山嶺隧道超大斷面盾構組裝洞室關鍵施工技術★

姚研究

(中鐵十四局集團第四工程有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

隨著國家經濟水平的不斷提升,超大斷面隧道及地下工程的應用越來越廣泛,結構斷面尺寸也不斷加大,施工工藝及施工流程越來越復雜,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,國內已開展了相關理論和施工關鍵技術的研究,如張少碩等[1]采用超前預注漿、雙側壁導坑法、超前中管棚、超前小導管等施工技術,控制了隧道洞內位移,確保了隧道穿越超大斷面斷層破碎帶的安全;昌進[2]采用拱柱法施工超大斷面暗挖車站,在確保工程安全、質量的同時可以縮減工期與成本,經濟效益和社會效益明顯;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、底板低壓注漿等關鍵技術,解決了復雜環境風險下地鐵渡線段大斷面區間施工難題;王帥帥等[4]以實際地鐵車站工程為例,通過超大斷面二次襯砌臺車的應用,減少豎向分層澆筑次數和支架模板工作量;陳彬[5]采用頂洞超前、分層下挖、核心預留、重點鎖定的開挖工法(簡稱“DFHZ工法”)進行八達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、施工安全等顯著優點和較強的經濟適用性;張業勤[7]以實際地鐵項目為例,針對超大斷面隧道施工中存在的小間距、淺埋偏壓及非對稱連拱工況,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尚屬首次。因此,本文以渝湘高鐵重慶長江隧道盾構組裝洞室為依托,開展超大斷面施工關鍵技術研究,能夠推動超大斷面隧洞工程設計和施工,進而推動盾構機洞內組裝研究的發展。

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境內,全長11 942 m,為雙線特長高鐵隧道,屬Ⅰ級高風險隧道,是全線控制性重難點工程,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隧道,被譽為“萬里長江高鐵第一隧”,隧道采取“4斜井”的輔助坑道方案,全隧設置五個工區組織施工。

穿越長江段采用盾構法施工,位于2號斜井和3號斜井工區之間,施工長度3 845 m,于3號斜井工區設置盾構組裝洞室作為盾構機洞內組裝施工場地,盾構組裝洞室全長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,設計縱坡為30‰的上坡,洞身線路高程171.561 m～174.111 m,埋深約149.23 m,圍巖級別為Ⅳ級,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,其中上部結構寬25.54 m×高11.81 m,下部結構寬20.2 m×高18.15 m,盾構組裝洞最大斷面見圖1。

施工通道為3號斜井、1號支洞和2號支洞,其中3號斜井用于組裝洞下部結構施工、盾構設備運輸;1號支洞主要用于組裝洞上部結構施工和部分下部結構施工;2號支洞用于盾構組裝時部分構件運輸,平面位置關系見圖2。

2 盾構組裝洞室總體施工方法

盾構組裝洞室總體采用分部分層臺階法施工,即先施工上部結構,待上部結構襯砌施工完成并達到強度后再施工下部結構,上部結構洞室采用中隔壁法光面爆破開挖支護,初期支護完成后采用定制臺車進行二襯施工,上部結構二襯全部施工完成并達到設計強度后進行下部結構預裂爆破施工,開挖按照“分段分層,邊開挖邊支護”的原則進行,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 上部結構施工方法

3.1 支洞轉組裝洞施工

1號支洞轉組裝洞施工,交叉口處受力復雜,采用控制爆破,分臺階開挖,開挖清渣后及時進行初期支護和臨時剛性支撐,過程中加強監控量測,確保施工安全。交叉口施工工序轉換如下:

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

2)轉換通道施工。從支洞分界處向正洞開挖時,開挖寬度為施工通道開挖線外50 cm,沿開挖方向設置高度漸變(預留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間距設置3組6根T51自進式錨桿,為確保對應“洞口位置”交叉口門型鋼架支撐到正洞鋼架上,提前進行“挑頂”。

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

3)體系轉換施工。在門型鋼架兩側各密排施工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。

拆除門型鋼架兩側豎撐,將門型鋼架荷載轉化至主洞密排整體鋼架及門型鋼架頂部自進式錨桿上共同承擔,轉換過程中,隨著門架拆除,及時施作中隔壁臨時鋼支撐。施工中拆除臨時門架支撐時應逐榀拆除,過程中加強監控量測,不允許同時拆除多榀,拆除時要按照“先上后下”的原則進行。

3.2 上部結構開挖支護施工

上部結構由1號支洞采用門型鋼架法挑頂進入,轉換完成后,按正常中隔壁法進行正洞開挖支護施工,施工步驟如下,上部結構開挖示意見圖4。

1)①部開挖支護。在上一循環的超前支護防護下,弱爆破開挖①部,施作①部導坑周邊的初期支護和臨時支護:即初噴混凝土,架立鋼架(含臨時鋼架),并設鎖腳錨管,復噴混凝土至設計厚度,再鉆設徑向錨桿。每循環開挖不大于1.5 m(三榀鋼架)。

2)②部開挖支護。在滯后于①部5 m后,弱爆破開挖②部[8],施作導坑周邊部分初期支護和臨時支護即初噴混凝土,鋪設鋼筋網[9],架設邊墻和臨時鋼架,并設鎖腳錨管后復噴混凝土至設計厚度,再鉆設徑向錨桿[10]。

3)③部開挖支護。在上一循環的超前支護防護下,弱爆破開挖③部并施作導坑周邊的初期支護和臨時支護,步驟及工序同①部開挖支護,滯后①部15 m。

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

3.3 上部結構襯砌施工

上部結構開挖支護完成后,根據監控量測結果,確定二次襯砌施作時機[11]。施工上部結構襯砌前先進行底部環向托梁施工,托梁鋼筋采用洞外分節綁扎成型,洞內連接的方式,利用竹膠板整體澆筑,在竹膠板上預留與襯砌和底板接茬鋼筋。

3.3.1 襯砌鋼筋安裝

上部結構二襯鋼筋在鋼筋廠統一加工,現場機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,由于組裝洞上部結構斷面較大,長度較小,空間有限,鋼筋及防水板鋪掛臺車安拆煩瑣、利用率低,工程采用盤扣式支架搭設臨時施工平臺,同時搭設兩模支架,可以保證工人安裝上部結構各部位的鋼筋,綁扎完一模鋼筋,拆除后繼續向前面搭設,共計6模。為防止二襯鋼筋安裝過程中鋼筋坍塌和向前傾覆,在綁扎鋼筋時在鋼筋內部增加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,模板臺車如圖5所示。襯砌臺車邊墻和拱部分別設置6排澆筑窗口,邊墻位置每排6個,拱部每排4個,每個窗口尺寸為0.5 m×0.5 m;端部設置10 cm軟搭接;拱頂設置3個φ125 mm混凝土澆筑口,與拱頂斜交角度60°,8個拱頂插入式振搗器與附著式搗固器聯合進行搗固密實;混凝土灌注前在隧道拱部預埋安裝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,實施帶模注漿施工。

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

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

4 下部結構施工方法

4.1 下部結構開挖支護施工

上部結構施工完成后,由礦山法施工下部結構,預先在下部結構開挖輪廓線位置進行預裂爆破,再采用臺階法逐層控爆開挖,為防止爆破飛石等有害效應對上部結構的影響,采用黏土炮泥堵塞炮孔、雙層炮被搭接覆蓋巖層上部,使用爆破振動儀進行振動監測,根據監測數據及時調整爆破設計。開挖順序見圖6。

1)上部結構施工完成后,為保護下部結構開挖時周圍巖體不受爆破影響,預先在下部結構開挖輪廓線進行預裂爆破。

2)由3號斜井1號支洞進入進行一級臺階中間拉槽開挖,槽寬6 m×深2 m,以增加臨空面和出渣工作面。

3)由3號斜井進入正洞后轉向組裝洞方向進行上坡開挖,進入組裝洞后按臺階法分段分層開挖。下部結構開挖高度14.85 m～18.05 m,全斷面分為4個臺階施工,兩側各留4 m寬保護層,每臺階高度3.5 m～5 m,自上而下開挖,每側每層按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構斷面第一級臺階,并擴挖出工作面。第一級臺階高度為3.5 m,兩側保護層分為2層開挖,第一層高1.5 m,第二層高2 m;第二級臺階高度為5 m,兩側保護層分為2層,每層高2.5 m;第三級臺階高度為5 m,兩側保護層分為2層,每層高2.5 m;第四級臺階高度為4.13 m,兩側保護層分為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,為了保證開挖連續施工,利用邊墻錨桿,鋼筋網片、噴射混凝土作為初期支護,左右交錯進行錨桿肋柱施工。

6)當施工至下沉段時,將⑦部分為⑦,⑧兩部開挖,及時支護。

4.2 錨桿肋柱掛網噴混凝土支護施工

錨桿肋柱分段分臺階采用逆作法施工,分段長度為4 m(兩個肋柱施工范圍),開挖后肋柱間先進行長度5 mφ25 mm,間距1 m×1 m砂漿錨桿打設,然后進行第一次掛網噴混凝土(15 cm),待分段肋柱施工完成后再掛網復噴混凝土(15 cm)。肋柱施工之前進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 下部結構邊墻襯砌施工

下部結構邊墻襯砌根據自動化監控情況,確定圍巖及初期支護變形穩定后進行施作,當圍巖變形過大或者初期支護變形不收斂,又難以及時補強時,必要時可提前施作二次襯砌,此時二次襯砌應加強[12]。

下部結構底板施工完成后進行下部結構邊墻及擋頭墻施工,下部結構邊墻采用廠家設計定制加工鋼筋安裝一體化鋼模板襯砌臺車全斷面施工,一次施工長度9 m,最大高度18.55 m,共6模。由于組裝洞下部結構一般段和下沉段高差1.7 m,且有30‰坡度,臺車采用上部加高模板的方式調節臺車高度,拆除上部加高模板2.75 m和相應加高門架,可將臺車高度18.55 m調整為15.8 m;拆除上部加高模板2.58 m和相應加高門架,可將臺車高度15.8 m調整為13.22 m,即可滿足施工要求。

臺車頂部設置主料斗和分料滑槽,與每層窗口入窗滑槽相連,上下交錯布置2個振搗窗口和4個進料窗口,間距1.4 m～1.7 m,端頭設置15 cm軟搭接。

邊墻鋼筋安裝,利用臺車操作平臺進行,主筋接長采用機械直螺紋套筒連接。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合進行搗固密實,邊墻襯砌采用120 cm厚C35鋼筋混凝土。下部結構擋頭墻同樣利用臺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車見圖7。

5 施工監測

超大斷面盾構組裝洞室設計及其支護在國內均屬首次,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測系統進行自動測量,必要時進行人工校核,確保數據連續、準確;應力監測主要采用元器件埋入式進行監測。

監測對象為工程支護結構和周圍巖土體,主要監測元器件有沉降監測儀、收斂監測儀、壓力盒、錨桿測力計、鋼拱架應變計等,各監測對象和監測項目相互配套,滿足設計和施工要求,并形成有效的、相互參考和印證的監測體系,監控量測控制值見表1。

表1 設計監控量測控制值

變形監測依據《鐵路隧道監控量測技術規程》Ⅳ級圍巖間距為10 m,共設置4個斷面;應力監測設置3個斷面,其中在組裝洞受力區域設置2個監測斷面,受力區域外設置1個監測斷面,利于數據相互驗證和統計分析,監測斷面布置見圖8,元器件布置見圖9。

6 結語

超大斷面盾構組裝洞室設計及施工在國內均屬首次,通過工程實踐,超大斷面盾構組裝洞室采用分部分層臺階法施工,是科學合理、安全可行的,提高了施工效率,經濟效益顯著,可為超大斷面隧道及地下工程的勘察、設計、施工提供有益的借鑒和參考,也可在后續隧道穿越城市繁華區、江河復雜環境下盾構機在洞內組裝提供經驗。