黄土隧道斜井交叉口挑顶施工方法

郭新兵

1 工程概况

包西铁路通道大保当至张桥段庆兴隧道起讫里程DK 691+253～DK 701+493,全长 10240m,设计为一座双线黄土隧道,4号斜井与正洞设计相交里程为 DK 699+070,主要承担西安方向的施工,斜井开挖断面 43.01 m2,与正洞成 55°2′6″夹角,坡度为11.7%,4号斜井穿越上更新统、中更新统风积黄土地层,围岩全部为Ⅴ级,Ⅳ级土质围岩。

交叉处正洞设计支护参数如下:支护采用Ⅰ20钢拱架,间距1.2m,φ22砂浆锚杆,间距 1.2m×1.2m,φ8钢筋网,22cm C25喷混凝土,拱墙模筑 C 30混凝土衬砌 45cm厚,仰拱 C30混凝土厚45cm。

斜井设计支护参数如下:支护采用Ⅰ16钢拱架,间距 1.2m(交叉口段 0.8m),φ22砂浆锚杆,间距 1.2m×0.8m,φ6钢筋网,18cm C 20喷混凝土,拱墙模筑 C25混凝土衬砌 35cm厚。

2 施工方案的选定

经过多种方案比选,最终确定的方案为:在斜井施工至与正洞设计二次衬砌最大跨度相交时,在交汇面处设置斜井初期支护加强环及托梁和立柱支撑,以解决交叉口处正洞初期支护的钢架落脚问题,及时完成斜井衬砌,衬砌终点端头面应与正洞该侧纵向开挖平行。采用人工风镐配合挖掘机,以 4.2m宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身并进行弧面挑顶开挖,开挖过程中及时采用Ⅰ16型钢棚架临时支顶支护。当隧道正洞拱部上导坑开挖面合格后及时初喷,施作正洞设计初期支护,其钢架拱脚落在托梁上,拱顶处纵向棚架横梁保留,拆除临时棚架两侧立撑。按相同方法将交叉口范围拱部上导坑沿钝角方向开挖支护两个循环(每循环进尺1.2m)且稳定后,及时施作初期支护,再反方向开挖支护两个循环(每循环进尺1.2m)且稳定后,及时施作初期支护,直至该段 9 m范围拱部封闭。接着扩挖正洞中部土体并将该段右半幅初期支护接长至起拱线处。最后按环形预留核心土法进行隧道主攻或副攻方向上断面开挖,当上断面开挖达 30m后,进行边墙落底及仰拱、填充施工,从而使正洞初期支护封闭成环,具备正常快速施工的安全条件。

3 施工步骤、方法及施工工艺

1)根据斜井与正洞设计相交角度及复合式衬砌参数,应对交叉口段斜井初期支护进行加强,确保下步正洞跨越斜井提供支护保障。在斜井掌子面施工至距正洞设计二次衬砌水平最大跨度处内缘 6.6m处时,将原Ⅰ12.6型钢钢架由法向逐步均匀过渡至与正洞纵向平行,相邻两榀中心处间距均为80cm,每榀钢架尺寸根据内插交角单独计算,专门加工,并按偏立法架立。

2)由于斜井初期支护最后一榀拱架也需承受正洞拱架及围岩传递的荷载,因此必须对其加强。在斜井末端即距正洞二衬最大跨度内缘 20cm处采用两榀Ⅰ20a型钢并焊在一起作为加强环,改善受力条件,加强承载能力。

3)为解决交叉口段正洞上断面拱架落脚位置并保证其牢固性,在斜井初期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用Ⅰ25b型钢,两端联接Ⅰ25b型钢立柱支撑至主洞边墙底。为防基底承载力不够导致支护下沉,先夯实基底,立柱底部加焊 30cm×20cm×2cm钢板,另加提前预制的钢筋混凝土垫块(8cm厚)。型钢托梁顶面按间距 1.2m焊接 30cm×20cm×2cm厚钢板,以解决交叉口段主洞设计拱部钢架左侧落脚问题。

4)对托梁及支撑进行锚、喷防护,锚杆尾部弯折 90°后与托梁、支撑焊接在一起,按设计厚度喷射混凝土时,托梁范围暂不喷射。

5)及时施作斜井加强段二次衬砌,为交叉口提供有力的支撑。其衬砌终点端头面必须与正洞该侧纵向开挖平行,并伸出加强环 5cm。端头斜交三角带采用小块钢模、拱架配合台车加固,另外考虑到衬砌尾端和托梁共同受力,在其尾端 1m范围给予配筋加强。

6)挑顶开挖顺序。a.二衬混凝土达到拆模条件后,撤出斜井二衬台车,回填土修筑斜坡道,采用临时轮胎式轻型小挖机以 4.5m宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身拱部,并进行拱顶上导坑弧面挑顶开挖,人工风镐及作业台架进行修边。当隧道正洞拱部上导坑开挖面合格后及时初喷,移除临时棚架两侧竖撑,施作初期支护,其拱顶处纵向棚架横梁将作为永久支护。b.待拱部上导坑初期支护稳定后再采用人工风镐及作业台架向主攻(西安)方向开挖拱部上导坑,进尺 1.2m,开挖土方经人工清运至斜井后,由装载机及汽车运至洞外弃渣场。开挖合格后立即初喷,及时施作初期支护。c.掉头采用人工风镐及作业台架向次攻(包头)方向开挖拱部上导坑,进尺 1.2m,开挖土方经人工清运至斜井后,由装载机及汽车运至洞外弃渣场。开挖合格后立即初喷,及时施作初期支护,方法同上,从而拱部上导坑开挖支护范围达到 6.9m。d.当拱部上导坑 6.9m范围开挖支护完成后,采用挖机逐段扩挖中上部土体,并将右半幅初期支护接长至起拱线处,每循环进尺为 1.2m。e.在上断面初期支护下,采用环向开挖预留核心土台阶法向主攻方向开挖支护 10m后,采用相同方法向副攻方向开挖。为确保安全,该段正洞 40m范围上弧导分两次开挖支护至最大跨度(起拱线)处。前期开挖采用人工配合临时小型挖机的方法,随着工作面的扩大,视实际情况创造条件采用PC200型挖机开挖。f.当主副掌子面距达到 30m时,开始下半断面边墙落底施工。落底施工采用左右幅差开施工的方法,以防止拱架下沉,造成隧道变形、塌方,左右幅错开距离为 3m,并平行推进,开挖后,及时施作初期支护,封闭围岩,以防止围岩松弛造成隧道变形。g.当左、右侧边墙连续落底支护达到30m时,分段开挖仰拱,每次开挖 3m,及时施作仰拱混凝土及填充混凝土,利用仰拱栈桥保证掌子面继续施工。当仰拱混凝土及填充混凝土施工 30m后,立即在洞内既定位置组装衬砌台车施作二次衬砌,将交叉口处8.8m(衬砌台车长9.0m)长范围衬砌预留至最后封堵。

4 施工技术要点

1)斜井交叉口段施工,应加强初期支护,设计参数应比正常断面相应提高。

2)交叉处加强环设置。由于正洞开挖断面较大,为确保扩顶段正洞施工安全,在斜井与正洞交接处设置一加强环,加强环由2榀Ⅰ20a型钢钢架并焊组成,钢架间采用 φ22钢筋连接,根据施工方案对其进行准确定位加固,锁脚锚杆宜沿斜井与正洞交角平分线方向施作,并确保其质量。

3)设置托梁,为正洞拱架提供落脚平台。在斜井初期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用Ⅰ25b型钢,牢固焊接于斜井加强环拱顶,托梁长度超过 9m时,居中联接接头,除对焊外,另采用双面夹板(10mm厚钢板)钻孔、高强螺栓拧紧、夹板四边骑缝焊等多重加固方式。托梁两端联接Ⅰ25b型钢立柱支撑至主洞墙底。喷射C 25混凝土 25cm～30cm厚覆盖加强环、立柱钢架,托梁范围暂不喷射,待正洞钢架落脚后一并喷射,及早施作斜井二次衬砌。

4)加强正洞交叉口范围初期支护质量。将交叉口 10.8m范围内原钢格栅改为Ⅰ20a和Ⅰ16型钢拱架(8榀 +2榀),其他按设计参数施工。每榀钢架单侧不少于 4根φ22锁脚锚杆,药卷式锚杆长 4.0m,锁脚锚杆与钢架牢固焊接,防止拱架下沉。

5)正洞扩顶开挖,依据围岩稳定状态时采用Ⅰ16临时棚架支撑顶部,棚架间距为 0.8m,棚架间采用φ22钢筋焊接为整体,初喷混凝土 5cm,临时棚架横梁采用 18cm网喷,网格尺寸 25cm×25cm(临时棚架横梁将作为永久支护),形成临时支护体系,棚架结构见图1,H,h,根据现场情况确定尺寸,现场加工。

5 施工注意事项及总结

1)施工前做好各种相关施工准备,按方案要求配置好劳力、机械设备及工程材料,施工中严格按本方案、相应技术交底及规范要求施作。

2)交叉口段斜井衬砌应及早施作,挡头板沿正洞线路方向安设。

3)开挖支护中必须加大拱顶下沉及围岩位移收敛观测频率,根据量测结果及时反馈支护信息,确保支护措施安全合理,一旦发现变形过大或其他异常情况,立即暂停开挖施工,采取应急加固措施,并上报处理。

4)加强施工排水措施,防止积水浸泡。

5)加强安全培训、现场技术人员及专职安全人员必须昼夜轮流跟班指导监控,督促各类安全、质量措施落到实处。

6)制定挑顶施工的安全应急预案,做好应急材料、物资的储备。

[1] 辜鼎中.隧道斜井进正洞施工方案[J].山西建筑,2010,36(11):335-336.