软岩大跨度铁路隧道斜井喇叭口施工技术研究

2010-05-22王中华

铁道勘察 2010年2期

王中华

(中国中铁四局集团第二工程有限公司, 江苏苏州 215100)

长大隧道或控制工期的重点隧道,常常需要增设辅助坑道,其中以横洞和坡率较小、施工车辆能够自行的斜井发挥的作用最大[1]。而一般所选定的横洞和斜井处的隧道埋深相对较浅,地质较差,其与正洞相交的喇叭口如果处理不好,极易发生下沉开裂甚至发生坍塌事故。因此,研究和改进软弱围岩条件下大跨度隧道斜井喇叭口开挖和支护方案,对于指导隧道施工、提高工程质量、加快施工进度、降低工程费用等均具有非常重要的现实意义[2,3]。

1 工程概况

某隧道是一条双线铁路隧道,最大设计断面为15.1 m×13 m(宽×高),平均开挖断面160 m2,全长1 148 m。

该隧道的主要工程特点：

(1)断面大,埋深浅。该隧道按满足200 km/h时速度要求进行设计,并满足通行货车双层集装箱的净空要求。部分隧道洞身在曲线上,平均开挖断面160 m2,最大开挖断面达15.1 m×13 m(宽×高)。隧道埋深多为20～40 m,进口90 m范围和隧道中部马鞍形浅埋地段洞身埋深分别为3～8 m、17～22 m。

(2)地质复杂,多裂隙水。隧道地质为全风化至严重风化的变质砂岩及砾岩。开挖揭示,变质砂岩及砾岩全风化后变成土质,严重风化部分夹有砂砾。层状明显,多裂隙水,稳定性差,综合判定全隧均为Ⅴ级围岩。最突出的特点是注浆效果差,多次调压、更换浆液试验也只能是包住管孔,难以形成有效扩散半径,加大了施工难度。

2 施工设计方案

该隧道开工后险情不断,发生多次坍塌,由于施工现场安全管理得当,应急措施及时,未发生安全事故；虽采用了增设明洞,再次坍方后在明洞上施做双层大管棚“洞内坍方,洞外处理”,较好地治理了“冒顶”坍塌,但却严重影响了施工进度。后决定在接近隧道中部的浅埋地段增设一处斜井,保证工期目标要求。经技术经济比较,将斜井井口设在距正洞右边墙60 m处,井口顶比正洞隧顶高6 m,按10∶1坡度下挖。原设计斜井普通段净空为5 m×5.5 m(宽×高),曲边墙结构。采用φ42超前小导管注浆预支护,初期支护为Ι18钢架全环支撑,间距60 cm,喷混凝土厚30 cm。进入正洞喇叭口后净空为5.6 m×6.3 m(直边墙),按中壁法开挖线路方向右上侧四分之一断面,分别与进出口贯通后即封闭斜井。

施工设计的总体思路[4]是设计出一种便于施工的可靠结构安全跨越斜井喇叭口,满足快速增开两个完整工作面的要求。而当斜井向正洞两侧开挖时,采用何种措施能够确保正洞与斜井喇叭口上部的结构安全成为一个关键问题。喇叭口宽6.8 m,正洞开挖宽度为14.26 m,地质情况为Ⅴ级全风化变质砂岩及砾岩,多裂隙水,埋深17.5 m。在此种情况下要想破除喇叭口竖向支撑,向进出口方向提供两个完整工作面,风险太大。后经反复比较,决定在喇叭口架设H175型钢钢架,增强初期支护的刚度。具体施工设计步骤为：

第一步,将斜井喇叭口“当作”斜井的一部分,在斜井进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖,继续采用斜井普通段的Ι18钢架等初期支护和超前预支护参数。

第二步,采用类比法,正洞初期支护为全环H175钢架,间距60～80 cm,喇叭口6.8 m范围则需要架设10组H175钢架。该10组H175钢架横向采用[100短槽钢两两相连,间距1.5 m,梅花形布置；纵向跨越正洞开挖范围。为确保基础承载力,在斜井喇叭口入口端以外设5 m×6.8 m×1.2 m钢筋混凝土扩大基础,喇叭口终端以外设3 m×6.8 m×1.2 m钢筋混凝土扩大基础(如图1所示)。在10组H175组合钢架跨越喇叭口入口端,因过车通道上部需留开口,左右两侧各3组钢架支腿置于(如图1、图2所示),中部4组钢架通过预埋在待灌注混凝土拱墙内的I18钢架传入钢筋混凝土扩大基础；在组合钢架跨越喇叭口终端,将其10组钢架支腿全部置于钢筋混凝土扩大基础。灌注H175组合钢架两侧拱脚混凝土,上部组合钢架复喷混凝土,形成钢拱桥式结构跨越斜井喇叭口。

图1 喇叭口段立面(单位：cm)

图2 喇叭口段平面(单位：cm)

3 施工程序

3.1 按正洞断面形状上挑开挖、支护斜井喇叭口

在斜井距正洞8 m至5 m地段,将斜井曲边墙变为直边墙,净宽从5.6 m逐渐加大到6.8 m(如图2)。进入喇叭口后按正洞断面形状上挑开挖,采用φ42超前小导管注浆预支护,初期支护为Ι18钢架全环支撑,间距60 cm,喷混凝土厚30 cm。到达喇叭口终端按预设断面开挖并灌注3 m×6.8 m×1.2 m钢筋混凝土扩大基础,开挖灌注入口端以外5 m×6.8 m×1.2 m钢筋混凝土扩大基础。

3.2 架设斜井喇叭口组合钢拱桥式结构

本隧道正洞初期支护为H175全环钢架,间距60～80 cm,喷混凝土35 cm。类比计算,6.8 m宽需采用10组H175钢架,平均间距77 cm。

两侧各三组H175钢架间距60 cm,宽18.66 m,预留20 cm沉降高度；并按同等预留高度下接正洞初期支护H175钢架(如图1),每组钢架两侧各有二条支腿,将两侧钢架支腿全部置于1.2 m厚钢筋混凝土扩大基础上。

中部四组H175钢架间距88 cm,喇叭口终端与两侧做法相同；入口端预留过车通道开口,在5 m扩大基础上待灌注混凝土范围内置I18型钢边墙、拱架,将中部四组钢架分别焊接在拱架上(如图2所示)。

10组H175钢架采用[100槽钢两两焊接,间距1.5 m,梅花形布置。分别灌注组合钢架两侧拱脚混凝土,上部组合钢架喷射35 cm厚钢纤维混凝土,形成组合钢拱桥式结构跨越斜井喇叭口。

3.3 通过斜井喇叭口进入正洞施工

在正洞拱部,喇叭口两外侧H175钢架上施做φ42超前小导管注浆预支护,即可拆除正洞范围内竖向I18钢架支撑。原设计初期支护强度不能满足本隧道浅埋、大跨、软岩特殊地质条件的要求,因而不论采用原设计的中壁法,或是双侧壁导坑法施工方案均不能保证结构和施工安全。后经综合比选,本隧道采用以H175型钢钢架作为初期支护的环形开挖预留核心土法施工方案,向进出口两个方向进行正洞开挖。

其施工步骤为：①上部弧形开挖及初期支护；②超前小导管注浆加固；③开挖单侧中部马口并支护；④错位开挖另一侧中部马口并支护；⑤开挖下部马口并施工矮边墙；⑥开挖另一侧下部马口并施工矮边墙；⑦缩短预留核心土；⑧半幅开挖浇筑仰拱；⑨铺设防水板二次衬砌(如图3所示)。

图3 环形开挖预留核心土法施工示意

4 施工质量控制措施

(1)在按正洞断面上挑开挖时,需要做好中线水平测量控制。上挑开挖每榀Ι18钢架(间距60 cm)需上抬30 cm左右,φ42超前小导管长度不受限制；下降开挖时,φ42超前小导管长度受限,现场采用2.5 m长小导管,将小导管环距和排距相应减小。

(2)为保证正洞H175钢架准确安装,钢架需在洞口放样、编号。钢架接头与正洞作业要求相同,分别加设钢垫板,螺栓连接。

(3)复架正洞H175钢架时,为确保与初期支护Ι18钢架密贴,在两组钢架间楔入[100短槽钢,要求间隔1.5 m梅花形布置。实际安装不足一半,间隙较小处均改用φ25短钢筋楔入。

5 工后沉降监测及分析

软弱围岩中进行隧道施工,初期支护收敛变形大,围岩难于稳定,在设置二次衬砌后还会出现开裂现象。因此应根据软岩特性,进行开挖控制监测,判断围岩和支护结构体系的稳定性和工作状态[5,6],确定二次衬砌与开挖工作面之间的合理距离关系[7],确保初期支护和二次衬砌的稳定。

该隧道围岩软弱、稳定性差、变性大,采用小断面开挖并及时进行初期支护后,仍会产生较大变形,因此应增加初期支护的刚度以有效减小隧道收敛量,提高隧道的稳定性。工前在喇叭口开口处、喇叭口中部及地表分别布设了下沉观测点,从监测结果来看,采用H175型钢钢架喷射混凝土支护后效果明显。因同类工程下沉值较大,本隧道在喇叭口处比原设计增设了20 cm预留沉落量(原设计有20 cm收敛预留量)。工后实测累积沉降值不足20 mm,围岩没有十分明显的流变变形,地表无下沉。