谈既有铁路隧道改扩建开挖施工技术

彭 博

(中铁二十二局集团第一工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150001)

隧道改扩建工程作为铁路建设中的重要环节,面临着多方面的技术挑战。本文将着重探讨既有铁路隧道改扩建工程中的开挖施工技术,这在整个工程过程中具有关键作用。隧道衬砌状况的评估以及在开挖过程中的合适方法选择,都将直接影响到施工的效率和安全。

1 既有隧道衬砌状况及问题

1.1 工程概况

本项目为既有下行线三房隧道改扩建工程,该隧道建成于1935年,隧道起讫里程为K299+256—K299+492,全长236 m,隧道建筑限界为内燃,曲墙结构衬砌,隧道为单侧水沟。既有三房隧道模注混凝土二次衬砌,隧道衬砌裂缝较多,环向裂缝、拱顶纵向裂缝以及斜向交叉裂缝均有。衬砌表面漏水腐蚀较普遍,隧道进口30 m处右侧拱腰位置衬砌存在较大表面腐蚀及掉块一处,腐蚀面积约(20×20) cm2,腐蚀面积中间有一处掉块孔洞,孔洞约10 cm。改建三房隧道起讫里程为K299+233—K299+461,全长228 m,为单线电化铁路隧道;隧道最大埋深约 37 m。全隧位于R=396的曲线上,洞身设计纵坡为 11.6‰的单面上坡。

1.2 施工特点与挑战

既有隧道改扩建工程的施工特点包括对现有线路的干扰最小化、空间有限、工期紧迫、临近运营既有线等。由于隧道周围的空间有限,施工设备和材料的进出需要精确规划,以最大限度地减少对周边环境的影响。

1.3 原有衬砌拆除风险

在既有隧道改扩建工程中,原有衬砌拆除阶段面临严重的安全风险。这是因为原有衬砌可能因年代久远或外部因素的影响而出现裂缝、腐蚀等问题,增加了其在拆除过程中剥落的潜在风险[1]。

1.4 低等级围岩施工难点

低等级围岩在隧道改扩建中常常表现出较弱的力学性质,从而对施工的稳定性构成挑战。在隧道开挖过程中,低等级围岩容易发生塌方、滑坡等地质灾害,从而直接影响施工的进度和安全性。

1.5 地下水对施工影响

地下水在隧道改扩建施工中扮演着重要角色。地下水的涌入可能导致施工现场积水,对施工进度和质量造成直接影响。此外,地下水的压力也会对围岩稳定性造成不良影响,可能引发地质灾害[2]。

2 开挖方法选择

2.1 常规开挖方法

1)手工法。手工法是一种人力开挖的方式,适用于小范围和相对简单的工程,如小型隧道断面或有限的作业空间。在本工程中,手工法的效率通常较低,难以满足工程进度要求。2)机械法。机械法是通过使用工程机械进行开挖,以提高开挖效率。在机械法中,需要考虑机械的选择、生产率估算和施工条件等因素。本工程工期紧迫,机械法开挖难以满足工程进度要求。

2.2 先进开挖技术

1)预裂控制爆破技术。预裂控制爆破是在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝。以缓冲、反射开挖爆破的振动波,控制其对保留岩体的破坏影响,使之获得较平整的开挖轮廓,满足工程进度要求。2)TBM(隧道掘进机)技术。TBM(隧道掘进机)技术作为一种现代化的隧道开挖方法,TBM技术的基本原理是利用机械设备,通过切削和掘进的方式直接开挖地下隧道,同时进行支护和衬砌,实现一体化的施工过程。三房隧道为短隧道,不适用此方法[3]。

3 开挖施工过程与关键技术

3.1 超前地质预报

施工前需根据Q/CR 9217—2015铁路隧道超前地质预报技术规程做好地质预报工作,根据本工程特性采用地质素描法和加深炮孔进行验证预报。结合三房隧道实际情况应包含以下几点:

1)开挖前探明衬砌的厚度及背后空洞情況,防止意外事故发生。2)通过开挖后掌子面的地质描述、分析、判释,确认围岩级别、风化层厚度及其影响等。3)根据围岩级别变化情况,及时修正支护参数,调整施工方案。4)明确掌子面前方施工风险,有无突泥、涌水、断裂带、溶洞等地质情况,提高防范风险的技术措施。5)地层岩性:如软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土。6)地质构造:特别对断层、节理密集带、褶皱构造等。7)不良地质发育情况。

3.2 临时支撑安装

既有隧道围岩结构及内部应力已安全稳定,在拆除既有衬砌过程中,内部应力将重新分布,影响隧道稳定。所以在施工前进方向的既有衬砌设临时支撑结构,临时支撑采用钢支撑的支护方式,以防止不稳定的衬砌块在拆除过程中脱落。

3.3 超前小导管施作

小导管采用φ42 mm的钢管制成,单根长度为4.5 m,沿管体呈梅花形每7.5 cm钻φ6 mm对向出浆孔,前端封闭并制成尖状,当围岩松软时,用锤击直接打入。小导管尾端采用φ6 mm钢筋焊一圈加强箍,防止施工时导管尾端变形。首环导管施工前,喷射混凝土3 cm～5 cm封闭拱部开挖工作面裂隙,作为止浆墙,按环向间距40 cm布设,外插角控制在10°～20°。浆液采用水灰质量比为1∶1的水泥浆,注浆压力控制在0.5 MPa～1 MPa,浆液将围岩及小导管固结在一起,为下步工序提供安全保障。

3.4 扩挖施工

在扩挖施工过程中,确实需要精心策划施工流程,以确保原有隧道的结构稳定性、施工效率和施工质量。在扩挖施工之前,利用预裂控制爆破技术进行扩挖。三房隧道扩挖最大尺寸为拱顶287 cm,拱腰227 cm,边墙167 cm,仰拱114 cm(不含中心深埋水沟)。断面扩挖合计44 m2。各部位扩挖尺寸见图1。

以萨道夫斯基公式为基础,结合相关研究表明,隧道掘进爆破,最大振动速度出现在掏槽孔,振动衰减参数K随着段数的增加逐渐减少,α值基本保持不变。而三房隧道为扩挖施工,通过利用已有临空面的优势条件,选择低猛度、低爆速炸药,减少单响爆破炸药用量,非电导爆管雷管毫秒延迟起爆,以及不耦合空气柱间断装药,充分发挥精确延时错峰减振技术,降低爆破振速[4-5]。

根据工程要求及地质情况隧道扩挖采取地下浅孔爆破方式,分三步开挖,即拱部、右侧壁下部及仰拱、左侧壁下部及仰拱。

三房隧道爆破开挖分两台阶三步进行,上台阶高6.25 m,下台阶高3.90 m,上下台阶纵向距离不小于15 m,分步图见图2。

爆破参数选取:

1)拱部(Ⅰ),断面面积28.21 m2。拱部炮孔布置图见图3。

孔径:40 mm;孔深:2 m;炮孔利用率:0.9;炸药单耗q:0.65 kg/m3;单次爆破方量:28.21×2×0.9=50.78 m3;单次爆破炸药量:50.78×0.65=33 kg;爆孔布置:周边孔34个,辅助孔55个;单孔装药量:0.37 kg。拱部炮孔起爆网络见图4。

拱部爆破开挖装药参数见表1。

表1 拱部爆破开挖装药参数表

2) 左、右侧壁下部(Ⅱ,Ⅲ),断面面积8.16 m2。左右侧壁下部炮孔布置见图5。

孔径:40 mm;孔深:2 m;炮孔利用率:0.9;炸药单耗q:0.65 kg/m3;单次爆破方量:8.16×2×0.9=14.69 m3;单次爆破炸药量:14.69×0.65=9.55 kg;爆孔布置:周边孔15个,辅助孔22个;单孔装药量:0.26 kg。

左右侧壁下部炮孔起爆网络图见图6,爆破开挖装药参数见表2。

表2 左右侧壁下部爆破开挖装药参数表

在洞口开挖时先进行爆破试验,从而选择合理的爆破参数,使钻孔和爆破符合安全、质量要求。在隧道开挖过程中,需要密切监测岩体的变化,及时调整挖掘参数,根据围岩条件的变化随时调整钻孔和爆破方式,减少超欠挖和对围岩的扰动。针对某些特定区域,可以考虑采用定向爆破技术。这种技术可以精确控制爆破方向和能量,从而控制岩体的破碎范围,避免对周围环境和结构造成不必要的影响。定向爆破需要根据岩体的情况进行详细的方案设计和安全评估。

3.5 监控量测

成立监控量测小组,建立监控量测管理制度,明确责任人,对三房隧道及上行线隧道进行监控量测,及时对监控量测数据进行分析并上报。

1)三房隧道监控量测。对三房隧道监控量测的项目为拱顶下沉量测、水平相对净空变化值的量测、地表沉降量测、洞内外观察。通过全站仪充分数据反应变化量。

2)上行线隧道。利用天窗点对上行线隧道进行监控量测断面布置及监控,监控量测断面布置为5 m一个,监控布点同Ⅴ级围岩地段,对个别病害严重点加设监控点。监控量测的项目为拱顶下沉量测及净空变化量测,均使用全站仪进行量测。同时指派专门人员,在三房隧道爆破过程中对上行线隧道衬砌进行观察。观察上行线洞隧道衬砌在三房隧道爆破过程是否有掉块和脱落等现象。

4 结语

隧道改扩建工程涉及复杂的工程环境和多个关键技术,包括衬砌拆除与支护、扩挖施工流程等。在面对既有隧道的衬砌问题时,详细的拆除方案、临时支护措施和监测手段能够确保拆除过程的安全性和可控性。