铁路隧道斜井下穿公路施工技术探讨

摘要:随着我国交通网规模的快速扩大,铁路与公路间的相互影响不断加剧。下穿公路的隧道工程大都埋深浅、断面大、地质条件复杂,施工难度较大。该文以川藏铁路某隧道斜井下穿国道为例,依托现场施工条件和施工目标对施工技术方案进行探讨,对工法特点、工艺原理、工艺流程及操作要点等进行详细探讨,以便为该隧道斜井施工,以及类似工程施工提供借鉴和参考。

关键词:铁路隧道;下穿公路;工艺流程;施工技术;工法特点

随着我国社会经济的不断进步和快速发展,交通建设也得到迅猛提升,形成了密集的铁路和公路交通错综网,推动我国社会经济不断沿快车道发展[1]。然而,错综的交通网导致铁路公路之间的相互影响问题逐渐凸显,为了降低两者之间的相互影响,采用隧道下穿、上跨的方式进行过渡成为常用办法[2-3]。对于隧道下穿公路来讲,如何在确保公路正常运行的前提下对隧道进行安全施工成为关键,大量工程实践表明,在埋深较浅、地质条件复杂和国道或高速公路等重要道路、大断面隧道施工等多种条件的综合影响下,隧道施工过程中很容易对围岩的平衡进行破坏,导致公路发生破坏和损毁,进而影响道路的正常运营,甚至会出现洞内塌方和道路坍塌[3-4]。为此,应当总结已有施工经验,结合工程实际,因地制宜地采用更为科学合理的施工工艺是施工安全的重要前提。

1工程概况

本文以川藏铁路某隧道为例,该隧道4#斜井位于线路左侧,负责正洞长度3091m,和正洞相交于D3K673+773处,斜井与隧道小里程方向平面夹角103°50′2″,斜井长1642m,洞身综合坡度6%,采用双车道II型无轨运输,轮廓净空断面为7.5m×7.5m(宽×高)。经现场踏勘洞口距国道215直线距离为42m(沿洞轴线),根据设计图纸及现场实际勘测,隧道4#斜井与国道215中心交叉点为X4DK1+590,此处埋深为19.7m,为典型的大断面浅埋深隧道斜井下穿公路施工。下穿国道215段,根据设计图纸同时结合超前质地预报资料揭示,为角砾土夹碎石、块石,围岩破碎,湿润,施工围岩等级为Ⅴ级。围岩破碎,局部渗水,稳定性较差,易掉块、局部坍塌。根据地质雷达反射信号特征,推测DK1+603—DK1+588段围岩节理裂隙发育较密集。根据斜井与国道关系及地质类型分析,斜井在开挖过程中,尤其是控制爆破可能会出现路面开裂等,影响道路正常运行,甚至会出现洞内塌方和道路坍塌的安全隐患。施工前应对斜井下穿国道215结构进行调查、影像取证,提前完成洞口的截排水、地表加固及预加固桩;施工时斜井中线左右侧设置监控量测点进行国道路面沉降观测;斜井洞口施工前,通过超前地质预报,对隧道前方施工围岩进行判断,指导施工;洞口段采用机械开挖结合控制爆破(硬质岩区域),必要时进行交通管制,最大限度减少对边坡及上方道路的扰动。

2斜井洞口防护

2.1预加固桩

仰边坡开挖边缘线外5~10m设置截水天沟,由于进口坡面陡立且土层较厚,在端墙背后线路两侧各设置1根加固桩。左侧加固桩截面尺寸为2.0m×2.75m,桩长为23.5m,右侧加固桩截面尺寸为1.5m×2.25m,桩长为18m;使用风镐、风锄开挖,卷场机进行吊渣;每个坑底施工人数不超过2人;当桩井井壁土层稳定性差时,应缩短护壁分节高度,采用0.5~1m一节。挖轮廓线以外边坡支护采用喷C20砼,厚12cm,钢筋网采用φ8钢筋网,网格间距为20cm×20cm。

2.2地表加固注浆

在DK1+632—DK1+642段地表,斜井中线左右两侧个4.5m范围内采用φ75PVC袖阀管地表注浆加固,钻孔直径为φ91,间距1m×1m,交错布置;边墙两侧分别设置5排φ76钢管袖阀管加固,间距1m×1m,交错布置;均加固至坑底高程以下2m或者深入<16-2>地层1m处。每个孔需注浆,采用容量1m3注浆机,配备5个操作手;注浆压力0.4~2.0Mpa,持压时间10min,配合比为0.4~0.8水泥砂浆。地表加固注浆将使用4台潜孔钻机,每台钻机配备1个操作手。注浆效果评判:加固施工完成14d后,要求在不同位置(具相对代表性处)钻孔取芯试验,每组不少于3个钻孔取芯。加固改善土体力学参数要求:变形模量不小于1.2GPa:粘聚力大于0.1MPa,泊松比小于等于0.4。

2.3超前支护

隧道开挖前,在DK1+642—DK1+612采用φ108大管棚进行超前支护,管棚设于拱部120°范围,管棚环向间距0.4m,每环24根,单根长度为35m。洞身开挖拱墙采用I18工字钢加强支护,间距为0.8m一榀。

3下穿段加强支护

3.1支护参数

原有设计采用全断面法施工,支护采用I16工字钢支护,间距1.2m一榀,加强支护为φ60中管棚,环向间距0.4m,每环根数为23根,单根长9m。掌子面采用玻璃纤维锚杆进行加固,间距为1.8m,每根长度9m,搭接3.4m。但为了保证顺利通过下穿国道段施工,将原有全断面法施工工艺调整为三台阶法,钢拱架采用I18工字钢,间距0.6m一榀,并形成闭环结构,混凝土衬砌结构形式同样采用仰拱二衬闭环结构,超前支护增加φ42小导管,单根长3.5m,环向间距0.4m,每环23根,纵向间距2.4m,其余支护参数与原设计保持不变。

3.2超前注浆施工加强支护

1)导管规格:中管棚使用热轧无缝钢管外径60mm,壁厚5mm。2)管距:DK1+612—DK1+572按40cm布置。3)倾角:中管棚外插角不大于10°。4)注浆材料:水泥浆或水泥砂浆。当围岩破碎、地下水发育时,为调凝需要,可部分采用水泥-水玻璃双液浆,要求浆液强度等级不小于M20。5)中管棚长度为9m,环向间距0.4m,纵向间距5.6m,共计18根。6)中管棚预支护施作后钻孔过程中应加强监控量测,其中拱顶下沉和净空变化为必测项目。根据监测反馈信息及时采取相应的措施以保证施工安全和施工质量。7)中管棚采用热轧无缝钢管制成管壁,须钻设注浆孔孔径8~10mm、孔间距10~20cm呈梅花形布置,前端加工成锥形、尾部长度不小于30cm作为不钻孔的止浆段。注浆压力为0.5~1.0MPa,具体浆液配合比和注浆压力由现场实验确定。8)同时在DK1+612—DK1+572段拱顶120°范围增设φ42,长3.5m超前小导管,环向间距40cm,纵向间距2.4m布置。9)注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化,防止堵管、跑浆及漏浆。做好注浆记录,分析注浆效果,注浆不饱满应补注。

3.3开挖措施

隧道4号斜井采用三台阶法;分为上、中、下3个台阶施工,上台阶高度按3m控制(预留30cm沉降量),中台阶高度按3m控制,下台阶高度按2.55m控制,开挖采用控制爆破(硬质岩区段)或机械开挖(围岩破碎段,自稳性较差段落),每循环开挖长度不超过1m,严格控制超欠挖,局部欠挖位置采用破碎头配合电钻进行开挖,严禁二次爆破。开挖结束后应立即进行初期支护。为了尽快封闭成环,保证安全,相邻台阶之间距离控制在5~8m内。同层台阶避免两侧同时开挖,一侧必须在相对侧支护结束后才能开挖。一次性开挖长度不得大于两榀拱架间距,对于围岩较差部位,必须开挖一榀,支护一榀。开挖应在上循环支护结束后进行。开挖前应有专职安全员观察临空面,发现无安全隐患后方可进行开挖作业。开控过程中应有专人观察围岩及附近初期支护变化。围岩若有渗水时,须做好排水处理,为避免积水侵泡基底,造成拱底不实,避免拱架悬空,机械装渣出渣专人指挥,以保证安全。施工作业面应保证照明充足,空气流通。开挖作业结束后应立即对开挖段落进行初期支护,封闭围岩。

3.4下穿段洞内支护

洞内支护是防止斜井坍塌的重要措施,根据现场施工条件,洞内支护流程主要包括拱架安装、锚杆支护、锁脚锚管、钢筋网布置和混凝土喷射施工等。1)拱架安装初支钢架采用格栅钢架及I18型钢,钢架各单元在洞外预拼装,洞内组装;型钢拱架采用冷弯成型,接头连接钢板厚16mm,采用螺栓连接。采用焊接时,接头处焊缝厚度hf=10mm。接头焊接及螺栓连接应符合GB50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》的要求,以保证焊缝及螺栓连接质量。钢架在开挖面初喷混凝土约4cm后架设,再复喷至设计厚度。复喷支护面与二衬空隙用与二衬同级混凝土回填。钢架与初喷混凝土间紧密接触,空隙处用混凝土垫块楔紧。钢架脚放在牢固的基础上。钢架之间按环向间距1m设置HPB400φ22mm纵向连接筋,钢架与纵向连接筋之间应焊接或搭接牢固。检查验收钢架架立后尽快施作喷混凝土,将钢架全部覆盖,保护层厚度不得小于40mm,使钢架与混凝土共同受力。2)拱部采用φ25低预应力树脂卷中空锚杆,长3.0m梅花型布置,每环8根;间距120cm×120cm,系统锚杆径向布置,锚杆与岩层面垂直。锚杆对准布设的孔位慢慢钻进,直至设计深度,保证锚杆体外露10~15cm。施工机械钻孔采用BOOM353E多臂凿岩台车;树脂锚固剂采用MQ-25;注浆采用螺旋砂浆泵注浆机;安装锚杆可采用AMV30台车,自制排架,数显扭矩扳手。边墙采用φ22药卷锚杆,长3.0m梅花型布置,每环10根;均间距120cm×120cm,长3.0m梅花型布置。3)锁脚锚管采用外径42mm、壁厚3.5mm的无缝钢管加工制作,长度3.5m。在每个台阶支护施工时,每榀钢拱架拱脚处两侧各施做4根锁脚钢管,位置为距离拱脚50cm及70cm处,与拱架轴线呈20°或40°脚插入岩体。导管插入长度不小于锚管长度的90%。为保证钢架的整体刚度φ42锁脚锚管与钢架采用φ25U型钢筋连接接头处锁脚锚管与钢架之间、φ25U型钢筋与钢架接触点、φ25U型钢筋与φ42锁脚锚管连接处采用焊接。φ25U型钢筋与型钢钢架接触点处焊接长度不小10cm,并采用双面焊接,焊接时需敲除焊渣,焊缝必须饱满。φ25U型钢筋须焊于锁脚锚管上部。4)钢筋网布置。采用φ8钢筋,网格间距20cm×20cm,单层设置,网片搭接长度不小于1个网格。钢筋焊接前先将钢筋表面清理干净,钢筋条交点必须焊接。加工后的钢筋网片应平整,钢筋表面无消弱钢筋截面的伤痕,表面不得有油污、片状锈蚀。安装网片在初喷混凝土终凝后进行。钢筋网片随初喷面的起伏铺设,与受喷面的间隙一般不小于4cm。焊接固定于先期施工的系统锚杆之上,再把钢筋片焊接成网,网片搭接长度为1~2个网片。网片与钢架焊接牢固。

4注浆加护和支护施工

1)根据掌子面开挖情况及超挖情况,在拱部设置注浆管,待初支强度满足要求后,进行吹沙+注砼标号水泥浆的方式来解决初支背后脱空问题。根据现场实际情况,及时调整系统锚杆施工工艺,采用前置法进行施工,同时保证拱部中空预应力树脂注浆锚杆和边墙药卷锚杆施工质量,严格按设计要求进行注浆。2)为进一步加强洞身稳定性,使隧道初支封闭成环,在X4DK1+612—X4DK1+572段隧底增加仰拱钢支撑,仰拱钢拱架采用I18工字钢,间距1m,钢拱架之间设置φ22纵向连接筋,间距按1m控制,然后喷射25cm厚C30早高强高性能混凝土。仰拱初支按不大于3m每次进行开挖支护,控制安全步距,紧跟掌子面开挖施工,做到早成环、早封闭。

5结束语

为了保证隧道斜井下穿国道施工安全和道路正常运营,必须严格按照施工方案和操作规范进行施工。在已有施工方案设计基础上,加强现场地表沉陷、隧道拱顶下沉及水平收敛等常规监测,确保检测结果的可靠性,以便为合理确定施工参数提供依据。除此之外,要做好隧道施工期间的预警与信息报送工作,并针对可能发生的拱顶坍塌、隧道失稳和道路变形过大等做好突发事件的应急响应和处置措施,确保安全施工。

参考文献:

[1]徐郅崴.下穿高铁隧道施工方法对既有高速公路的沉降影响与控制标准研究[D].重庆:重庆交通大学,2019.

[2]党荣,邹韬,徐文.隧道下穿高速公路浅埋段施工探讨[J].黑龙江交通科技,2021,(9):155-156.

[3]张雨昊.复杂环境下大断面浅埋隧道下穿高速公路施工工法及工艺探讨[J].四川建筑,2022,42(4):85-88.

[4]崔广振.浅埋暗挖大断面隧道下穿高速公路的施工技术[J].建筑施工,2022,44(1):118-120.

作者:赖标 单位:北京铁城建设监理有限责任公司

—— 完 ——
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