浅埋隧道偏压段施工方法探讨

浅埋隧道偏压段施工方法探讨

1项目总结1.1隧道开挖范围新跨上海昆士泰隧道位于贵州省盘县，全长6187米，进口公里c1k936.873，出口公里c1k943.290。这是一条双向隧道，允许速度为350公里。挖沟宽14.96m，高12.64m，挖沟面积154.61m。高家屯隧道原设计有进口及横洞两个作业面,横洞长314m,对应正洞里程DK940+500。进口负责施工3063m,横洞负责施工3354m,隧道正洞于D1K939+936处开挖贯通。进口段地形偏压,左侧采用预加固桩、锚杆框架梁及ϕ75钢管桩注浆加固。1.2进口段横洞设计及制作高家屯隧道进口桥隧相连,场地受限,且进口D1K936+900～D1K936+995浅埋偏压段加固处理耗较长时间,工期较紧。为解决进口段进洞困难的问题,缓解工期压力,于D1K937+050线路前进方向右侧增设一横洞,与正线左线小里程方向夹角50°,横洞长度32m,洞身设计为3‰单面下坡,采用无轨双车道运输,双车道内净空尺寸为7.5m(宽)×6.2m(高),Ⅴ级围岩段采用模筑衬砌。横洞与正洞关系图详见图1和图2。1.3地下水开采量实测横洞处属中低山地貌,穿越地层为三叠系中统关岭组一段薄～中层状泥岩、泥灰岩、泥质白云岩互层。单斜地层,地下水不发育、侵蚀性等级为H2。经现场实测及揭示,交叉口对应横洞部分埋深15～22m,以强风化泥灰岩为主,有有少量地下水。交叉口对应正洞部分埋深23m,正洞以强风化泥灰岩为主,局部地段夹有角砾岩及石膏,节理裂隙发育,岩体破碎,呈碎块石土状,厚2～5cm,有少量地下水。2施工方案的确定2.1隧道实际围岩变形主要原因高家屯隧道1号横洞交叉口工程在施工中主要存在以下难点:(1)隧道交叉口围岩为V级,围岩破碎,节理裂隙发育,开挖后岩体变形大。(2)隧道交叉口处埋深浅、位于偏压段,岩体受力复杂,分布不均,易发生侧向变形。(3)1号横洞实际开挖长度仅19m,且处于浅埋、偏压地段,交叉口施工可能导致山体滑坡或开裂。一旦交叉口施工时发生大的变形、位移,引起该段山体失稳,后果非常严重。2.2比较方案2.2.1隧道扩挖优点:横洞进入正洞断面后,以横洞断面进入正洞并逐渐扩大成正洞断面导坑的进洞方式。这种施工方法以横洞断面逐渐扩大,避免了应力集中,而且在施工前期可以不开设正洞反向工作面,这样就不会形成喇叭口三叉口的受力情形。隧道的扩挖可以在隧道正洞开始进行衬砌后,从小断面导坑隧道和正洞正常尺寸断面的交接处反方向扩挖,同时进行衬砌,反方向逐渐推进到横洞与正洞的交叉口段,然后可以开设反方向的工作面。在正洞扩大施工后及时进行衬砌,有利于隧道的稳定。缺点:前期在隧道横洞工区只有一个作业面,不利于快速施工,而且在交叉口段施工扩大时会对前面隧道工作面的施工形成干扰,同时小断面隧道施工支护属于额外增加,提高了施工成本。渐变喇叭口施工方法前期无法施工横洞交叉口及喇叭口过渡段的洞身衬砌,软弱围岩情况下存在一定的安全隐患。2.2.2通过施工手段施工围岩传统的交叉口直接挑顶方案采用先施工正洞上部即挑顶,待上部施工完毕后进行下部施工的进洞方法。这种施工方法对于喇叭口围岩比较好,稳定性很好的围岩特别适用。喇叭口施工速度快,可以从两个方向开设工作面,提高施工进度。对于软弱围岩,交叉口的正洞一侧没有边墙,隧道拱顶的岩体压力通过横洞口的拱圈传递到横洞的墙身,提高了施工难度,对支护强度要求很高。2.2.3坑交叉口挑顶综合考虑渐变喇叭口挑顶方案、传统的交叉口直接挑顶方案的优缺点,重点考虑以下因素,提出并采用弧形导坑交叉口挑顶方案。(1)减小导坑的断面。(2)挑顶后单方向施工,避免出现三叉口受力的情形。(3)提供交叉口拱架支撑平台,解决隧道拱顶围岩压力的传递问题。(4)加强交叉口横洞过渡段的支护强度,增设横洞仰拱,提前施作横洞洞身衬砌。(5)尽快施工正洞仰拱和衬砌,改变隧道拱顶围岩压力的传递方式。3现场施工技术施工流程(见图3)交叉口横洞部分施工3.2.1超前加固加固根由于横洞洞身长度较短,直接于横洞洞口拱部打设一环ϕ108大管棚,每根20m长,共计26根,对横洞及交叉口部分实施超前加固。超前管棚支护参数为:ϕ108mm无缝钢管,壁厚6mm,长度20m,环向间距50cm,外插角1°～3°。管壁打孔,布孔以梅花形布置,孔径为10～16mm,孔间距为15～20cm,导管尾部留不小于1.5m不钻孔的止浆段。3.2.2锚杆、混凝土网、网格化锚网横洞采用台阶法施工,为Ⅴ模筑衬砌,用I20钢拱架支护,拱架间距60cm。过渡段钢拱架采用扇形布置(图4),其中短边长7m,长边长14m。横洞短边钢拱架间距40cm,长边10榀钢拱架间距100cm,8榀钢拱架间距60cm。Ⅴ模筑衬砌支护参数如下:系统锚杆采用ϕ22砂浆锚杆,锚杆长为3.5m,环向间距1.2m,成梅花形布设,每榀钢架系统锚杆数11根。钢筋网采用ϕ6钢筋加工成方格网片,网格尺寸为25cm×25cm,纵横钢筋相交处焊接成型,搭接长度1～2个网格。扇形部分钢拱架基础采用C30钢筋混凝土扩大基础,拱脚直接埋入混凝土内。水沟侧钢拱架扩大基础加深30cm,以消除水沟对拱架基础的影响。3.2.3第一部分混凝土交叉口横洞部分短边3m范围内(对应长边长度4.8m),初期支护厚度增加到35cm,以增加交叉口部分的承载力。3.2.4封闭成环的情况全横洞增置仰拱,仰供钢架采用I18钢拱架支护,及时封闭成环,以增加支护的整体性。当仰拱开挖时,对掌子面进行挂网,网片采用ϕ8圆钢,网格间距20cm×20cm,喷射10cm厚C20砼封闭。3.2.5钢筋混凝土的制备衬砌混凝土厚度40cm,采用C30钢筋混凝土。衬砌钢筋内外主筋采用ϕ22螺纹钢,纵向间距20cm,环向单肢箍筋采用ϕ14螺纹钢,间距250mm。3.2.6i20a钢拱架为解决交叉口正洞上导钢拱架落脚的问题,在横洞与正洞交叉口段设置门架,为正洞钢架提供落脚平台。门架如图5所示。在横洞与正洞交叉口段,架立3榀I20a钢拱架,此3榀工字钢紧密焊接而成,采用Ⅴ模筑衬砌,钢拱架法线与正洞中心线平行,在此钢拱架上焊接两榀I25a型钢横梁,并在横梁两端螺栓连接I25a型钢立柱,每个立柱为3榀I25a型钢焊接而成,为正洞钢架提供落脚平台。门架立柱系统锚杆采用ϕ22砂浆锚杆,锚杆长为4.5m,环向间距1m,成梅花形布设。3.2.7排水措施通过在掌子面附近设置集水井,安排2～4台大功率抽水泵将水抽到横洞排水沟内,通过排水沟将水排出洞外。3.3部分正洞施工3.3.1竖向钢架基础横洞进入正洞采用弧形导坑,钻爆法施工,挖掘机扒碴,个别部位人工持风镐修面。弧形导坑断面3.5m(宽)×4m(高),导坑支护采用临时钢拱架支护,横向临时钢拱架设置在正洞钢拱架上方,弧形导坑开挖面控制在正洞开挖面上30cm,初期支护作为永久性防护。竖向拱架基础支撑在岩体上,竖向立柱用I18工字钢作为临时支撑,待弧形导坑完成,正洞钢架支护好后方可拆除。竖向钢架每处用2根4.5m锁脚锚杆锁住。弧形导坑支护参数如下:钢拱架型号I18,间距1m,系统锚杆采用ϕ22砂浆锚杆,锚杆长为4m,环纵向间距1m×1m,成梅花形布设,钢筋网采用ϕ8钢筋加工成方格网片,网格尺寸为20cm×20cm,纵横钢筋相交处焊接成型,搭接长度1～2个网格,详见图6、图7。3.3.2外侧正洞拱架基础弧形导坑施工完成后,开始正洞上台阶支护,可以安装7榀正洞钢拱架(钢拱架间距60cm),左侧正洞拱架基础支撑在岩体上,右侧正洞拱架基础支撑在横洞门架横梁上,右侧异型拱架长度及弧形作相应调整。此段围岩为Ⅴc型复合式衬砌,支护参数为:拱部系统锚杆采用ϕ25×7中空注浆锚杆,边墙采用ϕ22砂浆锚杆,锚杆长为4m,环纵向间距1m×1m,成梅花形布设,钢筋网采用ϕ8钢筋加工成方格网片,网格尺寸为20cm×20cm,纵横钢筋相交处焊接成型,搭接长度1～2个网格。3.3.3正洞施工程序弧形导坑临时支护及正洞3.5m范围上台阶支护完成后,拆除弧形导坑竖向临时钢拱架,转入正洞施工。正洞采取台阶法预留核心土法施工,先由弧形导坑位置向小里程方向施工至横洞短边,完成上台阶初期支护,左右错开落下台阶,完成下台阶初期支护。再向大里程方向施工至横洞长边,完成上台阶初期支护,左右错开落下台阶,完成下台阶初期支护。门架处全部施工完后,开始向正洞大小里程施工,按正常围岩级别施工。3.3.4纵通道横洞的部分支撑施工交叉口正洞部分作业空间提供后,及时施工交叉口横洞部分衬砌,保证距正洞上台阶掌子面距离不超过25m。3.4主孔施工3.4.1段仰拱开挖支护图8中,Ⅰ为一段仰拱开挖支护(3m);Ⅱ为二段仰拱开挖支护(3m);Ⅲ为浇筑一段填充混凝土(6m)3m;Ⅳ为三段仰拱开挖支护(3m);Ⅴ为四段仰拱开挖支护(3m);Ⅵ为浇筑二段填充混凝土(6m);Ⅶ为五段仰拱开挖支护(3m);Ⅷ为六段仰拱开挖支护(3m);Ⅸ为浇筑三段填充混凝土(6m);Ⅹ为浇筑交叉口正洞衬砌混凝土(12m)。3.4.2上台阶支护施工正洞开挖支护采用台阶法加临时仰拱,确保开挖后空间的横向稳定性。上台阶施工完成25m左右形成作业空间后,暂停上台阶施工,进行中台阶开挖、支护,把上台阶拱架接至中台阶。中台阶施工距上台阶5m距离时,暂停中台阶施工,进行下台阶开挖、支护,把拱架接至下台阶,形成三台阶法施工。3.4.3横向稳定性原则正洞仰拱开挖支护采取加临时横撑,确保开挖后空间的横向稳定性。下台阶施工距中台阶5m距离时,停止洞身开挖,分部进行仰拱开挖、填充混凝土施工。3.4.4交叉口1号门的垂直开口交叉口正洞仰拱开挖支护从大里程向小里程方向施工(大里程方向已成环),每次开挖5榀钢拱架,开挖后加临时横撑,及时封闭成环。3.4.5交叉口部分准备交叉口正洞部分仰拱施作完毕后,立即施作交叉口正洞部分衬砌,交叉口衬砌段长11.2m,台车能满足要求。3.5前车地质预报高家屯隧道具有技术标准高,开挖断面大,风险等级高等特点,其泥灰岩自稳能力低,交叉口应力集中点多、结构受力较复杂。为了更好地掌握前方围岩情况及围岩变形情况,我们在挑顶前施作超前地质预报,包括地质雷达探测、超前水平钻孔及加深炮孔;在施工中及时展开监控量测,每天保证至少2次观测。超前地质预报的施作能提前掌握前方围岩情况,避免了突发事件的发生,尤其对高家屯这样的Ⅰ级风险隧道施作尤为必要。施工监控量测的方案和现场实施尤为重要,它能及时掌握围岩的变形情况,以便及时作出调整。该段施工过程中,拱顶沉降量测采用贴反射膜片配合全站仪无尺量测工艺,水平收敛采用JSS30A型数显收敛计进行量测。该段施工量测结果为:隧道拱顶沉降累计最大值为2.4cm,水平收敛累计最大值为3.7cm,整个施工过程处于稳定状态。4社区正洞施工(1)横洞与正洞交叉角较小,在进行弧形导坑开挖及出碴作业时,挖掘机无法正常旋转,考虑到安全及机械作业的需要,宜将弧形导坑的宽度调整为4～4.5m。(2)交叉口挑顶完毕后,直接进入正洞施工,应优先施作横洞及交叉口段正洞洞身衬砌。(3)施工中要高度重视监控量测工作,并预留足够的变形量。(4)加强交叉口处初期支护质量,尤其是交叉口处工字钢门架,测量放线时要精确,保证门架垂直,不得侵限。(5)注意控制台阶长度,每台阶长度不宜大于5m;同时仰拱、衬砌及时跟进,确保施工安全。(6)加强掌子面的引排水,避免侵泡基础。(7)有条件的应对交叉口受力情况进行数值模拟分析,根据数值分析情况合理确定交叉口的支护参数。5弧形导坑施工技术高家屯隧道为新建沪昆客专大断面Ⅰ级风险隧道之一,也是沪昆客专CKGZTJ-12标段第一个进行横洞进正洞施工转换的隧道,经过充分论证,采用弧形导坑施工方法,仅用了43d就完成了施工转换,进入了正洞正常施工。弧形导坑施工技术在高家屯隧道交叉口施工中的成功运用,为后续多座隧道交叉口施工打下了坚实的基础