下穿村庄强风化围岩隧道挑顶施工技术应用

2020-03-12于维林

工程技术研究 2020年23期

于维林

（中交疏浚（天津）投资有限公司，天津 301900）

1 工程概况

东北某客运专线长大隧道全长8860m，埋深43～269m，斜井长605m，与正洞左线相交夹角为39°。交汇区域设计围岩级别为Ⅲ级，凝灰岩强风化，岩石节理裂隙较发育，岩体较破碎或较完整，呈块石状镶嵌结构。施工区段下穿村庄及乡村道路，采用钻爆法施工会对地上建（构）筑物造成一定扰动，并对村民生活及生产造成一定影响。该施工区段地下水主要为基岩裂隙水和构造裂隙水，岩体破碎透水性较好，施工段日正常涌水量为1300m3，日最大涌水量达5379m3。区段分布有断层，层间断层泥多为薄层，工程物理力学性质较差。断层上盘岩性较破碎，断层下盘较稳定，岩层完整性较好。

2 指导原则

（1）下穿村庄及乡村道路施工区段爆破开挖施工应遵循的基本原则是“短进尺、弱爆破、多循环、强支护”。（2）尽量减小对居民生产和生活用水的影响，做好超前周边注浆，必要时调整为止水帷幕注浆。（3）先加固后开挖。从工程地质反映情况来看，斜井与正洞交汇区域的初期支护需加强，衬砌需为模筑混凝土。（4）斜井与正洞相交处的门洞采用加强环，挑顶前进趋势应从外向内渐进式扩大。（5）斜井与正洞交汇区段围岩需满足大跨度临空受力要求，因此在围岩级别应比实际下调一级，衬砌结构强度等级提高一级。（6）为防止不均匀沉降引起相交区段正洞一侧衬砌开裂，交汇区段斜井开挖断面宽度两侧的沉降缝应在二次衬砌施作时预设，位置选择在其断面宽度开挖轮廓线外。

3 超前地质预报

斜井进入主洞挑顶施工主要采用加长炮孔和利用工作面地质素描的方法进行超前地质预报，需准确预报掌子面前方3～5m范围穿越地层的洞身地层地质构造（岩性、节理）以及水文地质情况。

4 超前周边注浆

下穿段地下水多为裂隙水，为不影响当地居民生活用水，必须进行超前周边注浆或止水帷幕，防止地下水位下降。注浆孔直径以110mm为宜，长度为3.5m；单孔有效扩散半径为3m；注浆有效覆盖范围应在隧道设计开挖轮廓线外4～5m；注浆压力控制区间以静水压力以上0.5～1.5MPa为宜。每循环开挖长度为25m，配合环向注浆范围30m，止浆岩盘长度5m；每循环注浆孔3～4环，共56～68孔；注浆管直径为108mm，壁厚5mm，长度为3.5m，孔口管埋置于孔内，固定牢靠，止浆功能可靠。注浆顺序为先内后外，先无水后有水，同一环隔孔加注，岩层破碎伴有坍孔隐患时须优先进行前进式注浆，反之则采用后进式注浆。根据设计要求，断层段需增设止水帷幕注浆。从实际情况来看，通过村庄区段水位下降的可能性极大，建议该段将超前周边注浆调整为止水帷幕注浆。

5 超前支护与系统锚杆

超前小导管外插角度须符合设计要求，钻孔完成后，将小导管顶入孔内，导管末端外露长度满足注浆要求，导管末端焊接在钢架上，同时以钢架作为注浆支撑点，钢架紧贴围岩架立，注浆后的钢管与钢架（格栅）形成管架（栅）一体化结构，整体支护能力增强。

风钻钻孔完成后，砂浆锚杆沿专用测斜仪控制的锚杆孔道倾角插设，专用注浆泵及时压浆。锚杆末端外露长度不短于钢架或格栅主筋净距，锚杆外插角须满足设计要求，锚杆末端与钢架帮条焊接在一起。风钻钻孔完成后，液压平台配合人工安装组合中空锚杆，专用高压注浆泵及时注浆。

6 挑顶技术

斜井与正洞交汇区段围岩级别为Ⅲ级，以横向爬坡棚架法挑顶进洞。以正洞开挖轮廓线为界，开挖至分界线斜井一侧14.6m处时，逐步提高斜井拱顶高程，钢架尺寸随拱部宽度逐步加长，进洞坡度斜向上30°。在斜井与正洞相交处施作加强环和预埋柱头，施作完毕后运送石渣压实成型构成下台阶，然后按设计棚架尺寸开挖进正洞，棚洞成型后开挖正洞。棚洞沿拱顶曲线，斜向上横向开挖至正洞中线处，按坡度30°爬坡，达到正洞拱顶高程后再以平坡沿拱顶曲线横向开挖至正洞开挖轮廓线外侧上台阶拱脚处。棚洞开挖轮廓线需控制在正洞开挖轮廓线外一定距离，成形后不得侵入限界，套拱位于棚洞横梁下部，套拱结束后再沿主线大小里程分台阶开挖正洞。

7 挑顶工序

7.1 斜井与正洞交汇区域

按照斜井与正洞之间的设计高差计算，需在距正洞开挖轮廓线14.6m处开始扩挖斜井拱顶，按30%坡度抬高开挖进洞。交汇处斜井一侧设置3榀宽度为0.6m的I25a型钢钢架加强环，沿拱部环向120°范围内预埋一圈I20a工字钢柱头，设置间隔0.6m，长度为0.8m，埋入长度为0.6m，外露长度为0.2m，钢柱头头部与斜井钢架焊接。

在靠近正洞斜井一侧设置7榀I18型钢钢架，相同位置处设置同等数量仰拱钢架，且正洞仰拱钢架须焊接在斜井加强环最外侧的仰拱钢架上，形成整体受力结构，以使正洞和斜井交汇口处的连接更为牢固可靠。钢架间以纵向连接筋焊接，间隔1m，梅花形分布。

7.2 棚洞开挖

斜井进洞后，沿垂直正洞中线方向以棚洞方式开挖，开挖断面尺寸为5m×4.2m（顶部净宽3m），按30°斜向上爬坡开挖到正洞拱顶中线位置处，再以平坡横向开挖至正洞开挖轮廓线外侧上导坑拱脚位置处，棚洞以型钢钢架作为临时支护。

棚洞钢架选用I18型钢，间距60cm，钢架整体构成临时封闭环，封闭环顶部为横梁、两侧为斜柱、底部为横撑，两侧底脚设置锁脚锚杆4根，直径为50mm。根据开挖面围岩情况，决定是否需要在横梁两侧增加竖向支撑，提高棚架强度，并沿环向设置钢架网，直径为8mm，网格横竖向间距为20cm；间隔1m，梅花形布置系统锚杆，直径为22mm，长度为3.5m。为使支护厚度、预留变形量和净空满足要求，棚洞拱顶高程实际开挖轮廓线须超出正洞设计开挖线，使棚洞钢架横梁实际位于正洞初期支护外，考虑安全因素，以减少围岩扰动，做正洞初支时不再取出，与初支形成整体复合支护结构。

7.3 套拱施工

棚洞施作完成后，在钢架内侧沿拱顶环向2m范围内施作套拱。套拱钢架选用I20a工字钢，棚洞内每60cm设置1榀，共4榀。棚洞外两侧（4～6m范围）各设置6榀伸长套拱刚架，间隔80cm。钢架两侧分别焊接于斜井加强环I20a工字钢柱头上和正洞上台阶拱脚处，拱脚外缘与正洞轮廓线距离60cm。相邻钢架间以纵向钢筋（直径为22mm）焊接为整体，环向梅花形布置，间距80cm。每榀钢架拱脚处打设2根锁脚锚管。钢架支立完毕后喷射28cm厚的C25混凝土。

套拱施作完成后，紧跟设置正洞初期支护钢架，交错布置在套拱钢架间。钢架一端焊接于斜井与正洞设置的门形加强环横梁上，另一端焊接于混凝土垫块预埋钢板上，每榀钢架在分节和拱脚处各打设2根锁脚锚管。

7.4 挑顶区段正洞施工

激光断面仪应按设计要求控制隧道开挖轮廓线，交汇区段人工使用机械较为频繁，洞内的导线桩、中线桩和水准点需加密复测频率，其设置也必须牢固可靠。

（1）优先开挖与支护大里程方向，然后开挖及支护小里程方向，在斜井与正洞交汇区段正洞初支施工完毕时停止正洞上导开挖。（2）开挖及支护大里程方向1号区段上导，并同时开挖及支护1号区段中导，上、中导开挖进尺不大于2m，上导与中导跟进距离不大于5m。初期支护完成后封闭大里程方向的上中导掌子面。此段完成后，便可在上台阶大里程一侧拼装焊接开挖台车。（3）开挖及支护小里程方向1号区段上导，并同时开挖及支护1号区段中导，上、中导开挖进尺不大于2m，上导与中导跟进距离不大于5m。初期支护完成后封闭大里程方向的上中导掌子面。此段完成后，为方便组装二衬台车，需在支护喷混前注意在该区段预埋钢板或吊环。（4）开挖及支护大里程方向2号区段上导，并同时开挖及支护2号区段中导，1号区段下导紧随其后开挖及支护，上、中、下导开挖进尺不大于2m。开挖中、下导时避免交叉施工，马口错开宽度宜大于3m。支护完后大里程开挖随即暂停。（5）开挖及支护小里程方向2号区段上导，并同时开挖及支护2号区段中导，1号区段下导紧跟开挖，上、中、下导开挖进尺不大于2m。开挖中、下导时避免交叉施工，马口错开宽度宜大于3m。在两端上导相距50m时可同时开挖及支护。

7.5 钢筋网

钢筋网贴近围岩表面布置并预留足够保护层，与锚杆和钢架焊接牢固，形成整体。喷混凝土时需控制好喷头与受喷面距离并控制风压，将施工产生的振动减至较低水平减少回弹。

7.6 型钢钢架

掌子面初次喷射完成后，应立即进行钢架安装。钢架底脚必须支撑于坚实的基础上，基础表面须平整干净。钢架拱顶段须以完整单元方式架立，将系统锚杆作为定位钢筋，并于拱、墙角位置每侧打设2根锁脚锚管。

8 过程控制要点

（1）交汇区段围岩监测断面选择。交汇口斜井一侧20m、交汇点正洞大小里程各30m内，按每5m设置1个，尤其是交汇口处需设置1个监控量测断面，在设计及规范要求的频率范围内，及时对围岩周边水平位移和净空变化、拱顶下沉等展开监测，通过识别位移变化速度和位移时的曲线形态，判别围岩状态，及时调整施工状态，保障安全质量受控。（2）严格控制棚洞钢架体系施工质量和锁脚锚管与钢架连接质量。（3）加强环为正洞支护体系的支撑点，确保施工精度，使其与正洞初期支护连成整体。（4）正洞仰拱、二次衬砌紧跟开挖，尽早闭合成环，降低因交汇口段受力复杂导致的围岩不稳定性，确保安全。（5）交汇段内断面结构变化较大，通风不畅，尤其棚洞施工空间较窄，温度集聚效应大，必须加强通风和作业面降温。（6）动态掌握地质变化情况。开挖面应尽量为超前地质预报提供空间，根据反馈的地质条件及时调整开挖和支护条件，或适时调整挑顶方案。