淺埋隧道偏壓段施工方法探討

1項(xiàng)目總結(jié)1.1隧道開(kāi)挖范圍新跨上海昆士泰隧道位于貴州省盤縣，全長(zhǎng)6187米，進(jìn)口公里c1k936.873，出口公里c1k943.290。這是一條雙向隧道，允許速度為350公里。挖溝寬14.96m，高12.64m，挖溝面積154.61m。高家屯隧道原設(shè)計(jì)有進(jìn)口及橫洞兩個(gè)作業(yè)面,橫洞長(zhǎng)314m,對(duì)應(yīng)正洞里程DK940+500。進(jìn)口負(fù)責(zé)施工3063m,橫洞負(fù)責(zé)施工3354m,隧道正洞于D1K939+936處開(kāi)挖貫通。進(jìn)口段地形偏壓,左側(cè)采用預(yù)加固樁、錨桿框架梁及?75鋼管樁注漿加固。1.2進(jìn)口段橫洞設(shè)計(jì)及制作高家屯隧道進(jìn)口橋隧相連,場(chǎng)地受限,且進(jìn)口D1K936+900～D1K936+995淺埋偏壓段加固處理耗較長(zhǎng)時(shí)間,工期較緊。為解決進(jìn)口段進(jìn)洞困難的問(wèn)題,緩解工期壓力,于D1K937+050線路前進(jìn)方向右側(cè)增設(shè)一橫洞,與正線左線小里程方向夾角50°,橫洞長(zhǎng)度32m,洞身設(shè)計(jì)為3‰單面下坡,采用無(wú)軌雙車道運(yùn)輸,雙車道內(nèi)凈空尺寸為7.5m(寬)×6.2m(高),Ⅴ級(jí)圍巖段采用模筑襯砌。橫洞與正洞關(guān)系圖詳見(jiàn)圖1和圖2。1.3地下水開(kāi)采量實(shí)測(cè)橫洞處屬中低山地貌,穿越地層為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段薄～中層狀泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖互層。單斜地層,地下水不發(fā)育、侵蝕性等級(jí)為H2。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及揭示,交叉口對(duì)應(yīng)橫洞部分埋深15～22m,以強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主,有有少量地下水。交叉口對(duì)應(yīng)正洞部分埋深23m,正洞以強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主,局部地段夾有角礫巖及石膏,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,呈碎塊石土狀,厚2～5cm,有少量地下水。2施工方案的確定2.1隧道實(shí)際圍巖變形主要原因高家屯隧道1號(hào)橫洞交叉口工程在施工中主要存在以下難點(diǎn):(1)隧道交叉口圍巖為V級(jí),圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,開(kāi)挖后巖體變形大。(2)隧道交叉口處埋深淺、位于偏壓段,巖體受力復(fù)雜,分布不均,易發(fā)生側(cè)向變形。(3)1號(hào)橫洞實(shí)際開(kāi)挖長(zhǎng)度僅19m,且處于淺埋、偏壓地段,交叉口施工可能導(dǎo)致山體滑坡或開(kāi)裂。一旦交叉口施工時(shí)發(fā)生大的變形、位移,引起該段山體失穩(wěn),后果非常嚴(yán)重。2.2比較方案2.2.1隧道擴(kuò)挖優(yōu)點(diǎn):橫洞進(jìn)入正洞斷面后,以橫洞斷面進(jìn)入正洞并逐漸擴(kuò)大成正洞斷面導(dǎo)坑的進(jìn)洞方式。這種施工方法以橫洞斷面逐漸擴(kuò)大,避免了應(yīng)力集中,而且在施工前期可以不開(kāi)設(shè)正洞反向工作面,這樣就不會(huì)形成喇叭口三叉口的受力情形。隧道的擴(kuò)挖可以在隧道正洞開(kāi)始進(jìn)行襯砌后,從小斷面導(dǎo)坑隧道和正洞正常尺寸斷面的交接處反方向擴(kuò)挖,同時(shí)進(jìn)行襯砌,反方向逐漸推進(jìn)到橫洞與正洞的交叉口段,然后可以開(kāi)設(shè)反方向的工作面。在正洞擴(kuò)大施工后及時(shí)進(jìn)行襯砌,有利于隧道的穩(wěn)定。缺點(diǎn):前期在隧道橫洞工區(qū)只有一個(gè)作業(yè)面,不利于快速施工,而且在交叉口段施工擴(kuò)大時(shí)會(huì)對(duì)前面隧道工作面的施工形成干擾,同時(shí)小斷面隧道施工支護(hù)屬于額外增加,提高了施工成本。漸變喇叭口施工方法前期無(wú)法施工橫洞交叉口及喇叭口過(guò)渡段的洞身襯砌,軟弱圍巖情況下存在一定的安全隱患。2.2.2通過(guò)施工手段施工圍巖傳統(tǒng)的交叉口直接挑頂方案采用先施工正洞上部即挑頂,待上部施工完畢后進(jìn)行下部施工的進(jìn)洞方法。這種施工方法對(duì)于喇叭口圍巖比較好,穩(wěn)定性很好的圍巖特別適用。喇叭口施工速度快,可以從兩個(gè)方向開(kāi)設(shè)工作面,提高施工進(jìn)度。對(duì)于軟弱圍巖,交叉口的正洞一側(cè)沒(méi)有邊墻,隧道拱頂?shù)膸r體壓力通過(guò)橫洞口的拱圈傳遞到橫洞的墻身,提高了施工難度,對(duì)支護(hù)強(qiáng)度要求很高。2.2.3坑交叉口挑頂綜合考慮漸變喇叭口挑頂方案、傳統(tǒng)的交叉口直接挑頂方案的優(yōu)缺點(diǎn),重點(diǎn)考慮以下因素,提出并采用弧形導(dǎo)坑交叉口挑頂方案。(1)減小導(dǎo)坑的斷面。(2)挑頂后單方向施工,避免出現(xiàn)三叉口受力的情形。(3)提供交叉口拱架支撐平臺(tái),解決隧道拱頂圍巖壓力的傳遞問(wèn)題。(4)加強(qiáng)交叉口橫洞過(guò)渡段的支護(hù)強(qiáng)度,增設(shè)橫洞仰拱,提前施作橫洞洞身襯砌。(5)盡快施工正洞仰拱和襯砌,改變隧道拱頂圍巖壓力的傳遞方式。3現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)施工流程(見(jiàn)圖3)交叉口橫洞部分施工3.2.1超前加固加固根由于橫洞洞身長(zhǎng)度較短,直接于橫洞洞口拱部打設(shè)一環(huán)?108大管棚,每根20m長(zhǎng),共計(jì)26根,對(duì)橫洞及交叉口部分實(shí)施超前加固。超前管棚支護(hù)參數(shù)為:?108mm無(wú)縫鋼管,壁厚6mm,長(zhǎng)度20m,環(huán)向間距50cm,外插角1°～3°。管壁打孔,布孔以梅花形布置,孔徑為10～16mm,孔間距為15～20cm,導(dǎo)管尾部留不小于1.5m不鉆孔的止?jié){段。3.2.2錨桿、混凝土網(wǎng)、網(wǎng)格化錨網(wǎng)橫洞采用臺(tái)階法施工,為Ⅴ模筑襯砌,用I20鋼拱架支護(hù),拱架間距60cm。過(guò)渡段鋼拱架采用扇形布置(圖4),其中短邊長(zhǎng)7m,長(zhǎng)邊長(zhǎng)14m。橫洞短邊鋼拱架間距40cm,長(zhǎng)邊10榀鋼拱架間距100cm,8榀鋼拱架間距60cm。Ⅴ模筑襯砌支護(hù)參數(shù)如下:系統(tǒng)錨桿采用?22砂漿錨桿,錨桿長(zhǎng)為3.5m,環(huán)向間距1.2m,成梅花形布設(shè),每榀鋼架系統(tǒng)錨桿數(shù)11根。鋼筋網(wǎng)采用?6鋼筋加工成方格網(wǎng)片,網(wǎng)格尺寸為25cm×25cm,縱橫鋼筋相交處焊接成型,搭接長(zhǎng)度1～2個(gè)網(wǎng)格。扇形部分鋼拱架基礎(chǔ)采用C30鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),拱腳直接埋入混凝土內(nèi)。水溝側(cè)鋼拱架擴(kuò)大基礎(chǔ)加深30cm,以消除水溝對(duì)拱架基礎(chǔ)的影響。3.2.3第一部分混凝土交叉口橫洞部分短邊3m范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)長(zhǎng)邊長(zhǎng)度4.8m),初期支護(hù)厚度增加到35cm,以增加交叉口部分的承載力。3.2.4封閉成環(huán)的情況全橫洞增置仰拱,仰供鋼架采用I18鋼拱架支護(hù),及時(shí)封閉成環(huán),以增加支護(hù)的整體性。當(dāng)仰拱開(kāi)挖時(shí),對(duì)掌子面進(jìn)行掛網(wǎng),網(wǎng)片采用?8圓鋼,網(wǎng)格間距20cm×20cm,噴射10cm厚C20砼封閉。3.2.5鋼筋混凝土的制備襯砌混凝土厚度40cm,采用C30鋼筋混凝土。襯砌鋼筋內(nèi)外主筋采用?22螺紋鋼,縱向間距20cm,環(huán)向單肢箍筋采用?14螺紋鋼,間距250mm。3.2.6i20a鋼拱架為解決交叉口正洞上導(dǎo)鋼拱架落腳的問(wèn)題,在橫洞與正洞交叉口段設(shè)置門架,為正洞鋼架提供落腳平臺(tái)。門架如圖5所示。在橫洞與正洞交叉口段,架立3榀I20a鋼拱架,此3榀工字鋼緊密焊接而成,采用Ⅴ模筑襯砌,鋼拱架法線與正洞中心線平行,在此鋼拱架上焊接兩榀I25a型鋼橫梁,并在橫梁兩端螺栓連接I25a型鋼立柱,每個(gè)立柱為3榀I25a型鋼焊接而成,為正洞鋼架提供落腳平臺(tái)。門架立柱系統(tǒng)錨桿采用?22砂漿錨桿,錨桿長(zhǎng)為4.5m,環(huán)向間距1m,成梅花形布設(shè)。3.2.7排水措施通過(guò)在掌子面附近設(shè)置集水井,安排2～4臺(tái)大功率抽水泵將水抽到橫洞排水溝內(nèi),通過(guò)排水溝將水排出洞外。3.3部分正洞施工3.3.1豎向鋼架基礎(chǔ)橫洞進(jìn)入正洞采用弧形導(dǎo)坑,鉆爆法施工,挖掘機(jī)扒碴,個(gè)別部位人工持風(fēng)鎬修面?；⌒螌?dǎo)坑斷面3.5m(寬)×4m(高),導(dǎo)坑支護(hù)采用臨時(shí)鋼拱架支護(hù),橫向臨時(shí)鋼拱架設(shè)置在正洞鋼拱架上方,弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖面控制在正洞開(kāi)挖面上30cm,初期支護(hù)作為永久性防護(hù)。豎向拱架基礎(chǔ)支撐在巖體上,豎向立柱用I18工字鋼作為臨時(shí)支撐,待弧形導(dǎo)坑完成,正洞鋼架支護(hù)好后方可拆除。豎向鋼架每處用2根4.5m鎖腳錨桿鎖住?；⌒螌?dǎo)坑支護(hù)參數(shù)如下:鋼拱架型號(hào)I18,間距1m,系統(tǒng)錨桿采用?22砂漿錨桿,錨桿長(zhǎng)為4m,環(huán)縱向間距1m×1m,成梅花形布設(shè),鋼筋網(wǎng)采用?8鋼筋加工成方格網(wǎng)片,網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm,縱橫鋼筋相交處焊接成型,搭接長(zhǎng)度1～2個(gè)網(wǎng)格,詳見(jiàn)圖6、圖7。3.3.2外側(cè)正洞拱架基礎(chǔ)弧形導(dǎo)坑施工完成后,開(kāi)始正洞上臺(tái)階支護(hù),可以安裝7榀正洞鋼拱架(鋼拱架間距60cm),左側(cè)正洞拱架基礎(chǔ)支撐在巖體上,右側(cè)正洞拱架基礎(chǔ)支撐在橫洞門架橫梁上,右側(cè)異型拱架長(zhǎng)度及弧形作相應(yīng)調(diào)整。此段圍巖為Ⅴc型復(fù)合式襯砌,支護(hù)參數(shù)為:拱部系統(tǒng)錨桿采用?25×7中空注漿錨桿,邊墻采用?22砂漿錨桿,錨桿長(zhǎng)為4m,環(huán)縱向間距1m×1m,成梅花形布設(shè),鋼筋網(wǎng)采用?8鋼筋加工成方格網(wǎng)片,網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm,縱橫鋼筋相交處焊接成型,搭接長(zhǎng)度1～2個(gè)網(wǎng)格。3.3.3正洞施工程序弧形導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)及正洞3.5m范圍上臺(tái)階支護(hù)完成后,拆除弧形導(dǎo)坑豎向臨時(shí)鋼拱架,轉(zhuǎn)入正洞施工。正洞采取臺(tái)階法預(yù)留核心土法施工,先由弧形導(dǎo)坑位置向小里程方向施工至橫洞短邊,完成上臺(tái)階初期支護(hù),左右錯(cuò)開(kāi)落下臺(tái)階,完成下臺(tái)階初期支護(hù)。再向大里程方向施工至橫洞長(zhǎng)邊,完成上臺(tái)階初期支護(hù),左右錯(cuò)開(kāi)落下臺(tái)階,完成下臺(tái)階初期支護(hù)。門架處全部施工完后,開(kāi)始向正洞大小里程施工,按正常圍巖級(jí)別施工。3.3.4縱通道橫洞的部分支撐施工交叉口正洞部分作業(yè)空間提供后,及時(shí)施工交叉口橫洞部分襯砌,保證距正洞上臺(tái)階掌子面距離不超過(guò)25m。3.4主孔施工3.4.1段仰拱開(kāi)挖支護(hù)圖8中,Ⅰ為一段仰拱開(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅱ?yàn)槎窝龉伴_(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅲ為澆筑一段填充混凝土(6m)3m;Ⅳ為三段仰拱開(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅴ為四段仰拱開(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅵ為澆筑二段填充混凝土(6m);Ⅶ為五段仰拱開(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅷ為六段仰拱開(kāi)挖支護(hù)(3m);Ⅸ為澆筑三段填充混凝土(6m);Ⅹ為澆筑交叉口正洞襯砌混凝土(12m)。3.4.2上臺(tái)階支護(hù)施工正洞開(kāi)挖支護(hù)采用臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱,確保開(kāi)挖后空間的橫向穩(wěn)定性。上臺(tái)階施工完成25m左右形成作業(yè)空間后,暫停上臺(tái)階施工,進(jìn)行中臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù),把上臺(tái)階拱架接至中臺(tái)階。中臺(tái)階施工距上臺(tái)階5m距離時(shí),暫停中臺(tái)階施工,進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù),把拱架接至下臺(tái)階,形成三臺(tái)階法施工。3.4.3橫向穩(wěn)定性原則正洞仰拱開(kāi)挖支護(hù)采取加臨時(shí)橫撐,確保開(kāi)挖后空間的橫向穩(wěn)定性。下臺(tái)階施工距中臺(tái)階5m距離時(shí),停止洞身開(kāi)挖,分部進(jìn)行仰拱開(kāi)挖、填充混凝土施工。3.4.4交叉口1號(hào)門的垂直開(kāi)口交叉口正洞仰拱開(kāi)挖支護(hù)從大里程向小里程方向施工(大里程方向已成環(huán)),每次開(kāi)挖5榀鋼拱架,開(kāi)挖后加臨時(shí)橫撐,及時(shí)封閉成環(huán)。3.4.5交叉口部分準(zhǔn)備交叉口正洞部分仰拱施作完畢后,立即施作交叉口正洞部分襯砌,交叉口襯砌段長(zhǎng)11.2m,臺(tái)車能滿足要求。3.5前車地質(zhì)預(yù)報(bào)高家屯隧道具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,開(kāi)挖斷面大,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高等特點(diǎn),其泥灰?guī)r自穩(wěn)能力低,交叉口應(yīng)力集中點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜。為了更好地掌握前方圍巖情況及圍巖變形情況,我們?cè)谔繇斍笆┳鞒暗刭|(zhì)預(yù)報(bào),包括地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、超前水平鉆孔及加深炮孔;在施工中及時(shí)展開(kāi)監(jiān)控量測(cè),每天保證至少2次觀測(cè)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施作能提前掌握前方圍巖情況,避免了突發(fā)事件的發(fā)生,尤其對(duì)高家屯這樣的Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道施作尤為必要。施工監(jiān)控量測(cè)的方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施尤為重要,它能及時(shí)掌握圍巖的變形情況,以便及時(shí)作出調(diào)整。該段施工過(guò)程中,拱頂沉降量測(cè)采用貼反射膜片配合全站儀無(wú)尺量測(cè)工藝,水平收斂采用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)進(jìn)行量測(cè)。該段施工量測(cè)結(jié)果為:隧道拱頂沉降累計(jì)最大值為2.4cm,水平收斂累計(jì)最大值為3.7cm,整個(gè)施工過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)。4社區(qū)正洞施工(1)橫洞與正洞交叉角較小,在進(jìn)行弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖及出碴作業(yè)時(shí),挖掘機(jī)無(wú)法正常旋轉(zhuǎn),考慮到安全及機(jī)械作業(yè)的需要,宜將弧形導(dǎo)坑的寬度調(diào)整為4～4.5m。(2)交叉口挑頂完畢后,直接進(jìn)入正洞施工,應(yīng)優(yōu)先施作橫洞及交叉口段正洞洞身襯砌。(3)施工中要高度重視監(jiān)控量測(cè)工作,并預(yù)留足夠的變形量。(4)加強(qiáng)交叉口處初期支護(hù)質(zhì)量,尤其是交叉口處工字鋼門架,測(cè)量放線時(shí)要精確,保證門架垂直,不得侵限。(5)注意控制臺(tái)階長(zhǎng)度,每臺(tái)階長(zhǎng)度不宜大于5m;同時(shí)仰拱、襯砌及時(shí)跟進(jìn),確保施工安全。(6)加強(qiáng)掌子面的引排水,避免侵泡基礎(chǔ)。(7)有條件的應(yīng)對(duì)交叉口受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,根據(jù)數(shù)值分析情況合理確定交叉口的支護(hù)參數(shù)。5弧形導(dǎo)坑施工技術(shù)高家屯隧道為新建滬昆客專大斷面Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一,也是滬昆客專CKGZTJ-12標(biāo)段第一個(gè)進(jìn)行橫洞進(jìn)正洞施工轉(zhuǎn)換的隧道,經(jīng)過(guò)充分論證,采用弧形導(dǎo)坑施工方法,僅用了43d就完成了施工轉(zhuǎn)換,進(jìn)入了正洞正常施工。弧形導(dǎo)坑施工技術(shù)在高家屯隧道交叉口施工中的成功運(yùn)用,為后續(xù)多座隧道交叉口施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)