棚架套拱挑頂法施工軟弱淺埋隧道斜井進(jìn)正洞技術(shù)

趙繼華

(太原鐵路樞紐西南環(huán)線有限責(zé)任公司，山西太原 030013)

長(zhǎng)大隧道建設(shè)過(guò)程中，因項(xiàng)目建設(shè)工期的需要，常采取設(shè)置輔助坑道斜井，以增加作業(yè)面，保證項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度。對(duì)于一般意義的礦山地質(zhì)隧道，只要嚴(yán)格按照現(xiàn)已成熟的工法施作，斜井進(jìn)正洞的施工安全不再是問(wèn)題。但對(duì)于淺埋、軟弱的土質(zhì)隧道，尤其是在交角較小的條件下，完成斜井進(jìn)正洞工序轉(zhuǎn)化，是施工中需要迫切解決的難題。本文就太原鐵路樞紐西南環(huán)線在建的晉祠隧道其斜井進(jìn)正洞施工進(jìn)行介紹。

1 工程概況

晉祠隧道位于太原市晉源區(qū)，是為滿(mǎn)足晉祠保護(hù)區(qū)的需要而設(shè)的淺埋城市雙線鐵路隧道。該隧道全長(zhǎng)8 840 m，隧道最大埋深25 m，其正洞開(kāi)挖斷面115～132 m2，開(kāi)挖最大高度11.50 m，寬度13.58 m。為滿(mǎn)足項(xiàng)目建設(shè)工期需要，在正洞DK16+430處設(shè)置1號(hào)單車(chē)道斜井。

斜井地處2條城市主干道和正洞線位圍成的直角三角形布局中的直角位置。斜井全長(zhǎng)260 m，斜井與正洞成45°交角，最大坡率10%，斜井與正洞交叉段坡率3%。設(shè)計(jì)斜井開(kāi)挖高度7.42 m，寬度6.10 m，斜井開(kāi)挖面斷面40 m2，斜井與正洞交叉位置隧道埋深18 m。

斜井與正洞交叉位置地層巖性:表面為第四系全新統(tǒng)人工堆積層，以雜填土、素填土為主，層深3.2 m;其下38 m范圍為第四系全新統(tǒng)洪積層，以中砂、粉質(zhì)黏土、卵石為主。因山前洪積層沉積韻律差，地層分布不均勻，分別為1.8 m中砂，2.4 m卵石夾中砂、粉質(zhì)黏土，2.4 m粉質(zhì)黏土，15.2 m卵石，1.3 m細(xì)砂，3.1 m粉質(zhì)黏土，3.5 m卵石，2.6 m含圓礫粉質(zhì)黏土，6.0 m卵石。其基本承載力在160～650 kPa。因巖性穩(wěn)定性差，設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖。

2 斜井進(jìn)正洞總體方案

在斜井接近正洞處，上抬斜井拱頂高程，在正洞輪廓線位置，施作叉口加強(qiáng)環(huán)及斜井交匯段的二次襯砌;繼續(xù)爬坡進(jìn)行導(dǎo)洞開(kāi)挖及棚架支護(hù)至正洞擴(kuò)大拱頂，再平坡前行導(dǎo)洞開(kāi)挖及棚架支護(hù)至正洞外側(cè)上臺(tái)階拱腳，形成初步的棚架正洞導(dǎo)洞。此后對(duì)棚洞導(dǎo)洞施作鋼架網(wǎng)噴套拱，全面完成正洞導(dǎo)洞施工;接下對(duì)導(dǎo)洞進(jìn)行正洞上臺(tái)階開(kāi)挖初期支護(hù)施作和中下臺(tái)階開(kāi)挖落底支護(hù)，最終完成斜井進(jìn)正洞工序轉(zhuǎn)換。

3 施工流程及方法

3.1 施工流程

確定斜井抬坡漸變段起始位置→斜井漸變段施作→交叉口加強(qiáng)環(huán)施作→斜井交匯段二次襯砌澆筑→斜井進(jìn)正洞棚洞施作→棚洞套拱加強(qiáng)→導(dǎo)洞進(jìn)一側(cè)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖初期支護(hù)→導(dǎo)洞進(jìn)另一側(cè)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖初期支護(hù)→兩側(cè)正洞中下臺(tái)階開(kāi)挖初期支護(hù)閉環(huán)。

3.2 施工方法

3.2.1 斜井抬坡段施工

根據(jù)斜井與正洞設(shè)計(jì)交叉的角度和拱頂高程，計(jì)算出斜井拱頂抬坡位置，以＜30%的抬坡坡率開(kāi)挖初期支護(hù)斜井至正洞交叉口，見(jiàn)斜井漸變段施作圖1。為了確保交叉口復(fù)雜受力的穩(wěn)定性，施工過(guò)程中對(duì)該段斜井初期支護(hù)要做適當(dāng)加強(qiáng)，加設(shè)下部弧形鋼架，使其閉環(huán)受力，同時(shí)調(diào)小鋼架間距為0.6 m/榀。

圖1 斜井漸變段施作示意

3.2.2 交叉口加強(qiáng)環(huán)施工

為了后續(xù)棚洞棚架及套拱落腳的穩(wěn)定，在斜井與正洞交叉處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)。加強(qiáng)環(huán)由3榀I22a工字鋼制作成∏形結(jié)構(gòu)，各部尺寸見(jiàn)圖2交叉口加強(qiáng)環(huán)施作圖。加強(qiáng)環(huán)設(shè)上、中兩道橫梁和上部斜撐。其上道橫梁用于支撐后續(xù)導(dǎo)洞棚架和套拱，中道橫梁用于支撐導(dǎo)洞正洞環(huán)向鋼架，斜撐起加強(qiáng)橫梁剛度作用。加強(qiáng)環(huán)施作完畢，同時(shí)跟進(jìn)斜井漸變段初期支護(hù)后的二次襯砌混凝土澆筑。

圖2 交叉口加強(qiáng)環(huán)施作示意

3.2.3 導(dǎo)洞棚洞施工

導(dǎo)洞斷面設(shè)計(jì)為梯形，其外輪廓上寬2.5 m，下寬4.5 m，高2～7 m，其開(kāi)挖支護(hù)見(jiàn)圖3斜井進(jìn)正洞棚洞施作圖。每次開(kāi)挖進(jìn)尺0.6 m，滿(mǎn)足一榀I22a工字鋼棚架安裝，整個(gè)導(dǎo)洞共設(shè)26榀I22a封閉棚架。同時(shí)打入鎖腳錨桿并掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，完成初步支護(hù)。導(dǎo)洞開(kāi)挖初至到達(dá)正洞中心線位置前以抬坡控制，以后平坡開(kāi)挖直至正洞外側(cè)上臺(tái)階拱腳處完畢。

3.2.4 導(dǎo)洞套拱施工

針對(duì)該隧道斜井進(jìn)正洞埋深高度僅18 m，圍巖為分層極不均勻的人工填土、砂、卵石及粉質(zhì)黏土，無(wú)法自然成拱，為保證軟弱、淺埋圍巖下棚洞成拱穩(wěn)定性和施工安全，施工中采取了對(duì)棚架進(jìn)行鋼架及噴錨混凝土套拱加強(qiáng)措施。套拱由4榀I175工字鋼架+鋼筋網(wǎng)+φ22 mm螺紋連接筋+φ42 mm注漿錨桿+噴射混凝土組成。套拱一端落于加強(qiáng)環(huán)上部橫撐，另一端落于棚洞盡頭洞外側(cè)上臺(tái)階拱腳原裝土體上。其套拱施作見(jiàn)圖3和圖4。

3.2.5 導(dǎo)洞環(huán)向初期支護(hù)施工

導(dǎo)洞初期支護(hù)采取I175工字鋼架+φ8 mm，20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)+φ22 mm螺紋連接筋+φ42 mm注漿錨桿+噴射厚30 cm早強(qiáng)混凝土方案施作。鋼架間距0.75 m，鋼架一端落于加強(qiáng)環(huán)中部橫撐，另一端落于棚洞盡頭洞外側(cè)上臺(tái)階拱腳原裝土體上。其初期支護(hù)施作見(jiàn)圖3和圖4。

3.2.6 導(dǎo)洞進(jìn)正洞施工

1)導(dǎo)洞進(jìn)正洞上臺(tái)階施工。導(dǎo)洞成洞后，進(jìn)行導(dǎo)洞進(jìn)正洞施工，導(dǎo)洞進(jìn)正洞施工按照先一側(cè)、后另一側(cè)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)洞。具體施作方法為:先拆除一側(cè)棚洞鋼架臨時(shí)支撐，采取預(yù)留核心土法進(jìn)行正洞上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)，開(kāi)挖支護(hù)嚴(yán)格執(zhí)行1榀鋼架進(jìn)尺要求，在完成該端4 m開(kāi)挖支護(hù)后，噴射混凝土封閉掌子面。接下反向施作另一側(cè)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)，至施工空間滿(mǎn)足需要。

2)導(dǎo)洞進(jìn)正洞落底施工。兩側(cè)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)到位后，開(kāi)始兩側(cè)同步按“改進(jìn)三臺(tái)階七步法”開(kāi)挖支護(hù)落底，連接仰拱鋼架封閉成環(huán)并澆筑仰拱，最終進(jìn)入正常的正洞施工工藝。

3)改進(jìn)三臺(tái)階七步法。所謂“改進(jìn)三臺(tái)階七步法”是針對(duì)該隧道Ⅴ級(jí)圍巖不穩(wěn)定的土體地質(zhì)情況，以下臺(tái)階側(cè)向開(kāi)挖初期支護(hù)后立即回填，以減小開(kāi)挖臨空面暴露時(shí)間，控制變形量的施作方法。

圖3 斜井進(jìn)正洞棚洞及套拱施作示意(單位:cm)

圖4 斜井進(jìn)正洞示意(單位:cm)

4 施工要點(diǎn)

1)根據(jù)斜井與正洞拱頂高程，正確計(jì)算斜井漸變段起點(diǎn)位置和抬坡坡率，據(jù)此取得加強(qiáng)環(huán)上、中部橫梁施工高程數(shù)據(jù)，確保棚架及套拱、正洞鋼架支護(hù)準(zhǔn)確落位。

2)斜井漸變段初支鋼架要形成閉環(huán)，并適當(dāng)縮小鋼架間距。

3)組成加強(qiáng)環(huán)的立柱及橫撐鋼架要用φ22 mm連接筋以1 m的間距進(jìn)行焊聯(lián)，保證其剛度和強(qiáng)度，確保其三維復(fù)雜受力穩(wěn)固。

4)導(dǎo)洞兩側(cè)立撐要根據(jù)開(kāi)挖巖土情況，打足系統(tǒng)注漿錨桿和鋼架鎖腳錨桿，榀間鋼架用φ22 mm連接筋焊聯(lián)，并要做到榀榀及時(shí)成環(huán)。

5)導(dǎo)洞進(jìn)正洞上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)，以斜井與正洞交角為鈍角端為先，完成噴射混凝土掌子面后，再行施作斜井與正洞交角為銳角端。

6)嚴(yán)格鋼構(gòu)件制作工藝，要對(duì)每榀鋼架進(jìn)行上場(chǎng)檢驗(yàn)和試拼裝，確保拼裝一次到位。

7)上、中臺(tái)階及下臺(tái)階兩側(cè)開(kāi)挖以小型挖掘機(jī)為主，必要時(shí)輔以人工配合;整個(gè)下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖利用大型挖掘機(jī)開(kāi)挖，但拱腳、墻腳及仰拱底應(yīng)預(yù)留60～70 cm原狀土人工開(kāi)挖，避免超挖。

8)洞內(nèi)各部開(kāi)挖前，完成工前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)素描和輪廓檢查確認(rèn)工作。

9)施工過(guò)程中要做好監(jiān)控量測(cè)的及時(shí)布點(diǎn)和按頻次量測(cè)工作，準(zhǔn)確掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，確保施工安全。

10)上臺(tái)階開(kāi)挖要在超前支護(hù)完成后進(jìn)行，環(huán)向開(kāi)挖上臺(tái)階預(yù)留核心土長(zhǎng)度宜為3～5 m，核心土寬度控制在開(kāi)挖寬度的3/4，開(kāi)挖進(jìn)尺滿(mǎn)足1榀鋼架架立即可，上臺(tái)階開(kāi)挖高度矢跨比以0.3為宜。

11)中、下臺(tái)階左右側(cè)開(kāi)挖進(jìn)尺控制在2榀鋼架間距，開(kāi)挖高度宜為3.0～3.5 m，臺(tái)階步長(zhǎng)控制在3.0～3.5 m，左右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)位控制在2～3 m。

12)仰拱開(kāi)挖時(shí)，要暫停中、下臺(tái)階的開(kāi)挖，直至整個(gè)初期支護(hù)閉環(huán);仰拱開(kāi)挖長(zhǎng)度不大于3 m，開(kāi)挖到位及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)，完成2個(gè)隧底開(kāi)挖、初期支護(hù)循環(huán)后，及時(shí)施作仰拱混凝土及后續(xù)的二次襯砌作業(yè)。

13)超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)是確保軟弱圍巖條件下掌子面各項(xiàng)施工安全的前提，必須認(rèn)真施作。要點(diǎn)在于其打入外插角10°～15°的控制，角度過(guò)小降低了注漿導(dǎo)管與巖土間的相互約束，過(guò)大則不能保證其1 m左右的導(dǎo)管插入破裂面以外，造成預(yù)支護(hù)功效差或根本不起作用。

14)及時(shí)做好各分部開(kāi)挖鋼架基腳注漿鎖腳錨桿(管)施作和鋼架腳下墊板預(yù)設(shè)工作，必要時(shí)，據(jù)監(jiān)控量測(cè)變形情況采取大拱腳措施。

15)整個(gè)開(kāi)挖初期支護(hù)要嚴(yán)格遵循“預(yù)支護(hù)、分部開(kāi)挖、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。

5 結(jié)語(yǔ)

晉祠隧道采取的棚洞套拱挑頂法斜井進(jìn)正洞施工工法，有效地解決了諸如斜井選線交角小、埋深淺及軟弱土體不良地質(zhì)情況下工序轉(zhuǎn)化安全風(fēng)險(xiǎn)大的難題，是一次成功的工法實(shí)踐，對(duì)今后類(lèi)似的隧道斜井進(jìn)正洞施工具有指導(dǎo)意義。

［1］王曉州．大斷面黃土隧道建設(shè)技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．TZ 204—2008 鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008．

［3］朱永全，宋玉香．隧道工程［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10401.1—2003 鐵路工程施工安全技術(shù)規(guī)程［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2003．

［5］付艷麗．隧道斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2011(1):83-85．

［6］閆志剛．鷹鷂山隧道斜井進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2009(11):47-48．

［7］張成剛．長(zhǎng)大隧道斜井施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2009(6):40-42．