包家山隧道大断面斜井进正洞挑顶技术

史振宇

(中铁十二局集团二公司,太原030032)

0 引言

目前国内特长隧道施工大多采用长隧短打的方式,相应的设置斜井开辟工作面也成了长大隧道施工经常采用的方法[1-4]。斜井与正洞交叉地段围岩受力复杂,安全隐患大,斜井向正洞施工转换往往是施工中的难点。包家山特长隧道工程地质以千枚岩为主,地下水丰富,其1#斜井承担正洞施工任务4 200 m,是各方瞩目的焦点。目前国内铁路、公路隧道常见的斜井断面大多为30m2左右,施工技术研究多以小断面斜井挑顶技术为主。包家山特长隧道1#斜井高8.03m,宽10.5m,横断面面积为84.315 m2,与常见的隧道斜井断面相比,属于大断面斜井。斜井断面越大,斜井与正洞交叉口围岩受力就越复杂,相应的挑顶难度就越大。包家山特长隧道1#斜井挑顶处围岩破碎,地下水丰富,而且在斜井对面有一车行横洞,这就意味着挑顶处位于一“十”字处,施工难度非常大。本文就包家山特长隧道1#斜井进正洞挑顶过程中总结出来的一些方法和体会,进行简单介绍。

1 工程概况

包家山特长隧道全长11.22km,是小河至安康高速公路的控制性工程,也是当时全国第3长高速公路隧道。1#斜井全长746m,开挖高8.03m、宽10.5m,坡度为11.67%,运营时作为通风道使用。1#斜井与正洞交叉口围岩以粉砂质绢云母千枚岩为主,围岩破碎,节理裂隙发育,有地下水渗出。斜井担负着本工区4 200m正洞的开挖任务,是工程的关键,如何快速、安全实现斜井向正洞的转化,早日开辟正洞工作面对项目意义重大。

2 施工方案

斜井与正洞在左线相交,交角为83°2′47″,大角度相交能保证交叉处岩柱的厚度,有利于交叉口围岩的自稳能力,增加交叉口洞室结构的稳定性[5-8]。由于项目工期紧张,为尽早进入右线施工,在交叉口增加一反向车行横洞,同时将主洞断面扩大为紧急停车带断面,以方便会车。交叉口平面布置如图1所示。包家山隧道1#斜井开挖高度为8.03 m,正洞拱顶比斜井拱顶高1.461 m,在交叉口正洞轮廓内,正洞拱架无法与斜井拱架搭接,且交叉口围岩破碎,受力复杂,施工难度很大。根据斜井揭示的交叉口处围岩状况及监控量测结果,制定交叉口挑顶施工方案为“超前支护、分部开挖、加强支护、随挖随护、及时封闭、加强监测”。

图1 斜井与正洞交叉口平面布置示意图Fig.1 Plan layout of connection section between inlcined shaft and main tunnel

3 施工方法

3.1 交叉口处斜井加强段施工

由于交叉处围岩受力复杂,施工时要尽量减少对围岩的扰动,支护措施要加强。施工中,从斜井与正洞边墙相交处起8m范围采用短台阶法施工,上台阶高3 m,台阶长3m。支护措施:φ25超前锚杆,L=5m,环向间距40cm;I 16工字钢架,间距1m;全断面挂设 φ8钢筋网;喷射C25钢纤维混凝土22cm。

3.2 挑顶施工

斜井与正洞交叉地段围岩以绢云母千枚岩为主,碎块状镶嵌结构,节理裂隙发育,地下水丰富,该段围岩为V级加强段,开挖后围岩易变形、坍塌;因此,挑顶施工要坚持“超前探、短进尺、强支护、勤量测”的原则,确保施工安全。

3.2.1 过渡坑道施工

3.2.1.1 开挖

斜井上台阶施工至正洞隧道边墙位置时,开始挑顶施工,挑顶采用过渡导坑,逐步从斜井上台阶过渡到正洞上台阶(如图2所示,图中阴影部分即为过渡导坑,采用高3m、宽5m的矩形断面)。由于斜井拱顶较高,由图2可以看出,正洞拱架在图示阴影范围内无法与斜井拱架搭接,经计算,在挑顶进去水平距离584.08 cm位置,过渡导坑顶部连线(BO)与正洞拱架相切。正洞拱架从相切点O点用直拱架与斜井拱架相连。过渡导坑开挖按照21.44%上坡控制(即图2示阴影部分拱顶坡度),过渡导坑高度为3m,宽度5m。

图2 ZK154+360断面斜井与正洞交叉口挑顶工序示意图(单位:cm)Fig.2 Sketch of roof ripping between inclined shaft and main tunnel(cm)

3.2.1.2 支护

过渡导坑超前支护采用 φ50×5超前小导管,L=3.5m,间距40cm;注水泥-水玻璃浆液。初期支护采用间距1 m的I 16门形钢架[3]、φ22砂浆锚杆、φ8钢筋网(仅顶部铺设)、喷射C25钢纤维混凝土22cm(拱部喷满,边墙喷成“排骨”形式)。

3.2.1.3 注意事项

1)架立钢架时,矩形钢架的拱部内缘标高要高于直拱架的外缘标高至少5cm。

2)每一个开挖循环都要用5 m长钻杆钻孔,探明掌子面前方地下水情况,以便采取相应措施。

3)过渡导坑施工的同时,斜井下导要同步施工,过渡导坑施工至图2所示O点时,斜井下导应施工完毕。

3.2.2 正洞上台阶施工

过渡导坑开挖至O点后,导坑断面已经全部进入正洞断面,继续采用矩形断面向前掘进。由于围岩破碎,支护仍采用过渡导坑支护形式,当施工至图2所示A点后,开始架立正洞拱架中间单元和直拱架部分,与斜井拱架搭接。在A点下方设置门形钢架,支撑正洞拱架。

3.2.2.1 直拱架与斜井拱架的搭接

当正洞上台阶断面施工至A点后,在斜井与正洞边墙交界部位并排架立两榀斜井钢架,其拱顶设纵向工字钢托梁,见图3。托梁与斜井钢架间距应与正洞初期支护钢架间距(75cm)对应,设置工字钢立柱,焊接牢固,喷射混凝土回填密实。正洞直拱架座于立柱上方相应的托梁位置,焊接牢固,并在直拱架(BO段)两侧打设间距1m、长3m的径向锚杆。

图3 工字钢托梁示意图Fig.3 Support beam made of I-shaped steel

3.2.2.2 正洞上台阶施工

在矩形坑道5m宽度范围内按75 cm间距施工完毕直拱架(BO段)后,用上台阶中间拱架单元(OA段)连接于A点支撑门形钢架,同直拱架段一样打设径向锚杆,挂设 φ8钢筋网,喷C25钢纤维混凝土26 cm。BA段支护完毕后,继续向前掘进,但不用再做门形钢架支护,根据围岩条件素喷或挂网喷锚即可,当开挖至C点后,立即安装上台阶拱架单元AC段,挂网喷锚。

3.3 正洞工作面的开辟

正洞上台阶断面形成后,拆除门形钢架的直腿部分,向大、小里程方向间隔循环施工,跨过斜井断面3 m后,从斜井向正洞开辟中台阶工作面,开始中台阶施工。中台阶达到5m时,开始正洞下台阶施工。下台阶施工10m左右时立即进行仰拱施工,以及时封闭支护体系,开始正洞的正常施工[9-10]。

4 监控量测

交叉口围岩受力复杂,且围岩本身十分破碎,施工中监控量测尤为重要。每3m设置拱顶下沉和围岩收敛监控量测测点,每天量测3次。

4.1 量测项目

见表1。

表1 监控量测项目Table 1 Monitoring items

4.2 量测断面布置

斜井与正洞交叉口(斜井前后各30m)每个量测断面各布置1个拱顶下沉测点和2条水平净空收敛量测基线,测点布置见图4。

图4 围岩测点布置Fig.4 Layout of monitoring points

量测结果每天现场总结1次,每2 d报项目总工程师1次,以根据量测结果及时调整施工方法和支护参数。施工中,根据量测结果,将拱架的预留变形量由25cm降到了15cm,既保证了安全,又节约了投资。

5 施工效果

包家山特长隧道1#斜井从2007年2月16日开始挑顶,采用上述方法,历时22d,于2007年3月9日顺利开辟了从斜井两侧墙向正洞大、小里程各15m的工作面,使正洞施工形成生产能力,期间没有发生一起安全、质量事故,说明此挑顶技术在包家山隧道1#斜井进正洞施工中是成功的。

6 结论

斜井挑顶涉及到斜井与正洞2个构造物,挑顶处围岩受力复杂;因此,制定挑顶施工方案时,一定要以“稳”为主,超前支护、初期支护宁强勿弱,开挖尽量采用弱爆破或不爆破,在确保安全的前提下再追求进度。通过包家山隧道1#斜井挑顶施工实践,对于断面70m2左右的斜井,“超前支护、分部开挖、加强支护、随挖随护、及时封闭、加强监测”的挑顶施工方案是合理的,特别是过渡坑道的开挖和支护方式给软弱围岩隧道的斜井挑顶施工提供了新的思路。但是应该看到,本文总结的挑顶方法,有其特定的工程地质、斜井断面、围岩受力状况等条件,其指导意义有一定的局限性。对于同等或更大断面斜井挑顶遭遇涌水、流砂、断层破碎带以及岩溶等地质状况的施工技术还需要广大同行在不断实践中总结、提炼,相信对此类技术的不断研究,将大力提升隧道领域的施工能力,对推动我国隧道施工技术的发展具有重要意义。

[1] 孙福军,周晓然.石太客运专线南梁隧道3#辅助斜井挑顶施工方法[J].科技情报开发与经济,2006,16(8):2-4.

[2] 李本.大断面黄土隧道斜井进入正洞的挑顶施工技术[J].铁道建筑技术,2008(3):34-37.

[3] 付国宏.7号斜井进正洞挑顶施工技术[J].铁道标准设计,2005(9):77-79.

[4] 赵东荣.浅谈大断面黄土隧道斜井三岔口地段挑顶施工[J].山西建筑,2007,33(12):264-265.

[5] 周爱国.现代隧道工程现场施工技术[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 张金锋.张茅隧道1号斜井进正洞挑顶施工技术[J].山西建筑,2006(8):128-130.

[7] 孙佳英.吕梁山隧道4#斜井挑顶施工技术方案[J].西铁科技,2008(3):40-41.

[8] 龙蛟.石板山隧道斜井与正洞交叉段施工方法与技术[J].国防交通工程与技术,2010,8(1):50-53.

[9] 吴小娟.大断面黄土隧道施工重、难点分析及质量保证措施[J].甘肃科技,2009,13(25):151-153.

[10] 郭学平.大断面隧道施工方法研究[J].山西建筑,2006,32(10):114-115.