水平泥岩地层大跨高铁隧道挑顶施工关键技术

张卫锋

(京昆高速铁路西昆有限公司,重庆 400020)

随着我国交通工程的不断发展,长大隧道逐渐增多。为了提高施工效率、节省工期,同时为后期隧道运营提供条件,多采用横洞、斜井、竖井、平行坑道等辅助坑道开辟新的工作面,其中横洞和斜井是两种最常见的辅助坑道方式[1]。但由于横洞进入主洞交叉口部位施工过程复杂,结构受力体系转换频繁,导致围岩应力、结构受力及变形影响因素复杂。目前针对辅助坑道进行主洞的挑顶施工主要包括大包法、小包法和垂直挑顶等[2],众多学者对挑顶施工技术进行研究。薛平[3]、邓启华[4]等分别对斜井进入正洞的垂直挑顶施工技术进行了研究,通过优化施工工序和完善施工细节优质快速的完成了落底作业。隧道斜井进入主洞时断面结构特殊、工序多、风险高,众多学者其对力学行为及变形规律进行了研究[5-7]。由于泥岩强度低,稳定性差,尤其对于水平泥岩地层,大断面隧道施工挑顶施工时,其施工安全性更应引起重视[8-10]。

1 工程概况

七星坪隧道位于四川省达州市宣汉县境内,隧道起讫里程WD2K1+864-WD2K15+493,全长13 669 m,进口接碧溪沟单线大桥,出口接庙子坝1号大桥,设计速度为350 km/h,铁路双线隧道。隧道最大埋深约为870 m。隧道宽度14.85 m,高度12.53 m,断面如图1所示。七星坪隧道为II级风险隧道,围岩级别以Ⅳ、Ⅴ级为主,隧道大跨段施工工序复杂、工法转换多、衬砌断面变化频繁,施工工效低,不良地质集中,主要有滑坡、岩堆、危岩落石、有害气体、高地应力等,是本标段重难点工程。辅助坑道方案采用“1横洞+2斜井”。隧道进口、出口附近有乡村公路与省道相连,1号横洞、1号斜井及2号斜井均有乡村公路可利用,交通较为方便。

图1 隧道断面(单位:m)

隧道上覆第四系全新统坡残积粉质黏土、粗角砾土等,下伏基岩为侏罗系上统遂宁组、中统上沙溪庙组泥岩夹砂岩。岩层近似水平产状,在外力作用下呈碎屑状剥落,强度低、稳定性差。

2#横洞长90.2 m,线路平面交角为45°,交左线里程为WD2K15+400。2#横洞主要穿越粉质粘土、卵石层和强风化及弱风化的泥岩夹砂岩地层,与主洞相交位置主要为弱风化水平状泥岩夹砂岩地层。地质剖面如图2所示。

2 关键施工技术

2.1 总体方案及施工要点

采取先加固后开挖的原则,挑顶前对围岩进行加固处理及初期支护加强后方可开挖[11],施工至横洞与正洞交界后,采用棚洞进入正洞洞身开挖,于正洞中线处达到正洞拱顶高程,施工中预留变形量和临时支护厚度,导洞施工完成后向两侧再逐步扩挖至正洞标准断面。挑顶段施工时横洞二次衬砌尽早紧跟至交叉口范围,挑顶进入正洞后,交叉段正洞二次衬砌应及时施作。交叉口段施工应加强横洞及正洞范围监控量测,指导现场施工,保障施工安全。正洞和横洞初支预留沉降量均按40 cm考虑[12],根据情况可适当增加。横洞与正洞相交处内轨顶面高程718.563 3 m,横洞坑底高程718.008 3 m。

图2 2#横洞地质剖面(单位:m)

正洞与横洞相交地段处于复杂的三维受力状态,为保证正洞安全挑顶施工的完成,交叉段门架支护必须坐落于一个牢固的落脚平台,同时应加强门架支护的锁脚小导管施工,根据围岩情况必要时加设临时支撑立柱,以防止拱架下沉及失稳。

(1)横洞变断面段施工,加强初期支护,立I18钢架80 cm/榀,交叉处设置加强环,并用喷射混凝土填满。

(2)设置双排拱架加强环,为交叉段门架支护立柱提供刚性落脚平台。由于交叉口横梁跨度较大,立柱支撑的基础为正洞与横洞两侧的交叉口,为确保挑顶到正洞过渡施工的安全,在正洞与横洞交接处设置加强环,加强环由2榀I22b 型钢钢架焊接一起组成,为支撑提供足够的刚度。

(3)加密设置加强环外侧立柱的锁脚小导管,防止拱架的下沉及失稳。在立主洞加强环拱架时,需将门架立柱侵入拱架部分进行割除,然后安设拱架将立柱焊接于拱架之上,在割除前每榀立柱根据高度情况单侧打设不少于2根长3.5 m的锁脚导管,并将锁脚导管与钢架牢固焊接,视围岩情况必要时安设临时支撑立柱。割除立柱时要从两侧起拱线向拱顶按拱架长度分片割除,完成一段立即安装好拱架再割除下一段。并应及早施作该段仰拱封闭成环。

(4)由于交叉段应力分布较复杂,在挑顶施工过程中加大拱顶预留沉降量到40 cm,以防止拱架下沉侵入净空。

2.2 横洞交叉口段施工

考虑到正洞上台阶拱架落脚位置的稳固性,在横洞与正洞交汇处拱顶必须设置一个牢固的落脚平台。横洞开挖至H2DK0+015里程处,开始改变开挖断面,按照扇形结构由斜交45°逐渐过渡到与正洞初支拱架正交,保证受力稳定,同时预留核心土,以便后期在挑顶施工中作为作业平台[13]。横洞交叉口段异型拱架设置见图3。

图3 横洞交叉口段异型拱架设置平面

横洞及交叉口附近支护参数如表1所示。

横洞与正洞交接H2DK0+009.5里程处设置加强钢架(门架),采用2榀I22b并联型钢钢架,采用14 mm厚钢板按环向间距1 m将其焊接成为整体,钢架连接设置双排锁脚进行固定。施工过程严格控制施工质量,加强钢架根据正洞异型钢架的间距设置连接板并采用螺栓进行连接,钢架拱脚设置0.8 m×0.9 m×0.8 m的C20混凝土基础。横洞与正洞交接处门架设置见图4。

表1 横洞及交叉口附近支护参数

图4 横洞与正洞交接处门架设置(单位:cm)

2.3 挑顶棚洞施工

横洞与正洞交叉段上台阶开挖,按垂直正洞线路中线走向采用3.5 m(高)×4.0 m(宽)的棚洞以上坡方式开挖到正洞线路中线位置,然后再向前平坡开挖至正洞外侧上台阶拱脚位置,棚洞钢架初支及临时支护及时跟进。

矩形导坑两侧正洞钢架喷砼支护施工完毕后,采用两台阶法开始正洞施工。按照图5所示步骤开挖,①～⑨部施工顺序:超前支护(垂直线路方向)→立架工字钢及超前支护→施工径向锚杆→锚网喷,重复以上步骤到⑨,垂直于正洞中线的开挖进尺控制在1.5 m。

图5 横洞挑顶施工(单位:cm)

横洞挑顶施工布置详见图5,现场施工如图6所示。棚洞钢架采用I18型钢,每榀拱架间距1.5 m;系统锚杆长度3.0 m,间距1.2 m×1.0 m(环×纵);∅8 mm钢筋网,网格间距25 cm×25 cm;∅42 mm超前小导管,单根长4.5 m,环向间距0.4 m;∅42 mm锁脚锚管,单根长2.5 m;C25喷射混凝土,厚25 cm。

图6 棚洞施工现场

2.4 挑顶段正洞初支施工

横洞至正洞过渡段①～⑨部结构支护完成后,施作正洞上导挑顶段初期支护。该段初期支护拱脚一侧坐在上台阶底面,底面设临时钢垫板;另一侧坐在门架上,并采用螺栓连接牢固。初支施工现场见图7。

图7 正洞初支施工

正洞上台阶扩挖前,确保棚洞内正洞初支拱架设计支护措施均落实到位后,拆除①～⑨部边墙初支,完成后再进行正洞扩挖。为确保安全,先向进口方向进行上台阶开挖,开挖30 m后暂时停止掘进,封闭掌子面;然后跟进下台阶,掘进20 m后停止。上台阶拱脚设置临时仰拱,下台阶拱脚设置临时横撑。再转向出口方向开挖掘进,待出口方向也形成两台阶(长度20 m)后,停止掘进施工,开始交叉口段仰拱施工。

2.5 交叉口处二衬施工

在进入正洞一段距离后(形成交叉口横洞模筑衬砌空间后),及时对横洞交叉口往横洞口方向10 m范围内施作二次衬砌,交叉口段与线路中线平行,紧贴加强环关堵头模板,衬砌厚度35 cm,标号C30,二次衬砌达到设计强度后拆模,形成对交叉口处围岩受力的有效支护。

交叉口连接段正洞二衬和横洞5 m范围二衬须同时灌注混凝土,保证连接处混凝土的整体性,且正洞拱墙防水板伸入横洞长度不小于2 m。

交叉口处辅助坑道拱部,隧道正洞内侧环向主筋伸入辅助坑道衬砌不小于2 m,隧道正洞外侧设加强钢架以加强辅助坑道与正洞衬砌的连接,加强钢筋伸入正洞衬砌与辅助坑道衬砌均不小于2 m。

交叉口处辅助坑道边墙部分,隧道正洞内侧纵向钢筋伸入辅助坑道衬砌不小于2 m,靠隧道正洞外侧设加强钢架以加强辅助坑道与正洞衬砌的连接,加强钢筋伸入正洞衬砌与辅助坑道衬砌均不小于2 m。

3 变形监测

变形监测是了解掌握围岩稳定状态的重要途径、评价支护措施及变形控制效果的重要手段。在辅助坑道进入正洞的交叉口位置,由于施工过程复杂、受力体系转变频繁,极易发生结构破坏。因此,挑顶施工过程中对正洞及横洞变形进行监测,横洞及主洞拱顶沉降典型时程曲线如图8所示。从图可知,拱顶沉降受施工过程影响显著,呈台阶式增长,最终主洞沉降为45.2 mm,横洞拱顶沉降为30.2 mm。表明通过加强支护、加强锁脚锚管、逐步开挖、稳扎稳打的开挖方式,有效保证了结构安全,控制了结构变形。

图8 隧道拱顶变形时程曲线

4 结束语

以西渝高铁七星坪隧道2#横洞进入主洞挑顶施工为研究对象,针对水平泥岩夹砂岩地层岩体强度低、稳定性差的特点,通过横洞交叉段加强支护,设置加强门架、增加锁脚锚管、分段开挖棚洞和及时施作二次衬砌等措施,可以有效控制结构变形、保证结构安全,同时加快施工过渡、节省工期,可以为类似工程提供借鉴。