長(zhǎng)沙營(yíng)盤(pán)路湘江隧道分岔大跨施工技術(shù)

荊永軍，樊 至，歐陽(yáng)剛杰，陳長(zhǎng)強(qiáng)，許玉民

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市交通網(wǎng)的大力發(fā)展，特別是城市地下工程的普遍應(yīng)用，城市地下合流分流隧道不斷涌現(xiàn)出來(lái)。因城市地下合流分流隧道一般地處城市繁華區(qū)域，隧道施工受到地表建(構(gòu))筑物、管線等諸多周邊條件限制，且隧道圍巖較軟弱，結(jié)構(gòu)斷面變化復(fù)雜。文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］主要對(duì)營(yíng)盤(pán)路江底大跨段施工進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全性分析;文獻(xiàn)［3］對(duì)湘江隧道大跨和淺埋段的洞內(nèi)超前預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行了介紹;文獻(xiàn)［4］介紹了大跨度隧道的開(kāi)挖和優(yōu)化。以上研究針對(duì)施工中遇到的某個(gè)或幾個(gè)問(wèn)題展開(kāi)了探討，而對(duì)于營(yíng)盤(pán)路湘江隧道主線與匝道分岔段在大斷面、淺埋、地質(zhì)差及周邊環(huán)境復(fù)雜等情況下的暗挖隧道整套施工技術(shù)，可參考借鑒的文獻(xiàn)并不多。本文提出了分岔段地層加固、大斷面分解與漸變、保留臨時(shí)支撐施作二次襯砌等技術(shù)，突出對(duì)大斷面的分塊與確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安全前提下的步序調(diào)整，對(duì)分岔大跨合流段施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市營(yíng)盤(pán)路湘江隧道分岔大跨段存在地質(zhì)條件復(fù)雜(由上自下依次為路面、雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫層、全(強(qiáng))風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖)、超淺埋［5］(埋深最淺 6.5 m)、開(kāi)挖斷面大(DKAⅢ'最大開(kāi)挖面積約375 m2)、分岔段跨度大(最大跨24.5 m)、周邊環(huán)境復(fù)雜(穿越湘江大堤、地表動(dòng)荷載大的瀟湘大道、緊臨溁銀橋)，且采用礦山法施工，施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)極大。A，B匝道分別與南、北線交匯形成分岔大斷面，如圖1和圖2所示。其中，A匝道與主隧道形成的大斷面于2010年6月開(kāi)始施工，于2011年7月全部完成。

A，B匝道分別與南、北線交匯形成的分岔大跨斷面同一橫斷面里程相差約100 m，北線超前，即南線里程為0+800，則同一橫斷面北線里程大約為0+900。

2 技術(shù)原理

將復(fù)雜地質(zhì)條件下的匝道與主線合流隧道斷面逐步劃分成為較安全的小斷面獨(dú)頭施作，以科學(xué)合理分塊為基礎(chǔ)，采用導(dǎo)坑超前、臨時(shí)支撐封閉成環(huán)的施工組織。期間采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，準(zhǔn)確分析、判斷掌子面前方圍巖地質(zhì)參數(shù)。地表采用袖閥管注漿和高壓旋噴加固，洞內(nèi)采用超前預(yù)注漿、管棚超前支護(hù)、徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)等措施加固。針對(duì)分岔大斷面受力復(fù)雜［6］的特點(diǎn)，采用合理漸變、科學(xué)分塊、控制爆破，結(jié)合人工機(jī)械開(kāi)挖，將大斷面化整為零，過(guò)程中及時(shí)收集監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)并分析反饋指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)，成功突破了分岔大斷面開(kāi)挖施工，有效地防止了分岔段坍塌和涌水突泥。在豎撐未拆的情況下，利用異型臺(tái)車同步施作拱墻襯砌工藝，實(shí)現(xiàn)了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可控，保證了襯砌安全、優(yōu)質(zhì)、高效施作。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見(jiàn)圖3。根據(jù)分岔大跨段的實(shí)際情況，開(kāi)挖分為11部(除DKC斷面外的所有大跨斷面)、CRD法(DKB到DKC漸變)及三臺(tái)階法(DKC斷面)。

總體施工順序?yàn)?右側(cè)壁導(dǎo)坑獨(dú)立先行施作①②部，保留③部暫不施工，利用臨時(shí)橫撐封閉成環(huán);待與相向開(kāi)挖面貫通且DKC斷面形成三臺(tái)階施工后，采用雙作業(yè)面相向施工左側(cè)壁導(dǎo)坑④⑤部，同樣保留⑥部;左側(cè)壁貫通后，分別以兩作業(yè)面前后錯(cuò)開(kāi)施作③⑥部，并及時(shí)封閉初期支護(hù)，再施作③⑥部仰拱襯砌及填充，同時(shí)在DKC斷面反向增開(kāi)第1作業(yè)面，在DKA與DKB交界處以橫通道形式增開(kāi)第2、第3作業(yè)面，開(kāi)始以微臺(tái)階形式施作中導(dǎo)坑頂部⑦⑧部;待⑦⑧部開(kāi)挖初期支護(hù)完畢后，整體施作拱墻襯砌，至此，除中導(dǎo)坑中下部外，其余部位開(kāi)挖襯砌全部完成;最后再開(kāi)挖中導(dǎo)坑剩余部位和施作中導(dǎo)坑仰拱襯砌及填充。分岔大斷面分部如圖4所示。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

圖5 分岔大斷面施工平面組織Fig.5 Construction organization of fork section

施工前，先對(duì)隧道沿線及周邊進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘，確保掌握詳細(xì)的地質(zhì)資料。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，針對(duì)特殊工程性質(zhì)，采取長(zhǎng)短距離相結(jié)合、物探和鉆探相結(jié)合，運(yùn)用TSP203(0～120 m)、長(zhǎng)短超前探孔(0～30 m)等方法和手段組成綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，最大程度地掌握圍巖的真實(shí)情況，查明隧道的工程、水文地質(zhì)及不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置和巖土物理力學(xué)參數(shù)等，從而制定合理的施工方案，避免隧道施工中坍塌、突涌水等現(xiàn)象。

3.2.2 分岔段預(yù)加固施工

分岔段大部分處于瀟湘大堤下，拱頂存在與湘江江水連通的卵石圓礫層，圍巖較破碎且復(fù)雜多變，是水下隧道施工的難點(diǎn)。為保證施工安全，采用地表袖閥管預(yù)注漿加固、地表旋噴加固、超前注漿加固堵水、超前長(zhǎng)(短)管棚預(yù)支護(hù)。分岔段預(yù)加固措施見(jiàn)表1。

3.2.3 開(kāi)挖施工

3.2.3.1 開(kāi)挖方法的確定

分岔段施工時(shí)，考慮到施工安全，兩側(cè)壁導(dǎo)坑先后進(jìn)行施工，保留③⑥部。先行側(cè)壁導(dǎo)坑分三臺(tái)階施工①②部，后行側(cè)壁導(dǎo)坑待先行導(dǎo)坑貫通形成反向施工能力后(④⑤部)以兩頭對(duì)打的方式進(jìn)行施作，待兩側(cè)壁導(dǎo)坑中上部都貫通后，再開(kāi)挖③⑥部。中部導(dǎo)坑先開(kāi)挖⑦⑧部，待初期支護(hù)封閉后再開(kāi)挖⑨⑩部。分岔大斷面施工平面組織如圖5所示。

表1 分岔段預(yù)加固施工措施Table 1 Preconsolidation measures for fork section

DKC斷面采用6部CRD法和三臺(tái)階法施作。將大斷面的右側(cè)壁斷面預(yù)留一定的安全距離后進(jìn)行擴(kuò)大，從而轉(zhuǎn)換成后續(xù)的三臺(tái)階法施工。

由于分岔大跨段開(kāi)挖斷面大、地質(zhì)復(fù)雜、大部分為軟弱圍巖，且隨時(shí)可能出現(xiàn)卵石圓礫層，要保證圍巖的自穩(wěn)及開(kāi)挖安全，一次開(kāi)挖斷面不能過(guò)大。從出碴機(jī)械設(shè)備及施工簡(jiǎn)便方面考慮，①②、④⑤部都分為3個(gè)微臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖，臺(tái)階的開(kāi)挖高度定為3 m，③⑥部同樣分為二臺(tái)階進(jìn)行施作。由于中導(dǎo)坑跨度較大(最大超過(guò)11 m)，所以中導(dǎo)坑上部采用左右2個(gè)導(dǎo)坑前后錯(cuò)開(kāi)3～5 m進(jìn)行開(kāi)挖，中導(dǎo)坑其余部位按設(shè)計(jì)進(jìn)行分部開(kāi)挖。其中，匝道側(cè)壁進(jìn)入大跨段施工縱向步序見(jiàn)圖6，其他側(cè)壁斷面施工縱向步序類似。

圖6 匝道側(cè)壁進(jìn)入大跨施工縱向步序(單位:m)Fig.6 Construction procedure(m)

3.2.3.2 爆破設(shè)計(jì)

按弱爆破設(shè)計(jì)，采用φ 32 mm巖石乳化炸藥，楔形掏槽，掘進(jìn)眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔裝藥，非電毫秒雷管網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起爆，用3臺(tái)YT－28氣腿式風(fēng)鉆同時(shí)司鉆。由于上臺(tái)階開(kāi)挖后，中、下臺(tái)階各部位開(kāi)挖時(shí)至少有2個(gè)臨空面，小藥量即可爆破成型，但需要控制兩側(cè)及仰拱的爆破成型效果。

3.2.4 分岔大跨斷面漸變處施工

由于DKA與DKB斷面、DKB與DKC斷面存在斷面差，特別是由大斷面變?yōu)樾嗝鎮(zhèn)缺诳s小施工時(shí)，存在由大到小的漸變過(guò)程，遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)中線的側(cè)壁還存在中支撐擴(kuò)挖的漸變。漸變的處理也是保證分岔大跨段施工安全和工期控制的關(guān)鍵。由大斷面進(jìn)入小斷面時(shí)，側(cè)壁處直接縮小開(kāi)挖斷面，中支撐每循環(huán)向目標(biāo)方向偏移50 cm，最終形成目標(biāo)斷面，2個(gè)斷面的初期支護(hù)工字鋼之間在堵頭墻位置采用工字鋼加網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。由小斷面進(jìn)入大斷面時(shí)，由于超前管棚要割除，主要采用超前注漿對(duì)地層加固以保證前方巖土的穩(wěn)定，同時(shí)擴(kuò)挖采用逐榀(每次擴(kuò)大約50 cm)施工支護(hù)漸進(jìn)抬升，最終形成目標(biāo)大斷面，如圖7和圖8所示。

3.2.5 分岔段初期支護(hù)

分岔大跨段初期支護(hù)由C25纖維噴射混凝土、雙層I22b型鋼鋼架、φ 8鋼筋網(wǎng)和φ 22連接筋組成。

施工時(shí)，外層初期支護(hù)在開(kāi)挖完成后立即架設(shè)，內(nèi)層初期支護(hù)滯后外層初期支護(hù)3～5 m架設(shè)。內(nèi)層鋼架在不拆除臨時(shí)支撐的情況下采用四向連接板進(jìn)行內(nèi)層鋼拱架的安裝，外層鋼架架設(shè)的精度要求較高，具體連接情況見(jiàn)圖9。

圖9 大跨斷面內(nèi)層鋼架接頭連接示意圖Fig.9 Joint connection of steel rib

3.2.6 漸變段開(kāi)挖支護(hù)

在正常斷面進(jìn)入大跨斷面前，由2個(gè)正常斷面經(jīng)小凈距、零凈距斷面漸變成大跨斷面，此復(fù)雜條件下漸變段的施工是本技術(shù)的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，漸變段斷面如圖10所示。先由2個(gè)正常斷面漸變成大跨漸變斷面，并開(kāi)始由三臺(tái)階工法轉(zhuǎn)換為側(cè)壁工法，然后再將漸變斷面拱頂逐步抬高，形成大跨斷面。

圖10 漸變段斷面Fig.10 Cross-section of tunnel

漸變段(DKAⅠ'和DKAⅢ')采用14部分塊開(kāi)挖形式與大跨正常斷面同步施作，如圖11所示。漸變段結(jié)構(gòu)矢跨比小于0.3，受力形式復(fù)雜，這樣的斷面施工風(fēng)險(xiǎn)較大，故將漸變段分為14個(gè)小斷面進(jìn)行施作。

圖11 漸變段斷面分部圖Fig.11 Construction sequence

3.2.7 支撐拆除

由于工況復(fù)雜及沉降變形較大，拱墻二次襯砌施工前保留了2排豎向臨時(shí)支撐，對(duì)2道橫向支撐進(jìn)行拆除。分別在③⑥部仰拱襯砌及填充施工完畢后，拆除兩側(cè)壁導(dǎo)坑的臨時(shí)橫撐，臨時(shí)豎撐只把拱墻二次襯砌鋼筋的位置鑿出，待拱墻襯砌施作完后再拆除。

支撐采用人工風(fēng)鎬破除混凝土、氧氣乙炔割斷工字鋼的方式進(jìn)行拆除。拆除過(guò)程中，量測(cè)頻率較開(kāi)挖施工時(shí)加大，出現(xiàn)量測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)立即暫停拆撐作業(yè)，排除隱患后再進(jìn)行施工。破除后的臨時(shí)支撐混凝土，由人工通過(guò)梭槽將其轉(zhuǎn)至仰拱上由挖機(jī)裝碴運(yùn)至洞外。

3.2.8 防水施工

分岔大跨段防水采用排導(dǎo)型，主要材料有防水板、止水鋼板、背貼式止水帶、中埋式鋼邊橡膠止水帶和遇水膨脹橡膠止水條。

防水板在縱向施工縫下2 m開(kāi)始向上鋪設(shè)，仰拱無(wú)防水板，施工縫處由內(nèi)到外依次設(shè)置背貼式止水帶、縱向止水鋼板、中埋式鋼邊橡膠止水帶和遇水膨脹橡膠止水條。其中，背貼式止水帶用熱風(fēng)將其焊接在防水板上，澆筑混凝土后，背貼式止水帶的肋帶嵌入襯砌混凝土內(nèi)，在防水板內(nèi)側(cè)形成一個(gè)個(gè)防水分區(qū)，可增強(qiáng)防水效果［7］。

施作襯砌時(shí)，臨時(shí)支撐尚未拆除，為了保證二次襯砌的整體性，把臨時(shí)支撐間的噴射混凝土全部鑿掉，僅保留臨時(shí)豎撐的工字鋼，待二次襯砌混凝土澆完等強(qiáng)后，從二次襯砌表面把露出的工字鋼割斷。考慮到要把工字鋼澆筑進(jìn)混凝土里，針對(duì)節(jié)點(diǎn)部位，采用2塊E字型止水鋼板對(duì)焊的形式將工字鋼全環(huán)包裹，達(dá)到防水的目的［8］。

3.2.9 襯砌施工

分岔大跨段襯砌由φ 32@125 mm主筋、φ 22@250 mm縱向筋、φ 10@250 mm×500 mm架立筋和C35.P12防水混凝土組成。根據(jù)量測(cè)變形情況，出于安全迅速完成分岔大跨施工的考慮，大跨段襯砌施作采用異型襯砌臺(tái)車+滿堂紅腳手架同步施工的形式。

待兩側(cè)壁導(dǎo)坑③⑥部開(kāi)挖完成后，隨即進(jìn)行③⑥部仰拱及填充施作，在正常斷面同時(shí)進(jìn)行側(cè)壁臺(tái)車拼裝工作。待③⑥部仰拱及填充完成后，拆除側(cè)壁臨時(shí)橫撐，兩側(cè)壁臺(tái)車(同時(shí)同里程)以襯砌臺(tái)車進(jìn)行襯砌施作，中導(dǎo)坑以腳手架+組合鋼模對(duì)兩側(cè)臺(tái)車進(jìn)行連接，形成襯砌整體施工的方式，達(dá)到控制偏壓、防止形成懸臂結(jié)構(gòu)、控制施工風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)約施工工期的目的。拱墻襯砌完成后，拆除臨時(shí)支撐，開(kāi)挖中導(dǎo)坑剩余部位，再施作中導(dǎo)坑仰拱及填充，異型臺(tái)車施工形式見(jiàn)圖12。

3.2.10 監(jiān)控量測(cè)

開(kāi)挖施工時(shí)，對(duì)分岔大斷面地表沉降、洞內(nèi)洞頂沉降、隧道收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所有量測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率變?yōu)?次/d，直到量測(cè)數(shù)據(jù)正常后再將監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整到正常狀態(tài)。

開(kāi)挖結(jié)束后、拆撐施作時(shí)是隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)候，量測(cè)工作也是重中之重，量測(cè)頻率要比開(kāi)挖時(shí)大。拆撐前的監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。拆撐前6 h內(nèi)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，拆撐過(guò)程中，對(duì)拆撐地段進(jìn)行全程監(jiān)測(cè);拆撐6 h內(nèi)對(duì)拆撐地段監(jiān)測(cè)1次，若無(wú)異常變化，將監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整為1次/6 h。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化不大時(shí)，可適當(dāng)降低監(jiān)測(cè)頻率。

圖12 分岔大跨段襯砌雙臺(tái)車施工示意圖Fig.12 Tunnel lining constructed by twin formwork trolleys

對(duì)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析，有異常情況時(shí)應(yīng)第一時(shí)間反饋施工現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.3 施工效果

營(yíng)盤(pán)路湘江隧道分岔大跨段采用本技術(shù)已順利建成，期間未發(fā)生安全事故，創(chuàng)造了隧道建設(shè)領(lǐng)域的奇跡，取得了良好的社會(huì)效益，得到了社會(huì)各界的一致好評(píng)。

4 結(jié)論與討論

營(yíng)盤(pán)路湘江隧道分岔大跨段地層加固在地表有條件的地段采用了地表加固施工，在地表無(wú)條件的地段進(jìn)行了洞內(nèi)超前帷幕注漿加固，良好的地層加固效果降低了洞內(nèi)開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)。分岔合流段開(kāi)挖由雙洞通過(guò)A，B，C斷面逐步漸變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)單洞斷面，大斷面合理劃分為小斷面，有效地降低了隧道的坍塌風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了分岔大跨段的成功實(shí)施。分岔大跨段二次襯砌采用雙臺(tái)車同步施工，保留了臨時(shí)支撐，確保了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，提高了安全可靠性并優(yōu)化了施工組織，較滿堂紅+腳手架+組合鋼模的施工工藝，施工工序便于管控。襯砌后拆除的臨時(shí)支撐采用了雙E型止水鋼板，有效地防止了襯砌滲漏水。

由于幾個(gè)斷面類型在漸變時(shí)尺寸比較多，施工比較繁瑣，是本段施工的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，所以在應(yīng)用本技術(shù)時(shí)需要特別注意漸變段的細(xì)節(jié)處理。

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