刘家梁隧道进洞方案选择及横洞与正洞交叉段施工技术

郝文广

(中铁十二局集团第二工程有限公司,太原 030032)

由于隧道洞口段围岩一般多为风化严重,节理、断层、破碎带,且经常存在严重的浅埋、偏压、富水等现象。故“进洞难”成为了隧道设计与施工人员的共识。随着铁路大断面隧道日益增多,洞口施工问题亦显突出,迫切需要对隧道进洞施工技术进行深入研究[1-3]。

目前,常用的进洞方案有：直接进洞、采用超前预加固及超前支护措施后进洞或采用辅助导坑方案进洞。直接进洞法适用于隧道进、出口,洞口地质较好,场地宽阔的情况；采用超前预加固及超前支护措施后进洞法适用于隧道进、出口,洞口地质较差,场地宽阔的情况；辅助导坑方案进洞法适用于长大隧道或隧道进、出口不具备施工条件且侧向横洞较短的情况[3,4]。辅助导坑进洞法即通过选择进洞条件较好的地段从沟谷一侧修筑横洞到达隧道设计开挖线处,从而开辟2个工作面,其中一个工作面反向开挖,挑开洞口,变进洞为出洞,避开洞口处不良的条件。这样不仅可以最大限度地保护洞口环境,实现快速进洞,而且对于长隧道,横洞还可以作为通风、出渣等的通道,有利于施工的开展。因此,对于洞口段地质较差,不具备施工场地的情况,辅助坑道进洞法成为了行之有效的施工方法。

辅助坑道相对隧道正洞而言,断面较小,且横洞与正洞交叉处围岩受力复杂,尤其正洞横向挑顶开挖支护难度大,工作面小、质量安全隐患多,因此如何从小断面安全地过渡到大断面,交叉口段施工就显得尤为重要[5,6]。针对辅助坑道与隧道交叉段施工方案的选择及支护措施,前人已有不少研究,如徐青等人针对兰渝铁路两水隧道工程情况比较了横洞转向扩挖法与直接挑顶扩挖法各自的优缺点,认为前者更适合于该工程[7];冯义涛详述了山岭地区采用横洞进洞的施工技术[8]；张智军研究了双线黄土隧道斜井与正洞交叉段施工措施[9]；黎冬来研究了膨胀土隧道横洞进正洞挑顶技术的坑道验算、施工工艺及施工要点[10]。

在前人的基础上,为了对隧道的进洞方案及其关键技术——横洞与正洞交叉段的施工作进一步的了解,在山西中南部铁路通道刘家梁隧道中对此种方案进行了应用研究。

1 工程概况

山西中南部铁路通道刘家梁隧道,区域地形属黄土高原的丘陵及低山区,以黄土梁、峁和深切冲沟为主,沟壑纵横,地形起伏较大,冲沟发育,海拔高程1 100～1 334 m。隧道进、出口地层覆盖土为新黄土、老黄土及粉质黏土。隧道进口里程为DK29+864,出口里程为DK32+475,全长2 611 m,最大埋深94 m。

刘家梁隧道进口位于蔡家崖村,距乡村公路约1 500 m,通往洞口的冲沟长1 200 m(其中有2处断崖高差约7 m),两侧山坡陡峭(洞口高程与山顶高差75 m,山体坡比约1∶0.5),场地狭窄,沟底净宽不足4 m,施工便道修建困难,无施工场地,不具备进洞施工条件。

2 进洞总体方案

经现场调查、测量比较,里程为DK30+449处有一冲沟,距线路左侧62 m,沟深20多m；沟底较宽,沟底宽度10～20 m,距线路左侧1 000 m处,冲沟具备弃砟条件。可采用横洞进洞。最终决定从距线路左线(DK30+447)左侧62 m处开始进洞,采用台阶法施工,I18a钢拱架进行支护,纵坡控制在0.6%,横洞与隧道轴线交叉角为60°。横洞开挖至距隧道右边墙开挖线3.5 m处,停止开挖,待整体支护完成,则通过隧道右边墙开挖线3.5 m范围的内交叉口施工后可转入正洞施工。

横洞洞身地层为新黄土、老黄土、上第三系粉质黏土。新黄土：浅黄色,坚硬,呈松软结构。老黄土,褐黄色,呈松软结构,局部呈大块状压密结构。粉质黏土,棕红色,坚硬,呈松软结构,局部呈大块状压密结构。

横洞的支护设计参数为：XK0+000～XK0+030段为Ⅴ级复合式衬砌,超前支护为小导管,I18型钢支护,喷射C25混凝土,厚23 cm,衬砌C25混凝土厚30 cm。

3 施工技术及工艺

3.1 横洞开挖

横洞台阶法施工至XK0+050.96里程处之前为平坡段施工,该区段采用I18a钢架支护,钢架内边缘面垂直于横洞轴线,钢架之间相互平行；XK0+050.96～XK0+058.21段施工中需调整横洞左右侧施工进度,即横洞左侧进度快、右侧进度慢,从而调整横洞开挖面,使之逐渐与正洞平行,该区段的钢架分布呈扇形,纵坡为0.6%；XK0+058.21至隧道右边墙开挖线之间的区段采用I18a钢架支护,该区段钢架内边缘面均平行于正洞,钢架之间相互平行。钢架分布如图1所示。

图1 横洞转入正洞爬坡平面

施工时充分利用围岩的自稳能力,在距正洞开挖边线3.5 m处开始挑顶开挖,爬坡坡度为22.7%,施工到XK0+061.9里程处。如图2所示。

图2 横洞转入正洞爬坡立面(单位：cm)

横洞挑顶段施工中,严格遵循“弱爆破、短进尺”的原则,以挖机开挖为主、人工开挖为辅,开挖时每循环进尺为0.7 m,拱架纵向间距为0.6 m,两侧拱脚部位设长3.0 m的φ42 mm锁脚钢管各4根,喷C25混凝土厚25 cm。

3.2 正洞挑顶开挖及临时棚架支护

当横洞施工至与正洞边墙相交断面时(XK0+061.9),进行正洞顶部弧形导坑开挖,弧形导坑高2.5 m。

施工中采用台阶法并结合新奥法支护原理,在正洞中开挖一个顶宽3.2 m,底宽4.5 m的梯形小导洞,采用I18的钢架支撑并挂网喷锚支护。利用小导洞开挖到正洞左线一侧上导开挖底面,而后施作正洞初期支护,并与横洞拱部连接成为一体,形成整体联合加强支护。钢架结构尺寸严格按照横洞挑顶施工平面图设计。

根据横洞施工纵断面图,推算出小导洞的开挖高程,采用人工斜向上开挖,每循环进尺1 m,开挖断面为梯形导坑,小导洞爬坡高度随正洞上部导坑高度变化而变化。结合矿山法棚架支护原理,每开挖1 m施做1榀棚架支护。施工时严格控制棚架高程,以保证正洞初期支护钢架的净空。边墙每侧设2根3.0 m长的φ42 mm锁脚锚管,棚架间采用φ22 mm钢筋纵向连接,喷C25混凝土20～25 cm厚,形成临时支护体系。同时根据台阶法的施工顺序,横洞段的下台阶及时跟进,实行平行作业。

3.3 横洞门架安装及铺底施工

小导洞掘进至正洞左边墙开挖线时停止小导洞掘进,继续开挖横洞的下导(不出砟)至XK0+061.9(即正洞右边墙开挖线)处,并及时架设横洞支撑门架。门架采用2榀I20a钢架焊接而成,并与横洞最后一榀初支钢架焊接牢固，如图3所示。

图3 横洞拱架与门字形拱架加固示意(单位：cm)

由于横洞初期支护采用的I18钢架上部为圆弧形,而门架为矩形,门架横梁安装受挑高段最后一榀钢架净空尺寸限制,因此横梁进行分段安装(连接板螺栓连接)。分段安装前必须对扩挖部位进行临时锚喷支护,保证施工安全。

XK0+059.02～+061.9段底部设横向支撑(I18型钢),间距为60 cm/榀,并与原初期支护钢架焊接牢固,施作XK0+050.17～+061.9段铺底混凝土。

待横洞铺底混凝土强度达到100%后,从正洞右边墙开挖线向后5～10 m范围内,于横洞下导部位回填砟土以形成反压,可保证后续施工的安全。

3.4 正洞上导挑顶段初期支护

在横洞至正洞挑顶段(小导洞施工段)临时结构支护完成后,施做该区段正洞初期支护。该段初期支护拱脚一侧座在正洞上台阶底面,底面设临时钢垫板(30 cm×30 cm×1.6 cm),另一侧座在门架梁梁顶上,并采用螺栓连接牢固。

该段初期支护采用I20a型钢架,钢架间距0.6 m/榀,每榀钢架左拱脚部位打设一根3 m长的φ42 mm锚脚钢管,工字钢架右拱脚部位与棚架支护间的空隙以喷射混凝土回填密实。

3.5 拆除小导洞立柱

为避免对正洞挑顶段围岩二次扰动,拆除小导洞临时棚架立柱时,严禁用挖机直接拉撞,必须先拆除连接构件,氧焊切割拆除小导洞钢架立柱构件。

3.6 正洞开挖步骤

(1)首先往小里程方向掘进上导并支护至DK30+442.15,再往大里程方向掘进上导并支护至DK30+451.41,在施作完横洞与正洞相交段(即DK30+442.15～+451.41)正洞初期支护时,停止正洞上导掘进。如图4所示。

图4 横洞转入正洞开挖示意(Ⅰ)

(2)开挖及支护大里程方向DK30+451.41～+456.41段上导,并同时开挖及支护DK30+446.78～+451.41段中导,中导每次开挖不超过1 m。上导与中导保持距离为5 m。支护完后,暂停大里程方向的上、中导掘进。如图5所示。

(3)开挖及支护小里程方向DK30+442.15～+437.15段上导,并同时开挖及支护DK30+446.78～+442.15段中导,中导每次开挖不超过1 m,上导与中导保持距离为5 m。支护完后,暂停小里程方向的上、中导掘进。如图5所示。

图5 横洞转入正洞开挖示意(Ⅱ)

(4)开挖及支护大里程方向DK30+456.41～+476.41段上导,并同时开挖及支护DK30+451.41～+471.41段中导,及时开挖及支护DK30+446.78～+451.41段下导,中、下导每次开挖不超过1 m。上导与中导保持距离为5 m,下导及时跟进。中下导部位开挖时,左右马口错开宽度不小于3 m。支护完后,暂停大里程方向的上、中、下导掘进。如图6所示。

图6 横洞转入正洞开挖示意(Ⅲ)

(5)开挖及支护小里程方向DK30+437.15～+417.15段上导,并同时开挖及支护DK30+442.15～+437.15段中导,及时开挖及支护DK30+446.78～+426.78段下导,中、下导每次开挖不超过1 m。上导与中导保持距离为5 m,下导及时跟进。中下导部位开挖时,左右马口错开宽度不小于3 m。支护完后,暂停小里程方向的上、中、下导掘进。如图6所示。

(6)开挖DK30+442.15～+451.41段仰拱,根据围岩地质条件,仰拱每次开挖长度不超过3 m,施作此段仰拱混凝土,封闭成环。如图7所示。

图7 横洞转入正洞开挖示意(Ⅳ)

(7)在两端下导相距50 m时,可同时开挖及支护。仰拱离下导距离始终控制在10 m左右。根据围岩量测情况及时施作二衬混凝土,保证结构安全。

4 施工注意事项

(1)每台阶长度控制在3～5 m,仰拱离掌子面25 m以内,衬砌离仰拱25 m。

(2)开挖时尽量减小对原状土扰动,每循环开挖上导、中左(右)、下右(左)错开开挖。

(3)要施作扩大拱脚,连接板处加混凝土垫块。

(4)初期支护及时成环,各分部工序之间紧密衔接。

(5)施工锁脚锚管、锚杆外插角一般水平向下15°～20°,锁脚锚管、锚杆与拱架连接处用“L”形钢筋焊接。

(6)一定要预留足够的沉落量,通过监控量测,寻找初支下沉及收敛规律来指导施工。

(7)集水坑根据每天流量合理布置及时排水,防止浸泡拱脚,引起拱顶下沉。

刘家梁隧道进洞施工过程中,横洞以及横洞与正洞交叉段施工均安全高效地完成了工程任务,无质量及安全事故发生,实践证明,该施工方案及施工技术是切实可行的。

5 结论

通过对刘家梁隧道进洞方案的选择及交叉段施工措施的应用研究,得出在不具备正常进洞条件的情况下,选择横洞进洞的方案是安全可行的,可为施工管理者提供一种实用、环保的隧道进洞施工的思路,在横洞与正洞交叉段的施工过程中,其控制重点为：(1)横洞进入正洞施工,提前抬高拱顶；(2)横洞抬高段仰拱施工要安装工字钢,及时封闭；(3)小导洞施工注意爬坡高度,以防正洞拱架立设时侵入隧道净空；(4)门字形拱架与横洞最后一榀焊接牢固,使其协同作用,防止过大收敛变形；(5)正洞挑顶段钢拱架与门字形拱架密贴并拴接牢固；(6)拆除小导洞临时棚架时须单侧拆除,及时立设正洞拱架,以防塌方；(7)加强围岩量测,及时调整支护参数,二次衬砌适时施作。

参考文献：

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