空间小间距立体交叉隧道施工技术

傅腾玄

1 工程概况

贵昆铁路复线乌蒙山一号隧道穿越梅花山主脉,位于梅花山车站与观音河之间。隧道穿越区发育有15条断层和2个背斜、1个向斜。本隧道主要的工程地质问题为岩溶、岩堆、滑坡、顺层及断层破碎带、煤层瓦斯及采空区、涌水突泥等问题,特殊岩土为红黏土、石膏。该隧道正线在DK270+420～DK270+438段下穿内昆疏解线的新梅花山隧道,交叉角 64°47′53″,交叉段里程范围DK270+423.35～DK270+435.38,斜长16.15 m,包括前后洞轮廓渐变段共70 m,两隧道轨面高差为11.03 m,上部隧道仰拱基本与下部隧道拱部初期支护相连。该立交处附近通过断层破碎带,经过物探验证断层带位置以及破碎富水。

2 衬砌方案的选择与施工顺序的确定

2.1 衬砌方案

正线乌蒙山一号隧道位于新梅花山隧道下面,为增加整体强度和刚度,将立体交叉段设计为钢筋混凝土框架结构,框架底板和顶板厚1.2 m,边墙厚1.5 m,钢筋混凝土框架衬砌段长度为5.85 m。位于其上的新梅花山隧道衬砌采用普通椭圆形钢筋混凝土衬砌形式,不进行加强。

2.2 上下隧道施工顺序的选择

按照原设计立交方案,先进行内昆疏解线新梅花山隧道施工(从进口开始、出口是另一工作面),全断面越过交叉段至少20 m以上后停止继续向前掘进(剩余部分交给出口的工作面完成),然后回头在DK270+428(框架中心里程)向下开挖竖井,井深2 m即可;下部乌蒙山一号隧道随后按拱顶有大洞的类似处理办法通过本段并一直向前,二衬跟上来,自下而上,先施作完下面框架,再在框架顶板上施作其上新梅花山隧道交叉段(及其影响段)衬砌。

为确保隧道安全,防止后施工的上洞因下洞施工出现沉降,使上洞衬砌发生裂缝而容易产生漏水现象,本施工组织设计确定两隧上下交叉段总的施工原则是:先下(乌蒙山一号隧道)后上(新梅花山隧道)。先下后上就是先施工完下穿的乌蒙山一号隧道部分,再施工上面的新梅花山隧道。

3 施工技术

3.1 乌蒙山一号隧道立体交叉段施工

因框架结构段轮廓为矩形,为保证行车限界,该段轮廓尺寸较正常断面要大很多。当隧道开挖到渐变段时,逐渐改变周边眼孔眼布置,根据设计衬砌外缘轮廓尺寸调整孔眼数量,在保持进尺的情况下,逐渐增大隧道轮廓,使其到达上下隧道交叉点时轮廓基本达到框架结构尺寸,然后再直接向前掘进,当到达普通段后,再回头修整交叉段轮廓,使其满足框架结构及其初期支护的轮廓要求。然后立即进行喷锚支护,对喷锚支护进行监控量测,当喷锚支护基本稳定时,支立框架底板模板,绑扎底板钢筋,浇筑混凝土,当底板混凝土强度达到1.2 MPa时,绑扎边墙及顶板钢筋,支立脚手架及边墙、顶板模板,浇筑混凝土。

3.2 新梅花山隧道交叉段施工

当乌蒙山一号隧道交叉段框架式衬砌结构混凝土强度达到设计强度80%以上时,可根据新梅花山隧道进展情况,进行交叉段掘进。在施工中,为减小新梅花山隧道的爆破对乌蒙山一号隧道围岩的扰动以及对已建成的框架结构的影响,新梅花山隧道交叉段采用上下台阶开挖,并在上下台阶底部设置减震带。

3.2.1 台阶法开挖方案

上台阶开挖高度取4 m,采用短进尺、弱爆破减震开挖;为了尽可能减少爆破对新梅花山隧道的影响,掏槽眼设置在掌子面的上部,且在交叉段正上方10 m范围内,每循环进尺取1 m。下台阶开挖时,采用短进尺减震爆破开挖,每循环进尺取0.5 m。

3.2.2 减震带的设置

为减小爆破冲击波带来的震动,降低开挖作业对下方隧道衬砌的扰动,上、下台阶爆破时均在底部设置减震带。它由两列89 mm减震孔组成,其深度为掘进眼的7倍,沿其周边设14个42 mm减震孔,其深度为掘进眼的2.5倍,以尽量减小爆破对隧道围岩的影响。

3.3 钻爆作业

3.3.1 钻爆工艺

钻爆工艺对钻爆作业以及整个开挖作业的质量和效果起关键性的作用。隧道爆破采用塑料导爆管和毫秒雷管起爆系统。其工艺选用台阶法微震动光面爆破。炸药选用φ 25 mm的2号防水乳化炸药。对于周边眼采用导爆索绑小药卷的空气间隔装药结构。掏槽选用直眼掏槽。

3.3.2 断面光面爆破参数的设计

1)炮眼深度的计算。L=λ L0。其中,L为炮眼深度,m;L0为每掘进循环的计划进尺数,m;λ为炮眼利用率(掏槽眼取0.7,掘进眼取1.1,周边眼及底板眼取1.2)。2)上下台阶炮眼数的计算。N=qSL/λ r。其中,N为上台阶炮眼数;q为单位炸药消耗量,kg/m3;S为台阶开挖面积,m2;L为每循环开挖进尺,m;λ为装药系数;r为每米药卷的炸药质量,kg/m。3)装药结构的确定。本次施工中采用不耦合装药结构,优点是增加落岩破碎度,减少对炸药的消耗。周边眼均采用间隔装药形式,较为完整的软弱岩层采用集中装药形式,且不耦合系数为1.3。4)其他参数的计算。周边眼间距35 cm,抵抗线60 cm;单位炸药消耗量q,Ⅴ级围岩取0.125 kg/m,Ⅳ级围岩取0.188 kg/m,堵塞长度30 cm。另外,采用黄泥堵塞炮眼,避免发生冲炮,掘进眼的堵塞长度取25 cm～28 cm。

3.4 支护结构

因空间立体交叉处围岩比较破碎,乌蒙山一号隧道在进入框架结构前采用小导管进行加强支护,钢筋拱架采用两根Φ 22钢筋焊接而成,小导管在开挖面沿拱墙按环向间距0.25 m～0.5 m(根据地质情况确定间距),外插角15°钻孔,采用外径φ 42 mm,壁厚4 mm的热轧无缝钢管加工制成,长8.0 m。初期支护采用喷锚网支护,环向采用φ 22锚杆,间距0.3 m×0.3 m,锚杆长3.5 m,φ 6.5钢筋网,间距0.2 m×0.2 m,喷厚 15 cm C20混凝土进行初期支护。

3.5 隧道爆破震动监控量测

隧道爆破震动监控量测采用由拾振器、INV306型数据采集仪、DASP-VIB分析软件、笔记本电脑、打印机等部件组成的测试系统。在新梅花山爆破时,测量乌蒙山一号隧道的框架混凝土质点震动速度,应满足《爆破安全规程》的规定。

4 施工效果

新梅花隧道已于2009年9月顺利通过交叉段,经监控量测,新梅花山隧道没有对乌蒙山一号隧道的衬砌产生明显影响,新梅花山隧道也基本没有下沉,且施工过程中未发生任何安全事故。实践证明了该施工方案以及各种技术措施的可行性和有效性,也确立了该工程在同类工程中具有重要的借鉴价值。

5 施工可借鉴的几个方面

1)小净距空间交叉隧道在开挖上可采用上下台阶法进行施工,以减小对围岩的扰动以及对先施工的建构筑物的影响,在空间交叉的底板薄弱段应采取机械破碎辅以人工的方式进行开挖。2)爆破工艺上采用毫秒微差弱爆破,运用短进尺、弱爆破以降低一次爆破性对先施工隧道造成的影响,合理制定爆破参数,确保施工安全。3)爆破监测工作在此工程中具有举足轻重的作用,爆破监测应严格遵循现行《爆破安全规程》,并在以爆破监控量测反馈情况的前提下,提出更加合理的爆破安全方案和建议来指导施工。4)新梅花山隧道爆破时减震带的设置减少了爆破冲击波对乌蒙山一号隧道的震动作用,乌蒙山一号隧道框架混凝土没有出现裂纹现象。

[1]TBJ 204-96,铁路隧道施工规范[S].

[2]朱月贵,王 松.浅谈九曲小净距隧道的施工[J].山西建筑,2008,34(11):335-336.