双连拱隧道施工技术浅析

方树君,季苗苗

(浙江金筑交通建设有限公司,浙江杭州 310012)

下南山隧道群由下南山 1号隧道(长 245 m),下南山 2号隧道 (长 215 m),下南山 3号隧道 (长145m),隧道群总长 605m,全由我公司承建。本隧道群三座隧道均为双连拱隧道,本文主要介绍双向四车道双连拱隧道的施工经验,双连拱隧道是相对于分离式隧道而言的,是上行线路与下行线路用中隔墙分开的并体连拱隧道。它占用土地少,但由于双连拱隧道跨度较大、结构较复杂、工序衔接较严、工艺要求较高,所需建设工期相对较长,施工中应高度重视,避免因工序安排不当,操作不规范而发生塌方。由我单位承建的下南山隧道群工程,是全线控制工期的关键工程,如何安全、优质、高效地完成 605 m双连拱隧道的施工任务是确保我公司工期任务的首要问题,也是核心问题。

1 工程概况、地质条件及特点

下南山隧道群位于龙丽丽龙高速公路莲都段土建工程 3合同段,是全线全线唯一的双连拱隧道,属关键控制性工程。下南山 1号隧道里程为 K11+760～K12+005,长 245m,纵坡采用单面坡,上坡 18%;下南山 2号隧道里程 K12+345～K12+560,长215m,纵坡采用双面坡,上坡 18%,坡长145m;下坡-23%,坡长 70 m。下南山 3号隧道里程为K12+600～K12+745,长 145 m,纵坡采用单面坡,下坡-23%。三座隧道设计净宽 1025 m,净高50 m。隧道采用复合式支护结构形式,初期支护以锚杆、钢筋网、喷砼、钢拱架组成联合支护体系,二次衬砌采用模筑砼或模筑钢筋砼结构,初期支护与二次衬砌之间设防水排水夹层。三座隧道具有以下主要特点:

(1)隧道短:三座隧道长度都较短,最长的下南山 1号隧道 245 m,下南山 2号隧道长 215 m,下南山 3号隧道长 145m。

(2)开挖断面大:两隧道单向行驶均为 2车道,设计净宽 10 25m,特别为V级及V级加强段,围岩开挖宽度大,开挖高度大。

(3)埋深浅:隧道进、出口埋深浅,三座隧道上、下行进、出口均有明洞,隧道的最大埋深也只有30～ 70m。

(4)地质条件差:下南山 1号隧道表部为第四系残坡积含碎石亚粘土,厚约 2 0m,下伏基岩为晶屑凝灰岩,强风化层厚约2 1m,Vp=地条件差-2 200m/s;弱风化层厚约 约 6 m,Vp=2200-3200 m/s,RQD=30-90%,I=027-044,Rb=542 Mpa,微风化层 Vp=3200-4200 m/s,RQD=70-90%,I=044-078,Rb=4593-125MPa,节理较发育,产状为 192%%D 50%%D,132%%D 82%%D,54%%D 76%%D,325%%D 5%%D。本段隧道穿过残坡积、强风化、弱风化层,埋置浅,地下水不发育,主要为孔隙性潜水及基岩裂隙水,水量较贫乏,围岩稳定性差,穿过强风化、弱风化,薄层构造,节理非常发育,易风化成碎片状,围岩中还有含泥夹层,整个隧道全部为 V级和V级加强围岩;下南山 2号隧道 I V、V级围岩也占 30%～40%,其中部分穿强风化层;下南山 3号隧道穿过强风化、弱风化,薄层构造,节理较发育,全部为 IV、V级围岩。

2 各级围岩下的超前支护、初期支护体系、二次衬砌体系、开挖断面积等情况

级:初期支护: 25中空注浆锚杆@120120 cm,L=30 m+ 8钢筋网片+15 cm C20喷砼;二次衬砌 40 cm混凝土;开挖断面积为 173 59m3。

级:超前小导管注浆 424 mm;初期支护:25中空注浆锚杆@100100 cm,L=3 5m+ 8双层钢筋网片+20 cm C20喷砼+格栅拱架 100 cm一榀;二次衬砌 45 cm钢筋混凝土;开挖断面积为;开挖面积 m3。

V级:大管棚注浆 1086 mm环向间距 40 cm初期支护: 25中空注浆锚杆@10075 cm,L=350+ 8双层钢筋网片+25 cm C20喷砼+ 16工字钢拱架 75 cm一榀;二次衬砌 50 cm钢筋混凝土;开挖断面积为 21708 m3。

V(加强)级:大管棚注浆 108 6mm环向间距40 cm;初期支护: 25中空注浆锚杆@ 6m环向 cm,L=3 5m+ 8双层钢筋网片+25 cm C20喷砼+ 16工字钢拱架 50 cm一榀;二次衬砌 55 cm钢筋混凝土;开挖断面积为 221 70m3。

3 施工方案

3 1 确定开挖及支护步骤

原设计施工图按照常规施工方法给定的施工方案为超前导洞法,通过对地质资料和实际中导洞开挖后围岩情况的判断,我们经与监理、设计部门协商对施工方案进行了优化,实际施工中采用如下施工方案。

(1)中导洞超前开挖(含临时支护)。

(2)中导洞采用靠右洞超宽开挖,中隔墙设置在中导洞左半侧,在中导洞开挖 100 m后开始浇注中隔墙,中隔墙右侧可正常通行机械,不影响中导洞施工。

(3)中隔墙砼达到设计强度后,左洞开挖,及时施作初期支护。

(4)左正洞的开挖超前 80 m后根据围岩稳定情况施工二次衬砌。

(5)左正洞开挖超前 100 m后开始右正洞开挖支护。

(7)右正洞的开挖超前 80 m后根据围岩稳定情况施工二次衬砌。

优化后的施工方案创造了更多的施工作业面,在工期任务非常紧张的情况下中导洞由封闭状态变为超前开挖施工的一条主要通道,在少量增加大型机械设备的情况下,只需多配备一套施工人员,最大限度地发挥了机械设备使用率,不仅加快了施工进度,而且也有利于挖潜增效。

3 2 开挖及运输方法

采用简易钻孔台车配 7655型凿岩机钻孔,装载机配合自卸汽车出渣。简易钻孔台车是我们自己设计加工的工作平台,且钻架的高度和宽度可根据开挖面的不同进行调整,钻架可由装载机拖动,进出方便,不必拆卸,操作安全可靠。

3 3 中隔墙防护

在双连拱隧道正洞开挖前,中隔墙砼已经浇注并达到设计强度,在正洞开挖时必须注意加强对成品中隔墙的防护。由于采用超前导洞法施工,正洞开挖时应充分利用中导洞开挖形成的临空面进行简单的防护,并调整爆破顺序、装药量、装药结构,避免石渣出向中墙方面,从而避免了对中隔墙的破坏。

4 支护

在新奥法施工体系中 锚喷支护 是十分重要的环节,在双连拱隧道中,由于采用超前导洞施工,所以支护又分为导洞临时支护和正洞初期支护。

4 1 导洞临时支护

中导洞作为较长时间施工主要通道,临时支护是确保到施工安全的主要措施,不同围岩级别导洞临时支护参数如下:

级:拱部超前支护, 22钢筋砂浆锚@120120、L=20 m 5 cm厚 20#喷砼

级:拱部超前支护,必要时超前锚杆, 22、L=5 m,@50 拱部 22钢筋砂浆锚@120100、L=25 m。

级:14工字钢拱架 100 cm一榀,10 cm厚 20#喷砼。

导洞开挖后形成的是临时轮廓线,在扩挖正洞后不再存在,所以导洞内的临时支护。在施工中应注意以下几方面:

(1)中导洞的拱顶是正洞扩挖时岩体的支承点,是承受集中荷载的位置,故除在开挖过程中严格控制拱顶超欠挖外,在临时支护时要确保格栅拱架顶紧岩面,喷砼要逐层喷实。

(2)当导洞内为方便装渣和会车需开凿避车洞或连通导洞时,应注意按照开挖断面增设临时支护,确保施工安全。

4 2 正洞初期支护

初期支护是为了解决隧道在施工期间的稳定和安全的工程措施,初期支护施作后即成为永久性承载结构的一部分,它与围岩共同构成了永久的隧道结构承载体系。

超前小导管施工:小导管设置在洞口和 级围岩区段。其施作的关键在于上仰角度的控制和管尾支撑的稳固,在一排炮出渣完成后先对掌子面喷砼 5 cm封闭,然后施作下一排小导管,在小导管全部注浆完成掌子面破碎围岩固结后回头再做中空锚杆、钢拱架等后续工作,这样可以确保有足够的空间施作上仰15 钻孔,而且可以把管尾支承在工字纲顶部,确保支承牢固有效。

中隔墙施工时,在其顶部要用干硬性混凝土回填密实,确保承受围岩荷载时受力均匀,两肩部位需预埋初期支护工字钢拱架的连接支座时,预埋支座的平面位置、标高、一定要精确控制,否则正洞钢拱架无法按设计尺寸拼装就位,或勉强拼凑致法兰连接不紧密,影响拱架整体受力,造成安全质量隐患。

中空锚杆循环注浆支护在施工中应注意,在使用前应先去除杆体表面油污,以免影响锚固力,安装锚头时应仔细检查杆体和锚头是否连通,防止影响注浆效果,最后应拧紧杆尾螺母。

喷射混凝土表面应大致平整,避免有突出的尖角和硬物,以防刺破防水板,影响防水效果,也防止因凹凸不平,防水板变形能力有限,造成砼背后脱空。

5 防、排水处理

目前隧道工程的建设过程中和建后的使用要求对洞内防水要求非常高,必须做到滴水不渗。该线隧道防水以排为主,防排结合,具体为在二次衬砌与初期支护间铺设一层背挂式复合防水卷材,施工缝处设E5型橡胶止水带,沿隧道纵向每 5 m设一道 50软式透水管盲沟,汇入中墙和边墙预埋的纵向排水盲沟,形成完整的排水系统。施工中经认真分析总结,可能形成渗漏水的原因主要有以下几种。

(1)防水卷材由于施工原因破损。

(2)施工缝止水带、止水条安装不合格。

(3)预埋管道破裂或堵塞均有可能影响汇水无法排除,形成渗漏的水源。

针对上述原因,对在不同施工阶段的隧道防排水工程采取了如下治理措施,效果很好:

(1)二次衬前对喷砼表面进行检测,清除尖锐突起异物,必要时进行补喷要求喷砼表面平顺满足施工要求,避免防水卷材被刺穿。焊接防水卷材时必须认真仔细防止脱焊,搭接宽度 10 cm,仔细检查防水卷材焊接效果,确保不破、无漏。绑扎钢筋中需要焊接作业时要采取垫木板的措施防止防水卷材被烧损。

(2)安装止水带时为防止止水带在浇筑混凝土时移位,自行加工钢筋夹控制止水带的预埋宽度,钢筋夹一端与衬砌钢筋焊接固定。

(3)预埋管就位后,应将进出水口用土工布扎口封堵,以免其它异物落入堵塞管道。

(4)二次衬砌完成后,当拱部渗水严重且地下水及地表水资源充足,水压较高时,应从地表或洞内对隧道上部的围岩进行压浆止水(如采用水泥、水玻璃双液浆)处理,以切断补充水源及消除中隔墙上部的长期 水袋 效应。

(5)对目前尚无渗漏水的混凝土干裂缝采用灌注膨胀型高弹性、高本体强度、高粘结强度化学浆液(如改性环氧树脂)。对裂缝不开槽,隔一定间距沿裂设置注浆嘴,用封缝胶及时封闭注浆嘴之间的裂缝,用注浆泵由低处向高处压注浆液至裂缝饱满。压浆完毕浆液固结后,凿掉注浆嘴及封缝胶,最后进行表面处理。

6 衬砌

6 1 中隔墙衬砌

中隔墙是双连拱隧道区别于分离式隧道的标志性构造,中隔墙分基础和墙身按 2～3次建筑完成,采用大块钢模板, I字钢横竖带穿拉杆支撑,并与围岩支撑加固,泵送混凝土浇筑。它必须在正洞开挖前浇筑完成。正洞开挖过程中,它是受力体系转换的关键,是整体大跨度隧道的中间支承点,故中隔墙的浇筑质量直接关系到整个隧道施工的成败。

中隔墙浇筑完成后,距中导洞拱顶还会留有高约30～40 cm宽度为 100～120 cm的空间(因不同围岩类别衬砌厚度不同而变化),该部分空隙必须在正洞扩挖前二次浇筑填满。浇筑时应采用与中隔墙相同等级的干硬性混凝土,立模时预留插捣小窗,仔细振捣,确保这部分混凝土的密实,并且要与中导洞拱顶的临时支护密贴。如果处理不好这个细部,可能出现砼破坏或围岩失稳,引发侵限、塌方等安全质量事故。

6 2 正洞二次衬砌

由于结构型式的需要中隔墙必须先期完成,为了保证衬砌砼的外观质量,减少防水板接缝和砼施工缝,剩余的二次衬砌采用液压大模板衬砌台车和泵送砼工艺一次性浇筑完成,这时施作中的二次衬砌就是一个不对称偏压结构。为保证不对称偏压结构的稳定和衬砌质量,我们应取了以下措施:

(1)模板侧墙部位增设多道支撑,在侧墙下端增设多台千斤顶支撑侧模以平衡拱部和侧墙向下的压力。

(2)严格控制泵送衬砌砼的坍落度,防止产生过大侧压力和影响砼外观质量。

(3)控制砼浇筑速度并均衡布料,使台车受力均衡。

(4)为防止撑开模板的液压系统出现松驰情况。在每个液压均增设了丝杠支撑,并经常检查丝框有否滑丝、损毁等情况,如有出现及时更换。

采用背挂式隧道专用复合防水卷材施作防排水层时,由于自重会产生卷材下坠的现象,此时应把卷材长度比照初期支护轮廓线加长 10%～15%,防止由下而上浇筑砼时逐渐绷紧卷材,导致拱顶衬砌砼厚度不足和卷材背后与初期支护之间脱空。

要求隧道的抑拱,填充和铺底垫层必须超前衬砌完成。这样不仅保证了施工现场的文明作业,而且避免了为调整台车高度而在台车走行轨下面铺垫过厚松碴或枕木而出现的台车整体下沉,支撑失稳现象,确保安全、质量。

7 施工效果

我单位在下南山隧道群的施工中由于我们不断改进优化施工方案,在多次出现断裂带时及时调整施工方案,确保安全、质量施工周期不断被缩短,设计变更方案确认后,虽然由于原先政策处理的原因已经被耽误了半年之久的工期,通过按照优化施工方案施工,加大机械设备和人力投入,对后续工序有制约影响的地段都及时按照施工组织计划有条不紊的进行。为保证总工期目标的实现奠定了坚实基础。通过严格按照施工要点对工程质量实行预控和过程控制,各分项工程合格率 100%。

8 结束语

通过优化施工方案,打破常规,勇于创新,在保证安全、质量的前提下,加快了施工进度,突破了施工网络图中的瓶颈制约,并为国家节约了投资,目前已取得了良好的社会和经济效果,作法值得在同类施工中借鉴。

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