包家山隧道大斷面斜井進正洞挑頂技術

史振宇

(中鐵十二局集團二公司,太原030032)

0 引言

目前國內特長隧道施工大多采用長隧短打的方式,相應的設置斜井開辟工作面也成了長大隧道施工經常采用的方法[1-4]。斜井與正洞交叉地段圍巖受力復雜,安全隱患大,斜井向正洞施工轉換往往是施工中的難點。包家山特長隧道工程地質以千枚巖為主,地下水豐富,其1#斜井承擔正洞施工任務4 200 m,是各方矚目的焦點。目前國內鐵路、公路隧道常見的斜井斷面大多為30m2左右,施工技術研究多以小斷面斜井挑頂技術為主。包家山特長隧道1#斜井高8.03m,寬10.5m,橫斷面面積為84.315 m2,與常見的隧道斜井斷面相比,屬于大斷面斜井。斜井斷面越大,斜井與正洞交叉口圍巖受力就越復雜,相應的挑頂難度就越大。包家山特長隧道1#斜井挑頂處圍巖破碎,地下水豐富,而且在斜井對面有一車行橫洞,這就意味著挑頂處位于一“十”字處,施工難度非常大。本文就包家山特長隧道1#斜井進正洞挑頂過程中總結出來的一些方法和體會,進行簡單介紹。

1 工程概況

包家山特長隧道全長11.22km,是小河至安康高速公路的控制性工程,也是當時全國第3長高速公路隧道。1#斜井全長746m,開挖高8.03m、寬10.5m,坡度為11.67%,運營時作為通風道使用。1#斜井與正洞交叉口圍巖以粉砂質絹云母千枚巖為主,圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,有地下水滲出。斜井擔負著本工區(qū)4 200m正洞的開挖任務,是工程的關鍵,如何快速、安全實現斜井向正洞的轉化,早日開辟正洞工作面對項目意義重大。

2 施工方案

斜井與正洞在左線相交,交角為83°2′47″,大角度相交能保證交叉處巖柱的厚度,有利于交叉口圍巖的自穩(wěn)能力,增加交叉口洞室結構的穩(wěn)定性[5-8]。由于項目工期緊張,為盡早進入右線施工,在交叉口增加一反向車行橫洞,同時將主洞斷面擴大為緊急停車帶斷面,以方便會車。交叉口平面布置如圖1所示。包家山隧道1#斜井開挖高度為8.03 m,正洞拱頂比斜井拱頂高1.461 m,在交叉口正洞輪廓內,正洞拱架無法與斜井拱架搭接,且交叉口圍巖破碎,受力復雜,施工難度很大。根據斜井揭示的交叉口處圍巖狀況及監(jiān)控量測結果,制定交叉口挑頂施工方案為“超前支護、分部開挖、加強支護、隨挖隨護、及時封閉、加強監(jiān)測”。

圖1 斜井與正洞交叉口平面布置示意圖Fig.1 Plan layout of connection section between inlcined shaft and main tunnel

3 施工方法

3.1 交叉口處斜井加強段施工

由于交叉處圍巖受力復雜,施工時要盡量減少對圍巖的擾動,支護措施要加強。施工中,從斜井與正洞邊墻相交處起8m范圍采用短臺階法施工,上臺階高3 m,臺階長3m。支護措施:φ25超前錨桿,L=5m,環(huán)向間距40cm;I 16工字鋼架,間距1m;全斷面掛設 φ8鋼筋網;噴射C25鋼纖維混凝土22cm。

3.2 挑頂施工

斜井與正洞交叉地段圍巖以絹云母千枚巖為主,碎塊狀鑲嵌結構,節(jié)理裂隙發(fā)育,地下水豐富,該段圍巖為V級加強段,開挖后圍巖易變形、坍塌;因此,挑頂施工要堅持“超前探、短進尺、強支護、勤量測”的原則,確保施工安全。

3.2.1 過渡坑道施工

3.2.1.1 開挖

斜井上臺階施工至正洞隧道邊墻位置時,開始挑頂施工,挑頂采用過渡導坑,逐步從斜井上臺階過渡到正洞上臺階(如圖2所示,圖中陰影部分即為過渡導坑,采用高3m、寬5m的矩形斷面)。由于斜井拱頂較高,由圖2可以看出,正洞拱架在圖示陰影范圍內無法與斜井拱架搭接,經計算,在挑頂進去水平距離584.08 cm位置,過渡導坑頂部連線(BO)與正洞拱架相切。正洞拱架從相切點O點用直拱架與斜井拱架相連。過渡導坑開挖按照21.44%上坡控制(即圖2示陰影部分拱頂坡度),過渡導坑高度為3m,寬度5m。

圖2 ZK154+360斷面斜井與正洞交叉口挑頂工序示意圖(單位:cm)Fig.2 Sketch of roof ripping between inclined shaft and main tunnel(cm)

3.2.1.2 支護

過渡導坑超前支護采用 φ50×5超前小導管,L=3.5m,間距40cm;注水泥-水玻璃漿液。初期支護采用間距1 m的I 16門形鋼架[3]、φ22砂漿錨桿、φ8鋼筋網(僅頂部鋪設)、噴射C25鋼纖維混凝土22cm(拱部噴滿,邊墻噴成“排骨”形式)。

3.2.1.3 注意事項

1)架立鋼架時,矩形鋼架的拱部內緣標高要高于直拱架的外緣標高至少5cm。

2)每一個開挖循環(huán)都要用5 m長鉆桿鉆孔,探明掌子面前方地下水情況,以便采取相應措施。

3)過渡導坑施工的同時,斜井下導要同步施工,過渡導坑施工至圖2所示O點時,斜井下導應施工完畢。

3.2.2 正洞上臺階施工

過渡導坑開挖至O點后,導坑斷面已經全部進入正洞斷面,繼續(xù)采用矩形斷面向前掘進。由于圍巖破碎,支護仍采用過渡導坑支護形式,當施工至圖2所示A點后,開始架立正洞拱架中間單元和直拱架部分,與斜井拱架搭接。在A點下方設置門形鋼架,支撐正洞拱架。

3.2.2.1 直拱架與斜井拱架的搭接

當正洞上臺階斷面施工至A點后,在斜井與正洞邊墻交界部位并排架立兩榀斜井鋼架,其拱頂設縱向工字鋼托梁,見圖3。托梁與斜井鋼架間距應與正洞初期支護鋼架間距(75cm)對應,設置工字鋼立柱,焊接牢固,噴射混凝土回填密實。正洞直拱架座于立柱上方相應的托梁位置,焊接牢固,并在直拱架(BO段)兩側打設間距1m、長3m的徑向錨桿。

圖3 工字鋼托梁示意圖Fig.3 Support beam made of I-shaped steel

3.2.2.2 正洞上臺階施工

在矩形坑道5m寬度范圍內按75 cm間距施工完畢直拱架(BO段)后,用上臺階中間拱架單元(OA段)連接于A點支撐門形鋼架,同直拱架段一樣打設徑向錨桿,掛設 φ8鋼筋網,噴C25鋼纖維混凝土26 cm。BA段支護完畢后,繼續(xù)向前掘進,但不用再做門形鋼架支護,根據圍巖條件素噴或掛網噴錨即可,當開挖至C點后,立即安裝上臺階拱架單元AC段,掛網噴錨。

3.3 正洞工作面的開辟

正洞上臺階斷面形成后,拆除門形鋼架的直腿部分,向大、小里程方向間隔循環(huán)施工,跨過斜井斷面3 m后,從斜井向正洞開辟中臺階工作面,開始中臺階施工。中臺階達到5m時,開始正洞下臺階施工。下臺階施工10m左右時立即進行仰拱施工,以及時封閉支護體系,開始正洞的正常施工[9-10]。

4 監(jiān)控量測

交叉口圍巖受力復雜,且圍巖本身十分破碎,施工中監(jiān)控量測尤為重要。每3m設置拱頂下沉和圍巖收斂監(jiān)控量測測點,每天量測3次。

4.1 量測項目

見表1。

表1 監(jiān)控量測項目Table 1 Monitoring items

4.2 量測斷面布置

斜井與正洞交叉口(斜井前后各30m)每個量測斷面各布置1個拱頂下沉測點和2條水平凈空收斂量測基線,測點布置見圖4。

圖4 圍巖測點布置Fig.4 Layout of monitoring points

量測結果每天現場總結1次,每2 d報項目總工程師1次,以根據量測結果及時調整施工方法和支護參數。施工中,根據量測結果,將拱架的預留變形量由25cm降到了15cm,既保證了安全,又節(jié)約了投資。

5 施工效果

包家山特長隧道1#斜井從2007年2月16日開始挑頂,采用上述方法,歷時22d,于2007年3月9日順利開辟了從斜井兩側墻向正洞大、小里程各15m的工作面,使正洞施工形成生產能力,期間沒有發(fā)生一起安全、質量事故,說明此挑頂技術在包家山隧道1#斜井進正洞施工中是成功的。

6 結論

斜井挑頂涉及到斜井與正洞2個構造物,挑頂處圍巖受力復雜;因此,制定挑頂施工方案時,一定要以“穩(wěn)”為主,超前支護、初期支護寧強勿弱,開挖盡量采用弱爆破或不爆破,在確保安全的前提下再追求進度。通過包家山隧道1#斜井挑頂施工實踐,對于斷面70m2左右的斜井,“超前支護、分部開挖、加強支護、隨挖隨護、及時封閉、加強監(jiān)測”的挑頂施工方案是合理的,特別是過渡坑道的開挖和支護方式給軟弱圍巖隧道的斜井挑頂施工提供了新的思路。但是應該看到,本文總結的挑頂方法,有其特定的工程地質、斜井斷面、圍巖受力狀況等條件,其指導意義有一定的局限性。對于同等或更大斷面斜井挑頂遭遇涌水、流砂、斷層破碎帶以及巖溶等地質狀況的施工技術還需要廣大同行在不斷實踐中總結、提煉,相信對此類技術的不斷研究,將大力提升隧道領域的施工能力,對推動我國隧道施工技術的發(fā)展具有重要意義。

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