正交轉(zhuǎn)換通道暗挖隧道群快速施工技術(shù)研究

趙廣平

(中鐵隧道局集團建設(shè)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在城市軌道交通建設(shè)過程中,地鐵區(qū)間因運輸功能需要,經(jīng)常設(shè)計聯(lián)絡(luò)線與既有運營線路進行連接,或設(shè)計出入場線與車輛段、停車場進行連接,導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線、出入場線隧道與區(qū)間正線隧道交叉,需要共建施工,在線路交叉過渡段經(jīng)常設(shè)置轉(zhuǎn)換通道隧道群完成不同斷面隧道之間的過渡轉(zhuǎn)換。過渡段轉(zhuǎn)換通道隧道群隧道斷面多變、隧道凈距小、應(yīng)力集中,施工安全風(fēng)險高、施工工藝復(fù)雜、施工進度緩慢[1],是施工管控的重難點工程。

根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)條件、隧道群結(jié)構(gòu)形式,許多學(xué)者對隧道群開挖工法進行了研究。田瑞忠[2]針對巖溶地層地鐵正線與聯(lián)絡(luò)線接岔段洞室群暗挖施工進行了研究;王勇等[3-4]對超小凈距大斷面疊層隧道群施工技術(shù)難題進行了研究,分析了隧道群施工關(guān)鍵步序;仇文革等[5-6]對城市復(fù)雜隧道群中超小凈距夾巖穩(wěn)定性進行了研究;萬濤等[7]對超小凈距地鐵三洞隧道群施工動態(tài)進行數(shù)值模擬;王志剛[8]通過正交試驗和數(shù)值模擬兩種方法對群洞的施工工法、開挖順序等進行研究,確立合理的施工方案;文獻[9-11]對地鐵區(qū)間渡線施工方案進行了研究,介紹了超前預(yù)加固方案、施工順序、開挖方法以及隧道穿越重點部位的特殊加固方案等;吳發(fā)展[12]對五線并行淺埋特大斷面隧道群快速施工技術(shù)進行了研究;李迎春[13]對大跨度停車線段隧道群施工方案進行了研究;吳波等[14]建立數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用軟件對城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序進行了優(yōu)化分析;任立志等[15]對地鐵場段出入線超大斷面隧道群施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,解決了地鐵場段出入線超大斷面隧道群礦山法施工關(guān)鍵技術(shù)難題。

但通過正交轉(zhuǎn)換通道進行區(qū)間共建段道岔區(qū)隧道群施工研究還相對較少。基于此,以重慶軌道交通10號線蘭南區(qū)間地鐵正交轉(zhuǎn)換通道隧道群暗挖施工為例,總結(jié)正交轉(zhuǎn)換通道處多隧道群的施工技術(shù),對今后類似工程施工有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

1 工程概況

重慶軌道交通10號線二期蘭花路站—南湖站區(qū)間大里程端YK2+681.787—YK2+838.480為道岔區(qū)隧道斷面過渡轉(zhuǎn)換區(qū)段,轉(zhuǎn)換區(qū)隧道群位于市政主干道大石路下方。區(qū)間地質(zhì)構(gòu)造位于重慶向斜東翼,巖層傾向為270°～285°,傾角8°～12°;場地內(nèi)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土及殘坡積層,侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組中厚層狀的砂質(zhì)泥巖及砂巖沉積巖層,砂質(zhì)泥巖層厚0.8 m～2.2 m,局部可達4.7 m,巖石飽和單軸抗壓強度平均值6.5 MPa,為場地主要巖層;砂巖層厚一般0.7 m～1.4 m,巖石飽和單軸抗壓強度平均值28.7 MPa;隧道基巖整體含水性微弱,隧道群埋深24 m～32 m。隧道群采用暗挖法施工,暗挖結(jié)構(gòu)采用馬蹄形復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。隧道主要采用控制爆破開挖施工,爆破振速不應(yīng)大于2.0 cm/s,小凈距夾巖保護區(qū)后行洞主要采用機械開挖,正交轉(zhuǎn)換通道隧道群地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

過渡段內(nèi)設(shè)置斷面轉(zhuǎn)換I型斷面橫通道,在橫通道內(nèi)由區(qū)間正線引出聯(lián)絡(luò)線與正運營的環(huán)線連接,并引出蘭花湖停車場出入線左線,轉(zhuǎn)換橫通道I斷面小里程端從左往右分別為:區(qū)間左線6,停車場出入線左線7,區(qū)間右線5;轉(zhuǎn)換通道I斷面大里程端從左往右分別為:接南湖車站的單洞三線隧道3,聯(lián)絡(luò)線隧道4。該隧道群通過暗挖施工通道進行施工,施工通道采用汽車運輸,通往地面市政道路。正交轉(zhuǎn)換通道隧道群平面布置如圖2所示,正交轉(zhuǎn)換通道隧道群各斷面參數(shù)見表1。

表1 正交轉(zhuǎn)換通道隧道群各斷面參數(shù)統(tǒng)計表

2 總體施工方案

2.1 總體思路

本隧道群主要采用鉆爆法施工,小凈距夾巖保護區(qū)后行隧道主要采用機械開挖。考慮到區(qū)間正線大里程J斷面隧道斷面大、工程量大、進度慢,需盡快與車站小里程貫通,方便現(xiàn)場施工組織管理并提高通風(fēng)效果,聯(lián)絡(luò)線隧道長、斷面多、施工時間長,所以隧道群施工主攻方向為大里程端J斷面和聯(lián)絡(luò)線方向,優(yōu)先開挖貫通。

根據(jù)本隧道群特點及施工組織總體安排,研究確定采用“先上后下、先大后小、先兩邊后中間,以弱爆破為主、局部機械開挖,總體平行、分部有序錯開,加強監(jiān)測、二襯緊跟的總體施工組織思路”組織施工。

根據(jù)各隧道拱頂標(biāo)高不同,由上向下分層開挖支護;先施工大斷面隧道,后施工小斷面隧道;三洞并行的工況,首先施工兩側(cè)隧道,后施工中間隧道。先行隧道施工過程中采用控制爆破技術(shù)控制爆破振速,以便對后行隧道圍巖進行保護。先行洞與后行洞,以及三洞并行段隧道之間縱向距離應(yīng)至少錯開20 m,其中出入段線隧道需等左右兩側(cè)區(qū)間二襯完成后,方可進行中部出入線隧道開挖。隧道群總體施工方案及施工順序如圖3所示。

2.2 總體施工順序及方法

蘭南區(qū)間地鐵正交轉(zhuǎn)換通道暗挖隧道群總體施工順序及方法如下:

1)開挖支護施工通道隧道上臺階1-1,通過施工通道上臺階開挖支護區(qū)間正交轉(zhuǎn)換通道上臺階2-1。

2)開挖支護施工通道隧道下臺階1-2,通過施工通道隧道下臺階開挖支護轉(zhuǎn)換通道隧道的中臺階2-2,以中臺階作為施工平臺,開挖支護區(qū)間大里程J斷面隧道左側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階3-1,3-1施工20 m后同步開挖支護右側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階3-2;在I斷面隧道上中臺階通道內(nèi)進行J斷面隧道的洞口加固施工。

3)降坡開挖支護施工通道隧道下臺階1-2,逐步過渡到I斷面隧道的下臺階底板標(biāo)高,再開挖支護I斷面隧道下臺階2-3,修建臨時施工坡道由I斷面進入J斷面3-1部,以3-1部作為臨時施工通道從J斷面大里程向小里程端拆除核心土,雙側(cè)壁導(dǎo)坑中下臺階采用下臺階帶仰拱一次開挖施工,仰拱及仰拱填充和拱墻二襯結(jié)構(gòu)及時跟進施工。

4)I斷面底板開挖至標(biāo)高后,在J斷面施工的同時,首先施工聯(lián)絡(luò)線隧道4,聯(lián)絡(luò)線隧道開挖支護施工30 m后,在I斷面隧道的另一側(cè)小里程端同步施工隧道5洞口加固及5-1,5-2部臺階開挖支護;滯后下臺階5-2部20 m后進行區(qū)間小里程左線隧道6上下臺階6-1,6-2部開挖支護;滯后6-2部20 m后進行右線隧道5側(cè)壁導(dǎo)坑5-3,5-4部開挖支護。

5)區(qū)間小里程左線隧道6和區(qū)間小里程右線隧道5開挖支護完成后,進行隧道5,6的仰拱及二襯施工,隧道5,6二襯完成后再進行區(qū)間小里程中部隧道7的洞口加固施工。

6)機械法開挖支護區(qū)間小里程中部隧道7,并進行后續(xù)仰拱、二襯施工。

7)小里程端隧道5、隧道6洞口段二襯施工完成20 m后,才能開挖支護隧道3中部核心土剩余部分,并補齊剩余的仰拱、仰拱填充及拱墻二襯。

8)施工區(qū)間正交斷面轉(zhuǎn)換通道隧道2的仰拱及拱墻二襯。

I型斷面及各接口斷面施工中加強監(jiān)控量測,根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時指導(dǎo)施工。

3 施工組織及技術(shù)措施

3.1 轉(zhuǎn)換通道開挖及各區(qū)間進洞施工

隧道群斷面轉(zhuǎn)換橫通道隧道2從施工通道進洞施工,施工通道采用上下臺階法施工,施工通道隧道拱頂與橫通道I斷面拱頂相交處位于同一標(biāo)高,先由施工通道上臺階進入I斷面上臺階施工,開挖架立格柵鋼架噴漿支護,上臺階貫通后封堵上臺階端頭墻;因中下臺階開挖后,斷面較高,為避免后續(xù)J斷面?zhèn)缺隈R頭門進洞施工時在開挖臺架上施工鎖腳錨桿和超前小導(dǎo)管難度,在I斷面中臺階降底開挖前,應(yīng)提前測量標(biāo)識出J斷面?zhèn)葔︸R頭門開洞口范圍輪廓線,利用I斷面上臺階平臺,在設(shè)計割除拱架位置上方30 cm～40 cm位置施工鎖腳錨桿;施工通道中臺階降底進入I斷面中臺階開挖,I斷面中臺階開挖底板標(biāo)高與J斷面上臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖底板標(biāo)高一致,I斷面中臺階貫通后封堵中臺階端頭墻。

轉(zhuǎn)換通道I斷面上中臺階開挖支護完成后,因斷面尺寸變化,需根據(jù)區(qū)間J斷面?zhèn)缺趯?dǎo)坑斷面尺寸重新加工開挖臺架。利用新開挖臺架完成剩余馬頭門洞口鎖腳錨桿和超前小導(dǎo)管施工,施工參數(shù)及方法:開洞位置鋼架切割點處設(shè)置2φ25鎖腳砂漿錨桿,L=4.5 m,鋼架左右側(cè)各1根;斷面接口部位馬頭門位置設(shè)置2環(huán)環(huán)縱間距0.4 m×2.5 m,L=5.0 m的φ48×5超前小導(dǎo)管,并注水泥單液漿加固前方地層。割除J斷面?zhèn)缺陂_洞范圍用鎖腳錨桿已加固的拱架,按照一榀拱架長度開挖進洞,完成進洞第一循環(huán)開挖出渣后,洞口連立3榀格柵鋼架,并采用“L”型Φ22連接筋把橫通道側(cè)墻截斷的拱架端頭與洞口連立的三榀拱架焊接成整體,鋼筋焊縫長度單面焊10d,雙面焊5d。拱架內(nèi)外側(cè)掛雙層Φ8鋼筋網(wǎng)片,噴C25混凝土進行封閉,I斷面橫通道側(cè)壁開洞口施工加固如圖4所示。

后續(xù)聯(lián)絡(luò)線隧道4、小里程右線隧道5、左線隧道6均采用上述洞口加固方式進行加固,即鎖腳錨桿加固待割除洞口上方拱架→施工超前小導(dǎo)管→側(cè)墻馬頭門進洞范圍拱架割除→按照一榀拱架間距開挖進洞→洞口連立三榀拱架、拱架鎖腳錨桿、連接筋、掛網(wǎng)加固施工→開挖面噴漿封閉。

停車場出入線左線隧道7采用φ108×6洞內(nèi)超前大管棚進洞,管棚L(fēng)=25 m、環(huán)向間距0.4 m,入射角α=1°～3°。待兩側(cè)左右線區(qū)間隧道二襯施工完成后才能進行出入線隧道5暗挖進洞施工。由于交叉口處空間受力復(fù)雜,施工中應(yīng)加強圍巖監(jiān)控量測,并根據(jù)圍巖監(jiān)控量測結(jié)果,及時調(diào)整開挖方式和修正支護參數(shù)。

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑核心土拆除施工

大里程J斷面上臺階采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖進洞,初支采用間距0.75 m格柵鋼架支護,導(dǎo)坑底部設(shè)置Ⅰ20b鋼架臨時橫撐;中下臺階采用下臺階帶仰拱一次開挖法施工,上臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑貫通后,從大里程向小里程方向逆向開挖支護中下臺階,后續(xù)仰拱及仰拱填充、拱墻二襯及時跟進施工。

核心土拆除方法:從大里程端開始拆除,上臺階利用導(dǎo)坑開挖臺架進行拆除,每次拆除長度3 m～4 m,核心土拆除30 m～40 m后采用下臺階帶仰拱開挖中下臺階及仰拱,澆筑仰拱及仰拱填充混凝土10 m～15 m。后續(xù)拆除上臺階核心土、開挖中下臺階及仰拱,及時進行仰拱及仰拱填充、拱墻二襯結(jié)構(gòu)施工,在距施工轉(zhuǎn)換通道I斷面10 m時,應(yīng)保留5 m～10 m核心土巖柱,等隧道群小里程區(qū)間左右洞及聯(lián)絡(luò)線洞口二襯施工20 m后再進行拆除施工。

該施工順序安排保證了隧道3交叉口核心土拆除時區(qū)間小里程隧道5、隧道6及聯(lián)絡(luò)線隧道4洞口段襯砌完成20 m以上,并且隧道3二襯基本完成,保證了隧道3拆除交叉口處核心土的施工安全,最大限度保證了區(qū)間大小里程各隧道作業(yè)面的平行施工,提高了施工效率。大里程上臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖如圖5所示。

3.3 超小凈距段隧道施工措施

隧道群的失穩(wěn)是從夾巖失穩(wěn)開始的,即夾巖穩(wěn)定是洞群穩(wěn)定的關(guān)鍵因素;夾巖失穩(wěn)的原因為支護突然破壞后無法再為夾巖提供支護反力,本隧道群隧道夾巖厚度約為1.23 m～5.1 m,互為小凈距隧道。由于巖柱薄,巖柱一旦失穩(wěn)必然造成隧道局部失穩(wěn)等危害,而且后行隧道施工振動、圍巖條件改變對先行隧道結(jié)構(gòu)易造成損壞。為了工程安全實施,采用的主要技術(shù)措施如下:

1)先施工大斷面隧道,后施工小斷面隧道,先行隧道施工過程中采用控制爆破,振速不大于2.0 cm/s,以便對后行隧道圍巖進行保護,后行隧道主要采用機械開挖,以加強對巖柱圍巖保護減少擾動。先行洞與后行洞,開挖面縱向距離應(yīng)至少錯開20 m。三洞并行段,先施工兩側(cè)隧道,后施工中間隧道,隧道之間縱向錯開距離不小于20 m。

小里程出入線兩側(cè)區(qū)間隧道二襯完成后,方可進行中部出入線隧道開挖。大里程J斷面上臺階雙側(cè)壁導(dǎo)坑及聯(lián)絡(luò)線均采用控制爆破施工,J斷面上導(dǎo)坑與車站貫通后,從大里程端先機械開挖靠近巖柱保護區(qū)域3-5-1部位,再弱爆破開挖3-5-2部位,前后間距大于20 m,采用機械和弱爆破相結(jié)合的開挖方法能在確保施工安全的前提下提高開挖施工效率,加快開挖施工進度。

2)先行隧道施工往巖柱方向打設(shè)對拉錨桿,待注漿凝固后施作墊板和螺母,采用扭力扳手加以50 kN張拉力,對拉錨桿應(yīng)后行隧道初支層,并滿足張拉長度。對拉錨桿為中夾巖提供強力水平約束,并提高巖體力學(xué)性能,發(fā)揮擠壓加固作用[16]。

3)開挖后行隧道時首先施作超前支護和側(cè)墻超前巖柱加固超前小導(dǎo)管,環(huán)向間距0.4 m、縱向間距1.5 m、長度L=4.0 m,沿隧道縱向開挖線向外側(cè)15°～45°打設(shè),施工過程中應(yīng)根據(jù)夾巖厚度調(diào)整縱向斜插角度避免打入相鄰隧道結(jié)構(gòu)層。

4)后行隧道施工時找出對拉錨桿,施作墊板和螺母,并采用扭力扳手加以50 kN張拉力。

5)小凈距隧道的監(jiān)控量測應(yīng)將中間巖柱的穩(wěn)定性、地表沉降和爆破振動對相鄰隧道的影響作為重點。加強施工監(jiān)控量測,做到信息化施工及時根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和掌子面地質(zhì)條件優(yōu)化設(shè)計參數(shù),做到信息化施工動態(tài)設(shè)計。隧道群大里程端夾巖區(qū)保護及加固施工如圖6所示,隧道群小里程端夾巖區(qū)保護及加固施工如圖7所示。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本項目監(jiān)測范圍主要為隧道群施工范圍隧道內(nèi)變形監(jiān)測,拱頂?shù)乇砑白笥疫吔?0 m范圍內(nèi)建(構(gòu))筑變形監(jiān)測。根據(jù)GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[17],各監(jiān)測項目及控制值見表2,現(xiàn)場實測各監(jiān)測項目累計最大變化值見表3。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測項目及控制值

表3 現(xiàn)場實測各監(jiān)測項目累計最大變化值

施工過程中,隧道圍巖穩(wěn)定、變形量不大,所有監(jiān)測項目均在控制值內(nèi),未發(fā)生地表塌陷等事故,保證了施工安全,說明本施工方案是安全可控的。

5 結(jié)論

通過對重慶軌道交通十號線二期蘭南區(qū)間大里程,道岔區(qū)共建段正交轉(zhuǎn)換通道隧道群施工方案研究和實施,得到以下結(jié)論:

1)地鐵區(qū)間道岔區(qū)共建段正交轉(zhuǎn)換通道隧道群施工支洞多、斷面大、開挖工法多、工序多,施工前應(yīng)根據(jù)隧道群各支洞圍巖地質(zhì)、結(jié)構(gòu)等特點,結(jié)合項目總體工籌安排,科學(xué)合理選用施工方法及加固措施,合理規(guī)劃施工步序是順利施工的保證。

2)施工通道進入?yún)^(qū)間正交轉(zhuǎn)換橫通道大斷面后,在橫通道分臺階開挖的同時,同步施工側(cè)壁開洞口位置的鎖腳錨桿及超前支護,能減少后期施工難度和安全風(fēng)險。

3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑采用先貫通上部兩側(cè)導(dǎo)坑,反向從遠(yuǎn)離橫通道的大里程端拆除核心土,上部核心土采用上導(dǎo)坑開挖臺架拆除,中下部采用下臺階帶仰拱一次開挖法施工,后續(xù)仰拱、二襯緊跟,施工安全、高效。

4)轉(zhuǎn)換通道側(cè)墻馬頭門進洞加固施工,采用先在開洞位置鋼架切割點處施工鎖腳錨桿及超前小導(dǎo)管,按照一榀拱架進尺完成洞口首環(huán)開挖,然后聯(lián)立三榀拱架,用“L”型連接筋、網(wǎng)片把切割的拱架端頭和連立拱架連接加固成一個整體,并及時進行噴漿封閉,能實現(xiàn)側(cè)墻馬頭門快速安全進洞施工。

5)先行洞采用控制爆破施工,并往巖柱方向打設(shè)對拉錨桿,后行洞采用機械開挖,并施作側(cè)墻超前巖柱加固超前小導(dǎo)管,能對小凈距夾巖區(qū)圍巖進行有效保護并提高巖柱的穩(wěn)定性和承載能力。