宜万铁路下村坝隧道 2号溶腔拱跨结构施工技术

阳敦国

(中铁十九局集团有限公司,辽宁辽阳 111000)

1 工程概况

宜万铁路下村坝隧道全长1 978 m,位于恩施市白果乡,由中铁十九局集团有限公司承建。隧道设计地质为寒武系上统耗子沱群白云质灰岩、局部夹灰质白云岩,节理裂隙发育,地表溶槽、溶沟发育。

DK237+080～DK237+110溶腔于 2005年 12月揭示,溶腔规模为沿线路纵向 30 m,拱顶以上空腔不规则发育 20～50 m,隧底以下半充填空腔发育 20～30 m;该溶腔横穿隧道,发育至隧道左侧边墙外 28 m,至隧道右侧边墙外约 22 m,并斜向下发育一落水洞,落水洞深度未知。该隧道溶腔段埋深 220 m,溶腔周围地层为寒武系上统耗子沱群白云质灰岩、灰岩局部含灰质白云岩,褶皱发育,岩体较破碎,溶腔周围围岩基本承载力为1 000 kPa,但局部由于节理裂隙发育,溶腔周围岩体局部较破碎。溶腔顶部岩体节理较发育,裂隙宽 1～2mm,局部由于受该溶腔的影响,顶部局部溶腔延伸向上 0.5～1.5 m,长 2～3 m,宽 0.5～0.8 m,存在大块岩体掉落的可能,溶腔平面如图1所示。

图1 溶腔平面

2 溶腔处理方案比选

该溶腔自揭示后,铁道部宜万铁路工程建设总指挥部曾多次牵头,组织由铁道部、武汉铁路局、设计院及施工单位多位专家参加,对该溶腔进行现场会勘,商议确定处理方案。

方案 1:自 DK237+072左侧大避车洞外插 15°、纵坡 17%,沿隧道大里程方向作一 3 m×3m,长 120 m导洞,穿越到溶腔上方,再在溶腔大、小里程两侧施作支洞绕行至 DK237+092～DK237+110溶腔两端,在隧道拱顶 5 m处开凿 2 m宽的施工工作面,施作 2 m厚纵向型钢拱梁作为溶腔防护结构,隧底以下采用洞砟填筑、纵向拱梁跨越,再施作隧道二次衬砌。

方案 2:采用洞砟对隧道下部溶腔进行填筑,在隧道限界以外 1.5 m处两侧先施作 1道宽 3 m纵向拱梁,再用型钢混凝土在拱梁上施作 3 m厚钢筋混凝土拱罩,拱罩上方设环向废旧轮胎缓冲层,在隧底设纵向拱梁跨越溶腔,再施作隧道二次衬砌,如图2所示。

图2 溶腔空腔段护拱设计(单位:cm)

方案比选结论:

方案 1 因溶腔竖向发育高,层状、节理发育,溶腔顶部情况复杂,无法准确掌握溶腔顶部岩层情况,导洞从隧道上方绕行势必对溶腔周围节理、裂隙发育围岩造成较大扰动,施工安全风险大,施工难度大,施工成本高。

方案 2 采用 3层防护结构自下而上施作,能最大限度减少对溶腔周围节理、裂隙发育围岩的扰动,结合隧道边墙以外纵向拱梁施工,拱梁上布置防护结构,能确保隧道整体结构、施工和营运安全,最大限度地规避了施工安全风险,降低了施工成本。决定采用方案2作为实施方案。

3 方案实施

3.1 施工工艺流程

本段施工为溶腔处理,溶腔地质复杂,施工难度大,所以施工必须严格按照以下施工顺序进行施工:清危→喷锚防护→两侧纵向拱梁施工→拱罩施工→缓冲层施工→隧底主拱施工。

3.2 施工方法

3.2.1 溶腔防护

(1)该溶腔在揭示后,已两次对溶腔顶部水平断层、竖向顺层及危石进行了机械配合人工清除。在方案确定后,根据溶腔危石情况,采用机械配合人工的施工方法逐段清除溶腔危石,清危范围为隧道中线至可能的工程活动范围以外 5 m。

(2)清除危石后,对 DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段空腔进行喷锚防护,参数为:φ32 mm自进式锚杆,L=6 m,间距 2.0 m×2.0 m,梅花形布置;φ8 mm钢筋网,网格间距 20 cm×20 cm;网喷 C20混凝土,厚 20 cm。特别是对纵向拱梁拱座范围上部围岩加强防护,必要时进行锚固补强加固,确保施工安全。

(3)溶腔围岩监测:DK237+080～DK237+110段纵向 3～5m布设 1处监测断面,环向 3～5 m设 1处监测点,必要时应增设监控量测断面,加密监测点。监测项目包括溶腔顶板稳定性、危石位移、支护变形等,对监测信息及时反馈及时分析,以便及时掌握溶腔稳定性及支护结构安全性。

3.2.2 隧道边墙外纵向拱梁施工

该溶洞竖向发育较深,且溶腔横穿隧道,发育至隧道左侧边墙外 28 m处溶腔呈三角形结束,至隧道右侧边墙外约 22 m,斜向下发育一落水洞,落水洞深度未知。按照设计文件要求,在 DK237+094～DK237+104段施作型钢混凝土拱罩,双层工字钢架落于对称的纵向拱梁上,拱梁宽 3 m,拱圈为半径 R=18.75 m的圆弧拱,跨度 L=18 m(DK237+086.5～DK237+104.5),矢高 f=3 m,矢跨比 f/L=1/6;拱圈厚度 1.5 m。拱梁基座位于隧底上部,可从隧道内侧向外施作,最大限度地避免在溶腔中施工的安全风险。

(1)拱座开挖

开挖前先由测量队测定拱座平面位置及地面高程,再采用机械打眼、弱爆破、机械清理的方法开挖拱座,开挖过程中严格控制拱座基础高程、拱座位置及拱座尺寸,并在开挖过程中进行安全监控,保证施工安全;为了确保拱座位于完整基岩上,开挖完成后对拱座基底进行钎探(布孔 6个,钎探深度 5～5.6 m),保证拱座能够坐在完整的基岩上。

(2)拱座施工

在拱座开挖到位,经验收合格后,测量人员对拱座平面位置及高程进行复测,正确无误后对拱座基底进行人工清理;清理完成后开始拱座钢筋施工,钢筋施工中注意同一搭接区段内钢筋接头面积不大于全部钢筋面积的 50%,钢筋搭接采用双面搭接焊。拱座钢筋施工完成后预埋拱圈钢筋的连接筋;加固模板后浇筑拱座混凝土,一次浇筑完毕。

(3)拱圈施工

①拱模施工

首先由测量人员按照拱圈设计半径进行放样,利用经纬仪及水准仪用放大样的方法,把拱圈的弧度及长度、宽度放出来,再利用 M10浆砌片石砌筑拱模,然后按照拱圈的弧度在拱模上铺设 5 cm厚 M10砂浆垫层,以方便立模及铺设钢筋。为了确保拱圈弧度能满足设计要求,经计算,在施作拱模时考虑 5 cm预留沉落量。

②模板施工

纵向拱梁拱圈设计厚度为 1.5 m;在拱圈拱模强度达到 70%以上后,拱圈两侧采用长 1.5 m、宽 1.0 m厚 5mm钢模板,模板安装必须稳固牢靠,严禁跑模。接缝要严密,用密封条塞缝,不得漏浆。模板支立前,进行二次放线,定出拱圈的边线和轴线。模板与底模混凝土的接触面必须清理干净,并涂脱模剂。模板安装完成后模板内的积水和杂物应清理干净。模板轴线位置允许偏差为 15 mm;表面平整度允许偏差为 5 mm;相邻两板表面高低差允许偏差为 2 mm。为避免浇筑过程中发生胀模或骨架移位等现象,影响混凝土质量及钢筋受力情况,采用钢管结合拉杆(φ14 mm的圆钢,纵向 2 m/环)加固模板,保证模板及钢筋的均匀受力。

③拱圈钢筋施工

先将拱圈的主筋与拱座预埋的钢筋连接,钢筋布置应按设计要求间距布置均匀,钢筋搭接长度应满足设计要求,焊接时焊缝要饱满,钢筋保护层按照图纸要求设置,钢筋的弯钩采用标准弯钩;钢筋施工完成后,由试验室对钢筋焊接头进行取样,试验合格后,方可进行下道工序施工。

④拱圈混凝土浇筑

在绑扎完拱圈钢筋经验收合格后,用输送泵浇筑拱圈混凝土。为了确保混凝土浇筑不对拱模结构产生影响,应采取分段、两侧对称浇筑。

3.2.3 护拱(拱罩)初支及护拱(拱罩)施工

(1)护拱(拱罩)初支施工

①根据方案要求,DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段护拱内壁设置 I18钢架,纵向间距 1.0 m,钢架间纵向采用 φ22 mm钢筋连接,间距 1.0 m。护拱预留吹砂孔,护拱与隧道结构净距 0.5 m;护拱于周边围岩间设置连接筋,连接筋与喷锚网防护结合设置,伸入基岩长度大于 3 m。

DK237+094～DK237+104段护拱内壁设置 I18钢架,纵向间距 0.5 m,钢架间纵向采用 φ22 mm钢筋连接,间距 0.5 m。钢架内壁设置环、纵向 φ14 mm钢筋,间距 20 cm×20 cm,环、纵向钢筋及钢架间应有效焊接,环、纵向钢筋保护层厚度 5 cm。

DK237+094～DK237+104段护拱外壁设置 I16钢架,纵向间距 1.0 m,钢架间纵向采用 φ22 mm钢筋连接,间距 0.5m。DK237+096～DK237+102段护拱拱顶外侧设置环、纵向 φ28 mm钢筋,间距 10 cm×10 cm,环、纵向钢筋保护层厚度 5cm。

护拱内外侧钢架基脚都垂直落于纵向拱梁上,支护施工时确保工字钢钢架与二次衬砌的净空,确保达到设计要求。

②DK237+094～DK237+104段在施作护拱钢架防护时,为方便施工,需按照先外后内的原则进行。

(2)护拱(拱罩 )施工

①护拱(拱罩)模板施工

DK237+094～DK237+104段护拱内外壁设置的I18钢架兼作模板骨架,在支立完工字钢拱架后,在护拱内侧钢架下吊装 5 cm厚木模板,浇筑 1层厚 20 cm C30混凝土,在强度达到标准后可充当护拱(拱罩)底模使用。DK237+094处钢架紧贴溶腔围岩支立,此端护拱封头板利用溶腔围岩充当(局部小空隙可采用木块填塞,确保不漏浆);DK237+104端护拱(拱罩)封头板模板采用 1.5 m×1.2 m钢模板。

模板加固方法为:支立 DK237+104处护拱内外层钢架时,在钢架上每间隔 1.2 m预埋 1根长 30 cm、φ14 mm钢筋,钢筋一端焊接在钢架上,一端预先车丝以便与钢模板连接,安装时模板与螺栓一一对应并用螺母拧紧固定;而护拱厚度为 3 m,用 2块模板连接方可,两模板间用螺栓连接,并使用长 3 m的75 mm×75mm×8mm角钢加固;外模采用 5cm厚木模,环向3 m循环倒用。DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段底模也采用在钢架下吊装 5 cm厚木模板,浇筑 1层 20cm厚 C30混凝土充当底模(模板架立时预留泵送混凝土天窗及进人口)。

②护拱(拱罩)护面钢筋施工

在护拱内外侧各设置 1层护面钢筋,内侧设置环、纵向 φ18 mm钢筋,间距 10 cm×10 cm;外侧设置环、纵向 φ22 mm钢筋,间距 10 cm×10 cm。确保内外侧保护层厚度不小于 5 cm,面筋锚固至纵向拱跨底部。

③护拱(拱罩)混凝土浇筑

在护拱(拱罩)底模混凝土强度达到 70%以上时即可进行护拱(拱罩)混凝土浇筑。在浇筑过程中,在护拱内侧 I18型钢架拱腰和拱脚处采用 I18型钢临时横向支撑,横撑纵向间距 1 m。同时,同一断面上护拱内侧 I18型钢和外侧 I16型钢采用 φ18 mm钢筋径向焊接,径向间距不得小于 15°,防止灌注过程钢架变形过大而导致跑模。为保证护拱(拱罩)初支均匀受力,在浇筑护拱(拱罩)混凝土时采用分层、左右两侧对称连续循环浇筑,两侧每次循环浇筑高度不超过 1 m。混凝土由混凝土运输车运输,输送泵泵送入模;在预留天窗设置输送管道,混凝土采用两侧对称均衡浇筑,即先浇筑两侧拱脚、拱腰,后浇筑拱顶。浇筑工程中严格控制混凝土坍落度及配合比保证混凝土质量。

3.2.4 缓冲层施工

在护拱(拱罩)混凝土强度达到规范要求后,开始进行缓冲层施工。

DK237+094～DK237+104段护拱外悬挂一层废旧轮胎作为缓冲层,废旧轮胎直径1 000 mm,采用人工环向码砌废旧轮胎缓冲层,轮胎环向和纵向之间采用钢丝相互连接。DK237+080～DK237+094、DK237+104～DK237+110段护拱上分层吹入 2.0 m厚中粗砂缓冲层。

3.2.5 隧底主拱施工

下村坝隧道 DK237+080～DK237+110段溶腔经过有关单位多次现场会勘,并经过方案比选,此段溶腔隧底处理方案为 DK237+082.10～DK237+107.60段隧底采用拱跨结构,布置一孔 L=22.5 m的实腹式拱桥跨越,拱圈为 R=18.75 m的钢筋混凝土圆弧板拱,矢高 f=3.75 m,矢跨比f/L=1/6。拱跨拱圈及拱座上填 C15混凝土以形成桥面,桥面采用与隧道相同的纵坡。

(1)主拱梁拱座开挖

开挖前先由测量队测定两端拱座平面位置及地面高程,再采用机械打眼、弱爆破、机械清理开挖拱座,开挖过程中要严格控制高程、拱座位置及拱座平面几何尺寸,并在开挖过程中进行安全监控,保证施工安全;开挖完成后对拱座基底进行钎探(深度不小于 5 m),保证拱座能够坐在完整的基岩上。

(2)拱座下小溶腔处理

根据设计院地质钻探资料显示:线路左侧 6.0 m及线路右侧 6.0m钻孔均揭示出拱座下部岩溶发育有小型溶腔。

对线路左侧 6.0m拱座下部的小溶腔进行彻底清除充填物及岩壁松动碎石后,对空腔部位采用 C40混凝土满灌回填。对线路右侧 6.0 m拱座下部发育的小溶腔采用导管注浆加固处理。

小溶腔处理施工中严禁采用爆破法施工,避免基底基层松动,保证基底岩石的完整性。

(3)主拱梁拱座施工

混凝土灌注及注浆完成,经评定合格后,由测量人员采用全站仪对拱座平面位置及高程进行复测,正确无误后对拱座基底进行清理;清理完成后开始拱座钢筋施工。钢筋施工中注意同一搭接区段内钢筋接头面积不大于全部钢筋面积的 50%,钢筋搭接采用双面搭接焊接。拱座钢筋施工完成后预埋拱圈钢筋的连接筋。

在钢筋绑扎验收合格后,开始浇筑拱座混凝土,由于拱座混凝土浇筑属于大体积混凝土浇筑,必须分层浇筑,每次浇筑厚度不超过 1.0 m,一次连续浇筑完毕。

(4)拱圈施工

①拱圈基础处理

首先由测量人员用全站仪按照拱圈设计弧度用放大样的方法,把拱圈的弧度及长度、宽度放出来,对回填物采用分层用重锤冲击夯实,每层厚度控制在 15 cm,压实度≥90%,压实后拱模承载力应≥150 kPa;然后按照拱圈的弧度在拱胎上铺设 10 cm厚、C20混凝土垫层,以方便立模及铺设钢筋。

②预拱度设置

拱模在施工中将承受荷载,拱圈浇筑完毕在自重、温度变化等因素影响下,会产生弹性或非弹性变形,为使拱圈的拱轴线、矢跨能满足设计要求,须设置预拱度。根据计算得出,拱模预留拱度为 7cm。

③拱圈模板施工

在拱圈地基处理完成后,因主拱设计为实腹式拱桥,所以拱圈底模采用处理后的拱圈地基,拱圈两侧模板采用长 1.5 m、宽 1.0 m、5 mm厚的钢模板,模板安装必须稳固牢靠,严禁跑模。接缝要严密,用密封条塞缝,不得漏浆。

模板支立前进行二次放线,定出拱圈的边线和轴线。模板与混凝土的接触面必须清理干净,并涂脱模剂。模板安装完成后模板内的积水和杂物应清理干净。模板轴线位置允许偏差为 15 mm;表面平整度允许偏差为 5 mm;相邻两板表面高低差允许偏差为 2 mm。为避免浇筑过程中发生胀模或骨架移位等现象,影响混凝土质量及钢筋受力情况,采用拉杆(φ20 mm的圆钢,纵向 2 m/环)加固模板,保证模板及钢筋的均匀受力。

④拱圈钢筋施工

主拱的钢筋结构比较简单,施工前按照设计图纸画出 1∶1大样图,在加工现场将主筋及横向箍筋网片拼装好,吊装到模内进行绑扎、焊接。先将拱圈的主筋与拱座预埋的钢筋连接,主筋采用双排 φ32 mm钢筋,间距为 12.5 cm,主筋保护层厚度为 7 cm,钢筋布置间距应均匀,钢筋搭接采用单面焊接,搭接长度不小于32cm,焊缝要饱满,钢筋保护层采用 7 cm厚 C40混凝土垫块设置,钢筋的弯钩采用标准弯钩;钢筋施工完成后,由试验室对钢筋焊接头进行取样,试验合格后,方可进行下道工序施工。

⑤拱圈混凝土浇筑

在绑扎完拱圈钢筋经验收合格后,用输送泵浇筑拱圈混凝土。为了确保混凝土浇筑不对拱模结构产生影响,应采取分段、对称浇筑。为了避免输送泵的蠕动影响支架及模板的稳定,所以在拱肋两侧各设置了 4个临时支架稳定输送管。拱圈混凝土应一次连续浇筑完毕,为了避免中途发生停电现象,备用 1台 120 kW发电机。因混凝土方量较大,可掺加缓凝剂保证浇筑过程连续,在浇筑混凝土过程中要加强监测工作,质检员及试验员全过程旁站,试验员认真控制水灰比和坍落度,确保混凝土可泵性和可操作性良好;质检员严格控制混凝土的振捣工艺,务求混凝土达到内实外美的要求。

⑥拱圈混凝土的养护

拱圈混凝土浇筑完毕后采用编织袋覆盖,洒水养护,在混凝土强度达到 70%后,再进行下道工序施工。

4 主要经验和体会

(1)在溶腔处理过程中,要严格按照设计文件、工序要求及施工规范进行科学组织,合理安排工序;

(2)在护拱及主拱拱座施工前,要对地质资料进行现场核对,弄清楚实际地质情况与设计是否相符;施工中,地质钎探验证一定要施作,且保证钎探深度不小于 5m,确保拱座坐落在完整的基岩上;

(3)在纵向拱梁及双层护拱施工中,要保证拱跨的参数符合设计要求,才能确保隧道主体的结构安全;

(4)采用护拱、拱罩、拱梁与隧道相结合的施工方法,桥上有隧、隧中有桥,既有效地规避了施工、结构及营运安全风险,又大大降低了施工成本,是隧道与桥梁很好的结合实例。

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