淺埋富水黃土地段隧道施工技術(shù)探討
摘要:黃土隧道施工,在技術(shù)與安全方面存在一定的不可預(yù)見性,特別是淺埋、富水、軟弱地段黃土隧道施工更是隧道施工中的一大技術(shù)難題。本文介紹了通過采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖,小導(dǎo)管、鋼拱架超前支護(hù)和加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)等綜合措施成功通過了淺埋、富水、軟弱地段 , 確保了安全,加快了進(jìn)度,為黃土淺埋隧道安全、快速施工提供了一定的參考依據(jù) ,為今后類似工程施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:淺埋,富水,黃土隧道施工技術(shù)
1、工程概況
新建鐵路麟游礦區(qū)至寶雞二電廠鐵路專用線工程線路從寶中線鳳翔站場(chǎng)接軌,沿途經(jīng)過鳳翔縣長(zhǎng)青、尹家務(wù)、董家河、糜桿橋、姚家溝等鄉(xiāng)鎮(zhèn),麟游縣招賢、兩亭、天堂等鄉(xiāng)鎮(zhèn),終點(diǎn)至麟游礦區(qū)郭家河裝車站。線路全長(zhǎng)87.11km。
土建工程TJ-F標(biāo)段正線長(zhǎng)12.15km,樁號(hào)DK75+570~DK87+720;裝車線長(zhǎng)1.959km,樁號(hào)ZDK0+000~ZDK1+958.58。
主要工程內(nèi)容有:路基全長(zhǎng)6684km,挖方1746825 m³,填方1083912 m³,AB組填料62008 m³;橋梁1068.9延長(zhǎng)米/3座;隧道4254延長(zhǎng)米/3座,涵洞1829.3橫延米/31座等。
2、隧道出口淺埋地段設(shè)計(jì)概況
由我公司承建的寶麟鐵路運(yùn)煤專線林家山3號(hào)隧道全長(zhǎng)2518m ,開挖寬度10.2m ,開挖高度10.9m。其中富水黃土隧道長(zhǎng)383m,其黃土含水率20%~30%。
淺埋黃土段采用初期支護(hù)采用噴錨支護(hù),鋼架采用Ⅰ16a型鋼,間距為0.50m,拱部設(shè)置超前φ42小導(dǎo)管(L=4.0m)預(yù)支護(hù),含水量超過23%地段采用Ⅰ16型鋼,鋼架之間環(huán)向設(shè)置φ22鋼筋連接拉桿(間距為1.0m,含水量大于23%時(shí),間距為0.8m),每分部鋼架腳板處采用2根φ42鎖腳錨桿(L=4.0m)固定剛拱架,C25混凝土噴護(hù),二次襯砌采用模筑混凝土施工,混凝土采用C35防水混凝土。
3、施工技術(shù)
3.1開挖
黃土段隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖。預(yù)留核心土,上臺(tái)階人工環(huán)形開挖,臺(tái)階的長(zhǎng)度控制在1—2m,采用裝載機(jī)直接出碴。施工中圍巖發(fā)生變化即施工開挖方法需要變化時(shí),應(yīng)做好工藝轉(zhuǎn)變的嚴(yán)格控制,尤其做好掌子面的封閉施工工作。
開挖順序?yàn)椋荷吓_(tái)階→中臺(tái)階左側(cè)→中臺(tái)階右側(cè)→核心土→仰拱,共五個(gè)步驟。周邊采用人工環(huán)形開挖,中間核心土及隧底采取挖掘機(jī)開挖,人工修整。見圖1。
3.2超前支護(hù)
穿越本地段,拱部采用超前小導(dǎo)管支護(hù),并進(jìn)行注漿,小導(dǎo)管采用3.5mφ42(壁厚3.5mm)無縫鋼管制作,環(huán)向間距0.3m,間隔一榀施作一環(huán),縱向水平搭接不小于1m。
將要進(jìn)行灌漿的小導(dǎo)管鉆眼做成花管,頂入端加工成圓錐形,然后將小導(dǎo)管穿越鋼架,用錘擊或鉆機(jī)頂入,頂入長(zhǎng)度不小于鋼管長(zhǎng)度的90%,往隧道輪廓線外側(cè)成5~10°外插角,尾端露出鋼架50mm,小導(dǎo)管與鋼架焊接連接,保證超前支護(hù)與初期支護(hù)鋼架連為整體。
3.3 鋼架制作及安裝
鋼架設(shè)計(jì)為I16型鋼制作,間距0.50m/榀,型鋼鋼架加工制作在洞外采用彎曲機(jī)胎模冷彎成型。每榀鋼架分5片組裝設(shè)計(jì),其連接采用15mm厚的鋼板與I16端部焊接后,再用螺栓連接,焊縫高度不小于6mm。
鋼架安裝采取分片安裝,鋼架底部采取方木或混凝土預(yù)制塊支墊密實(shí),防止鋼架下沉。鋼架每個(gè)分部單元采取鎖腳錨管固定,鎖腳錨管施作時(shí)往下呈30—45°,錨管與鋼架的連接要采取“U”形卡線焊連接,以保證錨管與工字鋼架整體受力。
鋼架的連接采用鋼筋拉桿縱向連接,內(nèi)外交錯(cuò)布置,并保證每個(gè)安裝單元的焊接要滿足焊縫長(zhǎng)度要求。凡鋼架與錨桿結(jié)合部位,均采用焊接固定,提高整體穩(wěn)定性。
3.4噴砼
開挖后先進(jìn)行初噴封閉,初噴厚度控制在4cm以上,鋼架支立完成后隨即噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度,并在鋼架處加厚噴層以包裹鋼架,確保鋼架穩(wěn)定。
考慮到黃土自穩(wěn)時(shí)間短,要求開挖面盡早封閉,我們選用PZ-9C型大容量的噴砼機(jī),每小時(shí)噴砼量可達(dá)9m³/h,如一次噴砼量為4.5 m³,采取1臺(tái)噴砼機(jī),0.5h就可以噴完,提高了工作效率,縮短了圍巖的暴露時(shí)間。
噴砼用水采用從洞外水管供水。水管采用橡膠高壓水管,施工過程中要防止水管接頭漏水或水管破裂,浸泡隧底,造成安全隱患。
為了避免鋼架背后脫空現(xiàn)象,首先在噴砼時(shí)盡量采取小角度噴密實(shí),另外在下一循環(huán)開挖后,觀察鋼架背后是否存在空洞,采取從前方往回補(bǔ)噴的方式,使鋼架背后噴砼充填密實(shí),與圍巖形成整體有效的支撐體系,共同受力,防止造成隧道坍塌。
3.5 二襯及仰拱砼
二次襯砌臺(tái)車采用液壓砼襯砌臺(tái)車,長(zhǎng)度9m,為了使二襯施工與出碴、噴砼等其它工序交通不受影響,臺(tái)車架采用“∏”型結(jié)構(gòu),用型鋼制作,襯砌所用的模板,應(yīng)采用定型的金屬結(jié)構(gòu)制作,每段模筑砼一次完成整體灌注,在灌注時(shí)預(yù)留和預(yù)埋照明、通風(fēng)、消防等所需的洞室和線路管、孔、槽。臺(tái)車面板之間設(shè)置公母榫,長(zhǎng)度6-10mm,防止模板絞接位置漏漿。臺(tái)車后端50cm范圍設(shè)計(jì)能自由調(diào)整,保證前后兩;炷敛怀霈F(xiàn)2mm以上的錯(cuò)臺(tái),整體拼裝在洞外按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行,由專業(yè)技術(shù)人員檢查合格后方可進(jìn)行使用。
仰拱采取9m長(zhǎng)棧橋分段施工,棧橋采用型鋼制作,同樣不影響掌子面的機(jī)械設(shè)備交通,開挖后要及時(shí)進(jìn)行仰拱混凝土襯砌,并且要控制仰拱距掌子面的距離不超過25m,二襯距掌子面的距離不超過70m,有效避免隧道坍塌。
3.6交通組織措施
由于單線鐵路隧道,斷面小,洞內(nèi)交通組織困難,為了緩解交通壓力,我們?cè)谒淼纼?nèi),每60—90m在隧道的同側(cè)設(shè)一調(diào)車洞,有的可以與設(shè)計(jì)上的大避車洞、變電洞室合建,這樣可以解決洞內(nèi)出碴車、挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備的調(diào)頭問題,而且大大地減小了機(jī)械設(shè)備從調(diào)車洞到掌子面這段距離倒車慢行的時(shí)間。每天按開挖3計(jì)算,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)比較,實(shí)踐證明每月可影響進(jìn)尺達(dá)6.2m。
3.7監(jiān)控量測(cè)措施
黃土隧道監(jiān)控量測(cè)是確保安全的一個(gè)重點(diǎn)工作,在洞外要經(jīng)常做地表觀察,注意沉降及開裂情況,洞內(nèi)做好拱頂下沉及水平收斂等監(jiān)控量測(cè)。監(jiān)控量測(cè)工作必須緊接開挖、支護(hù)作業(yè),監(jiān)測(cè)斷面一般布置在開挖掌子面前約5m,量測(cè)斷面按5m間距布置,斷面垂直隧道軸線,所在監(jiān)測(cè)點(diǎn)都必須在該監(jiān)測(cè)斷面上,不得偏離,量測(cè)頻率根據(jù)量測(cè)斷面距掌子面的距離及日變化速率兩個(gè)指標(biāo)來控制,一旦發(fā)現(xiàn)變化速率大于5mm/d,累計(jì)沉降大于10cm,要加強(qiáng)初期支護(hù)、增設(shè)臨時(shí)水平支撐或及時(shí)進(jìn)行二襯施作,預(yù)防隧道坍塌。
3.8應(yīng)急措施
為了預(yù)防黃土隧道坍塌,減少人員傷亡及機(jī)械設(shè)備損失,在施工過程中我們要儲(chǔ)備應(yīng)急物資及采取相應(yīng)應(yīng)急措施。在掌子面附近備型鋼或鋼管在變形較大時(shí)做臨時(shí)水平支撐用,另外從掌子面到已施工二襯區(qū)備一根通長(zhǎng)鋼管作為隧道萬一坍塌后,可以通過管道往里輸送食物、飲料及保持通信。應(yīng)急物資隨著掌子面的掘進(jìn),同時(shí)往前跟進(jìn)。應(yīng)急設(shè)備采用隧道施工的挖掘機(jī)、裝載機(jī)等,設(shè)備狀態(tài)要保持正常。另外在施工時(shí),每道工序都安排專人全過程盯班,特別注意觀察掌子面圍巖情況及初支裂縫或掉塊等變形,一旦發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)將人員和機(jī)械設(shè)備撤到安全區(qū),避免發(fā)生不安全事故,造成損失。
4.取得的效果
通過采取以上措施,取得了一定的效果,安全上得到了保證,采取快挖快支,及時(shí)封閉成環(huán),二襯仰拱通過采取措施,不影響掌子面正常作業(yè),二襯每3天1個(gè)循環(huán),每循環(huán)9m,每月進(jìn)尺90m,能跟上掌子面開挖進(jìn)尺及安全距離要求,至今隧道未出現(xiàn)坍塌事件,為隧道正常施工提供了有力的保障;另外開挖進(jìn)度上得到加快,實(shí)踐證明黃土隧道開挖進(jìn)尺得到了很大的提高。
5.結(jié)語
在林家山3號(hào)隧道進(jìn)口黃土富水淺埋段的施工過程中,通過采取三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖開挖法,人工配合機(jī)械開挖及對(duì)開挖步距嚴(yán)格的控制,鋼架的精心制作與安裝時(shí)鎖腳錨桿的固定,縱向連接筋的合理連接,噴砼設(shè)備的選擇與型鋼鋼架背后的密實(shí)充填,二襯及仰拱的及時(shí)施作,供水方案的優(yōu)化與合理組織洞內(nèi)交通等措施,確保了安全,加快了進(jìn)度,為黃土淺埋隧道安全快速施工提供了一定的參考依據(jù)。