正交轉換通道暗挖隧道群快速施工技術研究

趙廣平

(中鐵隧道局集團建設有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在城市軌道交通建設過程中,地鐵區間因運輸功能需要,經常設計聯絡線與既有運營線路進行連接,或設計出入場線與車輛段、停車場進行連接,導致聯絡線、出入場線隧道與區間正線隧道交叉,需要共建施工,在線路交叉過渡段經常設置轉換通道隧道群完成不同斷面隧道之間的過渡轉換。過渡段轉換通道隧道群隧道斷面多變、隧道凈距小、應力集中,施工安全風險高、施工工藝復雜、施工進度緩慢[1],是施工管控的重難點工程。

根據不同的圍巖地質條件、隧道群結構形式,許多學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絡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難題進行了研究,分析了隧道群施工關鍵步序;仇文革等[5-6]對城市復雜隧道群中超小凈距夾巖穩定性進行了研究;萬濤等[7]對超小凈距地鐵三洞隧道群施工動態進行數值模擬;王志剛[8]通過正交試驗和數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]對地鐵區間渡線施工方案進行了研究,介紹了超前預加固方案、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;吳發展[12]對五線并行淺埋特大斷面隧道群快速施工技術進行了研究;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]建立數學模型,應用軟件對城市地鐵區間隧道洞群開挖順序進行了優化分析;任立志等[15]對地鐵場段出入線超大斷面隧道群施工關鍵技術進行了研究,解決了地鐵場段出入線超大斷面隧道群礦山法施工關鍵技術難題。

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

1 工程概況

重慶軌道交通10號線二期蘭花路站—南湖站區間大里程端YK2+681.787—YK2+838.480為道岔區隧道斷面過渡轉換區段,轉換區隧道群位于市政主干道大石路下方。區間地質構造位于重慶向斜東翼,巖層傾向為270°～285°,傾角8°～12°;場地內出露地層主要為第四系全新統人工填土及殘坡積層,侏羅系中統沙溪廟組中厚層狀的砂質泥巖及砂巖沉積巖層,砂質泥巖層厚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,暗挖結構采用馬蹄形復合式襯砌結構。隧道主要采用控制爆破開挖施工,爆破振速不應大于2.0 cm/s,小凈距夾巖保護區后行洞主要采用機械開挖,正交轉換通道隧道群地質縱斷面如圖1所示。

過渡段內設置斷面轉換I型斷面橫通道,在橫通道內由區間正線引出聯絡線與正運營的環線連接,并引出蘭花湖停車場出入線左線,轉換橫通道I斷面小里程端從左往右分別為:區間左線6,停車場出入線左線7,區間右線5;轉換通道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,聯絡線隧道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。正交轉換通道隧道群平面布置如圖2所示,正交轉換通道隧道群各斷面參數見表1。

表1 正交轉換通道隧道群各斷面參數統計表

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,小凈距夾巖保護區后行隧道主要采用機械開挖。考慮到區間正線大里程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,方便現場施工組織管理并提高通風效果,聯絡線隧道長、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斷面和聯絡線方向,優先開挖貫通。

根據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,加強監測、二襯緊跟的總體施工組織思路”組織施工。

根據各隧道拱頂標高不同,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至少錯開20 m,其中出入段線隧道需等左右兩側區間二襯完成后,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

蘭南區間地鐵正交轉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間正交轉換通道上臺階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,開挖支護區間大里程J斷面隧道左側壁導坑上臺階3-1,3-1施工20 m后同步開挖支護右側壁導坑上臺階3-2;在I斷面隧道上中臺階通道內進行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,雙側壁導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構及時跟進施工。

4)I斷面底板開挖至標高后,在J斷面施工的同時,首先施工聯絡線隧道4,聯絡線隧道開挖支護施工30 m后,在I斷面隧道的另一側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側壁導坑5-3,5-4部開挖支護。

5)區間小里程左線隧道6和區間小里程右線隧道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)機械法開挖支護區間小里程中部隧道7,并進行后續仰拱、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)施工區間正交斷面轉換通道隧道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控量測,根據監控量測數據及時指導施工。

3 施工組織及技術措施

3.1 轉換通道開挖及各區間進洞施工

隧道群斷面轉換橫通道隧道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J斷面側壁馬頭門進洞施工時在開挖臺架上施工鎖腳錨桿和超前小導管難度,在I斷面中臺階降底開挖前,應提前測量標識出J斷面側墻馬頭門開洞口范圍輪廓線,利用I斷面上臺階平臺,在設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高與J斷面上臺階雙側壁導坑開挖底板標高一致,I斷面中臺階貫通后封堵中臺階端頭墻。

轉換通道I斷面上中臺階開挖支護完成后,因斷面尺寸變化,需根據區間J斷面側壁導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管施工,施工參數及方法:開洞位置鋼架切割點處設置2φ25鎖腳砂漿錨桿,L=4.5 m,鋼架左右側各1根;斷面接口部位馬頭門位置設置2環環縱間距0.4 m×2.5 m,L=5.0 m的φ48×5超前小導管,并注水泥單液漿加固前方地層。割除J斷面側壁開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。拱架內外側掛雙層Φ8鋼筋網片,噴C25混凝土進行封閉,I斷面橫通道側壁開洞口施工加固如圖4所示。

后續聯絡線隧道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→施工超前小導管→側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φ108×6洞內超前大管棚進洞,管棚L=25 m、環向間距0.4 m,入射角α=1°～3°。待兩側左右線區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雜,施工中應加強圍巖監控量測,并根據圍巖監控量測結果,及時調整開挖方式和修正支護參數。

3.2 雙側壁導坑核心土拆除施工

大里程J斷面上臺階采用雙側壁導坑開挖進洞,初支采用間距0.75 m格柵鋼架支護,導坑底部設置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,上臺階雙側壁導坑貫通后,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、拱墻二襯結構施工,在距施工轉換通道I斷面10 m時,應保留5 m～10 m核心土巖柱,等隧道群小里程區間左右洞及聯絡線洞口二襯施工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間小里程隧道5、隧道6及聯絡線隧道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,最大限度保證了區間大小里程各隧道作業面的平行施工,提高了施工效率。大里程上臺階雙側壁導坑開挖如圖5所示。

3.3 超小凈距段隧道施工措施

隧道群的失穩是從夾巖失穩開始的,即夾巖穩定是洞群穩定的關鍵因素;夾巖失穩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,巖柱一旦失穩必然造成隧道局部失穩等危害,而且后行隧道施工振動、圍巖條件改變對先行隧道結構易造成損壞。為了工程安全實施,采用的主要技術措施如下:

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,開挖面縱向距離應至少錯開20 m。三洞并行段,先施工兩側隧道,后施工中間隧道,隧道之間縱向錯開距離不小于20 m。

小里程出入線兩側區間隧道二襯完成后,方可進行中部出入線隧道開挖。大里程J斷面上臺階雙側壁導坑及聯絡線均采用控制爆破施工,J斷面上導坑與車站貫通后,從大里程端先機械開挖靠近巖柱保護區域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,并提高巖體力學性能,發揮擠壓加固作用[16]。

3)開挖后行隧道時首先施作超前支護和側墻超前巖柱加固超前小導管,環向間距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15°～45°打設,施工過程中應根據夾巖厚度調整縱向斜插角度避免打入相鄰隧道結構層。

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)小凈距隧道的監控量測應將中間巖柱的穩定性、地表沉降和爆破振動對相鄰隧道的影響作為重點。加強施工監控量測,做到信息化施工及時根據監控量測數據和掌子面地質條件優化設計參數,做到信息化施工動態設計。隧道群大里程端夾巖區保護及加固施工如圖6所示,隧道群小里程端夾巖區保護及加固施工如圖7所示。

4 監測數據分析

本項目監測范圍主要為隧道群施工范圍隧道內變形監測,拱頂地表及左右邊界20 m范圍內建(構)筑變形監測。根據GB 50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范[17],各監測項目及控制值見表2,現場實測各監測項目累計最大變化值見表3。

表2 現場監測項目及控制值

表3 現場實測各監測項目累計最大變化值

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

5 結論

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

1)地鐵區間道岔區共建段正交轉換通道隧道群施工支洞多、斷面大、開挖工法多、工序多,施工前應根據隧道群各支洞圍巖地質、結構等特點,結合項目總體工籌安排,科學合理選用施工方法及加固措施,合理規劃施工步序是順利施工的保證。

2)施工通道進入區間正交轉換橫通道大斷面后,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險。

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

4)轉換通道側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管,按照一榀拱架進尺完成洞口首環開挖,然后聯立三榀拱架,用“L”型連接筋、網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,能實現側墻馬頭門快速安全進洞施工。

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