談既有鐵路隧道改擴(kuò)建開挖施工技術(shù)

彭 博

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

隧道改擴(kuò)建工程作為鐵路建設(shè)中的重要環(huán)節(jié),面臨著多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將著重探討既有鐵路隧道改擴(kuò)建工程中的開挖施工技術(shù),這在整個工程過程中具有關(guān)鍵作用。隧道襯砌狀況的評估以及在開挖過程中的合適方法選擇,都將直接影響到施工的效率和安全。

1 既有隧道襯砌狀況及問題

1.1 工程概況

本項(xiàng)目為既有下行線三房隧道改擴(kuò)建工程,該隧道建成于1935年,隧道起訖里程為K299+256—K299+492,全長236 m,隧道建筑限界為內(nèi)燃,曲墻結(jié)構(gòu)襯砌,隧道為單側(cè)水溝。既有三房隧道模注混凝土二次襯砌,隧道襯砌裂縫較多,環(huán)向裂縫、拱頂縱向裂縫以及斜向交叉裂縫均有。襯砌表面漏水腐蝕較普遍,隧道進(jìn)口30 m處右側(cè)拱腰位置襯砌存在較大表面腐蝕及掉塊一處,腐蝕面積約(20×20) cm2,腐蝕面積中間有一處掉塊孔洞,孔洞約10 cm。改建三房隧道起訖里程為K299+233—K299+461,全長228 m,為單線電化鐵路隧道;隧道最大埋深約 37 m。全隧位于R=396的曲線上,洞身設(shè)計(jì)縱坡為 11.6‰的單面上坡。

1.2 施工特點(diǎn)與挑戰(zhàn)

既有隧道改擴(kuò)建工程的施工特點(diǎn)包括對現(xiàn)有線路的干擾最小化、空間有限、工期緊迫、臨近運(yùn)營既有線等。由于隧道周圍的空間有限,施工設(shè)備和材料的進(jìn)出需要精確規(guī)劃,以最大限度地減少對周邊環(huán)境的影響。

1.3 原有襯砌拆除風(fēng)險(xiǎn)

在既有隧道改擴(kuò)建工程中,原有襯砌拆除階段面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)樵幸r砌可能因年代久遠(yuǎn)或外部因素的影響而出現(xiàn)裂縫、腐蝕等問題,增加了其在拆除過程中剝落的潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1.4 低等級圍巖施工難點(diǎn)

低等級圍巖在隧道改擴(kuò)建中常常表現(xiàn)出較弱的力學(xué)性質(zhì),從而對施工的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。在隧道開挖過程中,低等級圍巖容易發(fā)生塌方、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,從而直接影響施工的進(jìn)度和安全性。

1.5 地下水對施工影響

地下水在隧道改擴(kuò)建施工中扮演著重要角色。地下水的涌入可能導(dǎo)致施工現(xiàn)場積水,對施工進(jìn)度和質(zhì)量造成直接影響。此外,地下水的壓力也會對圍巖穩(wěn)定性造成不良影響,可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[2]。

2 開挖方法選擇

2.1 常規(guī)開挖方法

1)手工法。手工法是一種人力開挖的方式,適用于小范圍和相對簡單的工程,如小型隧道斷面或有限的作業(yè)空間。在本工程中,手工法的效率通常較低,難以滿足工程進(jìn)度要求。2)機(jī)械法。機(jī)械法是通過使用工程機(jī)械進(jìn)行開挖,以提高開挖效率。在機(jī)械法中,需要考慮機(jī)械的選擇、生產(chǎn)率估算和施工條件等因素。本工程工期緊迫,機(jī)械法開挖難以滿足工程進(jìn)度要求。

2.2 先進(jìn)開挖技術(shù)

1)預(yù)裂控制爆破技術(shù)。預(yù)裂控制爆破是在主爆區(qū)爆破之前沿設(shè)計(jì)輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫。以緩沖、反射開挖爆破的振動波,控制其對保留巖體的破壞影響,使之獲得較平整的開挖輪廓,滿足工程進(jìn)度要求。2)TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))技術(shù)。TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的隧道開挖方法,TBM技術(shù)的基本原理是利用機(jī)械設(shè)備,通過切削和掘進(jìn)的方式直接開挖地下隧道,同時進(jìn)行支護(hù)和襯砌,實(shí)現(xiàn)一體化的施工過程。三房隧道為短隧道,不適用此方法[3]。

3 開挖施工過程與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

施工前需根據(jù)Q/CR 9217—2015鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程做好地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,根據(jù)本工程特性采用地質(zhì)素描法和加深炮孔進(jìn)行驗(yàn)證預(yù)報(bào)。結(jié)合三房隧道實(shí)際情況應(yīng)包含以下幾點(diǎn):

1)開挖前探明襯砌的厚度及背后空洞情況,防止意外事故發(fā)生。2)通過開挖后掌子面的地質(zhì)描述、分析、判釋,確認(rèn)圍巖級別、風(fēng)化層厚度及其影響等。3)根據(jù)圍巖級別變化情況,及時修正支護(hù)參數(shù),調(diào)整施工方案。4)明確掌子面前方施工風(fēng)險(xiǎn),有無突泥、涌水、斷裂帶、溶洞等地質(zhì)情況,提高防范風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施。5)地層巖性:如軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土。6)地質(zhì)構(gòu)造:特別對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺構(gòu)造等。7)不良地質(zhì)發(fā)育情況。

3.2 臨時支撐安裝

既有隧道圍巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力已安全穩(wěn)定,在拆除既有襯砌過程中,內(nèi)部應(yīng)力將重新分布,影響隧道穩(wěn)定。所以在施工前進(jìn)方向的既有襯砌設(shè)臨時支撐結(jié)構(gòu),臨時支撐采用鋼支撐的支護(hù)方式,以防止不穩(wěn)定的襯砌塊在拆除過程中脫落。

3.3 超前小導(dǎo)管施作

小導(dǎo)管采用φ42 mm的鋼管制成,單根長度為4.5 m,沿管體呈梅花形每7.5 cm鉆φ6 mm對向出漿孔,前端封閉并制成尖狀,當(dāng)圍巖松軟時,用錘擊直接打入。小導(dǎo)管尾端采用φ6 mm鋼筋焊一圈加強(qiáng)箍,防止施工時導(dǎo)管尾端變形。首環(huán)導(dǎo)管施工前,噴射混凝土3 cm～5 cm封閉拱部開挖工作面裂隙,作為止?jié){墻,按環(huán)向間距40 cm布設(shè),外插角控制在10°～20°。漿液采用水灰質(zhì)量比為1∶1的水泥漿,注漿壓力控制在0.5 MPa～1 MPa,漿液將圍巖及小導(dǎo)管固結(jié)在一起,為下步工序提供安全保障。

3.4 擴(kuò)挖施工

在擴(kuò)挖施工過程中,確實(shí)需要精心策劃施工流程,以確保原有隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工效率和施工質(zhì)量。在擴(kuò)挖施工之前,利用預(yù)裂控制爆破技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)挖。三房隧道擴(kuò)挖最大尺寸為拱頂287 cm,拱腰227 cm,邊墻167 cm,仰拱114 cm(不含中心深埋水溝)。斷面擴(kuò)挖合計(jì)44 m2。各部位擴(kuò)挖尺寸見圖1。

以薩道夫斯基公式為基礎(chǔ),結(jié)合相關(guān)研究表明,隧道掘進(jìn)爆破,最大振動速度出現(xiàn)在掏槽孔,振動衰減參數(shù)K隨著段數(shù)的增加逐漸減少,α值基本保持不變。而三房隧道為擴(kuò)挖施工,通過利用已有臨空面的優(yōu)勢條件,選擇低猛度、低爆速炸藥,減少單響爆破炸藥用量,非電導(dǎo)爆管雷管毫秒延遲起爆,以及不耦合空氣柱間斷裝藥,充分發(fā)揮精確延時錯峰減振技術(shù),降低爆破振速[4-5]。

根據(jù)工程要求及地質(zhì)情況隧道擴(kuò)挖采取地下淺孔爆破方式,分三步開挖,即拱部、右側(cè)壁下部及仰拱、左側(cè)壁下部及仰拱。

三房隧道爆破開挖分兩臺階三步進(jìn)行,上臺階高6.25 m,下臺階高3.90 m,上下臺階縱向距離不小于15 m,分步圖見圖2。

爆破參數(shù)選取:

1)拱部(Ⅰ),斷面面積28.21 m2。拱部炮孔布置圖見圖3。

孔徑:40 mm;孔深:2 m;炮孔利用率:0.9;炸藥單耗q:0.65 kg/m3;單次爆破方量:28.21×2×0.9=50.78 m3;單次爆破炸藥量:50.78×0.65=33 kg;爆孔布置:周邊孔34個,輔助孔55個;單孔裝藥量:0.37 kg。拱部炮孔起爆網(wǎng)絡(luò)見圖4。

拱部爆破開挖裝藥參數(shù)見表1。

表1 拱部爆破開挖裝藥參數(shù)表

2) 左、右側(cè)壁下部(Ⅱ,Ⅲ),斷面面積8.16 m2。左右側(cè)壁下部炮孔布置見圖5。

孔徑:40 mm;孔深:2 m;炮孔利用率:0.9;炸藥單耗q:0.65 kg/m3;單次爆破方量:8.16×2×0.9=14.69 m3;單次爆破炸藥量:14.69×0.65=9.55 kg;爆孔布置:周邊孔15個,輔助孔22個;單孔裝藥量:0.26 kg。

左右側(cè)壁下部炮孔起爆網(wǎng)絡(luò)圖見圖6,爆破開挖裝藥參數(shù)見表2。

表2 左右側(cè)壁下部爆破開挖裝藥參數(shù)表

在洞口開挖時先進(jìn)行爆破試驗(yàn),從而選擇合理的爆破參數(shù),使鉆孔和爆破符合安全、質(zhì)量要求。在隧道開挖過程中,需要密切監(jiān)測巖體的變化,及時調(diào)整挖掘參數(shù),根據(jù)圍巖條件的變化隨時調(diào)整鉆孔和爆破方式,減少超欠挖和對圍巖的擾動。針對某些特定區(qū)域,可以考慮采用定向爆破技術(shù)。這種技術(shù)可以精確控制爆破方向和能量,從而控制巖體的破碎范圍,避免對周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)造成不必要的影響。定向爆破需要根據(jù)巖體的情況進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)和安全評估。

3.5 監(jiān)控量測

成立監(jiān)控量測小組,建立監(jiān)控量測管理制度,明確責(zé)任人,對三房隧道及上行線隧道進(jìn)行監(jiān)控量測,及時對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并上報(bào)。

1)三房隧道監(jiān)控量測。對三房隧道監(jiān)控量測的項(xiàng)目為拱頂下沉量測、水平相對凈空變化值的量測、地表沉降量測、洞內(nèi)外觀察。通過全站儀充分?jǐn)?shù)據(jù)反應(yīng)變化量。

2)上行線隧道。利用天窗點(diǎn)對上行線隧道進(jìn)行監(jiān)控量測斷面布置及監(jiān)控,監(jiān)控量測斷面布置為5 m一個,監(jiān)控布點(diǎn)同Ⅴ級圍巖地段,對個別病害嚴(yán)重點(diǎn)加設(shè)監(jiān)控點(diǎn)。監(jiān)控量測的項(xiàng)目為拱頂下沉量測及凈空變化量測,均使用全站儀進(jìn)行量測。同時指派專門人員,在三房隧道爆破過程中對上行線隧道襯砌進(jìn)行觀察。觀察上行線洞隧道襯砌在三房隧道爆破過程是否有掉塊和脫落等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

隧道改擴(kuò)建工程涉及復(fù)雜的工程環(huán)境和多個關(guān)鍵技術(shù),包括襯砌拆除與支護(hù)、擴(kuò)挖施工流程等。在面對既有隧道的襯砌問題時,詳細(xì)的拆除方案、臨時支護(hù)措施和監(jiān)測手段能夠確保拆除過程的安全性和可控性。