谈铁路隧道工程中的洞口段施工工艺

2022-09-21 16:44:26 来源:写作指导

摘要:铁路隧道洞口段围岩偏破碎,局部夹杂土层,缺乏完整性和稳定性,不利于土体成拱,施工期间的安全隐患较多,以何种方法安全完成洞口段的施工至关重要。以某铁路隧道工程为例,重点对其洞口段施工工艺展开分析,提出超前大管棚支护技术在其中的应用要点。实践表明,通过该项技术的有效应用,施工安全性有所提升,可顺利推进施工进程,洞口段施工同时满足安全、质量、效率多重要求。

关键词:铁路隧道;洞口段;大管棚支护

1工程概况

某铁路隧道进出口里程DK42+120~DK42+510,全长390m,设计速度250km/h。隧道进口~DK42+291.86位于直线段,剩余部分位于半径4000m的左偏曲线上。隧道最大埋深37.5m,进口至出口位于30‰的下坡。

2测量放样

复测设计中线,布设导线网联系隧道进出口,联测闭合进出口高程。洞外加密点为一个整网,测段间用边联结的方式构成带状网,用双频GPS接收机按三等联测加密点。分别为各洞口设平面控制点,以保持良好的通视关系,布设的各控制点必须稳定,且便于引测进洞。

3隧道洞口段施工工艺分析

洞口段施工内容涵盖边仰坡的土石方开挖、防护、明洞施工等,为顺利施工,需要针对性地采取施工工艺。洞门为帽檐斜切开孔式缓冲结构洞门,以明挖法组织洞口段明洞的开挖作业,搭设Φ108mm大管棚,以起到支护作用。

3.1洞口开挖

对于洞口土石方,按照从外向内、自上而下的顺序开挖,逐层、逐段推进。期间加强对边仰坡开挖高度和坡度的检测与控制,保证各项指标的合理性。土方和强风化岩的开挖作业以挖掘机为主,人工辅助清理开挖面,提高开挖精度。对于不具备机械开挖的条件局部陡坡段,采取人工开挖的方法。边仰坡开挖后尽快组织防护作业,有效防护围岩,以免出现雨水渗透、围岩风化问题。以喷锚的方式对边仰坡加以防护,打设锚杆,挂钢筋网,喷射混凝土,共同构成临时防护结构。喷射层与原坡面平顺衔接,以免坡面风化。

3.2暗洞进洞

为给暗洞施工创设安全的环境,以锚喷(网)的方式对洞口衬砌外1~3m的边仰坡做加固处理。严格控制洞口土石方的开挖量,达到大管棚施工高度时,将稳定性较好的台阶作为平台,于该处施作超前大管棚,组织暗洞洞身的开挖作业。通过应用三台阶临时仰拱法,即可安全、顺畅地开挖暗洞进洞部分。

3.3超前支护施工方法

根据现场勘察资料可知,隧道洞口及明暗交界段的地质条件欠佳,为此设Φ108mm超前大管棚,增强支护效果。洞口段超前长管棚分节制作成型,单节长度为4m或6m,材料选用的是壁厚6mm的Φ108mm热轧无缝钢花管,外插角1~3°,环向间距40cm。开挖至管棚施工段时,暂时保留下台阶,将该部分作为施工平台,于该处组织管棚和混凝土导向墙的施工作业。根据施工要求控制预留下台阶的尺寸,宽度2.5m,高度2.0m。导向墙宽度、厚度均按1m设置,用C20混凝土施工成型。以3榀I18工字钢为基础构件,共同构成完整的钢拱架,设置于导向墙内,构成环向支撑装置。钢架外缘设壁厚为5mm的Φ140导向钢管,以焊接的方式实现与钢管的稳定连接。管棚材料选用Φ108钢管,按150mm的间距在管壁上开设孔径为10~16mm的孔,钢管尾端150cm内不做钻孔处理(作为止浆段)。管棚分节段制作,单节长度4m、6m。奇数号选用钻孔钢花管,偶数号选用不钻孔钢花管。以方木为材料,按“井”字形搭设作业平台。根据钻孔深度和孔径要求适配钻机,要求钻机运行性能稳定,可在360°范围内钻孔。钻机平稳就位后进入钻孔环节,孔径为127mm,平面误差不得超过20cm。钻进期间钻杆维持稳定,以免影响成孔效果[1]。钻孔后安排检测,判断孔位、孔径、孔深、垂直度各方面是否满足要求,在确认无误的前提下对钢管做接长处理。用钻机顶入孔内,遇阻碍或是存在其他异常状况时,先安排清孔,再继续顶入钢管。为钻孔编号,单号孔顶入有孔钢管,双号孔顶入无孔钢管。钢管接头错开布置,以利于优化管棚的受力条件。相邻钢管接头错开距离不小于1m,两节钢花管间用Φ114mm丝扣联结,保证稳定。注浆材料为1:1水灰比的水泥浆液,采用全控压入式的注浆方法,在0.5~2.0MPa的压力条件下将浆液压注至长管棚内。注浆前组织试验,确定合适的作业流程、作业参数,为正式施工提供引导。按自下而上的顺序注浆,根据注浆压力控制结束作业的时间。注浆后及时清理管内残留的浆液[2],制备适量M7.5水泥砂浆进行填充,以此来提高管棚的强度和刚度。

3.4洞身开挖

根据围岩特性确定开挖方法,其中Ⅳ级围岩段用三台阶法施工,Ⅴ级围岩用三台阶临时仰拱法施工。对于具体的开挖要点做如下分析:

3.4.1三台阶法开挖

在三台阶法开挖中,将断面划分为上、中、下台阶三部分,三部分均采用光面爆破的开挖方法。对拱部及边墙做光面爆破处理后,可在保证开挖效果的同时增强开挖轮廓线的圆顺性,减小开挖作业对围岩的扰动作用。配套简易工作台架,以便高效施工,并用YT28型风钻钻孔。通过应用PC200型挖掘机将上、中台阶产生的石碴转至下台阶,由装载机装碴,用自卸车外运。三台阶施工如图1所示。其中:I为超前小导管,II为上台阶初期支护,III为中台阶初期支护,IV为下台阶初期支护,V为施作中心深埋水沟并回填,VI为仰拱填充混凝土VII-拱墙混凝土;1为上台阶开挖,2为中台阶开挖,3为下台阶开挖,4为仰拱开挖,5为中心深埋水沟开挖。各部分的开挖要点如下。上台阶:时间安排在拱部超前支护设置到位后,由开挖轮廓线环向开挖,每循环进尺不超过2榀钢拱架间距。考虑到开挖面的稳定性要求,开挖后随即初喷混凝土,予以封闭;搭设稳定可靠的型钢钢架,配套锁脚锚管和系统锚杆,喷射混凝土,使其构成完整的结构。中台阶:开挖进尺为每循环不超过2榀钢架间距;开挖后随即以喷射混凝土的方式予以封闭,架设型钢钢架,将锁脚锚杆和系统锚杆设置到位,对该基础框架喷射混凝土。下台阶:每循环开挖进尺以及开挖后的防护方法均与上、中台阶一致,故此处不再赘述。仰拱:围岩偏软弱、破碎时,为减小开挖产生的扰动作用,仰拱单独开挖;围岩条件较好时,在协调得当前提下仰拱与下台阶同步开挖;仰拱开挖采用机械为主、人工为辅的方案,绝大部分用机械设备开挖,而后安排人工清底;待开挖完成后施作仰拱衬砌,安排填充处理。将各步台阶的单次开挖量控制在2~3m,隧道开挖后及时封闭成环,缩短开挖面的外露时间。对于Ⅳ级围岩的施工中,封闭位置与掌子面的距离不得超过35m。

3.4.2三台阶临时仰拱法开挖

上台阶以弱爆破或人工风镐的方法开挖,中、下台阶采取控制爆破开挖方法或挖掘机开挖。此类方法可在保证开挖质量的同时,减小对围岩的扰动,且开挖成型的轮廓更加圆顺、稳定。其中,中下台阶的左、右边墙交错施工,各部的间距需控制在2~3m,以减小扰动作用。上台阶每循环开挖支护不超过1榀钢架间距,三个台阶平行作业。仰拱部分采取短开挖的方法,根据岩土体特性控制开挖量,土质围岩不超过1.5m,石质围岩不超过3m,仰拱墙脚、拱脚部位先由机械设备开挖,即将接近指定位置后预留60~70cm,转为人工精细化开挖的方法。开挖期间加强洞内抽排水,减小水文条件带来的不良影响,维持边墙的稳定性。组织1部台阶的开挖,喷射10cm厚混凝土,封闭掌子面。将2部的初期支护设置到位,初喷4cm厚混凝土,根据设计要求稳定架设钢架装置,于指定位置设锁脚锚管,增强支护效果。于导坑底部设I18临时钢架,复喷混凝土,直至实测厚度达到要求为止,从而有效支护。随着上台阶施工进程的推进,达到适当的距离后安排2部台阶的开挖。先将初期支护设置到位,初喷4cm厚混凝土,再将配套的各类装置设置好(钢架、锁脚锚管),设I18临时仰拱,复喷混凝土。达到适当的距离后,安排3部台阶的开挖,出于维持结构稳定性的目的,施作边墙结构初期支护。类似的,待下台阶开挖至适当距离后,在现场无异常状况的前提下组织第4部的开挖,依然设置初期支护结构。以分段的方式有序设置纵梁,每完成一榀钢拱架的设置工作后,用纵梁进行连接处理。以焊接的方法稳定连接纵梁与仰拱环向钢架。配套适量锁脚锚管,将纵梁锚固至围岩上。纵梁与仰拱环向钢架结合,通过对两者的焊接,构成完整且稳定的整体结构。

3.4.3洞口土方施工期间的安全防护措施

洞口段地质条件特殊,开挖的扰动性较强,施工前设置防排水设施,减小水文条件的干扰。施工期间加强对坡面的观察,判断是否有异常状况。视现场施工进度及时施作洞口边仰坡防护结构,增强稳定性,营造安全的隧道洞口段施工环境。按自上而下的顺序开挖,使开挖区排水系统始终保持通畅状态,并高效连通至原有水系,以免产生积水。开挖期间遇到岩石破碎土质松软部分,一方面控制开挖面的尺寸不宜过大,另一方面及时采取防护措施,缩短暴露时间。

3.5明洞施工

以横向分层、纵向分段的方式开挖,以挖掘机为主要的开挖设备,局部可联合应用弱爆破和机械刷坡的方法。开挖产生的石碴及时用装载机装载,由现场的自卸车外运。开挖后及时处理基底,做承载力检测,实测结果满足要求后,施作仰拱、填充混凝土。

3.6仰拱及边墙基础的施工

仰拱全幅施工,用挖掘机高效完成基础部分的开挖作业。钢筋安装前先测量放样,将定位钢筋布置到位,以此为基准进一步安装其他钢筋。仰拱及边墙基础混凝土浇筑时,于钢筋骨架上方固定拼装式钢模,以保障仰拱混凝土浇筑顺利进行和成型结构具有良好的拱形。

3.7拱墙混凝土浇筑

以模板台车为工作平台,施工人员于该处完成拱墙钢筋的安装作业,使端墙处预留钢筋与洞门端墙钢筋形成连接关系。明洞衬砌施工环节,组合钢模作外模,模板台车作内模,拱墙衬砌混凝土一次灌注到位。期间用插入式振捣器处理,以减小混凝土内部的空隙,提高内部密实性和表面平整性。待洞口衬砌与洞门整体灌注完成后,在确保无质量问题的前提下安排洞顶回填施工。

3.8明洞回填

待洞外防水层成型且实测强度达标后组织明洞回填。侧墙回填采取两侧同步推进的方法,以增强施工均衡性,并提高施工效率。现场为土质地层时,将墙背坡面开挖成台阶状,以分层的方法逐步码砌片石,对处理后局部存在得缝隙,用碎石填实。拱部回填以分层的方法有序进行,单层厚度不得超过0.3m。控制好回填两侧的高度,实测高差不得超过0.5m。顶层回填材料选用黏土,以达到隔水的效果。

3.9洞门修筑

进洞施工无异常后安排洞门施工,此部分用混凝土浇筑成型。为给洞门修筑作业的开展创设良好的条件,搭设钢管脚手架,配套钢模板,以泵送的方式高效浇筑混凝土。期间安排专员用插入式振捣器处理,提高混凝土的密实度。洞门施工成型后,修筑洞顶排水沟,提高排水效率,减小现场水资源对洞口稳定性的不良影响。

4结语

综上所述,纵观隧道的各部分施工,洞口段属于薄弱部位,具有安全隐患多、施工难度大的特点。出于安全施工的目的,本文对洞口段开挖、超前大管棚支护、洞口段填筑几个方面的具体技术要点展开了探讨,希望所提内容可为类似施工参考。

参考文献

[1]刘珂.隧道洞口不良地质段的施工技术研究[J].工程建设与设计,2021(18):154-156.

[2]柴天建.梅家庄隧道洞口段支护技术及其效用研究[D].南昌:南昌大学,2017.

作者:于立源 单位:中铁十九局集团第五工程有限公司