宜万铁路赵家岭隧道四线双连拱段新奥法施工技术

王晓锋

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

1 工程简介

宜万铁路赵家岭隧道位于宜昌市土城乡,隧道进口里程为 DK39+318,左线出口里程 DK40+446,右线出口里程 DK40+456,全长1138m。进口段赵家岭大桥伸入隧道 32.48m。左线 DK39+351.27～DK39+961.55位于 R=2000m的曲线上,DK40+312.01至出口位于 R=16000的曲线上,区域隧道段位于直线上。全隧道纵坡设置分别为 15.36‰、6.9‰的上坡,其坡长分别为 382m和 756m。隧道进口与赵家岭大桥连接,DK39+318～DK39+500段为双线隧道;DK39+500～DK40+188段为双线大跨隧道;DK40+188～出口段为双孔四线隧道,其中双孔四线隧道段共计268m。

隧道地质条件复杂,表层覆盖 Q4dl+el粉质黏土 ,褐黄色,硬塑,厚 0～2m;下伏∈ 3sn白云岩,∈ 2sn灰岩、白云质灰岩夹泥质页岩薄层,页岩呈强风化破碎,灰岩、白云质灰岩为弱风化,岩层产状 140°～190°∠5°～15°,风化节理产状:①170°∠70°,2条 /m,长 3 ～ 5m;②120°∠70°,1m/条 ,长 3m。

2 施工方法

2.1 施工方案确定

新奥法原理以岩土力学原理为基础,合理利用围岩的自承能力,尽量减少开挖隧道对围岩的扰动,以喷射混凝土、锚杆、挂网为主要支护手段,及时封闭,使围岩成为支护体系的重要组成部分。在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下再进行二次衬砌的修筑。根据赵家岭隧道现场地形条件,进口不具备进洞条件,隧道施工采用从出口向进口方向独头掘进方案,新奥法施工。

由于出口段设计有 268m的四线双连拱隧道,施工难度较大,为保证施工安全,在施工中采用了包括地震波法、红外探水、地质雷达、超前炮眼、超前水平钻孔和常规地质分析相结合的方法,相互验证、补充的综合超前地质预测预报手段,并把地质工作纳入正常施工工序中,一方面严格按照“短进尺、弱爆破、早支护、勤量测、分部开挖、及时衬砌”的原则组织施工,另一方面为保证隧道掘进施工的连续性,确定采用中导先行,中隔墙混凝土跟进浇筑作业,两侧正洞先右后左台阶法掘进,如图1、图2所示。中导洞掘进进入双线大跨段后改为台阶法开挖,直至完成隧道全部掘进任务。

图1 中导洞施工作业面布置(单位:m)

图2 双孔四线段施工作业面布置(单位:m)

隧道开挖施工采用光面爆破技术和微振爆破技术,最大限度地控制超欠挖并减小对围岩的扰动。初期支护紧跟掘进作业面。仰拱施工、防水层施工及衬砌施工及时跟进。

2.2 四线双连拱隧道结构内力分析

2.2.1 隧道衬砌结构

赵家岭隧道四线双连拱段断面比较大,其受力结构较为复杂。隧道二次衬砌的轴力随着隧道上覆荷载的增大而增大,最大轴力值分布于中隔墙,其次是仰拱和边墙的结合部位(边墙脚);最大弯矩同样分布在中隔墙上,其次是边墙脚和边墙,其中拱腰和边墙脚主要受拉,拱顶、边墙和仰拱主要受压。因此,隧道开挖必须进行光面爆破。开挖轮廓线要圆顺,特别是尽量避免拱腰、拱脚处应力集中。二次衬砌时,边墙和仰拱结合部位的钢筋绑扎必须到位,并做好接头处理。

2.2.2 施工过程中的中隔墙受力变化分析

双连拱隧道的中隔墙受到左右洞施工时各个方向反复荷载和拱顶以上荷载的作用,受力复杂,压、拉、弯、剪均有,内力经常发生变化,其中主要发生 5次明显的内力转换(图3)。但由于地质及施工原因,荷载作用方向的不确定性使内力转换更加复杂。

图3 中隔墙内力转换(受力变化)

第 1次内力转换:中导洞开挖时,中隔墙主要承受来自拱顶围岩松弛产生的竖向压力(P竖),属于轴心受压结构,由于中隔墙断面比较大,这一阶段受力比较稳定。如果隧道存在偏压,中隔墙还受偏压荷载的作用。

第 2次内力转换:右洞开挖时,破坏了开挖中导洞后围岩形成的稳定,整个隧道产生了偏压。中隔墙主要承受拱顶压力(P竖)和左洞偏压形成的侧压力(F左)。中隔墙属于偏心受压结构,此时中隔墙主要抗剪(F剪)、抗弯(F弯),必须验算抗倾覆力矩。

第 3次内力转换:右洞开挖后,立即进行初期支护,拱部采用 φ25mm中空注浆锚杆,喷 C25钢纤维混凝土,及时封闭围岩裂隙,抑制围岩变形,并且衬砌紧跟。右洞同样对中隔墙产生侧压力,此时中隔墙承受的偏心荷载方向和大小取决于 F右与 F左的大小。

第 4次内力转换:开挖左洞时,右洞形成了偏压(F右)。中隔墙受到向左的侧压力(F右)不变,但是 F左减小,因此中隔墙主要受到竖向压力和向左的水平推力 F右,同时也受部分抗剪及抗弯。

第 5次内力转换:由于左右洞均已成形,理论上受到的侧压力为零(F左-F右=0),中隔墙主要承受竖向力(P竖),受力稳定。

2.3 主要工序施工

2.3.1 洞口施工

在洞门表土开挖施工过程中,利用挖掘机爬坡能力强、活动范围大的特点,采用不爆破或弱爆破,挖掘洞门土石方。因隧道出口两端岩层节理发育,且风化严重,为保证洞口围岩的完整性,减少暴露时间,在中导洞进洞之前,将边坡和仰坡刷坡到位,按照山体走势和设计要求做好天沟;在边坡和仰坡上,垂直于岩层层面方向打入锚杆,入岩深度 3.4m,外露 0.1m,并且在岩面上布置 φ8mm的钢筋,网眼尺寸 25cm×25cm,锚喷混凝土厚 10cm。沿开挖轮廓线打 15°仰角,方向尽量与岩层层面垂直,间距 30cm,入岩深度 3.5m,外露 0.5m的超前锚杆;在距岩面 1.0m和紧贴岩面处,分别立钢拱架(I16型钢冷弯制成),钢拱架与超前锚杆焊在一起,钢拱架之间用 φ22mm钢筋连接,环向间距 1.0m,且在钢支撑之间环向布置 φ12mm钢筋,间距 20cm。后沿钢支撑立模板,浇筑 40cm厚混凝土。为确保安全,在混凝土强度达到设计要求后,开挖上半断面,严格控制装药量,,每一循环进尺不大于 1m。按照要求打系统锚杆,在洞口 5m范围内,每米布置 1榀钢拱架,并及时喷射混凝土。

2.3.2 凿岩掘进

2.3.2.1 双孔四线段掘进方案

双孔四线段处于Ⅲ级围岩地段,跨度大,为确保施工安全,采用中导洞及上导双侧壁导坑开挖,下导左右交替长段开挖方案。其施工工序如图4所示。

图4 Ⅲ级围岩双孔四线段开挖支护顺序(单位:cm)

在施工中,中导洞采用全断面开挖,开挖时采用风动凿岩机钻眼,斜眼掏槽,光面爆破。

中隔墙在中导洞开挖完成后,先施作基底加固锚杆,并浇筑中隔墙基础,然后采用定型钢模浇筑中隔墙墙身,每 10m一个循环。为保证中隔墙顶部回填密实,形成较强的受力体,在顶部立设侧模,若仍有空隙则采用同级混凝土回填。

在中隔墙完成适当长度后,以上导双侧壁导坑法分部开挖正洞,下导坑左右交替长段开挖,并及时进行初期支护。开挖时先施工右线隧道,待右线隧道完成后,再施工左线隧道。

2.3.2.2 钻孔爆破施工要点

采用新奥法施工,钻孔、爆破均严格按光面爆破要求实施。严格按钻爆设计司钻,特别是周边眼和掏槽眼的位置、间距及数量。准确定位凿岩机钻杆,使钻孔位置误差不大于 5cm,保持钻孔方向平行,根据岩石强度选用炸药,有水地段及周边眼选用乳化炸药,其余采用 2号岩石硝铵炸药。周边眼采取 φ25×200小药卷,不耦合装药,其余炮眼用 φ32×200药卷。采用合理的装药结构,使炸药沿孔深均匀分布。在施工时均采用不耦合装药结构,不耦合装药系数控制在 1.4～2.0。隧道周边采用光面爆破,不良地质、浅埋地段采用微振控制光面爆破。

2.3.2.3 出砟运输

采用无轨运输出砟方案,施工中使用 2台装载机装砟,1台 VOLVO装载机,1台柳州 ZL50F装载机,6辆铁马自卸车运砟。无轨出砟车辆满载时运行速度15km/h,空载时 20km/h。装载机平均每台装车时间为 8min/辆。隧道开挖出砟时间可以控制在 4h以内,实践证明,满足隧道施工出砟的需要。

2.3.2.4 初期支护

新奥法的初期支护是永久衬砌的一部分,它承受了整个隧道 60%～70%的受力,因此赵家岭隧道施工中初期支护采用砂浆锚杆、中空注浆锚杆、工字钢钢架及喷射混凝土联合支护,确保了施工安全质量。

2.3.2.4.1 砂浆锚杆及中空注浆锚杆

(1)施工方法

砂浆锚杆采用风枪钻孔,注浆泵注浆。注浆工艺依据锚杆倾角不同采取不同的注浆方法,上倾采用双管排气注浆法,下倾或水平采用单管注浆法。

(2)工艺要点

锚杆孔开孔前做好量测工作,按设计要求布孔并做好标记,锚杆孔的孔轴方向满足设计的要求,图纸未规定时垂直于开挖面,局部加固锚杆的孔轴方向与可能滑动面的倾向相反,交角大于 45°。

孔深度达到设计规定后,用高压风冲洗、清扫锚杆孔,确保孔内不留石粉。砂浆采用高浓度砂浆,配合比通过现场试验确定,并坚持随拌随用的原则,对超过初凝时间的砂浆做报废处理。

止浆塞牢固塞入以确保能承受锚杆及注满锚杆孔砂浆的重量。排气管必须确保插入锚杆孔底,排气孔未出浆前,不得停止注浆。止浆塞在砂浆具有一定强度后方可拔出,拔出时不得振动锚杆。

2.3.2.4.2 中空注浆锚杆

(1)施工方法

中空注浆锚杆主要用于正洞拱部。施工时,采用风枪钻孔,注浆泵注浆。

(2)工艺要点

注浆压力:一般为地下水静水压的 2～3倍,同时应考虑岩层的裂隙阻力,但瞬间最高压力值不应超过0.4MPa。根据已有资料进行工程类比及现场砟体注浆试验情况选定注浆压力范围,确定浆液扩散半径 r的大小。洞内注浆压力达到 0.35MPa或单孔灌注量达1t时注浆结束。

2.3.2.4.3 钢架支护

(1)施工方法

采用钢格栅钢架进行支护,在洞外分段加工制作,运输车运进洞内后人工配合机具采用法兰拼装。

(2)工艺要点

施工前进行了原材料试验,合格后加工使用。安装前清除底脚处浮砟,按设计焊接定位筋及纵向连接筋,段间连接安设垫片拧紧螺栓,严格控制中线及高程,拱架与岩面间安设鞍形混凝土垫块,确保岩面与拱架密贴。拱脚必须支立在基岩上不准悬空,若悬空必须用混凝土块、片石塞紧。拱架安装后必须保证垂直度,不能发生扭曲变形。

2.3.2.4.4 喷射普通混凝土

(1)施工方法

在喷射混凝土之前要按照规范和标准对开挖断面进行检验,一般地段按湿喷工艺施工。施工机械采用TK961型湿喷机。

(2)工艺要点

喷射混凝土严格按设计配合比进行拌和,喷射前认真检查隧道断面,对欠挖部分及所有开裂、破碎、出水点、崩解的破损岩石进行清理和处理,清除浮石和墙角虚砟,并用高压水或风冲洗岩面。

喷混凝土作业采取分段、分块,先墙后拱、自下而上的顺序进行。喷嘴做反复缓慢的螺旋形运动,螺旋直径为 20～30cm,以保证混凝土喷射密实。同时掌握风压、水压及喷射距离,减少回弹量。喷射混凝土厚度 ＞5cm时分 2层作业,第 2次喷射混凝土如在第 1层混凝土终凝 1h后进行,需冲洗第 1层混凝土面。

2.3.2.5 二次衬砌

开挖右洞时,中隔墙属于偏心受压结构,受力比较复杂,因此必须衬砌紧跟,抵御左洞产生的侧压力,保证施工安全,衬砌离掌子面的距离最好在 40m左右,各工序既不互相干扰,又使围岩开挖暴露时间短,围岩变形基本稳定,水平收敛和拱顶下沉均符合规范要求。围岩为Ⅳ级地段,衬砌 C30钢筋混凝土,厚 50cm,仰拱填充 C25混凝土,仰拱和仰拱填充分开浇筑。围岩为Ⅲ级地段,衬砌 C30钢筋混凝土,厚 40cm。在二次衬砌施工时,参考围岩监控量测数值,了解围岩的收敛速率,选择合适的浇筑时机,防止了在隧道个别部位出现受拉、受压破坏情况。

2.4 施工排水

赵家岭隧道从出口施工,隧道出口段为反坡施工,且坡度较大。在洞内一侧布置集水池,水池间采用水泵接力抽水,直至排至洞外污水净化池后排放。

由于该隧道部分地段有涌水的可能,水流量很大,且有突发性,因此在反坡排水时备用足够的抽水机及管道以应急需。

3 结语

(1)综合超前地质预测预报是规避风险、确保隧道安全施工的重要保证,必须提高预测预报水平和精度。

(2)企业在首先保证施工安全质量的同时,还要做到经济效益最大化。四线双连拱铁路隧道的受力比较复杂,中隔墙是主要的受力构件,施工方法的选择必须综合考虑施工安全、工程进度、经济效益等方面因素。中导洞法在连拱隧道施工中既能保证施工安全,又能保证工程进度,与多导坑法相比,减少临时支护费用,创造了良好的经济效益。

(3)光面爆破是新奥法施工的重要环节。赵家岭隧道在施工过程中,坚持推行光面爆破,采用控制周边眼距、抵抗线距以及装药量,实施微差爆破的技术措施;采用检查炮眼留痕率为主要检验手段,保证了光面爆破的效果。炮眼留痕率均达到 90%以上,为锚喷支护创造了良好条件。

(4)监控量测在隧道施工全过程中发挥了重要作用。通过监控量测反馈的信息,得以及时调整隧道支护参数,减小了二次衬砌在软弱围岩中沉降变形量。同时通过监测信息反馈,掌握二次衬砌最佳时机,避免初次支护与围岩因松弛变形造成失稳。全隧道在地质条件恶劣的状况下未发生坍塌事故,保证了施工安全质量。

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