宜万铁路云雾山隧道溶腔段双连拱隧道施工技术

李建铭

(中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006)

宜万铁路云雾山隧道溶腔段双连拱隧道施工技术

李建铭

(中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006)

介绍宜万铁路云雾山隧道溶腔段双连拱隧道施工过程。在先行施工了右侧正洞的情况下,通过在右洞侧加固中导洞顶部岩体,分段开挖余下半边中导洞,对中墙顶部采用工字钢架支顶和喷射混凝土回填中墙顶部空隙,完成先进洞的二衬后,再进行后进洞的开挖、初衬和二衬,成功完成了该段双连拱隧道施工。

宜万铁路;溶腔段;双连拱隧道;铁路隧道;施工

1 工程概况

1.1 工程情况

宜(昌)万(州)新建铁路云雾山Ⅰ线隧道全长6640m,Ⅱ线隧道全长6682m,系宜万线8座Ⅰ级高风险隧道之一。进口314m为三线车站隧道地段, 282m为双线车站隧道地段,211m为燕尾式隧道地段,此后分为两条单线隧道地段,其中82m为双连拱隧道。进口端设置1处横洞,横洞口位于DK242+ 293线路左侧130m,横洞进口里程HDK0+641,出洞坡度为-5‰,横洞长度641m。双连拱隧道平面如图1所示。

图1 双连拱段隧道平面(单位:m)

1.2 施工顺序

开工伊始,在进口和横洞口各设一工作面分别向前掘进。进口工作面主要承担三线、双线和燕尾段等807m大跨段施工;横洞口工作面力图快速完成横洞小断面施工后,进入正洞单线段开创单线隧道主攻工作面。

(1)横洞施工

横洞口工作面向前开挖571m时,遭遇一大型无充填溶洞,采用洞砟回填溶腔底部继续向前施工,发现前方存在一倒悬体,倘若按原设计继续向前施工,存在非常大的安全隐患。经过建设、设计、监理和施工四方现场会商,决定暂停向前施工,退回自横洞已开挖段(距横洞口431m)新增横通道进入正线燕尾段,进行燕尾式隧道右线施工后向前掘进提前进入单线地段施工。

(2)绕避溶洞进入Ⅰ线隧道施工

自横洞进入右线隧道,向前掘进73m后到达双连拱段,鉴于前方地质情况仍不明朗,决定放弃双连拱隧道三导洞施工方案,先施工右线隧道。在右线隧道向前开挖过程中,相继在 DK242+803、DK242+852、DK242+872等处遭遇无充填干溶腔,并通过溶腔支洞对前方发育情况进行了勘察,前方地质仍不明朗,经建设、设计、监理和施工四方现场会商确定返回原横洞工作面,在横洞溶洞左侧增加绕行导坑,绕避溶洞向前开挖进入右线,一方面可以向前开挖单线隧道,另一方面反向施工进一步揭示溶洞,探明地质。在绕行施工中2次发现小型溶洞,回填通过后,于2005年1月12日进入原设计横洞与隧道正线交汇点。随后进行反向开挖,并于2005年2月26日将该溶腔在隧道正线发育范围贯通,所揭示溶腔为一特大型干溶腔,与线路斜交约70°,纵向长约42m,横向最宽约38m,深约20m,高度尚无法确定。

2 双连拱隧道施工方案的确定

2.1 DK242+763～DK242+853双连拱段施工现状(图2)

双连拱隧道段共长82m,该段地层为寒武系中统光竹岭组之浅灰、条带状灰岩夹白云岩及白云质灰岩;岩层产状136°∠24°～130°∠50°,节理较发育,岩体较完整。隧道设计为现浇直中墙双连拱隧道,墙厚0.8～3.12m,墙高5.39m,位于岩溶强烈发育地段。

图2 双连拱段施工现状(单位:cm)

施工中为了确保高风险岩溶地段安全施工,先行开挖了右洞,造成了已不能按双连拱隧道的常规施工方法——三导洞法施工双连拱隧道的客观事实。另外,右线贯通后,为了确保双连拱隧道施工安全,双连拱隧道施工须待所揭示大型干溶腔处理完成后进行,于是双连拱隧道段一度被搁置,直到2008年9月才开始施工。

2.2 双连拱段施工方案

总体思路:先加固Ⅰ线正洞,接着开挖剩余半边中导洞,修筑中隔墙,再施工右洞(Ⅰ线)二次衬砌混凝土,最后施工左洞(Ⅱ线)。

双连拱隧道右洞的开挖,打破了常规双连拱隧道施工的既有次序,为后序施工增加了难度,而其中导洞的开挖支护、中隔墙的修筑和左洞施工时机的确定,关系到整个双连拱隧道施工的成败。

2.2.1 中导洞开挖中隔墙浇筑方案比选

(1)中导洞开挖中隔墙浇筑方案

①方案1

半边中导洞采用弱爆破短开挖(进尺≤1.5m/每茬炮),设置全环I20钢架(0.5m/榀),并设置I20型钢斜撑加固钢架,每榀间设纵向φ22mm螺纹钢筋连成整体,纵向连接钢筋环向间距2.0m,采用锚喷支护(φ22mm砂浆锚杆,间距纵向1.2m×横向1.0m)临时支护中导洞左边墙及左拱部;中导洞开挖完成后,每5m一个段落,拆除临时支撑、浇筑中隔墙C25混凝土混凝土。其施工步序见图3。

图3 施工步序

②方案2

纵向间隔预留中间岩柱(5m),分段(长度5m)开挖,分段浇筑中隔墙。即纵向每5m跳段开挖,每循环进尺≤1.5m,采用φ8mm钢筋网,网眼间距15cm× 15cm,φ25mm中空注浆锚杆,间距纵向1.0m×横向1.0m,20cm厚C20喷射混凝土,浇筑4m中隔墙后,再开挖预留岩柱部分,浇筑余下中隔墙。其施工步序见图4。

③方案3

图4 纵向间隔预留中间岩柱施工步序(单位:cm)

逐段(长度5m)开挖、逐段(长度4m)浇筑中隔墙,逐步逼近。即纵向每5m分段开挖,每循环进尺≤1.5m,采用锚网喷支护(φ8mm钢筋网,网眼间距15cm×15cm,φ25mm中空注浆锚杆,间距纵向1.0 m×横向1.0m,20cm厚C20喷射混凝土),立即浇筑C25中隔墙混凝土,逐段推进完成中隔墙施工。其施工步序见图5。

图5 逐段开挖、逐段浇筑中隔墙施工步序(单位:cm)

(2)方案比选

①中导洞开挖后洞体的受力分析

为修筑中隔墙,开挖后断面形状如图6(a)所示。

开挖后,形成如图6(b)所示的偏压结构。根据研究结果[2],水平应力对地下工程中拱的影响与支座水平力对拱结构的影响相似。

图6 中导洞开挖前后断面

众所周知,拱结构中,支座水平力的存在使得荷载能够沿着拱线传递,没有水平向约束,拱结构将无法存在,水平应力作为荷载和水平向约束作用在压力拱上,但作为水平向约束对压力拱的影响最大,因此导坑开挖后开挖体右侧失去了水平向约束,同时在导坑顶部存在应力集中和重分布,施工中极易发生坍塌;其次,开挖后,跨度将增大至10m,其高跨比减小,洞体的稳定性下降;此外,分段爆破开挖还会造成岩体多次被挠动,会增大偏压结构的失稳几率。

②方案比选

方案1～方案3,都从不同角度采取了不同的工程措施,力求完成从偏压到对称结构的体系转换,减小跨度,但在结构安全、进度、成本、是否便于现场施工上却各有优劣。其对比情况如表1所示。

表1 方案比选

综上所述,根据Ⅰ线所揭示出的该段围岩情况:地层为中厚层状白云质灰岩,节理裂隙、地下水均不发育,受地质构造影响轻微,岩石强度高且为微风化,围岩可判定为Ⅱ级围岩的实际情况,选择方案3进行施工。

2.2.2 左洞开挖时机及左右洞衬砌施工顺序的确定

中隔墙施工完成后,双连拱隧道左右洞的施工顺序的确定,也是一个关键的环节。根据文献[3],对先进导坑在一次支护状态和衬砌状态下的施工顺序的研究,结合双连拱隧道段的实际施工情况,确定左右洞的施工顺序。尽管该段围岩为Ⅱ级围岩,围岩完整性好,有在先进导坑一次支护状态下立即进行左洞开挖的条件,能减小工期压力,但由于右洞(先进导坑)原一次衬砌并未设计钢支撑加固,考虑到后进导坑施工时如果出现大于先进导坑支护承载力的应力,势必要加强右洞支护措施,较不经济;且右洞是云雾山隧道进口进入隧道深处施工的关键通道,一旦双连拱隧道出现坍塌,将导致关键施工通道中断,影响整个施工全局。

综上所述,将施工顺序定为,中隔墙浇筑完成→右洞衬砌(先进导坑)→左洞开挖支护→左洞衬砌(后进导坑)。在左洞开挖过程中,加强收敛观测,根据爆破时在右洞观测采集到的爆破振速和收敛结果,对爆破设计进行优化调整;开挖时,为防止爆破飞石对中隔墙已浇筑混凝土的损伤,还应对中隔墙混凝土采用木板等防护措施进行保护。

3 双连拱隧道施工

3.1 加固中导洞顶部岩体

在余下半边中导洞开挖前于先行洞(右洞)左侧,对中导洞顶部岩体用锚杆进行加固。对节理裂隙不发育,较完整岩体采用早强药包型锚杆(φ22mm螺纹钢筋)加固,长2.0～4.0m,间距1.0m;对节理裂隙发育,裂隙内充填泥沙型,较破碎岩体采用注浆锚杆(φ25mm中空注浆锚杆),长2.0～4.0m,间距1.0m。钻孔采用YT -28湿式凿岩机钻孔,注浆采用ZMP710V高压注浆泵注浆。

3.2 开挖

中导洞开挖在右洞左侧加固后进行,左洞在中隔墙浇筑右洞衬砌后进行。中导洞和左洞开挖,均采用全断面开挖,光面爆破。开挖时,采用YT -28湿式凿岩机钻孔,采用非电毫秒雷管爆破,电雷管起爆;开挖后采用ZL50装载机出砟,挖掘机CAT220配合,红岩自卸车运砟。

3.3 中隔墙混凝土及左右洞混凝土浇筑

双连拱隧道段混凝土施工,始终按照“先施工中隔墙混凝土,接着施工右洞混凝土,最后开挖左洞和施工左洞混凝土”的顺序进行。中隔墙在每开挖5m后,浇筑4m混凝土,依此逐段推进。中隔墙混凝土浇筑采用1.5m长、1.5m宽钢模板拼装立模,一次成型,外用钢管脚手架支撑加固,拌和站集中拌制混凝土,混凝土罐车运至现场,混凝土输送泵泵送入模,人工浇捣而成。右洞混凝土浇筑时,将正洞整体钢模台车的左侧边墙板沿中隔墙顶截去,测量放样后就位,现场浇筑洞身混凝土;左洞混凝土浇筑时,将正洞整体钢模台车的右侧边墙板沿中隔墙顶截去,测量放样后就位,现场浇筑洞身混凝土。

3.4 中隔墙浇筑后墙顶与开挖岩壁间空隙加强措施

由于中隔墙顶部存在一定超挖,中隔墙混凝土浇筑后造成中隔墙顶与岩壁之间存在较大空隙,存在应力集中和重分布,在后序开挖过程中多次挠动,可能会失稳坍塌。采用工字钢(I20,间距50cm)两端焊接钢板(□25cm×25cm×2cm)支顶,工字钢之间用φ22mm螺纹钢筋连接,再喷15cm厚的钢纤维喷射混凝土予以加强。

3.5 防排水措施

双连拱隧道中隔墙顶施工缝若处理不好,易出现渗漏水,是双连拱隧道施工防水薄弱环节。施工中采用在中隔墙顶预埋φ100mm纵向排水管,每5m设置1根φ50mm竖向排水管,通过三通管与纵向排水管相连,将水排至双连拱隧道内的水沟里排走。中隔墙浇筑后,先于墙顶设置2mm厚PVC复合式防水卷材,留足与双连拱隧道两侧拱部防水板搭接量,然后在其上设置I20型钢支顶中墙顶部岩体,并采用C25喷射混凝土将墙顶与岩体之间的空隙填实,喷混凝土采用微膨胀混凝土。见图7。

图7 中隔墙顶工字钢及喷混凝土加固(单位:cm)

4 结论及思考

(1)云雾山隧道DK242+763～DK242+853段双连拱隧道的成功施工,印证了施工中采取的各种工程措施的有效性;

(2)云雾山隧道DK242+763～DK242+853段双连拱隧道,在特殊地质、特殊施工条件下,通过先开挖支护右洞,开挖中洞施工中隔墙,再浇筑右洞混凝土,最后开挖左洞和浇筑左洞混凝土,完成了该段双连拱隧道的施工,不失为一种双连拱隧道施工的有效方法;

(3)在双线隧道向两个单线隧道的过渡隧道设计时,为方便施工和降低工程造价(需2次改整体钢模台车的边模),确保施工质量(中隔墙顶防水施工易失败,在后进导坑开挖时易使中隔墙混凝土表面受损),不宜采用直墙式中隔墙,最好采用复合式曲中墙或小间距隧道。

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李建铭(1975—),男,工程师。