正交转换通道暗挖隧道群快速施工技术研究

赵广平

(中铁隧道局集团建设有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

在城市轨道交通建设过程中,地铁区间因运输功能需要,经常设计联络线与既有运营线路进行连接,或设计出入场线与车辆段、停车场进行连接,导致联络线、出入场线隧道与区间正线隧道交叉,需要共建施工,在线路交叉过渡段经常设置转换通道隧道群完成不同断面隧道之间的过渡转换。过渡段转换通道隧道群隧道断面多变、隧道净距小、应力集中,施工安全风险高、施工工艺复杂、施工进度缓慢[1],是施工管控的重难点工程。

根据不同的围岩地质条件、隧道群结构形式,许多学者对隧道群开挖工法进行了研究。田瑞忠[2]针对岩溶地层地铁正线与联络线接岔段洞室群暗挖施工进行了研究;王勇等[3-4]对超小净距大断面叠层隧道群施工技术难题进行了研究,分析了隧道群施工关键步序;仇文革等[5-6]对城市复杂隧道群中超小净距夹岩稳定性进行了研究;万涛等[7]对超小净距地铁三洞隧道群施工动态进行数值模拟;王志刚[8]通过正交试验和数值模拟两种方法对群洞的施工工法、开挖顺序等进行研究,确立合理的施工方案;文献[9-11]对地铁区间渡线施工方案进行了研究,介绍了超前预加固方案、施工顺序、开挖方法以及隧道穿越重点部位的特殊加固方案等;吴发展[12]对五线并行浅埋特大断面隧道群快速施工技术进行了研究;李迎春[13]对大跨度停车线段隧道群施工方案进行了研究;吴波等[14]建立数学模型,应用软件对城市地铁区间隧道洞群开挖顺序进行了优化分析;任立志等[15]对地铁场段出入线超大断面隧道群施工关键技术进行了研究,解决了地铁场段出入线超大断面隧道群矿山法施工关键技术难题。

但通过正交转换通道进行区间共建段道岔区隧道群施工研究还相对较少。基于此,以重庆轨道交通10号线兰南区间地铁正交转换通道隧道群暗挖施工为例,总结正交转换通道处多隧道群的施工技术,对今后类似工程施工有较好的指导借鉴意义。

1 工程概况

重庆轨道交通10号线二期兰花路站—南湖站区间大里程端YK2+681.787—YK2+838.480为道岔区隧道断面过渡转换区段,转换区隧道群位于市政主干道大石路下方。区间地质构造位于重庆向斜东翼,岩层倾向为270°～285°,倾角8°～12°;场地内出露地层主要为第四系全新统人工填土及残坡积层,侏罗系中统沙溪庙组中厚层状的砂质泥岩及砂岩沉积岩层,砂质泥岩层厚0.8 m～2.2 m,局部可达4.7 m,岩石饱和单轴抗压强度平均值6.5 MPa,为场地主要岩层;砂岩层厚一般0.7 m～1.4 m,岩石饱和单轴抗压强度平均值28.7 MPa;隧道基岩整体含水性微弱,隧道群埋深24 m～32 m。隧道群采用暗挖法施工,暗挖结构采用马蹄形复合式衬砌结构。隧道主要采用控制爆破开挖施工,爆破振速不应大于2.0 cm/s,小净距夹岩保护区后行洞主要采用机械开挖,正交转换通道隧道群地质纵断面如图1所示。

过渡段内设置断面转换I型断面横通道,在横通道内由区间正线引出联络线与正运营的环线连接,并引出兰花湖停车场出入线左线,转换横通道I断面小里程端从左往右分别为:区间左线6,停车场出入线左线7,区间右线5;转换通道I断面大里程端从左往右分别为:接南湖车站的单洞三线隧道3,联络线隧道4。该隧道群通过暗挖施工通道进行施工,施工通道采用汽车运输,通往地面市政道路。正交转换通道隧道群平面布置如图2所示,正交转换通道隧道群各断面参数见表1。

表1 正交转换通道隧道群各断面参数统计表

2 总体施工方案

2.1 总体思路

本隧道群主要采用钻爆法施工,小净距夹岩保护区后行隧道主要采用机械开挖。考虑到区间正线大里程J断面隧道断面大、工程量大、进度慢,需尽快与车站小里程贯通,方便现场施工组织管理并提高通风效果,联络线隧道长、断面多、施工时间长,所以隧道群施工主攻方向为大里程端J断面和联络线方向,优先开挖贯通。

根据本隧道群特点及施工组织总体安排,研究确定采用“先上后下、先大后小、先两边后中间,以弱爆破为主、局部机械开挖,总体平行、分部有序错开,加强监测、二衬紧跟的总体施工组织思路”组织施工。

根据各隧道拱顶标高不同,由上向下分层开挖支护;先施工大断面隧道,后施工小断面隧道;三洞并行的工况,首先施工两侧隧道,后施工中间隧道。先行隧道施工过程中采用控制爆破技术控制爆破振速,以便对后行隧道围岩进行保护。先行洞与后行洞,以及三洞并行段隧道之间纵向距离应至少错开20 m,其中出入段线隧道需等左右两侧区间二衬完成后,方可进行中部出入线隧道开挖。隧道群总体施工方案及施工顺序如图3所示。

2.2 总体施工顺序及方法

兰南区间地铁正交转换通道暗挖隧道群总体施工顺序及方法如下:

1)开挖支护施工通道隧道上台阶1-1,通过施工通道上台阶开挖支护区间正交转换通道上台阶2-1。

2)开挖支护施工通道隧道下台阶1-2,通过施工通道隧道下台阶开挖支护转换通道隧道的中台阶2-2,以中台阶作为施工平台,开挖支护区间大里程J断面隧道左侧壁导坑上台阶3-1,3-1施工20 m后同步开挖支护右侧壁导坑上台阶3-2;在I断面隧道上中台阶通道内进行J断面隧道的洞口加固施工。

3)降坡开挖支护施工通道隧道下台阶1-2,逐步过渡到I断面隧道的下台阶底板标高,再开挖支护I断面隧道下台阶2-3,修建临时施工坡道由I断面进入J断面3-1部,以3-1部作为临时施工通道从J断面大里程向小里程端拆除核心土,双侧壁导坑中下台阶采用下台阶带仰拱一次开挖施工,仰拱及仰拱填充和拱墙二衬结构及时跟进施工。

4)I断面底板开挖至标高后,在J断面施工的同时,首先施工联络线隧道4,联络线隧道开挖支护施工30 m后,在I断面隧道的另一侧小里程端同步施工隧道5洞口加固及5-1,5-2部台阶开挖支护;滞后下台阶5-2部20 m后进行区间小里程左线隧道6上下台阶6-1,6-2部开挖支护;滞后6-2部20 m后进行右线隧道5侧壁导坑5-3,5-4部开挖支护。

5)区间小里程左线隧道6和区间小里程右线隧道5开挖支护完成后,进行隧道5,6的仰拱及二衬施工,隧道5,6二衬完成后再进行区间小里程中部隧道7的洞口加固施工。

6)机械法开挖支护区间小里程中部隧道7,并进行后续仰拱、二衬施工。

7)小里程端隧道5、隧道6洞口段二衬施工完成20 m后,才能开挖支护隧道3中部核心土剩余部分,并补齐剩余的仰拱、仰拱填充及拱墙二衬。

8)施工区间正交断面转换通道隧道2的仰拱及拱墙二衬。

I型断面及各接口断面施工中加强监控量测,根据监控量测数据及时指导施工。

3 施工组织及技术措施

3.1 转换通道开挖及各区间进洞施工

隧道群断面转换横通道隧道2从施工通道进洞施工,施工通道采用上下台阶法施工,施工通道隧道拱顶与横通道I断面拱顶相交处位于同一标高,先由施工通道上台阶进入I断面上台阶施工,开挖架立格栅钢架喷浆支护,上台阶贯通后封堵上台阶端头墙;因中下台阶开挖后,断面较高,为避免后续J断面侧壁马头门进洞施工时在开挖台架上施工锁脚锚杆和超前小导管难度,在I断面中台阶降底开挖前,应提前测量标识出J断面侧墙马头门开洞口范围轮廓线,利用I断面上台阶平台,在设计割除拱架位置上方30 cm～40 cm位置施工锁脚锚杆;施工通道中台阶降底进入I断面中台阶开挖,I断面中台阶开挖底板标高与J断面上台阶双侧壁导坑开挖底板标高一致,I断面中台阶贯通后封堵中台阶端头墙。

转换通道I断面上中台阶开挖支护完成后,因断面尺寸变化,需根据区间J断面侧壁导坑断面尺寸重新加工开挖台架。利用新开挖台架完成剩余马头门洞口锁脚锚杆和超前小导管施工,施工参数及方法:开洞位置钢架切割点处设置2φ25锁脚砂浆锚杆,L=4.5 m,钢架左右侧各1根;断面接口部位马头门位置设置2环环纵间距0.4 m×2.5 m,L=5.0 m的φ48×5超前小导管,并注水泥单液浆加固前方地层。割除J断面侧壁开洞范围用锁脚锚杆已加固的拱架,按照一榀拱架长度开挖进洞,完成进洞第一循环开挖出渣后,洞口连立3榀格栅钢架,并采用“L”型Φ22连接筋把横通道侧墙截断的拱架端头与洞口连立的三榀拱架焊接成整体,钢筋焊缝长度单面焊10d,双面焊5d。拱架内外侧挂双层Φ8钢筋网片,喷C25混凝土进行封闭,I断面横通道侧壁开洞口施工加固如图4所示。

后续联络线隧道4、小里程右线隧道5、左线隧道6均采用上述洞口加固方式进行加固,即锁脚锚杆加固待割除洞口上方拱架→施工超前小导管→侧墙马头门进洞范围拱架割除→按照一榀拱架间距开挖进洞→洞口连立三榀拱架、拱架锁脚锚杆、连接筋、挂网加固施工→开挖面喷浆封闭。

停车场出入线左线隧道7采用φ108×6洞内超前大管棚进洞,管棚L=25 m、环向间距0.4 m,入射角α=1°～3°。待两侧左右线区间隧道二衬施工完成后才能进行出入线隧道5暗挖进洞施工。由于交叉口处空间受力复杂,施工中应加强围岩监控量测,并根据围岩监控量测结果,及时调整开挖方式和修正支护参数。

3.2 双侧壁导坑核心土拆除施工

大里程J断面上台阶采用双侧壁导坑开挖进洞,初支采用间距0.75 m格栅钢架支护,导坑底部设置Ⅰ20b钢架临时横撑;中下台阶采用下台阶带仰拱一次开挖法施工,上台阶双侧壁导坑贯通后,从大里程向小里程方向逆向开挖支护中下台阶,后续仰拱及仰拱填充、拱墙二衬及时跟进施工。

核心土拆除方法:从大里程端开始拆除,上台阶利用导坑开挖台架进行拆除,每次拆除长度3 m～4 m,核心土拆除30 m～40 m后采用下台阶带仰拱开挖中下台阶及仰拱,浇筑仰拱及仰拱填充混凝土10 m～15 m。后续拆除上台阶核心土、开挖中下台阶及仰拱,及时进行仰拱及仰拱填充、拱墙二衬结构施工,在距施工转换通道I断面10 m时,应保留5 m～10 m核心土岩柱,等隧道群小里程区间左右洞及联络线洞口二衬施工20 m后再进行拆除施工。

该施工顺序安排保证了隧道3交叉口核心土拆除时区间小里程隧道5、隧道6及联络线隧道4洞口段衬砌完成20 m以上,并且隧道3二衬基本完成,保证了隧道3拆除交叉口处核心土的施工安全,最大限度保证了区间大小里程各隧道作业面的平行施工,提高了施工效率。大里程上台阶双侧壁导坑开挖如图5所示。

3.3 超小净距段隧道施工措施

隧道群的失稳是从夹岩失稳开始的,即夹岩稳定是洞群稳定的关键因素;夹岩失稳的原因为支护突然破坏后无法再为夹岩提供支护反力,本隧道群隧道夹岩厚度约为1.23 m～5.1 m,互为小净距隧道。由于岩柱薄,岩柱一旦失稳必然造成隧道局部失稳等危害,而且后行隧道施工振动、围岩条件改变对先行隧道结构易造成损坏。为了工程安全实施,采用的主要技术措施如下:

1)先施工大断面隧道,后施工小断面隧道,先行隧道施工过程中采用控制爆破,振速不大于2.0 cm/s,以便对后行隧道围岩进行保护,后行隧道主要采用机械开挖,以加强对岩柱围岩保护减少扰动。先行洞与后行洞,开挖面纵向距离应至少错开20 m。三洞并行段,先施工两侧隧道,后施工中间隧道,隧道之间纵向错开距离不小于20 m。

小里程出入线两侧区间隧道二衬完成后,方可进行中部出入线隧道开挖。大里程J断面上台阶双侧壁导坑及联络线均采用控制爆破施工,J断面上导坑与车站贯通后,从大里程端先机械开挖靠近岩柱保护区域3-5-1部位,再弱爆破开挖3-5-2部位,前后间距大于20 m,采用机械和弱爆破相结合的开挖方法能在确保施工安全的前提下提高开挖施工效率,加快开挖施工进度。

2)先行隧道施工往岩柱方向打设对拉锚杆,待注浆凝固后施作垫板和螺母,采用扭力扳手加以50 kN张拉力,对拉锚杆应后行隧道初支层,并满足张拉长度。对拉锚杆为中夹岩提供强力水平约束,并提高岩体力学性能,发挥挤压加固作用[16]。

3)开挖后行隧道时首先施作超前支护和侧墙超前岩柱加固超前小导管,环向间距0.4 m、纵向间距1.5 m、长度L=4.0 m,沿隧道纵向开挖线向外侧15°～45°打设,施工过程中应根据夹岩厚度调整纵向斜插角度避免打入相邻隧道结构层。

4)后行隧道施工时找出对拉锚杆,施作垫板和螺母,并采用扭力扳手加以50 kN张拉力。

5)小净距隧道的监控量测应将中间岩柱的稳定性、地表沉降和爆破振动对相邻隧道的影响作为重点。加强施工监控量测,做到信息化施工及时根据监控量测数据和掌子面地质条件优化设计参数,做到信息化施工动态设计。隧道群大里程端夹岩区保护及加固施工如图6所示,隧道群小里程端夹岩区保护及加固施工如图7所示。

4 监测数据分析

本项目监测范围主要为隧道群施工范围隧道内变形监测,拱顶地表及左右边界20 m范围内建(构)筑变形监测。根据GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[17],各监测项目及控制值见表2,现场实测各监测项目累计最大变化值见表3。

表2 现场监测项目及控制值

表3 现场实测各监测项目累计最大变化值

施工过程中,隧道围岩稳定、变形量不大,所有监测项目均在控制值内,未发生地表塌陷等事故,保证了施工安全,说明本施工方案是安全可控的。

5 结论

通过对重庆轨道交通十号线二期兰南区间大里程,道岔区共建段正交转换通道隧道群施工方案研究和实施,得到以下结论:

1)地铁区间道岔区共建段正交转换通道隧道群施工支洞多、断面大、开挖工法多、工序多,施工前应根据隧道群各支洞围岩地质、结构等特点,结合项目总体工筹安排,科学合理选用施工方法及加固措施,合理规划施工步序是顺利施工的保证。

2)施工通道进入区间正交转换横通道大断面后,在横通道分台阶开挖的同时,同步施工侧壁开洞口位置的锁脚锚杆及超前支护,能减少后期施工难度和安全风险。

3)双侧壁导坑采用先贯通上部两侧导坑,反向从远离横通道的大里程端拆除核心土,上部核心土采用上导坑开挖台架拆除,中下部采用下台阶带仰拱一次开挖法施工,后续仰拱、二衬紧跟,施工安全、高效。

4)转换通道侧墙马头门进洞加固施工,采用先在开洞位置钢架切割点处施工锁脚锚杆及超前小导管,按照一榀拱架进尺完成洞口首环开挖,然后联立三榀拱架,用“L”型连接筋、网片把切割的拱架端头和连立拱架连接加固成一个整体,并及时进行喷浆封闭,能实现侧墙马头门快速安全进洞施工。

5)先行洞采用控制爆破施工,并往岩柱方向打设对拉锚杆,后行洞采用机械开挖,并施作侧墙超前岩柱加固超前小导管,能对小净距夹岩区围岩进行有效保护并提高岩柱的稳定性和承载能力。