涌水大跨分岔式隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

黃國濤

(中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

分岔式隧道作為一種特殊的隧道布置形式，通過在隧道內(nèi)設(shè)置分岔口，在較短距離內(nèi)由大跨隧道、連拱隧道、小凈距隧道逐步過渡到一般分岔式隧道，最終在平面上呈現(xiàn)“Y”形分岔結(jié)構(gòu)形式。鐵路分岔式隧道是在地形、地質(zhì)條件極其復(fù)雜的山區(qū)，為了滿足設(shè)計、施工、造價等要求而發(fā)展出來的一種新型隧道結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的雙向獨立式隧道相比，在節(jié)約投資、滿足特殊功能需求等方面具有較大優(yōu)勢。

目前對于分岔式隧道研究，大部分學(xué)者聚焦于連拱隧道、小凈距隧道和大跨度隧道的穩(wěn)定性，僅有少部分學(xué)者對分岔式隧道施工參數(shù)及施工關(guān)鍵技術(shù)做出較詳細(xì)的說明。為此，本文以陽安二線直通線包灣村隧道工程某段分岔施工為工程背景，總結(jié)了一套較完整的分岔式隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景與特點

1.1 工程概況

陽安二線直通線包灣村隧道位于陜西省安康市轄區(qū)漢江右岸大巴山低山區(qū)，平均海拔410.000～960.000m，洞身地表起伏較大，地表自然坡度30°～50°，地表植被茂密，洞身發(fā)育眾多沖溝，溝內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土及膨脹土。隧道起始里程為XDK232+880，屬大嶺鋪—安康東聯(lián)絡(luò)線，為2個喇叭口隧道，上行直通線(右線)隧道出口里程為XDyK236+717， 下行貨車線隧道出口里程為XHK236+950。該隧道為1雙線3單線結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)分為左線(直通線(雙線)、下行貨車線(單線)、下行客車線(預(yù)留單線))、右線(上行直通線(單線))。雙線長2 145m，變斷面段長 435m，單線長3 099m，斜井長201m，隧道全長5 679m。陽安二線直通線包灣村隧道平面如圖1所示。

圖1 隧道平面示意

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道地層為第四系全新統(tǒng)洪積膨脹土、坡積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、膨脹土、粉土、粗圓礫土，中更新統(tǒng)沖積膨脹土；下伏基巖為志留系下統(tǒng)片巖，緊鄰南秦嶺活動帶，正處秦嶺峰腰構(gòu)造南端，呈近東西向分布。受多次構(gòu)造活動的影響，其內(nèi)部組成與構(gòu)造變形十分復(fù)雜。隧道區(qū)的地下水主要為基巖裂隙水，賦存于巖體節(jié)理、裂隙及斷層破碎帶中，富水性差異較大，在巖體較完整地段，富水性較差；在巖體破碎帶、節(jié)理密集及斷層破碎帶，富水性較好。

2 工程重難點

1)分岔式隧道小凈距內(nèi)涉及分離段、小凈距段、連拱段和大拱段，隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、工序轉(zhuǎn)換頻繁導(dǎo)致其各接頭處施工難度大。

2)連拱隧道施工工藝復(fù)雜，施工技術(shù)要求高，易造成隧道開裂現(xiàn)象，施工質(zhì)量要求高。

3)隧道斷面面積從114.03m2逐漸過渡到201.28 m2， 涌水大斷面喇叭口支護(hù)難度大。

3 施工技術(shù)要點

3.1 施工工藝流程

第1個喇叭口斷面由雙線經(jīng)過6次斷面加寬轉(zhuǎn)換為2個單線斷面，第2個喇叭口斷面由單線經(jīng)過3次斷面加寬轉(zhuǎn)變?yōu)?個單線斷面。斜井施工完畢進(jìn)入第2個喇叭口，在交叉口第1次洞室轉(zhuǎn)換后雙向進(jìn)行正洞施工。大里程端變斷面施工完畢，在兩單線間采用開挖中導(dǎo)洞、澆筑中隔墻法施工，完成下行客車線和下行貨車線38m的小凈距段施工，小凈距最窄處為0.84m，最寬處為3.6m。小里程單線施工至第1個喇叭口處，采用臨時導(dǎo)洞法，從單、雙線交界處斜交10%的坡度，完成單線至大跨段正洞的挑頂工作，使單線進(jìn)入雙線正常斷面，隨后反向擴(kuò)挖完成單線斜交進(jìn)入雙線斷面段落的正洞擴(kuò)挖工作。最后采用控爆法完成上行直通線與下行直通線120m的小凈距段施工。

3.2 確定開挖工藝

3.2.1開挖方法

隧道施工過程為隧道開挖→開挖空間支護(hù)→襯砌，維持開挖面穩(wěn)定→澆筑永久襯砌結(jié)構(gòu)。

各開挖方法施工參數(shù)如表1所示。通過對不同施工組織情況下各開挖方法進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明三臺階開挖法更適于本工程隧道喇叭口段施工。

表1 5各開挖方法施工參數(shù)對比

3.2.2爆破設(shè)計

按設(shè)計采用臺階法爆破，爆破進(jìn)尺為2.5m，上、下斷面開挖，炮孔直徑均為40mm，藥卷類型為φ32mm×200mm，采用2號巖石乳化炸藥，周邊眼采用半節(jié)藥卷間隔裝藥，并通過導(dǎo)爆索連接，每3根導(dǎo)爆索通過1個毫秒延期雷管進(jìn)行連接，其余炮眼均采用連續(xù)裝藥炮泥堵塞，長度≥20cm。

3.3 地層加固措施

針對陽安二線隧道分岔大跨段地層加固，在有條件的地段采用了地表加固施工，在無條件的地段進(jìn)行了洞內(nèi)超前帷幕注漿加固，以降低洞內(nèi)開挖風(fēng)險。

3.4 分岔段初期支護(hù)

開挖一定距離后，及時加設(shè)支護(hù)是施工的重要環(huán)節(jié)。分岔大跨度截面初期支護(hù)由C25纖維噴射混凝土、雙層工字形鋼架、鋼筋網(wǎng)和連接筋組成。采用內(nèi)、外雙層支護(hù)，開挖初期架設(shè)外層鋼架，隨著開挖深度增大，外層鋼架架設(shè)3～5m后，架設(shè)內(nèi)層鋼架。分岔大跨段二次襯砌采用雙臺車同步施工，并保留臨時支撐。

3.5 防水施工

分岔大跨段防水采用排導(dǎo)形式，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。

3.5.1洞內(nèi)防排水

1)隧道單線地段設(shè)置雙側(cè)水溝，雙線地段設(shè)置雙側(cè)水溝+中心水溝。為保證隧道內(nèi)縱向排水順暢，XDK235+548—XDK235+788喇叭口段兩側(cè)水溝深度由72cm加深至128cm，溝底與單線隧道溝底齊平。單線變雙線喇叭口施工時，施作臨時水溝，在斜井與正洞的交叉口處預(yù)留邊長2m、深1.5m積水坑。施工區(qū)域內(nèi)，每隔50m在仰拱填充上留寬1m、長6m、深1m積水坑，分段抽排。

2)對于洞身中地下水較多的V級圍巖、軟弱破碎帶地段、下穿溝谷地段，可采取超前預(yù)注漿措施加固地層并阻水。

3)襯砌拱墻后設(shè)防水板(厚度≥1.5mm)，背襯無紡布(質(zhì)量≥400g/m2)，拱墻環(huán)向及墻角縱向分別設(shè)φ50，φ80mm單壁打孔波紋管，并與側(cè)溝相連，環(huán)向盲溝間距按4～9m考慮，地下水發(fā)育時應(yīng)密布透水管。

4)施工縫和變形縫應(yīng)采取可靠的復(fù)合防水措施。環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+外貼式橡膠止水帶，縱向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+中埋式橡膠止水條；變形縫采用中埋式橡膠止水帶+外貼式橡膠止水帶+嵌縫材料的復(fù)合防水結(jié)構(gòu)。

5)隧道初砌混凝土抗?jié)B等級要求大于P10，且在地下水發(fā)育等對混凝土腐蝕嚴(yán)重的地層，混凝土抗?jié)B等級不得低于P12，此時應(yīng)充分利用初砌結(jié)構(gòu)的自防水性能。

3.5.2洞外防排水

1)隧道洞口應(yīng)具備完善的排水系統(tǒng)，隧道進(jìn)出口邊仰坡開挖線以外每5～10m設(shè)置1道截水溝，引入洞前沖溝內(nèi)。

2)斷面XDK235+890處隧道下穿淺埋溝谷，溝中流水，部分地段位于第四系地層中，采用M10漿砌片石對溝心上游30m至下游20m進(jìn)行鋪砌，鋪砌厚度為30cm。

3.6 隧道通風(fēng)施工

為保證隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，采用單管壓入式通風(fēng)方式進(jìn)行隧道通風(fēng)。在距隧道洞口30m處安裝1臺通風(fēng)機(jī)，采用耐腐蝕的大口徑PVC材質(zhì)管道作為通風(fēng)管道。隨著隧道開挖深度的增大，不斷接長通風(fēng)管至距掌子面50m范圍內(nèi)。在距隧道洞口300m污濁空氣中安裝1臺射流風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)，以加速污濁空氣排出。

4 加寬斷面受力及變形分析

斷面加寬處面積突然增大，施工對圍巖的擾動區(qū)域增大，應(yīng)力釋放過程加快，釋放的圍巖壓力增加，導(dǎo)致圍巖累積變形量增大，襯砌受力增大，即斷面加寬處為危險截面。通過有限元軟件MIDAS/NX建立二維模型，模擬分析加寬斷面開挖時的隧道圍巖變形、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。以典型斷面XDK235+220和XDzK235+788為例分析洞室開挖過程中隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形狀態(tài)。

4.1 洞室周邊圍巖變形分析

隧道全部開挖支護(hù)完成后，斷面XDK235+220和XDzK235+788圍巖變形情況如圖2，3所示。

圖2 圍巖豎向位移云圖

圖3 圍巖橫向位移云圖

由圖2，3可知，本段隧道屬于深埋隧道，圍巖形成自然拱，圍巖的變形量及其影響在一定范圍內(nèi)，上臺階拱腳處和仰拱處收斂位移變化趨勢較大。依設(shè)計要求，本項目施工過程中地層變形控制值為15mm，依據(jù)新奧法進(jìn)行隧道施工，襯砌及時，加寬斷面圍巖變形雖有一定的影響范圍，但從數(shù)值上看，斷面XDK235+220豎向最大變形量為1.58mm，橫向最大變形量為0.57mm；斷面XDzK235+788豎向最大變形量為1.96mm，橫向最大變形量為0.44mm，均滿足變形控制要求。

4.2 襯砌受力分析

隧道開挖完成后，分析斷面XDK235+220和XDzK235+788支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，最大應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

由圖4可知，由于采用臺階法施工，開挖斷面受到多次地層作用，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力大部分呈現(xiàn)負(fù)值，對應(yīng)為壓應(yīng)力，符合襯砌混凝土的受力特性；隧道支護(hù)初期階段，雖然小部分支護(hù)結(jié)構(gòu)所受最大拉應(yīng)力超出其極限拉應(yīng)力，但由于其范圍分布較小，并未造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失效現(xiàn)象，符合混凝土受力一般特征。

從數(shù)值模擬結(jié)果看，加寬斷面處雖然對圍巖的擾動區(qū)域增大，但應(yīng)用新奧法“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”的理念，最終圍巖變形量和壓力均在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

1)以陽安二線直通線包灣村隧道工程為背景，根據(jù)工程地質(zhì)、水文等條件，分析全斷面法、分部開挖法和臺階開挖法對大跨分岔式隧道的適應(yīng)性，最終確定了三臺階開挖的隧道開挖方案，并對三臺階開挖方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2)通過對加寬斷面處數(shù)值模擬，分析了加寬斷面開挖時的隧道圍巖變形、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，同時結(jié)合實踐發(fā)現(xiàn)，斷面加寬處面積突然增大，施工對圍巖的擾動區(qū)域增大，應(yīng)力釋放過程加快，釋放的圍巖壓力增加，圍巖累積變形量增大，襯砌受力增大。采用合理的斷面漸變結(jié)構(gòu)、超大斷面的合理分塊、保留臨時支撐施作二次襯砌等技術(shù)是保持隧道穩(wěn)定性的有效措施。