华子节隧道燕尾段施工组织设计探讨

翁东郁,李怀鉴

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

华子节隧道燕尾段施工组织设计探讨

翁东郁,李怀鉴

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

燕尾式隧道是国内近几年出现的一种新的隧道结构形式,它由小间距隧道、大拱隧道组成。以山西省中南部铁路通道华子节燕尾式隧道为例,从设计方案的选择、施工组织设计和监控量测等方面对大跨段和小净距段进行分析探讨。总结出燕尾式隧道设计及施工时应注意的事项。该隧道围岩强度不均匀,预应力锚杆的作用松弛较大,不能有效的起到加固围岩的作用,在设计和施工中须对中间岩墙进行注浆加固。

燕尾式隧道;大拱隧道;小间距隧道;隧道设计

0 引 言

由于特殊地质及地形条件、线桥隧衔接方式、与既有线路相顺接、总体线路线形和工程造价等原因的制约,双洞隧道间距不能保证达到规范的要求,为获得良好的技术经济效益和环境效益,燕尾式隧道和小净距隧道方案则成为必要的可选方案,尤其对于中短隧道或长大隧道洞口局部地段为了尽快展线接入车站等。本文通过调查研究,并结合新建山西中南部通道华子节隧道设计、施工方案等关键技术研究对燕尾式隧道的设计进行了探讨。

1 工程概况[1]

山西中南部铁路通道华子节隧道进口受南吕梁山隧道(全长23 441 m)设2条单线隧道线间距30 m的影响,在华子节隧道内需过渡到线间距4.0 m,即由两条单线隧道(线间距30 m)逐渐过渡为一条双线隧道(线间距4.0 m)。华子节隧道左线起迄里程为DK321+665～DK322+860,左线隧道全长1 195m,右线起迄里程为右DK321+687～DK322+850,右线隧道全长1 163 m。华子节隧道的坡度为单面坡,隧道内线路坡度为10.9‰的下坡。华子节隧道左线DK321+666～DK322+136和右线DK321+687～右DK322+136段为单线隧道,长919 m。DK322+136～DK322+261长125 m为喇叭口隧道(线间距4.0 m～12.591 m),DK322+261～DK322+850长589 m为双线隧道。隧道左线进口至DK322+302.7及DK322+489.6～隧道出口位于半径为800 m的右偏曲线上,DK322+302.7～DK322+489.6位于直线段上。隧道右线进口至DK322+350.4及DK322+489.6～隧道出口位于半径为800 m的右偏曲线上,DK322+350.4～DK322+489.6位于直线段上。

隧道区地层主要为第四系上更新统风积层(Q3eol),新黄土:浅黄色,坚硬～硬塑,含钙质结核,厚约19 m～31 m;第四系中更新统坡洪积层(Q2dl+pl),碎石土,浅黄色,密实,成分为灰岩;粗角砾土:灰色,密实,稍湿。下伏露奥陶系中统下马家沟组(O2x)石灰岩:青灰色,隐晶质结构,中厚层构造。隧道除进出口为Ⅴ级围岩,洞身DK321+666～DK322+742洞顶及侧墙均为弱风化石灰岩,围岩级别为Ⅲ级。

2 设计方案的选择及确定

2.1 设计方案的选择

燕尾式隧道作为国内近几年出现的一种新的结构形式,一般由小间距隧道、连拱隧道、大拱隧道、双线隧道组成。燕尾式隧道由于结构的特殊性,该段受力相对较复杂,因此在燕尾式隧道的设计中考虑的关键因素有以下几方面,首先,两单线隧道的最小净距;其次,大拱段的断面形式。由于小净距隧道通过加固中间岩墙和合理安排施工工序,减小两洞开挖对围岩及衬砌结构的影响,充分利用中间岩墙围岩的自承能力,在相同围岩级别下,施工工序优于连拱隧道[2],因此华子节隧道燕尾段采用了小净距段过渡至大拱段的过渡形式。

2.1.1 单双线交界处的净距选择

相互影响是小净距隧道与分离式独立隧道的根本区别所在,先行隧道施工时,临近隧道的围岩初始应力场会发生很大变化,随着间距的增大,围岩应力场的扰动量将迅速减小。因此如何合理确定两隧道之间的间距尤为重要。

邻近隧道相互影响的作用表现在地表沉降、围岩应力、支护结构内力等方面,由于相邻隧道的存在,开挖过程中两隧道的应力区相互影响,使得隧道的稳定性趋于不利条件;研究已有的资料分析表明[3]:相互影响程度与隧道间净间距密切相关,隧道靠近中间岩柱侧受邻近隧道的影响大于远离中间岩柱侧;由于相邻洞室的存在,后行隧道所处的初始应力场被破坏,且由于相邻洞室的衬砌结构改变了地层刚度条件,使地层与衬砌的相互作用产生变化。

通过对我国研究人员针对不同围岩级别、不同埋深等方面对小净距的合理取值进行探讨,所得到的成果总结如表1所示。A为2004年鲁彪[4]利用平面有限元方法对初衬、二衬的主压应力进行了分析,初步提出了不同埋深下的最小安全净距;B为2005年田志宇、何川等[5]通过模型试验,以毛洞情况下中间岩柱是否破坏作为判断标准,提出了不同围岩级别下双洞合理净距的最小值。工程对象普遍为土体(London Clay,Chicago Clay)中修建的圆形隧道,涉及工程的净间距范围为0.25～1.0倍隧道直径[6]。综合分析确定华子节隧道在单双线交界处的净距取为3 m。

图1 DK322+136处断面(线间距为9.94 m)

表1 双线隧道最小净距建议值

2.1.2 大跨段设计

从单双线分界里程DK322+136处向大里程方向为双线段,向小里程方向为两个单线隧道,两隧道在大拱段内要将线间距从9.94 m渐变为4 m,经过对比分析后认为为了既方便施工又能有效地节约材料,采用了三个逐渐变化的断面进行过渡,DK322+136处的断面形式如图1所示,三个过渡段的断面如图2所示(三个断面参数见表2)。

其中DK322+106～DK322+136(单双线过渡加强段)、DK322+136～ DK322+176段、DK322+176～ DK322+211段、DK322+211～DK322+261段为大拱渐变段,线间距由9.94 m渐变为4 m。

2.1.3 支护参数设计(见表3)

图2 DK322+136～DK322+261段断面(大拱段)

表2 大拱段隧道开挖面设计参数

表3 大拱段隧道初期支护设计参数

3 燕尾段隧道施工组织设计

3.1 施工方案及支护参数

3.1.1 大拱段施工方案

大拱段开挖跨度大,如何确保安全是该隧道的施工技术的难点和重点之一。大拱段位于洞身,采用超前小导管预支护辅助施工。在大拱段初期支护中拱部采用了中空注浆锚杆。

根据勘探地质情况,大拱段开挖支护方案定为4部开挖支护,这样减少了工序之间的干扰,既提高了进度又有利于保证施工安全。各部之间的开挖应错开1倍以上的洞径。大跨段在预支护下采用上下台阶法施工(预留核心土),如图3。在单双线交界里程DK322+136处设堵头墙,堵头墙支护采用25 cm厚喷射混凝土,衬砌采用45 cm厚C30钢筋混凝土。

图3 大拱段开挖断面图

3.1.2 小间距段施工方案

由于华子节隧道燕尾段处于Ⅲ级围岩地段,围岩状况较好,为了尽量减少开挖对围岩的扰动和开挖后的暴露时间,小间距段开挖支护同样采用全断面开挖方式,人工利用多功能台架钻孔爆破开挖,锚网喷混凝土联合支护。同正常的分离式隧道的支护方式不同之处是在左、右洞之间较薄的岩墙上打设注浆锚杆,对围岩的裂隙进行注浆,加强岩墙的承载能力,同时施工对拉低预应力钢筋,以增加岩墙的受力性能。

通过已有的研究资料表明:左右掌子面距离是决定小间距隧道相互影响的重要因素,掌子面距离的变化改变了洞室围岩压力的分布,从而使洞室的施工力学反映有所不同。掌子面距离增大可以避免两洞室对周边围岩扰动效应的叠加,并可充分利用先行洞室支护结构的加固效应以减小后行洞室的施工影响作用,但另一方面却相对恶化了先行洞室的受力状态。

掌子面距离变化的具体表现:对于地表沉降的影响主要集中在现行隧道拱顶上方地表位置,随着距离的增大,此处地表沉降值增大;掌子面距离对洞周主要影响为横向位移值,随着距离的增大,横向收敛值减小,对左洞的影响尤其明显;中间岩柱处的位移、应力随着掌子面距离的增大而减小,稳定性增强;塑性区、初衬内力均随着掌子面距离的增大而减小,且变化速率随着距离增大而减小。通过综合分析左右洞掌子面距离的变化对各分析参量的影响,在华子节隧道的近距隧道施工中,左右洞掌子面距离为20m时的相对效果较好,此距离可有效减小支护受力,对于洞室本身收敛的控制也有显著效果,有利于洞室的稳定。

为了保证安全施工,在小间距段DK322+106～DK322+136、右DK322+106～右DK322+136采用左右线错开开挖的方法,其中拱部段拱部140°范围采用超前小导管支护如图4所示。

图4 小净距段开挖断面图

3.2 预加固及支护参数

(1)大跨段:拱部采用Φ 42超前小导管注浆支护,环向间距中至中30 cm;拱墙设置Ⅰ25a型钢拱架进行支护,间距0.8 m,拱墙设Φ 8钢筋网,喷射 C25混凝土32 cm厚,拱部布设 Φ 25中空注浆锚杆,边墙布设Φ 22全长粘结砂浆锚杆进行联合支护;二次衬砌采用45 cm厚的C30钢筋混凝土。

(2)小间距段:拱部采用L=3 m的Φ 25中空注浆锚杆,间距1.5 m(环)×1.0 m(纵);中间岩墙打设注浆锚杆注浆加固围岩,并采用L=3.5 m、Φ 25的低预应力锚杆;两侧边墙采用Φ 22的砂浆锚杆;拱、墙铺设Φ 6、25 cm×25 cm的钢筋网片架设Ⅰ16工字钢加强支护。

4 监控量测

4.1 燕尾隧道监控量测项目及测点布设

本隧道进、出口及燕尾段应作为监控量测的重点。大拱段由于断面大,断面变化频繁且结构较复杂,监测断面应适当加密。监测断面,测点的数量可根据施工安全的需要和实际可适当增加或减少,监控量测的结果反馈于设计,以便对支护的力学性态及安全度及时进行评价和分析,从而采取相应的技术措施和工程措施,防止意外事故发生。

施工中选择有代表性的断面埋设测试元件进行监测,每个监测断面可设7个测点,对称布置,以利校对和分析,监测项目包括:

(1)隧道净空收敛、拱顶和地表沉降、底板隆起量测;

(2)利用多点位移计对围岩内部位移进行监测;

(3)围岩与混凝土之间压力量测;

(4)超前地质预报测试;

(5)钢拱架应力量测;

(6)衬砌结构应力和锚杆应力测试。

4.2 燕尾隧道监控量测目标

为确保华子节隧道的顺利施工和长期安全运行,施工中对隧道围岩和支护结构的变形、受力特征进行必要的监测和分析工作,进而指导现场安全合理的施工,并对原有设计提出修改和优化。其中隧道燕尾段是全局工作中的难点、重点和核心,相应的燕尾段现场监控量测工作也需格外加强。

对该燕尾段隧道进行现场监控量测的目的,首先直接服务于设计和现场施工,同时也为燕尾式隧道数值模拟、正反分析、物理模型实验等提供第一手资料。为今后该类隧道设计及施工提供参考。

5 结 语

(1)燕尾式隧道是地形条件和线路受到限制的情况下专门设计的,适应于长大隧道紧邻特大桥或接入站场等的情况。从成本角度分析,燕尾式隧道并不是经济的,小净距隧道的设计尚没有规范可依,还有大拱段对应的支护参数也相应加强,施工风险也越大,所以施工也就越困难,投资相应也越高。

(2)从已经施工的小净距隧道分析,由于围岩强度不同,预应力锚杆的作用松弛较大,不能有效的起到加固围岩的作用,因此施工中要对中间岩墙进行注浆加固,确保围岩的密实度,提高低预应力锚杆的作用。

(3)监控量测工作作为新奥法的一项关键步序,施工中应加强量测,分析并及时反馈设计,以便于优化设计。

[1]铁道第三勘察设计院.山西中南部通道华子节隧道设计图[R].天津:铁道第三勘察设计院,2009.

[2]郑光辉.公路连拱隧道与小净距隧道施工力学特征对比研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[3]杜菊红.小间距隧道动态施工力学研究[D].上海:同济大学,2008.

[4]鲁彪.公路小净距隧道最小安全净距确定与双连拱隧道中隔墙断面优化研究[D].西安:长安大学,2004.

[5]田志宇,何川,姚 勇,等.双洞小净距隧道合理净距模型试验研究[C]//2005年全国公路隧道学术会议论文集,北京:人民交通出版社,2005:37-41.

[6]Ghaboussi J,Ranken R E.Interaction between two parallel tunnels[J].International Journal forNumerical andAnalytical Methods inGeomechanics,1977,(1):75-103.

Discussion on Construction Design for Swallow-tail Section of Huazijie Tunnel

WENG Dong-yu,LI Huai-jian
(3rd Railway Survey andDesign Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)

The swallow-tail tunnel is a new structure in recent years,which consists of a small space tunnel and large-arch tunnel.Taking Huazijie tunnel in Shanxi for example,the large-span section and small-distance section of the tunnel are analyzed and discussed here from the design and construction programs,and the considerations in design and construction of swallow-tail tunnels are summarized and introduced.As the rock strength is different,the role of pre-stressed bolts is loose,and the role of reinforcement for surrounding rocks could not be played effectively,the grouting to the middle of rock walls must be made in design and construction.

swallow-tail tunnel;large arch tunnel;small space tunnel;design of tunnel

U455

A

1672—1144(2010)02—0126—04

2009-12-20

2010-01-26

翁东郁(1983—),男(汉族),福建泉州人,助理工程师,主要从事隧道工程设计与研究工作。