復雜環(huán)境下鐵路柔性鋼棚洞施工關鍵技術*

張立華,張 林,張利軍

(中鐵二十局集團第四工程有限公司,山東 青島 266061)

0 引言

隴海線是我國重要的鐵路大動脈,寶天段更是連接關中與西北的重要通道,隨著時間的推移,南北崖隧道出口病害問題愈發(fā)突出和險峻,隧道出口坡面大,無法建造混凝土明洞,同時又緊鄰國道310、渭河河道,存在坡面危石掉落風險,危及隴海鐵路及國道行車安全,屬于西安鐵路局一級防洪點,是鐵路局多年來未能解決的難題。

病害區(qū)域屬于低中山渭河峽谷區(qū),山勢陡峻,河流曲折,地面高程768.000(河床)～1 030.000m(山頂),相對高差262m。隧道出口仰坡高約230m,坡度70°～85°,中下部近于直立,基巖裸露,坡面方向與鐵路走向近一致,坡面植被較差。鐵路隧道出口緊接渭河大橋,隧道出口與橋梁下方是國道310和渭河河道,如圖1所示。每年6月以后進入汛期。

病害整治方案的比選如下。

常規(guī)做法是采用“混凝土明洞”“型鋼立柱+型鋼棚洞”“輕型拱形棚洞”[1]或“波紋鋼板棚洞”[2]或 “T構基礎+型鋼棚洞”[3]等形式的防護結構。但該處地形由于國道與河道原因無法設置這些結構的基礎,必須另覓思路,尋求新途徑和方法。

根據(jù)現(xiàn)場地形情況,擬采用“橋式基礎+ 柔性防護棚洞”[4],該方案兼顧了鐵路危巖防護、國道交通和河道泄洪不受影響,巧妙解決了復雜環(huán)境下危巖防護難題。總體結構如圖2所示。

圖2 鋼棚洞示意

1 柔性鋼棚洞結構設計

1.1 鋼棚洞下部結構設計

棚洞下部結構采用在既有橋梁兩側獨立設置樁基礎、承臺、墩柱和隧道洞室等結構。

1)樁基礎于既有橋梁兩側分別各新增4根φ1.25m樁,樁長29m,樁中心橫向間距3.5m、縱向間距3.4m。樁基礎采用C35鋼筋混凝土。

2)承臺采用C35鋼筋混凝土結構,于既有橋梁兩側分別各新增1座矩形承臺,尺寸為5.7m×5.8m× 2.5m(長×寬×高)。

3)采用矩形實體橋墩,為C40鋼筋混凝土結構,尺寸為2.5m×3.6m(縱×橫),高32.5m(含既有橋梁軌面以下26.1m、軌面以上6.4m)。

4)新建2個洞室呈城門形,開挖尺寸為5.04m×5.44m(寬×高),分別位于既有鐵路隧道左、右側,中心距24.83m,縱向深度分別為8,11m。洞室設計為馬蹄形斷面,采用復合式鋼筋混凝土襯砌結構。

1.2 上部結構設計

上部結構為2根縱梁、8根縱梁橫向纜索、鋼棚架。縱梁采用箱梁,尺寸為2.43m×2.43m(寬×高),長37.1m。兩側鋼箱梁中心距24.83m,橫向采用纜索對拉減少水平力作用。縱梁一端與橋墩剛接,另一端插放到隧洞中,隧洞內建設承臺,承臺上設置縱向2個活動支座。鋼棚架為9榀拱架用12道縱向拉桿(鋼管)栓接成一個整體,拱架上方鋪設柔性網(wǎng),用于彈性接收掉落危石[5],耗散落石能量[6],如圖3所示。

圖3 柔性防護棚洞結構示意

1.3 附屬結構設計

附屬結構包括:防止落石滾落至國道的縱梁頂面雙側格柵網(wǎng)、防止落石滾落至鐵路的柔性防護棚洞末端攔阻網(wǎng)(見圖4)、靠山側柔性網(wǎng)與山體的縫合結構、橋墩上維修爬梯、危石預應力錨索加固等。

圖4 鋼棚架吊裝就位及平臺支架、附巖腳手架

2 關鍵施工技術

南北崖隧道出口病害整治工程采用柔性鋼棚洞對線路進行危石防護,存在臨近既有線路、水中橋墩及國道施工,作業(yè)面受到極大限制;工程類別涉及隧道、橋梁、鋼結構等工程,具有風險高、技術難度大、工期緊的特點。經查閱,該柔性防護棚洞方案屬世界最大跨度柔性鋼棚洞,國內首例,施工難度和安全風險國內少有。

2.1 臨近既有線隧道高空隧洞施工關鍵技術

由于臨近既有線隧道,凈距只有3.1m,不能采用爆破施工,同時開挖的隧洞為片麻巖地質,非常堅硬。根據(jù)設計圖紙及現(xiàn)場巖體分析:寶雞側隧洞巖體堅硬,但節(jié)理發(fā)育,完整性較差,裂隙交叉較多,利用水磨鉆施工減少施工擾動,對巖體穩(wěn)定性破壞較小,對該洞室采用“水磨鉆+劈裂取芯”方案,并將斷面分為上下臺階法施工;天水側隧洞巖體較硬,節(jié)理發(fā)育,裂隙少,圍巖完整性較好,靜態(tài)爆破[7]效率較高,對該洞室采用“靜態(tài)爆破+劈裂取芯”方案,并采用全斷面法施工。

主要施工要點如下。

1)左洞采用電動機與鉆筒在開挖輪廓線鉆孔取芯,使鉆孔處形成周邊槽,以周邊槽作為臨空面,用液壓劈裂機分裂巖體,向周邊槽道方向劈裂巖塊。劈裂自上而下分裂巖塊,人工撬落。

2)右洞按測量輪廓線鉆孔后,將膨脹劑和水按一定比例拌成流質狀,并進行充分攪拌后,分次倒入已鉆好的鉆孔內,24h后,利用劈裂器對中部巖體進行破碎,由上往下逐步進行[8]。

3)劈裂機將巖體分裂后,分裂巖塊隨時由人工將石塊用手推車運至掌子面以外的平臺上臨時堆放,然后集中采用起重機倒運至指定堆放棄碴點。

4)由于洞口處在幾乎直立的坡面上,下方即是國道,進洞開挖無作業(yè)面,也無出碴的通道,所以需搭設一個平臺作為開挖和出碴作業(yè)面,并兼作國道的安全防護門洞。鋼縱梁架設前的貝雷梁支架如圖4所示。采用鋼管貝雷梁支架形式,頂面鋪設鋼板并支立鋼板圍擋,避免石碴掉落危及行車安全。

2.2 水中墩施工關鍵技術

1)原河道如圖1所示,水流位于河道右側。為減小新建鋼棚洞墩柱對排洪水流的影響,新建墩柱與既有墩柱處在同一橫斷面位置。根據(jù)施工期間水流的情況,選用改移河道的方案,將水流通過開挖堵截方式改移到河道左側。由于渭河在該處為彎道,水流湍急,對岸堤沖刷嚴重,所以需對迎水面采用大石塊和石籠進行圍護。

2)在開挖方式方面對鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、混凝土沉井和放坡開挖等方案進行比選[9],從可行性、經濟性、安全性和施工周期等幾個方面綜合考慮,最終選取了放坡開挖方案。

3)承臺基坑開挖6m,因地質為砂礫石,透水性強,又易坍塌,故在基坑周邊采用黏土改良,形成透水性差的“堵墻”。放坡開挖形成臺階,底層臺階處的承臺采用鋼模板支護。基坑一個角落挖出集水坑,采用大功率水泵抽水。然后按標準工藝進行承臺施工。

4)針對鉆孔樁采取旋挖鉆和沖擊鉆配合使用鉆孔,墩柱采用翻模施工工藝。

2.3 鋼結構安裝關鍵技術

2.3.1安裝制約因素

1)環(huán)境因素 鋼結構的吊裝跨越國道310、渭河、隴海鐵路。起重機站位只能在河道內,棚架預拼裝、鋼縱梁進場放置、起重機站位及輔助工具放置都需進行合理規(guī)劃。

2)時間因素 鋼結構吊裝分別有臨近既有線和跨既有線施工,這都需在天窗點內完成。

3)質量與體積因素 鋼結構分為2個部分,第1部分是鋼縱梁,重113t;第2部分是鋼棚架,重60t。鋼縱梁全長37.1m,寬和高都為2.43m,鋼棚架長24m、寬24.83m,平面面積接近600m2,高5m,是一個拱形巨型柔性支架,為當前世界最大跨度鐵路柔性鋼棚洞。

4)高度因素 鋼結構吊裝高度>34m。

5)運輸因素 鋼結構需考慮從外地工廠運至現(xiàn)場的道路限載要求,同時進場受到新冠肺炎疫情防控制約,現(xiàn)場需按鋼結構進場有關屬地政策規(guī)定,提前做好個人健康檢測和屬地提前報備。

2.3.2主要吊裝方案選擇

通過對吊裝質量、吊裝半徑、吊裝高度等因素綜合計算,采用650t汽車式起重機進行吊裝。

1)鋼縱梁吊裝 鋼縱梁長37.1m,對整體式吊裝、兩段式吊裝、三段式吊裝進行比選,選擇兩段式吊裝方案。兩段式吊裝優(yōu)點為:①兩段式分為洞室段22m、橋墩段15m,前期作為洞室施工的鋼平臺改造成縱梁支撐架,便于承受縱梁荷載與縱梁接縫焊接。支撐架的兩頭鋼管柱仍采用單排鋼管樁,但分別與山體和橋墩進行適當橫向連接,增加橫向約束減小壓桿失穩(wěn)傾向,保證了支撐的整體穩(wěn)定性[10]。兩段式吊裝質量較恰當,符合起重機選型與環(huán)境條件。②22m段采用四吊點三節(jié)段,使進入洞室的節(jié)段長度正好滿足洞室深度要求。鋼縱梁如圖4所示。③時間上可與天窗時間完美結合,不會出現(xiàn)對一個天窗點的浪費情況。左、右2根鋼縱梁吊裝就位后進行接縫焊接,然后進行鋼縱梁與橋墩的剛接和隧洞內鋼縱梁與支座的位置精調和連接。

2)鋼棚架吊裝[11]鋼棚架施工難點為:①整體現(xiàn)場預拼裝后的平面面積接近600m2,立面為拱形柔性結構,吊裝需考慮吊裝變形控制。②鋼棚架與鋼縱梁設計為栓接,共有18個栓接法蘭支座。需考慮所有法蘭支座上的所有螺栓孔精準對位才能進行螺栓連接,難度極大。

針對以上難點,分別選取以下方案:①優(yōu)化棚架吊裝形式,增加吊裝框架,在棚架頂部對稱放2根長24m雙拼I40,工字鋼在橫向拉桿第4與第5根中間位置縱向放置,與每榀拱架通過U型卡連接,在每根工字鋼上設置4個吊耳平均分布。這樣便可讓9榀拱架均勻受力減少變形量,整體實際變形量控制在2cm以內。②鋼棚架與縱梁間栓接支座的安裝采用先栓接后焊接工藝,即上、下栓接法蘭板先栓接好后懸掛到鋼棚架上,一起吊裝到位后進行位置調整,然后進行支座在縱梁上的焊接施工。該工藝未改變鋼棚架與縱梁的栓接特性,但大大減小了施工難度,縮短了施工時間。

3)鋼纜索安裝 施工難點為:連接縱梁的8根纜索如果逐根安裝需多個天窗點,而且在鐵路上方吊裝柔性纜索對鐵路接觸網(wǎng)有較大危險。采用先懸掛在鋼棚架上“攜帶”吊裝,就位后再轉換到縱梁鋼索錨具上進行安裝,減小了安裝難度,減少了對既有線的影響和安全風險。即在棚架拼裝完畢后分別將8根鋼纜索放在每榀拱架間的中間位置并對準錨具位置用倒鏈拉緊,中間用5根均勻分布的麻繩將鋼纜索懸吊,懸吊高度基本水平,方便纜索安裝,如圖4所示。安裝完成后抽除麻繩。

2.4 陡峭坡面危石預應力錨索加固措施

1)首先需搭設附巖腳手架[12]根據(jù)山體坡面情況用鋼卷尺拉直,分出立桿位置,并用油漆點出立桿標記;墊板、底座應準確放在定位線上,墊板必須鋪放平整,不得懸空。立桿在頂部搭接時,搭接長度≥1m,必須等間距3個旋轉扣件固定,端部扣件蓋板邊緣至搭接縱向水平桿桿端距離≥100mm。某些桿件需隨山體的變化做成傾斜狀,為使桿件與山體附著牢固,采用加工連墻件方式固定。附巖腳手架如圖4所示。

2)錨索鉆孔采用潛孔沖擊式鉆機 該鉆機所配鉆桿統(tǒng)一規(guī)格,按錨索設計長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊,鉆桿用完,孔深也恰好到位,鉆孔深度13～25m, 孔距3m。因施工場地因素影響,錨索在現(xiàn)場編束完成后,采取人工+起重機協(xié)同安裝,安裝時暫時封閉國道。安裝錨索后立即進行預制混凝土錨板安裝,并初步進行加壓固定。

2.5 施工監(jiān)測

1)由于既有鐵路隧道口存在危石,時刻影響現(xiàn)場施工安全,在進場后對山體危石進行標記,做好監(jiān)測點,每天監(jiān)測,并形成記錄,特別是錨索鉆孔時鉆機的振動可能會加大危石滑落可能,隨之監(jiān)測頻率進行調整。

2)新建洞室開工前對既有隧道進行無損檢測,并做好監(jiān)測點,形成報告,與工務段進行溝通確定缺陷位置,施工時再次進行檢測,觀察監(jiān)測點的變動情況,及時了解既有隧道變動情況,待工程結束后最后進行檢測,確定對隧道的擾動情況。

3)鋼結構安裝前進行支撐體系檢測,做好數(shù)據(jù)記錄,在安裝過程中隨時進行沉降、位移監(jiān)測,并與之前數(shù)據(jù)進行對比,待鋼結構安裝完成后,拆除支撐體系,進行力學轉換再次進行沉降觀測,確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定符合要求。

3 結語

這座世界最大跨度柔性鋼棚洞歷時4個多月建設完成,經過相關部門的竣工驗收[13]。施工過程中未發(fā)生任何安全事故,使用過程中各部位結構安全穩(wěn)定,性能優(yōu)良。