Ⅴ级围岩横洞进正洞挑顶方法

2011-02-27高得利

山西建筑 2011年8期

高得利

1 工程概况

新马房子河隧道位于陕西省柞水县境内,乾佑河右岸,进口位于石镇村,出口位于沙坪村,起讫里程DK 120+950～DK 122+ 295,全长 1 345m,该隧道为临近既有铁路西康线的单线电气化隧道,设计行车速度为 160 km/h。隧道范围内地层主要为印之期花岗岩。隧道进出口施工便道较困难,为增开工作面,采取横洞进正洞。

由于地理条件限制,横洞定在正洞左侧DK 122+205位置,垂直线路方向,距离正洞出口 90m,进入正洞后,以小里程方向为主攻方向。该处正洞围岩为Ⅴ级加强围岩,围岩裂隙发育,石质较软,较破碎。

2 横洞与正洞三岔口施工方案选择与细化

2.1 横洞与正洞三岔口施工方案选择

由于横洞、正洞断面尺寸较小,为了保证横洞与正洞三岔口处机械行走通畅,采取以下方法：在横洞接近于正洞相交里程时,逐渐抬高横洞拱顶高程,逐渐加宽拱架拱部半径,加长钢架直腿长度;于正洞与横洞相交里程起,采用小导坑进入正洞洞身开挖,于正洞中线处达到正洞拱顶高程,施工中预留变形沉降量和临时支护厚度;然后再逐步扩挖至正洞标准断面。

2.2 横洞与正洞三岔口施工方案细化

横洞与正洞三岔口处围岩空间三维受力复杂,尤其正洞横向挑顶开挖支护难度相当大,工作面小,质量安全隐患多,开挖支护不当,围岩很容易下沉变形,甚至塌方发生重大安全质量事故。因此必须制定科学合理的挑顶施工方案,并对三岔口进行加强支护。在横洞施工至与正洞设计二次衬砌最大跨度相交时,在交汇面处设置横洞初期支护加强环及托梁和立柱支撑,以解决三岔口处正洞初期支护钢架落脚问题,及时完成横洞衬砌,衬砌终点端头面应与正洞该侧纵向开挖平行。采用人工风镐配合挖掘机,以4.0m宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身并进行弧面挑顶开挖,开挖过程中及时初喷并施作Ⅰ16型钢棚架临时支顶支护。施作正洞设计初期支护时,其钢架拱脚落在托梁上,拱顶处纵向棚架横梁保留,拆除棚架两侧立撑。然后沿线路方向向大里程和小里程拱部施作超前支护,沿线路方向向小里程方向上导坑施工三个循环(每个循环进尺1.6m),每循环前施作超前支护,直至横洞与正洞三岔口范围内正洞拱部封闭。接下来扩挖支护三岔口 8.8m范围外大小里程正洞上导坑,然后扩挖正洞三岔口范围中导坑土体并将该段右半幅初期支护接长至中导坑底部,大小里程上导坑和中导坑继续推进。当两个方向上导各进尺 10m、中导进尺 5m时,进行下导钢架落底初期支护。当两个方向进尺达 30m时及时施作仰拱填充,从而使正洞三岔口范围初期支护封闭成环,具备正常施工的安全条件(见图1,图2)。

3 横洞与正洞三岔口处的施工

3.1 施工步骤、方法及工艺

1)横洞将挖至正洞采取过渡方案。因横洞洞顶比正洞低,考虑到横洞到正洞隧道中线位置拱顶必须达到正洞设计拱顶,采取距离正洞 15m的位置逐渐加高拱顶的方案;因横洞与正洞正交,横洞与正洞断面尺寸较小,考虑到三岔口位置行车转弯所需空间,采取距离正洞 15m的位置逐渐加大横洞拱部半径来实现转弯处行车所需的空间。

2)横洞与正洞三岔口位置加强方案。考虑正洞开挖断面较大,横洞和正洞三岔口处初期支护最后一榀钢架也要承受来自正洞拱架及围岩的荷载,为确保三岔口段正洞施工安全,必须对其加强来增大其受力条件,见图2。

3)为解决交叉口段正洞上导坑拱架落脚位置及牢固性,在横洞初期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用Ⅰ20b型钢,两端连接Ⅰ20b型钢立柱支撑至主洞墙底,为防止基底承载力不够导致支护下沉,立柱底部加焊 1.5 cm厚钢板,钢垫板下部垫放预制的混凝土垫块。托梁上部间距 0.8m焊接25 cm×20 cm×1.5 cm厚钢板,以解决三岔口段主洞钢架落脚问题。

4)对托梁及支撑进行锚喷防护,锚杆加长,尾部以锁脚锚杆的方式与托梁、支撑焊接在一起,按设计厚度喷射混凝土时,托梁范围暂时不喷射。初期支护完成后及时施作横洞加强段二次衬砌,为交叉口提供有力的支撑。

5)衬砌混凝土施工完 24 h后,脱模移出二衬模板,在横洞底部回填洞渣修筑一条斜坡道,采用小型挖掘机以 4m宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身拱部,并进行左半幅弧面开挖,人工风镐及作业台架进行修边。进入正洞范围后开挖及初期支护需比正洞拱部相应设计标高加大,以预留临时支护厚度及足够的变形量。

开挖完成后采用Ⅰ16型钢临时棚架及时支护。当正洞拱部左半幅开挖面合格后及时初喷,拆除临时棚架两侧支撑,安装正洞 4m范围拱部左半幅Ⅰ16型钢拱架,该部分拱架比设计半径大,拱顶端与右半幅切向顺接,拱脚端扩大后与托梁钢垫板水平焊接,严格按照设计要求安装钢筋网片、连接筋、施作系统及锁脚锚杆,复喷混凝土至设计厚度。拱顶处纵向棚架横梁将作为永久支护。

6)施工流程分以下几个阶段进行：第一阶段：横洞初期支护加强、托梁及立柱预埋、横洞二衬施工、横洞坡道填筑。第二阶段：人工拱部左半幅挑顶开挖及支护 4m,初期支护拱顶设临时棚架支撑。第三阶段：人工配合挖掘机进行拱部右半幅挑顶开挖及支护 4m,直至和左半幅相应段封闭。第四阶段：沿线路方向向大小里程施作超前支护,接着沿线路方向向小里程上导坑开挖支护三个循环(每个循环进尺1.6m),每循环前施作超前支护,直至横洞与正洞三岔口范围内正洞拱部封闭。第五阶段：上导坑继续向大小里程方向开挖支护,扩挖正洞三岔口范围中导坑土体并将右半幅初期支护接长至中导坑底部。第六阶段：大小里程上导坑和中导坑继续推进,当两个方向上导各进尺 10m、中导进尺 5m时,进行三岔口范围下导钢架落底初期支护。第七阶段：当边墙落底支护至 30m时,开始逐段进行仰拱全幅开挖,每次不超过三榀,及时施作仰拱、填充,从而使正洞三岔口范围初期支护封闭成环。

7)至此,横洞三岔口段正洞全断面支护封闭成环,形成受力结构,为下步正洞正常开挖施工创造了良好的安全条件。

3.2 施工要点

为保证正洞安全挑顶施工的完成,正洞初期支护必须坐落于一个牢固的落脚平台,同时应加强该段正洞初期支护的锁脚锚杆及系统锚杆施工,防止拱架下沉。

1)横洞交叉口段施工,应加强初期支护,设计参数应比正常断面相应提高。

2)由于正洞开挖面较大,为确保扩顶段正洞施工安全,在横洞与正洞交接处设置一加强环,加强环由两榀Ⅰ20b型钢钢架并排焊接在一起组成,根据施工方案对其进行准确定位加固,锁脚锚杆加长加密锚固。

3)设置托梁,为正洞拱架提供落脚平台。在横洞初期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用Ⅰ20b型钢,牢固焊接在横洞加强环拱顶上,托梁两端联结Ⅰ20b型钢立柱支撑至主洞墙底。喷射C 25混凝土覆盖加强环、立柱钢架,托梁范围先不喷射,待正洞钢架落脚后一起喷射。及早施作横洞二次衬砌。

4)正洞扩顶开挖,依据围岩稳定状态采用Ⅰ16型钢临时棚架支撑顶部,棚架间距 1.0m,棚架间采用 Φ22钢筋焊接成一体,临时棚架横梁采用25 cm网喷,网格间距为 20 cm×20 cm(临时棚架横梁将作为永久支护),形成临时支护体系。

4 施工过程中隧道横洞拱顶下沉监测

拱顶下沉用精密水准仪配合铟钢尺进行,精度为 0.05mm。测点用 Φ22mm的螺纹钢加工而成,螺纹钢长25 cm,将其一头用磨光机磨成圆球形,使每次测量时铟钢尺接触测点头部在同一点处。在隧道拱部开挖后,及时打入拱顶岩体,保证测点距开挖面不大于 1.5m。测点安装完成后,随即喷射混凝土封闭岩体表面,做好测点保护。提高监控量测频率,根据测量数据成果及时调整开挖方法和修正支护参数。