張衛(wèi)鋒

(京昆高速鐵路西昆有限公司,重慶 400020)

隨著我國交通工程的不斷發(fā)展,長大隧道逐漸增多。為了提高施工效率、節(jié)省工期,同時為后期隧道運營提供條件,多采用橫洞、斜井、豎井、平行坑道等輔助坑道開辟新的工作面,其中橫洞和斜井是兩種最常見的輔助坑道方式[1]。但由于橫洞進入主洞交叉口部位施工過程復(fù)雜,結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換頻繁,導(dǎo)致圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)受力及變形影響因素復(fù)雜。目前針對輔助坑道進行主洞的挑頂施工主要包括大包法、小包法和垂直挑頂?shù)萚2],眾多學者對挑頂施工技術(shù)進行研究。薛平[3]、鄧啟華[4]等分別對斜井進入正洞的垂直挑頂施工技術(shù)進行了研究,通過優(yōu)化施工工序和完善施工細節(jié)優(yōu)質(zhì)快速的完成了落底作業(yè)。隧道斜井進入主洞時斷面結(jié)構(gòu)特殊、工序多、風險高,眾多學者其對力學行為及變形規(guī)律進行了研究[5-7]。由于泥巖強度低,穩(wěn)定性差,尤其對于水平泥巖地層,大斷面隧道施工挑頂施工時,其施工安全性更應(yīng)引起重視[8-10]。

1 工程概況

七星坪隧道位于四川省達州市宣漢縣境內(nèi),隧道起訖里程WD2K1+864-WD2K15+493,全長13 669 m,進口接碧溪溝單線大橋,出口接廟子壩1號大橋,設(shè)計速度為350 km/h,鐵路雙線隧道。隧道最大埋深約為870 m。隧道寬度14.85 m,高度12.53 m,斷面如圖1所示。七星坪隧道為II級風險隧道,圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主,隧道大跨段施工工序復(fù)雜、工法轉(zhuǎn)換多、襯砌斷面變化頻繁,施工工效低,不良地質(zhì)集中,主要有滑坡、巖堆、危巖落石、有害氣體、高地應(yīng)力等,是本標段重難點工程。輔助坑道方案采用“1橫洞+2斜井”。隧道進口、出口附近有鄉(xiāng)村公路與省道相連,1號橫洞、1號斜井及2號斜井均有鄉(xiāng)村公路可利用,交通較為方便。

圖1 隧道斷面(單位:m)

隧道上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、粗角礫土等,下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組、中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖。巖層近似水平產(chǎn)狀,在外力作用下呈碎屑狀剝落,強度低、穩(wěn)定性差。

2#橫洞長90.2 m,線路平面交角為45°,交左線里程為WD2K15+400。2#橫洞主要穿越粉質(zhì)粘土、卵石層和強風化及弱風化的泥巖夾砂巖地層,與主洞相交位置主要為弱風化水平狀泥巖夾砂巖地層。地質(zhì)剖面如圖2所示。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 總體方案及施工要點

采取先加固后開挖的原則,挑頂前對圍巖進行加固處理及初期支護加強后方可開挖[11],施工至橫洞與正洞交界后,采用棚洞進入正洞洞身開挖,于正洞中線處達到正洞拱頂高程,施工中預(yù)留變形量和臨時支護厚度,導(dǎo)洞施工完成后向兩側(cè)再逐步擴挖至正洞標準斷面。挑頂段施工時橫洞二次襯砌盡早緊跟至交叉口范圍,挑頂進入正洞后,交叉段正洞二次襯砌應(yīng)及時施作。交叉口段施工應(yīng)加強橫洞及正洞范圍監(jiān)控量測,指導(dǎo)現(xiàn)場施工,保障施工安全。正洞和橫洞初支預(yù)留沉降量均按40 cm考慮[12],根據(jù)情況可適當增加。橫洞與正洞相交處內(nèi)軌頂面高程718.563 3 m,橫洞坑底高程718.008 3 m。

圖2 2#橫洞地質(zhì)剖面(單位:m)

正洞與橫洞相交地段處于復(fù)雜的三維受力狀態(tài),為保證正洞安全挑頂施工的完成,交叉段門架支護必須坐落于一個牢固的落腳平臺,同時應(yīng)加強門架支護的鎖腳小導(dǎo)管施工,根據(jù)圍巖情況必要時加設(shè)臨時支撐立柱,以防止拱架下沉及失穩(wěn)。

(1)橫洞變斷面段施工,加強初期支護,立I18鋼架80 cm/榀,交叉處設(shè)置加強環(huán),并用噴射混凝土填滿。

(2)設(shè)置雙排拱架加強環(huán),為交叉段門架支護立柱提供剛性落腳平臺。由于交叉口橫梁跨度較大,立柱支撐的基礎(chǔ)為正洞與橫洞兩側(cè)的交叉口,為確保挑頂?shù)秸催^渡施工的安全,在正洞與橫洞交接處設(shè)置加強環(huán),加強環(huán)由2榀I22b 型鋼鋼架焊接一起組成,為支撐提供足夠的剛度。

(3)加密設(shè)置加強環(huán)外側(cè)立柱的鎖腳小導(dǎo)管,防止拱架的下沉及失穩(wěn)。在立主洞加強環(huán)拱架時,需將門架立柱侵入拱架部分進行割除,然后安設(shè)拱架將立柱焊接于拱架之上,在割除前每榀立柱根據(jù)高度情況單側(cè)打設(shè)不少于2根長3.5 m的鎖腳導(dǎo)管,并將鎖腳導(dǎo)管與鋼架牢固焊接,視圍巖情況必要時安設(shè)臨時支撐立柱。割除立柱時要從兩側(cè)起拱線向拱頂按拱架長度分片割除,完成一段立即安裝好拱架再割除下一段。并應(yīng)及早施作該段仰拱封閉成環(huán)。

(4)由于交叉段應(yīng)力分布較復(fù)雜,在挑頂施工過程中加大拱頂預(yù)留沉降量到40 cm,以防止拱架下沉侵入凈空。

2.2 橫洞交叉口段施工

考慮到正洞上臺階拱架落腳位置的穩(wěn)固性,在橫洞與正洞交匯處拱頂必須設(shè)置一個牢固的落腳平臺。橫洞開挖至H2DK0+015里程處,開始改變開挖斷面,按照扇形結(jié)構(gòu)由斜交45°逐漸過渡到與正洞初支拱架正交,保證受力穩(wěn)定,同時預(yù)留核心土,以便后期在挑頂施工中作為作業(yè)平臺[13]。橫洞交叉口段異型拱架設(shè)置見圖3。

圖3 橫洞交叉口段異型拱架設(shè)置平面

橫洞及交叉口附近支護參數(shù)如表1所示。

橫洞與正洞交接H2DK0+009.5里程處設(shè)置加強鋼架(門架),采用2榀I22b并聯(lián)型鋼鋼架,采用14 mm厚鋼板按環(huán)向間距1 m將其焊接成為整體,鋼架連接設(shè)置雙排鎖腳進行固定。施工過程嚴格控制施工質(zhì)量,加強鋼架根據(jù)正洞異型鋼架的間距設(shè)置連接板并采用螺栓進行連接,鋼架拱腳設(shè)置0.8 m×0.9 m×0.8 m的C20混凝土基礎(chǔ)。橫洞與正洞交接處門架設(shè)置見圖4。

表1 橫洞及交叉口附近支護參數(shù)

圖4 橫洞與正洞交接處門架設(shè)置(單位:cm)

2.3 挑頂棚洞施工

橫洞與正洞交叉段上臺階開挖,按垂直正洞線路中線走向采用3.5 m(高)×4.0 m(寬)的棚洞以上坡方式開挖到正洞線路中線位置,然后再向前平坡開挖至正洞外側(cè)上臺階拱腳位置,棚洞鋼架初支及臨時支護及時跟進。

矩形導(dǎo)坑兩側(cè)正洞鋼架噴砼支護施工完畢后,采用兩臺階法開始正洞施工。按照圖5所示步驟開挖,①～⑨部施工順序:超前支護(垂直線路方向)→立架工字鋼及超前支護→施工徑向錨桿→錨網(wǎng)噴,重復(fù)以上步驟到⑨,垂直于正洞中線的開挖進尺控制在1.5 m。

圖5 橫洞挑頂施工(單位:cm)

橫洞挑頂施工布置詳見圖5,現(xiàn)場施工如圖6所示。棚洞鋼架采用I18型鋼,每榀拱架間距1.5 m;系統(tǒng)錨桿長度3.0 m,間距1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱);?8 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距25 cm×25 cm;?42 mm超前小導(dǎo)管,單根長4.5 m,環(huán)向間距0.4 m;?42 mm鎖腳錨管,單根長2.5 m;C25噴射混凝土,厚25 cm。

圖6 棚洞施工現(xiàn)場

2.4 挑頂段正洞初支施工

橫洞至正洞過渡段①～⑨部結(jié)構(gòu)支護完成后,施作正洞上導(dǎo)挑頂段初期支護。該段初期支護拱腳一側(cè)坐在上臺階底面,底面設(shè)臨時鋼墊板;另一側(cè)坐在門架上,并采用螺栓連接牢固。初支施工現(xiàn)場見圖7。

圖7 正洞初支施工

正洞上臺階擴挖前,確保棚洞內(nèi)正洞初支拱架設(shè)計支護措施均落實到位后,拆除①～⑨部邊墻初支,完成后再進行正洞擴挖。為確保安全,先向進口方向進行上臺階開挖,開挖30 m后暫時停止掘進,封閉掌子面;然后跟進下臺階,掘進20 m后停止。上臺階拱腳設(shè)置臨時仰拱,下臺階拱腳設(shè)置臨時橫撐。再轉(zhuǎn)向出口方向開挖掘進,待出口方向也形成兩臺階(長度20 m)后,停止掘進施工,開始交叉口段仰拱施工。

2.5 交叉口處二襯施工

在進入正洞一段距離后(形成交叉口橫洞模筑襯砌空間后),及時對橫洞交叉口往橫洞口方向10 m范圍內(nèi)施作二次襯砌,交叉口段與線路中線平行,緊貼加強環(huán)關(guān)堵頭模板,襯砌厚度35 cm,標號C30,二次襯砌達到設(shè)計強度后拆模,形成對交叉口處圍巖受力的有效支護。

交叉口連接段正洞二襯和橫洞5 m范圍二襯須同時灌注混凝土,保證連接處混凝土的整體性,且正洞拱墻防水板伸入橫洞長度不小于2 m。

交叉口處輔助坑道拱部,隧道正洞內(nèi)側(cè)環(huán)向主筋伸入輔助坑道襯砌不小于2 m,隧道正洞外側(cè)設(shè)加強鋼架以加強輔助坑道與正洞襯砌的連接,加強鋼筋伸入正洞襯砌與輔助坑道襯砌均不小于2 m。

交叉口處輔助坑道邊墻部分,隧道正洞內(nèi)側(cè)縱向鋼筋伸入輔助坑道襯砌不小于2 m,靠隧道正洞外側(cè)設(shè)加強鋼架以加強輔助坑道與正洞襯砌的連接,加強鋼筋伸入正洞襯砌與輔助坑道襯砌均不小于2 m。

3 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測是了解掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的重要途徑、評價支護措施及變形控制效果的重要手段。在輔助坑道進入正洞的交叉口位置,由于施工過程復(fù)雜、受力體系轉(zhuǎn)變頻繁,極易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此,挑頂施工過程中對正洞及橫洞變形進行監(jiān)測,橫洞及主洞拱頂沉降典型時程曲線如圖8所示。從圖可知,拱頂沉降受施工過程影響顯著,呈臺階式增長,最終主洞沉降為45.2 mm,橫洞拱頂沉降為30.2 mm。表明通過加強支護、加強鎖腳錨管、逐步開挖、穩(wěn)扎穩(wěn)打的開挖方式,有效保證了結(jié)構(gòu)安全,控制了結(jié)構(gòu)變形。

圖8 隧道拱頂變形時程曲線

4 結(jié)束語

以西渝高鐵七星坪隧道2#橫洞進入主洞挑頂施工為研究對象,針對水平泥巖夾砂巖地層巖體強度低、穩(wěn)定性差的特點,通過橫洞交叉段加強支護,設(shè)置加強門架、增加鎖腳錨管、分段開挖棚洞和及時施作二次襯砌等措施,可以有效控制結(jié)構(gòu)變形、保證結(jié)構(gòu)安全,同時加快施工過渡、節(jié)省工期,可以為類似工程提供借鑒。