软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞力学转换机制及施工技术

袁 焘

(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 063000)

随着我国基础设施建设的加快,出现了越来越多的复杂地质条件下修建的特长交通隧道。为加快施工进度,改善施工条件,此类隧道往往采用长隧短打的方式,即采用诸如横洞、斜井、竖井或平行坑道等辅助坑道开辟新的工作面,其中横洞和斜井是两种最常见的辅助坑道方式。

辅助坑道进入正洞的交叉口段因断面结构特殊,应力重分布机制复杂,是隧道安全施工管控的重点环节,也是隧道施工的难点。尤其在Ⅳ、Ⅴ级的软岩隧道中,围岩自稳能力差,塑性区范围大,支护结构对变形的敏感性强,对辅助坑道进正洞的施工安全要求更高。通常认为,软岩隧道中,通过在交叉口处设置垂直于正洞的爬坡导洞实施挑顶是行之有效的方法。

张文强[1]结合兰渝铁路的工程实践,认为斜井爬高法和小导洞法是软岩等不良地质段辅助坑道进正洞的首选方法。胡浩[2]针对郑万高铁罗家山隧道挑顶处围岩自稳能力差的情况,利用现场监测数据和数值模拟方法优化了支护参数。史振宇[3]通过对小康高速包家山隧道 1#斜井与正洞交叉口施工的研究,提出挑顶施工一定要以“稳”为主,在确保安全的前提下追求进度。鲁建邦[4]采用数值计算的方法,对大断面隧道挑顶施工过程中力学场特征和变化趋势进行研究, 指出斜井核心土的留设和加固对隧道开挖稳定十分重要。邹彦[5]研究了高烈度地区复杂地应力隧道横洞进正洞施工技术要点。熊晓晖[6]针对兰渝铁路新城子隧道受挤压变形大的特点,研究了双支洞挑顶技术。赵继华[7]研究了晋祠隧道采取的棚洞套拱挑顶法斜井进正洞施工工法,认为该法可有效解决软弱土体不良地质情况下工序转化的问题。赵生彬等[8]总结了乔家山隧道 3#斜井进正洞施工方法,阐述了特殊条件下斜井进正洞的施工工艺。于家武等[9]以渭武高速公路木寨岭隧道 2#斜井进正洞为工程背景,基于高强预应力支护理论,提出了以小孔径预应力锚索支护取代原设计方案中的托梁和支撑梁,实现“以索代撑”。宋金贵[10]、张洪达[11]分别依托不同的工程,对辅助坑道进正洞的施工技术进行了研究。

上述研究多侧重于辅助坑道进正洞开挖支护措施的总结,对挑顶施工过程中的力学机制研究较少。因此,有必要从施工工序和力学机制两个方面详细论述挑顶施工的原则和施工控制重点,掌握开挖支护过程中应力分布的规律和力学转换路径,以便在施工中能及时处理遇到的问题。

1 依托工程概括

某单线铁路隧道双车道斜井中线与隧道正洞中线小里程方向的平面交角为108°。斜井长2 200 m,综合坡度为9.44%。距正洞32 m为平坡,Ⅳ级C30混凝土模筑。该段辅助坑道采用全断面法开挖,轮廓净断面为7.5 m×7.5 m,满足双车道运输及通风要求,主要初期支护为I16型钢拱架,间距1 m,23 cm厚C25喷射混凝土,C30混凝土衬砌。正洞采用微台阶法开挖,主要初期支护为4肢120 mm格栅钢架,间距1.2 m,19 cm厚C25喷射混凝土,C35钢筋混凝土衬砌。辅助坑道与正洞相接区域为断层角砾,围岩级别为Ⅳ级,埋深370 m。辅助坑道与正洞位置关系如图1所示。

图1 辅助坑道与正洞位置关系图(单位:cm)

2 辅助坑道进正洞挑顶施工关键技术

2.1 挑顶进正洞的基本原则

软岩隧道围岩自稳能力差,辅助坑道挑顶进正洞交叉口段工序多,力学转换频繁,施工过程应以控制变形为核心,并遵循以下基本原则,以保护围岩的自承载力、降低松散压力。

(1)地层预加固。软岩隧道开挖要根据地质情况和围岩自稳情况,采用管棚、超前小导管、围岩注浆等方式先行加固和稳定围岩。

(2)开挖短进尺。辅助坑道及挑顶进正洞采用短进尺开挖。应采用弱爆破或非爆破方式,以减小对围岩的扰动,保护围岩的自承载力。

(3)支护大刚度。变形控制是挑顶进正洞的关键,辅助坑道与正洞交叉口段支护措施应提高一个等级,钢架的规格和间距、锚杆、锁脚、喷射的混凝土等都要按大刚度原则设计。在洞门区域应确保加强环横梁、立柱的抗扭抗弯刚度。辅助坑道洞门区域应尽早施作二次衬砌或加强型钢支护。

(4)变形勤量测。应实施动态化设计和施工,加密监测点,加强监测频率,并根据变形监测结果及时有效地调整开挖工法和支护参数。

2.2 挑顶进正洞的施工步序

辅助坑道开挖接近正洞时,逐渐抬高辅助坑道拱顶高程。在正洞与辅助坑道相交处采用棚架进入正洞。棚架斜向上以爬坡开挖至正洞中线处达到正洞拱顶高程,再向前以平坡开挖至正洞外侧上台阶拱脚位置。在棚架内施作正洞上台阶初期支护,再向两侧(正洞方向)按标准的正洞断面进行开挖。施工步序如表1所示。

表1 辅助坑道挑顶进正洞施工步序

2.3 挑顶进正洞的施工方法

2.3.1 辅助坑道交叉段施工

为保证辅助坑道与正洞交叉口处的施工安全,挑顶前20 m施作掌子面超前地质预报。超前地质预报采用超前探孔和加深炮孔的方法。

(1)根据辅助坑道与正洞之间的高差,确定辅助坑道拱顶的扩挖起始里程。

(2)当辅助坑道开挖接近正洞距离小于10 m时和转入正洞挑顶后,严格执行“先预加固、后开挖、一榀一支护”的要求,每循环开挖进尺不得大于1榀。

(3)设计有衬砌的辅助坑道,在靠近交叉口段施作一板底板(或全环),进行挑顶施工,在辅助坑道与正洞边墙相交的3～5 m范围内,增设钢拱架加强环。在正洞与辅助坑道连接区及前后10 m范围内,加强支护措施。

(4)在辅助坑道与正洞交接处设置0.4 m加强环(见图2),加强环中设置2榀双拼I16型钢架,外侧增设共4榀双拼I20b门型钢架。

图2 加强环示意图

(5)I20b门型钢架加强环由横梁和立柱组成,横梁与辅助坑道钢架之间留有空隙。从两侧对称焊接I20b型钢立柱斜撑。钢架安装后在该空隙喷射混凝土。门架横梁则作为正洞拱架的支撑。

(6)在靠近正洞处辅助坑道初期支护的1榀拱架处增设仰拱(底板)钢架。焊接正洞仰拱钢架与辅助坑道加强环最外侧的仰拱拱架,连接正洞仰拱衬砌钢筋与辅助坑道底板中预埋钢筋。确保正洞和辅助坑道交叉口处的连接紧密,并共同受力。

2.3.2 棚洞施工

为了设定填筑坡道的爬坡角度和坡长,填筑层厚不大于50 cm且层层夯实。棚洞斜向上爬坡至正洞拱顶后,沿平坡向前开挖至正洞外侧上台阶拱脚位置。在棚架的保护下,施作正洞上台阶初期支护(见图3)。

(1)根据围岩情况及机械作业要求选定棚洞净尺寸5 m×5 m。

(2)挑顶前对洞内控制点进行复测并且对挑顶处门架、井底与正洞连接处每榀钢拱架的三维坐标提前进行复核计算。

(3)棚洞钢架采用I16型钢,间距100 cm。每处钢架脚部设置2根长3 mm的φ42锁脚锚管。设置长3.0 m的φ22系统锚杆,间距1.0 m×1.0 m,梅花型布置,喷射厚25 cm的C25混凝土。

(4)棚洞临时支护体系中的顶部钢架横梁位于正洞初期支护外侧,下一步施作正洞钢拱架时不再取出。棚洞拱顶高程超出正洞设计开挖线,并满足临时支护厚度和预留变形量需要。

2.3.3 套拱及正洞施工

棚洞施作完毕后,及时在钢架内侧喷射混凝土。

(1)安装正洞初期支护钢架时,钢架一侧落脚于交叉口加强环横梁上,另一侧支在拱脚垫块上。在钢架分节和拱脚处各施作2根长4 m的φ42锁脚锚管。

(2)当棚洞内的正洞初期支护完成后,拆除棚洞一侧支护,再进行正洞上台阶开挖预支护。待正洞开挖和支护10 m后封闭掌子面,拆除棚洞另一侧支护,再进行另一端正洞上台阶开挖预支护。待施工空间满足后,两侧工作面同时施工下台阶,确保在辅助坑道宽度范围内仰拱闭合。

(3)在辅助坑道断面宽度范围外的两侧各设置一道沉降缝,防止不均匀沉降,进而引起交叉口处正洞混凝土衬砌开裂。

3 挑顶进正洞的施工力学

3.1 棚洞的受力特点

棚洞的力学分析可简化为平面应变模型,其受力模式类似于平面刚架,力学计算模型及弯曲变形如图4所示。与坑道常规支护段最大的不同是棚洞为平顶结构。与拱形结构相比,同跨度、同支护下棚洞的弯曲变形更大。另外,平顶结构缺少拱脚推力产生的被动土压力,不利于围岩稳定。钢架柱受到的围岩压力大,需充分发挥钢架柱范围内的锚杆对钢架柱的支撑作用,即将锚杆的锚垫板置于钢架柱的内侧。需要说明的是,在棚洞形成的过程中,辅助坑道的加强环仅起到锁口加固的作用,尚未承担正洞区域开挖的力学转换。

图4 棚洞的力学计算模型及变形特点

3.2 棚洞内正洞初期支护的受力特点

棚洞内正洞上台阶初期支护的力学计算模型及弯曲变形如图5所示。初期支护的一端呈弧形落在棚洞末端拱脚处,另一端落在加强环型钢横梁上。初期支护的受力经历两个阶段:一是拆除棚洞钢架立柱前,棚洞的上覆荷载通过棚洞横梁传至棚洞立柱,再由立柱传至立柱脚部地层,此时,初期支护仅承受本身重量;二是棚洞立柱拆除后,棚洞丧失承载能力,棚洞上覆荷载通过棚洞横梁传至初期支护,再由初期支护传至一侧的拱脚和另一侧的加强环横梁。这个过程是整个挑顶力学转换的最核心的一环,也是软岩隧道或土质隧道挑顶成败的关键。

图5 初期支护的计算模型及变形特点

3.3 力学转换的关键

辅助坑道交叉口处的加强环是挑顶施工主要的力学转换构件,棚洞立柱拆除的过程是整个挑顶施工力学转换的过程。由于棚洞内初期支护靠近辅助坑道的一侧为近平直结构,变形以弯曲为主,相对于拱形结构,需要提高结构刚度以控制变形,可以通过增加钢架高度或减小钢架间距实现。在棚洞的上覆荷载由棚洞转移至初期支护的力学转换过程中,为了确保围岩的稳定以及上覆荷载按预设路径传递,必须确保棚洞与围岩之间以及棚洞与初期支护之间密贴。因此,在拆除棚洞立柱前对上述区域进行灌浆回填显得非常必要。此外,平直段初期支护的弯矩内力传至加强环型钢横梁后转变为扭矩,进一步又以弯矩方式传至加强环立柱。加强环立柱属于双向受弯构件,由此需具有较高的抗扭刚度和抗弯刚度,双拼型钢和辅助坑道初期支护之间应连接为整体,满足承担力学转换及控制变形的大刚度要求。

4 结论

针对软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞涉及到的关键施工技术及关键力学进行了研究,提出以下施工风险控制的重点。

(1)软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞施工应以控制变形为主,遵循“地层预加固、开挖短进尺、支护大刚度、变形勤量测”的支护原则,以“稳”为先,确保安全。

(2)辅助坑道与正洞交叉段的加强环应有足够的刚度,且应深入到正洞的初期支护断面,以保证为正洞的初期支护提供有力的支撑。

(3)正洞交叉口段开挖后,要及时进行正洞仰拱、二次衬砌的施工,以便初期支护与仰拱尽早成环,形成完整的受力体系。

(4)控制棚洞开挖标高,确保正洞的初支轮廓,棚洞与正洞初期支护间的空隙必须灌注密实,满足挑顶力学转换的要求。

(5)正洞交叉口段的一环二次衬砌,应在辅助坑道断面宽度范围外的两侧各设置一道沉降缝,防止不均匀沉降引起交叉口处的正洞混凝土衬砌开裂,且辅助坑道衬砌应与正洞衬砌顺接,减少应力集中。