挖線之間的區(qū)段采用I18a鋼架支護(hù),該區(qū)段鋼架內(nèi)邊緣面均平行于正洞,鋼架之間相互平行。鋼架分布如圖1所示。

圖1 橫洞轉(zhuǎn)入正洞爬坡平面

施工時(shí)充分利用圍巖的自穩(wěn)能力,在距正洞開挖邊線3.5 m處開始挑頂開挖,爬坡坡度為22.7%,施工到XK0+061.9里程處。如圖2所示。

圖2 橫洞轉(zhuǎn)入正洞爬坡立面(單位：cm)

橫洞挑頂段施工中,嚴(yán)格遵循“弱爆破、短進(jìn)尺”的原則,以挖機(jī)開挖為主、人工開挖為輔,開挖時(shí)每循環(huán)進(jìn)尺為0.7 m,拱架縱向間距為0.6 m,兩側(cè)拱腳部位設(shè)長(zhǎng)3.0 m的φ42 mm鎖腳鋼管各4根,噴C25混凝土厚25 cm。

3.2 正洞挑頂開挖及臨時(shí)棚架支護(hù)

當(dāng)橫洞施工至與正洞邊墻相交斷面時(shí)(XK0+061.9),進(jìn)行正洞頂部弧形導(dǎo)坑開挖,弧形導(dǎo)坑高2.5 m。

施工中采用臺(tái)階法并結(jié)合新奧法支護(hù)原理,在正洞中開挖一個(gè)頂寬3.2 m,底寬4.5 m的梯形小導(dǎo)洞,采用I18的鋼架支撐并掛網(wǎng)噴錨支護(hù)。利用小導(dǎo)洞開挖到正洞左線一側(cè)上導(dǎo)開挖底面,而后施作正洞初期支護(hù),并與橫洞拱部連接成為一體,形成整體聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)。鋼架結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格按照橫洞挑頂施工平面圖設(shè)計(jì)。

根據(jù)橫洞施工縱斷面圖,推算出小導(dǎo)洞的開挖高程,采用人工斜向上開挖,每循環(huán)進(jìn)尺1 m,開挖斷面為梯形導(dǎo)坑,小導(dǎo)洞爬坡高度隨正洞上部導(dǎo)坑高度變化而變化。結(jié)合礦山法棚架支護(hù)原理,每開挖1 m施做1榀棚架支護(hù)。施工時(shí)嚴(yán)格控制棚架高程,以保證正洞初期支護(hù)鋼架的凈空。邊墻每側(cè)設(shè)2根3.0 m長(zhǎng)的φ42 mm鎖腳錨管,棚架間采用φ22 mm鋼筋縱向連接,噴C25混凝土20～25 cm厚,形成臨時(shí)支護(hù)體系。同時(shí)根據(jù)臺(tái)階法的施工順序,橫洞段的下臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn),實(shí)行平行作業(yè)。

3.3 橫洞門架安裝及鋪底施工

小導(dǎo)洞掘進(jìn)至正洞左邊墻開挖線時(shí)停止小導(dǎo)洞掘進(jìn),繼續(xù)開挖橫洞的下導(dǎo)(不出砟)至XK0+061.9(即正洞右邊墻開挖線)處,并及時(shí)架設(shè)橫洞支撐門架。門架采用2榀I20a鋼架焊接而成,并與橫洞最后一榀初支鋼架焊接牢固，如圖3所示。

圖3 橫洞拱架與門字形拱架加固示意(單位：cm)

由于橫洞初期支護(hù)采用的I18鋼架上部為圓弧形,而門架為矩形,門架橫梁安裝受挑高段最后一榀鋼架凈空尺寸限制,因此橫梁進(jìn)行分段安裝(連接板螺栓連接)。分段安裝前必須對(duì)擴(kuò)挖部位進(jìn)行臨時(shí)錨噴支護(hù),保證施工安全。

XK0+059.02～+061.9段底部設(shè)橫向支撐(I18型鋼),間距為60 cm/榀,并與原初期支護(hù)鋼架焊接牢固,施作XK0+050.17～+061.9段鋪底混凝土。

待橫洞鋪底混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后,從正洞右邊墻開挖線向后5～10 m范圍內(nèi),于橫洞下導(dǎo)部位回填砟土以形成反壓,可保證后續(xù)施工的安全。

3.4 正洞上導(dǎo)挑頂段初期支護(hù)

在橫洞至正洞挑頂段(小導(dǎo)洞施工段)臨時(shí)結(jié)構(gòu)支護(hù)完成后,施做該區(qū)段正洞初期支護(hù)。該段初期支護(hù)拱腳一側(cè)座在正洞上臺(tái)階底面,底面設(shè)臨時(shí)鋼墊板(30 cm×30 cm×1.6 cm),另一側(cè)座在門架梁梁頂上,并采用螺栓連接牢固。

該段初期支護(hù)采用I20a型鋼架,鋼架間距0.6 m/榀,每榀鋼架左拱腳部位打設(shè)一根3 m長(zhǎng)的φ42 mm錨腳鋼管,工字鋼架右拱腳部位與棚架支護(hù)間的空隙以噴射混凝土回填密實(shí)。

3.5 拆除小導(dǎo)洞立柱

為避免對(duì)正洞挑頂段圍巖二次擾動(dòng),拆除小導(dǎo)洞臨時(shí)棚架立柱時(shí),嚴(yán)禁用挖機(jī)直接拉撞,必須先拆除連接構(gòu)件,氧焊切割拆除小導(dǎo)洞鋼架立柱構(gòu)件。

3.6 正洞開挖步驟

(1)首先往小里程方向掘進(jìn)上導(dǎo)并支護(hù)至DK30+442.15,再往大里程方向掘進(jìn)上導(dǎo)并支護(hù)至DK30+451.41,在施作完橫洞與正洞相交段(即DK30+442.15～+451.41)正洞初期支護(hù)時(shí),停止正洞上導(dǎo)掘進(jìn)。如圖4所示。

圖4 橫洞轉(zhuǎn)入正洞開挖示意(Ⅰ)

(2)開挖及支護(hù)大里程方向DK30+451.41～+456.41段上導(dǎo),并同時(shí)開挖及支護(hù)DK30+446.78～+451.41段中導(dǎo),中導(dǎo)每次開挖不超過1 m。上導(dǎo)與中導(dǎo)保持距離為5 m。支護(hù)完后,暫停大里程方向的上、中導(dǎo)掘進(jìn)。如圖5所示。

(3)開挖及支護(hù)小里程方向DK30+442.15～+437.15段上導(dǎo),并同時(shí)開挖及支護(hù)DK30+446.78～+442.15段中導(dǎo),中導(dǎo)每次開挖不超過1 m,上導(dǎo)與中導(dǎo)保持距離為5 m。支護(hù)完后,暫停小里程方向的上、中導(dǎo)掘進(jìn)。如圖5所示。

圖5 橫洞轉(zhuǎn)入正洞開挖示意(Ⅱ)

(4)開挖及支護(hù)大里程方向DK30+456.41～+476.41段上導(dǎo),并同時(shí)開挖及支護(hù)DK30+451.41～+471.41段中導(dǎo),及時(shí)開挖及支護(hù)DK30+446.78～+451.41段下導(dǎo),中、下導(dǎo)每次開挖不超過1 m。上導(dǎo)與中導(dǎo)保持距離為5 m,下導(dǎo)及時(shí)跟進(jìn)。中下導(dǎo)部位開挖時(shí),左右馬口錯(cuò)開寬度不小于3 m。支護(hù)完后,暫停大里程方向的上、中、下導(dǎo)掘進(jìn)。如圖6所示。

圖6 橫洞轉(zhuǎn)入正洞開挖示意(Ⅲ)

(5)開挖及支護(hù)小里程方向DK30+437.15～+417.15段上導(dǎo),并同時(shí)開挖及支護(hù)DK30+442.15～+437.15段中導(dǎo),及時(shí)開挖及支護(hù)DK30+446.78～+426.78段下導(dǎo),中、下導(dǎo)每次開挖不超過1 m。上導(dǎo)與中導(dǎo)保持距離為5 m,下導(dǎo)及時(shí)跟進(jìn)。中下導(dǎo)部位開挖時(shí),左右馬口錯(cuò)開寬度不小于3 m。支護(hù)完后,暫停小里程方向的上、中、下導(dǎo)掘進(jìn)。如圖6所示。

(6)開挖DK30+442.15～+451.41段仰拱,根據(jù)圍巖地質(zhì)條件,仰拱每次開挖長(zhǎng)度不超過3 m,施作此段仰拱混凝土,封閉成環(huán)。如圖7所示。

圖7 橫洞轉(zhuǎn)入正洞開挖示意(Ⅳ)

(7)在兩端下導(dǎo)相距50 m時(shí),可同時(shí)開挖及支護(hù)。仰拱離下導(dǎo)距離始終控制在10 m左右。根據(jù)圍巖量測(cè)情況及時(shí)施作二襯混凝土,保證結(jié)構(gòu)安全。

4 施工注意事項(xiàng)

(1)每臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m,仰拱離掌子面25 m以內(nèi),襯砌離仰拱25 m。

(2)開挖時(shí)盡量減小對(duì)原狀土擾動(dòng),每循環(huán)開挖上導(dǎo)、中左(右)、下右(左)錯(cuò)開開挖。

(3)要施作擴(kuò)大拱腳,連接板處加混凝土墊塊。

(4)初期支護(hù)及時(shí)成環(huán),各分部工序之間緊密銜接。

(5)施工鎖腳錨管、錨桿外插角一般水平向下15°～20°,鎖腳錨管、錨桿與拱架連接處用“L”形鋼筋焊接。

(6)一定要預(yù)留足夠的沉落量,通過監(jiān)控量測(cè),尋找初支下沉及收斂規(guī)律來指導(dǎo)施工。

(7)集水坑根據(jù)每天流量合理布置及時(shí)排水,防止浸泡拱腳,引起拱頂下沉。

劉家梁隧道進(jìn)洞施工過程中,橫洞以及橫洞與正洞交叉段施工均安全高效地完成了工程任務(wù),無質(zhì)量及安全事故發(fā)生,實(shí)踐證明,該施工方案及施工技術(shù)是切實(shí)可行的。

5 結(jié)論

通過對(duì)劉家梁隧道進(jìn)洞方案的選擇及交叉段施工措施的應(yīng)用研究,得出在不具備正常進(jìn)洞條件的情況下,選擇橫洞進(jìn)洞的方案是安全可行的,可為施工管理者提供一種實(shí)用、環(huán)保的隧道進(jìn)洞施工的思路,在橫洞與正洞交叉段的施工過程中,其控制重點(diǎn)為：(1)橫洞進(jìn)入正洞施工,提前抬高拱頂；(2)橫洞抬高段仰拱施工要安裝工字鋼,及時(shí)封閉；(3)小導(dǎo)洞施工注意爬坡高度,以防正洞拱架立設(shè)時(shí)侵入隧道凈空；(4)門字形拱架與橫洞最后一榀焊接牢固,使其協(xié)同作用,防止過大收斂變形；(5)正洞挑頂段鋼拱架與門字形拱架密貼并拴接牢固；(6)拆除小導(dǎo)洞臨時(shí)棚架時(shí)須單側(cè)拆除,及時(shí)立設(shè)正洞拱架,以防塌方；(7)加強(qiáng)圍巖量測(cè),及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù),二次襯砌適時(shí)施作。

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