山嶺隧道超大斷面盾構(gòu)組裝洞室關(guān)鍵施工技術(shù)★

姚研究

(中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升,超大斷面隧道及地下工程的應(yīng)用越來越廣泛,結(jié)構(gòu)斷面尺寸也不斷加大,施工工藝及施工流程越來越復(fù)雜,施工難度也隨之增大。

為解決超大斷面施工難度大、工期緊的問題,國內(nèi)已開展了相關(guān)理論和施工關(guān)鍵技術(shù)的研究,如張少碩等[1]采用超前預(yù)注漿、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、超前中管棚、超前小導(dǎo)管等施工技術(shù),控制了隧道洞內(nèi)位移,確保了隧道穿越超大斷面斷層破碎帶的安全;昌進(jìn)[2]采用拱柱法施工超大斷面暗挖車站,在確保工程安全、質(zhì)量的同時(shí)可以縮減工期與成本,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯;鄢俊[3]在施工中采取管棚、管幕、分段分層開挖均衡減載、大直徑鋼管樁柱頂縱梁、底板低壓注漿等關(guān)鍵技術(shù),解決了復(fù)雜環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)下地鐵渡線段大斷面區(qū)間施工難題;王帥帥等[4]以實(shí)際地鐵車站工程為例,通過超大斷面二次襯砌臺(tái)車的應(yīng)用,減少豎向分層澆筑次數(shù)和支架模板工作量;陳彬[5]采用頂洞超前、分層下挖、核心預(yù)留、重點(diǎn)鎖定的開挖工法(簡稱“DFHZ工法”)進(jìn)行八達(dá)嶺長城站超大斷面過渡段暗挖施工;陳安惠等[6]采用雙層疊合初支拱蓋法進(jìn)行暗挖車站施工,具有工作面大、效率高、工序少、施工安全等顯著優(yōu)點(diǎn)和較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性;張業(yè)勤[7]以實(shí)際地鐵項(xiàng)目為例,針對(duì)超大斷面隧道施工中存在的小間距、淺埋偏壓及非對(duì)稱連拱工況,提出了不同條件下超大斷面隧道開挖方案和支護(hù)措施,確保了施工的安全性。

以上超大斷面施工主要為地鐵車站,高速鐵路隧道超大斷面施工較為少見,立體洞室、斷面積超過600 m2高速鐵路隧道工程在國內(nèi)尚屬首次。因此,本文以渝湘高鐵重慶長江隧道盾構(gòu)組裝洞室為依托,開展超大斷面施工關(guān)鍵技術(shù)研究,能夠推動(dòng)超大斷面隧洞工程設(shè)計(jì)和施工,進(jìn)而推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)組裝研究的發(fā)展。

1 工程概況

渝湘高鐵重慶到黔江段重慶長江隧道位于重慶市城區(qū)境內(nèi),全長11 942 m,為雙線特長高鐵隧道,屬Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道,是全線控制性重難點(diǎn)工程,是長江上游第一條高鐵穿江隧道、第一條穿越長江的高速鐵路盾構(gòu)隧道,被譽(yù)為“萬里長江高鐵第一隧”,隧道采取“4斜井”的輔助坑道方案,全隧設(shè)置五個(gè)工區(qū)組織施工。

穿越長江段采用盾構(gòu)法施工,位于2號(hào)斜井和3號(hào)斜井工區(qū)之間,施工長度3 845 m,于3號(hào)斜井工區(qū)設(shè)置盾構(gòu)組裝洞室作為盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)組裝施工場地,盾構(gòu)組裝洞室全長50 m,其中一般段15 m,下沉段35 m,斷面高度24.18 m～29.96 m,全段位于半徑為1 400 m的左偏緩和曲線上,設(shè)計(jì)縱坡為30‰的上坡,洞身線路高程171.561 m～174.111 m,埋深約149.23 m,圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),巖性為泥巖夾砂巖、砂巖夾頁巖,整體呈“蘑菇頭”斷面形式,最大開挖尺寸為寬25.54 m×高29.96 m,其中上部結(jié)構(gòu)寬25.54 m×高11.81 m,下部結(jié)構(gòu)寬20.2 m×高18.15 m,盾構(gòu)組裝洞最大斷面見圖1。

施工通道為3號(hào)斜井、1號(hào)支洞和2號(hào)支洞,其中3號(hào)斜井用于組裝洞下部結(jié)構(gòu)施工、盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)輸;1號(hào)支洞主要用于組裝洞上部結(jié)構(gòu)施工和部分下部結(jié)構(gòu)施工;2號(hào)支洞用于盾構(gòu)組裝時(shí)部分構(gòu)件運(yùn)輸,平面位置關(guān)系見圖2。

2 盾構(gòu)組裝洞室總體施工方法

盾構(gòu)組裝洞室總體采用分部分層臺(tái)階法施工,即先施工上部結(jié)構(gòu),待上部結(jié)構(gòu)襯砌施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后再施工下部結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)洞室采用中隔壁法光面爆破開挖支護(hù),初期支護(hù)完成后采用定制臺(tái)車進(jìn)行二襯施工,上部結(jié)構(gòu)二襯全部施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)預(yù)裂爆破施工,開挖按照“分段分層,邊開挖邊支護(hù)”的原則進(jìn)行,開挖到底后再分段模筑施工襯砌混凝土,組裝洞總體施工流程見圖3。

3 上部結(jié)構(gòu)施工方法

3.1 支洞轉(zhuǎn)組裝洞施工

1號(hào)支洞轉(zhuǎn)組裝洞施工,交叉口處受力復(fù)雜,采用控制爆破,分臺(tái)階開挖,開挖清渣后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)和臨時(shí)剛性支撐,過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測,確保施工安全。交叉口施工工序轉(zhuǎn)換如下:

1)交叉口施工。支洞施工至交叉口位置時(shí),拱形鋼架過渡成門型鋼架,并于門型鋼架端部各設(shè)置1組2根T51自進(jìn)式鎖頂錨桿,長度7 m。

2)轉(zhuǎn)換通道施工。從支洞分界處向正洞開挖時(shí),開挖寬度為施工通道開挖線外50 cm,沿開挖方向設(shè)置高度漸變(預(yù)留16 cm沉降量,防止欠挖)的門型鋼架,并于每榀門型鋼架頂部按3.5 m間距設(shè)置3組6根T51自進(jìn)式錨桿,為確保對(duì)應(yīng)“洞口位置”交叉口門型鋼架支撐到正洞鋼架上,提前進(jìn)行“挑頂”。

轉(zhuǎn)換通道采用臺(tái)階法分段開挖施工,每循環(huán)縱向開挖支護(hù)長度不大于1 m(2榀鋼架)。轉(zhuǎn)換通道系統(tǒng)錨桿垂直于開挖面打設(shè),系統(tǒng)錨桿為φ25 mm組合式中空注漿錨桿長度5 m,環(huán)距1.0 m×縱距0.5 m,梅花形布置。

3)體系轉(zhuǎn)換施工。在門型鋼架兩側(cè)各密排施工3榀Ⅰ25b主洞鋼架,與支撐門型鋼架焊接牢固,用于支撐門型鋼架形成整體框架。

拆除門型鋼架兩側(cè)豎撐,將門型鋼架荷載轉(zhuǎn)化至主洞密排整體鋼架及門型鋼架頂部自進(jìn)式錨桿上共同承擔(dān),轉(zhuǎn)換過程中,隨著門架拆除,及時(shí)施作中隔壁臨時(shí)鋼支撐。施工中拆除臨時(shí)門架支撐時(shí)應(yīng)逐榀拆除,過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測,不允許同時(shí)拆除多榀,拆除時(shí)要按照“先上后下”的原則進(jìn)行。

3.2 上部結(jié)構(gòu)開挖支護(hù)施工

上部結(jié)構(gòu)由1號(hào)支洞采用門型鋼架法挑頂進(jìn)入,轉(zhuǎn)換完成后,按正常中隔壁法進(jìn)行正洞開挖支護(hù)施工,施工步驟如下,上部結(jié)構(gòu)開挖示意見圖4。

1)①部開挖支護(hù)。在上一循環(huán)的超前支護(hù)防護(hù)下,弱爆破開挖①部,施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù):即初噴混凝土,架立鋼架(含臨時(shí)鋼架),并設(shè)鎖腳錨管,復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度,再鉆設(shè)徑向錨桿。每循環(huán)開挖不大于1.5 m(三榀鋼架)。

2)②部開挖支護(hù)。在滯后于①部5 m后,弱爆破開挖②部[8],施作導(dǎo)坑周邊部分初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)即初噴混凝土,鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)[9],架設(shè)邊墻和臨時(shí)鋼架,并設(shè)鎖腳錨管后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度,再鉆設(shè)徑向錨桿[10]。

3)③部開挖支護(hù)。在上一循環(huán)的超前支護(hù)防護(hù)下,弱爆破開挖③部并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),步驟及工序同①部開挖支護(hù),滯后①部15 m。

4)④部開挖支護(hù)。在滯后于③部5 m后,弱爆破開挖④部并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),步驟及工序同②部開挖支護(hù)。

3.3 上部結(jié)構(gòu)襯砌施工

上部結(jié)構(gòu)開挖支護(hù)完成后,根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果,確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)[11]。施工上部結(jié)構(gòu)襯砌前先進(jìn)行底部環(huán)向托梁施工,托梁鋼筋采用洞外分節(jié)綁扎成型,洞內(nèi)連接的方式,利用竹膠板整體澆筑,在竹膠板上預(yù)留與襯砌和底板接茬鋼筋。

3.3.1 襯砌鋼筋安裝

上部結(jié)構(gòu)二襯鋼筋在鋼筋廠統(tǒng)一加工,現(xiàn)場機(jī)械擠壓和綁扎連接安裝。襯砌長度53.25 m,厚度90 cm,襯砌鋼筋安裝時(shí),由于組裝洞上部結(jié)構(gòu)斷面較大,長度較小,空間有限,鋼筋及防水板鋪掛臺(tái)車安拆煩瑣、利用率低,工程采用盤扣式支架搭設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái),同時(shí)搭設(shè)兩模支架,可以保證工人安裝上部結(jié)構(gòu)各部位的鋼筋,綁扎完一模鋼筋,拆除后繼續(xù)向前面搭設(shè),共計(jì)6模。為防止二襯鋼筋安裝過程中鋼筋坍塌和向前傾覆,在綁扎鋼筋時(shí)在鋼筋內(nèi)部增加Ⅰ20 a鋼拱架,拱架間距3 m。

3.3.2 拱墻混凝土施工

拱墻襯砌采用智能全液壓模板臺(tái)車一次性澆筑,一次施工長度9 m,采用泵送“逐窗入模”施工工藝,模板臺(tái)車如圖5所示。襯砌臺(tái)車邊墻和拱部分別設(shè)置6排澆筑窗口,邊墻位置每排6個(gè),拱部每排4個(gè),每個(gè)窗口尺寸為0.5 m×0.5 m;端部設(shè)置10 cm軟搭接;拱頂設(shè)置3個(gè)φ125 mm混凝土澆筑口,與拱頂斜交角度60°,8個(gè)拱頂插入式振搗器與附著式搗固器聯(lián)合進(jìn)行搗固密實(shí);混凝土灌注前在隧道拱部預(yù)埋安裝5根RPC帶模注漿管,拱頂配套安裝頂部防脫空裝置,環(huán)向安裝排水板5道粘貼在防水板上,利用其在拱頂澆筑過程中排氣,待二襯混凝土施工完成2 h后,實(shí)施帶模注漿施工。

注漿采用專用制注漿一體機(jī),微膨脹注漿料,注漿結(jié)束標(biāo)志以排水板流出線狀濃漿即結(jié)束注漿。

在澆筑第一模襯砌時(shí),利用臺(tái)車為模板支撐體系,采用定型鋼模連同小里程側(cè)擋頭墻整體一次性澆筑。

4 下部結(jié)構(gòu)施工方法

4.1 下部結(jié)構(gòu)開挖支護(hù)施工

上部結(jié)構(gòu)施工完成后,由礦山法施工下部結(jié)構(gòu),預(yù)先在下部結(jié)構(gòu)開挖輪廓線位置進(jìn)行預(yù)裂爆破,再采用臺(tái)階法逐層控爆開挖,為防止爆破飛石等有害效應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,采用黏土炮泥堵塞炮孔、雙層炮被搭接覆蓋巖層上部,使用爆破振動(dòng)儀進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破設(shè)計(jì)。開挖順序見圖6。

1)上部結(jié)構(gòu)施工完成后,為保護(hù)下部結(jié)構(gòu)開挖時(shí)周圍巖體不受爆破影響,預(yù)先在下部結(jié)構(gòu)開挖輪廓線進(jìn)行預(yù)裂爆破。

2)由3號(hào)斜井1號(hào)支洞進(jìn)入進(jìn)行一級(jí)臺(tái)階中間拉槽開挖,槽寬6 m×深2 m,以增加臨空面和出渣工作面。

3)由3號(hào)斜井進(jìn)入正洞后轉(zhuǎn)向組裝洞方向進(jìn)行上坡開挖,進(jìn)入組裝洞后按臺(tái)階法分段分層開挖。下部結(jié)構(gòu)開挖高度14.85 m～18.05 m,全斷面分為4個(gè)臺(tái)階施工,兩側(cè)各留4 m寬保護(hù)層,每臺(tái)階高度3.5 m～5 m,自上而下開挖,每側(cè)每層按2次開挖,開挖長度25 m。

4)正洞洞身礦山法施工至組裝洞下部結(jié)構(gòu)斷面第一級(jí)臺(tái)階,并擴(kuò)挖出工作面。第一級(jí)臺(tái)階高度為3.5 m,兩側(cè)保護(hù)層分為2層開挖,第一層高1.5 m,第二層高2 m;第二級(jí)臺(tái)階高度為5 m,兩側(cè)保護(hù)層分為2層,每層高2.5 m;第三級(jí)臺(tái)階高度為5 m,兩側(cè)保護(hù)層分為2層,每層高2.5 m;第四級(jí)臺(tái)階高度為4.13 m,兩側(cè)保護(hù)層分為2層,第一層高2.5 m,第二層高1.63 m。

5)依次開挖⑤部、⑥部、⑦部,為了保證開挖連續(xù)施工,利用邊墻錨桿,鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土作為初期支護(hù),左右交錯(cuò)進(jìn)行錨桿肋柱施工。

6)當(dāng)施工至下沉段時(shí),將⑦部分為⑦,⑧兩部開挖,及時(shí)支護(hù)。

4.2 錨桿肋柱掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)施工

錨桿肋柱分段分臺(tái)階采用逆作法施工,分段長度為4 m(兩個(gè)肋柱施工范圍),開挖后肋柱間先進(jìn)行長度5 mφ25 mm,間距1 m×1 m砂漿錨桿打設(shè),然后進(jìn)行第一次掛網(wǎng)噴混凝土(15 cm),待分段肋柱施工完成后再掛網(wǎng)復(fù)噴混凝土(15 cm)。肋柱施工之前進(jìn)行錨桿束鉆孔和注漿施工,錨桿采用4根32HRB400鋼筋,長度8 m～14 m,間距2.5 m,錨孔直徑為180 mm,采用M30水泥砂漿灌注。

4.3 下部結(jié)構(gòu)邊墻襯砌施工

下部結(jié)構(gòu)邊墻襯砌根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)控情況,確定圍巖及初期支護(hù)變形穩(wěn)定后進(jìn)行施作,當(dāng)圍巖變形過大或者初期支護(hù)變形不收斂,又難以及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)時(shí),必要時(shí)可提前施作二次襯砌,此時(shí)二次襯砌應(yīng)加強(qiáng)[12]。

下部結(jié)構(gòu)底板施工完成后進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)邊墻及擋頭墻施工,下部結(jié)構(gòu)邊墻采用廠家設(shè)計(jì)定制加工鋼筋安裝一體化鋼模板襯砌臺(tái)車全斷面施工,一次施工長度9 m,最大高度18.55 m,共6模。由于組裝洞下部結(jié)構(gòu)一般段和下沉段高差1.7 m,且有30‰坡度,臺(tái)車采用上部加高模板的方式調(diào)節(jié)臺(tái)車高度,拆除上部加高模板2.75 m和相應(yīng)加高門架,可將臺(tái)車高度18.55 m調(diào)整為15.8 m;拆除上部加高模板2.58 m和相應(yīng)加高門架,可將臺(tái)車高度15.8 m調(diào)整為13.22 m,即可滿足施工要求。

臺(tái)車頂部設(shè)置主料斗和分料滑槽,與每層窗口入窗滑槽相連,上下交錯(cuò)布置2個(gè)振搗窗口和4個(gè)進(jìn)料窗口,間距1.4 m～1.7 m,端頭設(shè)置15 cm軟搭接。

邊墻鋼筋安裝,利用臺(tái)車操作平臺(tái)進(jìn)行,主筋接長采用機(jī)械直螺紋套筒連接。混凝土采用車載泵泵送混凝土“逐窗入模”,附著式搗固器與插入式振搗器聯(lián)合進(jìn)行搗固密實(shí),邊墻襯砌采用120 cm厚C35鋼筋混凝土。下部結(jié)構(gòu)擋頭墻同樣利用臺(tái)車作為模板支撐體系,采用定制鋼模與第一模邊墻襯砌整體一次性澆筑。鋼筋安裝一體化鋼模板襯砌臺(tái)車見圖7。

5 施工監(jiān)測

超大斷面盾構(gòu)組裝洞室設(shè)計(jì)及其支護(hù)在國內(nèi)均屬首次,為確保施工安全,拱頂沉降和凈空收斂采用隧道變形智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)測量,必要時(shí)進(jìn)行人工校核,確保數(shù)據(jù)連續(xù)、準(zhǔn)確;應(yīng)力監(jiān)測主要采用元器件埋入式進(jìn)行監(jiān)測。

監(jiān)測對(duì)象為工程支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍巖土體,主要監(jiān)測元器件有沉降監(jiān)測儀、收斂監(jiān)測儀、壓力盒、錨桿測力計(jì)、鋼拱架應(yīng)變計(jì)等,各監(jiān)測對(duì)象和監(jiān)測項(xiàng)目相互配套,滿足設(shè)計(jì)和施工要求,并形成有效的、相互參考和印證的監(jiān)測體系,監(jiān)控量測控制值見表1。

表1 設(shè)計(jì)監(jiān)控量測控制值

變形監(jiān)測依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》Ⅳ級(jí)圍巖間距為10 m,共設(shè)置4個(gè)斷面;應(yīng)力監(jiān)測設(shè)置3個(gè)斷面,其中在組裝洞受力區(qū)域設(shè)置2個(gè)監(jiān)測斷面,受力區(qū)域外設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面,利于數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)分析,監(jiān)測斷面布置見圖8,元器件布置見圖9。

6 結(jié)語

超大斷面盾構(gòu)組裝洞室設(shè)計(jì)及施工在國內(nèi)均屬首次,通過工程實(shí)踐,超大斷面盾構(gòu)組裝洞室采用分部分層臺(tái)階法施工,是科學(xué)合理、安全可行的,提高了施工效率,經(jīng)濟(jì)效益顯著,可為超大斷面隧道及地下工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工提供有益的借鑒和參考,也可在后續(xù)隧道穿越城市繁華區(qū)、江河復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)機(jī)在洞內(nèi)組裝提供經(jīng)驗(yàn)。