施工技术 86 2016 年 10 月 34 复合式中墙连拱隧道施工 柏光辉 中铁上海工程局集团市政工程有限公司,上海 200000 摘要:连拱隧道结构复杂,施工步序多,工期较长,结构受力状态频繁变化,质量控制困难,施工中稍有疏忽就会出现衬砌开裂、中隔墙漏水等病害。所以,连拱隧道施工质量控制极为重要。复合式中墙连拱隧道是目前采用最多的连拱隧道,下面以复合式中墙连拱隧道为对象,讨论连拱隧道的施工方法,其它形式的连拱隧道的施工方法与之大同小异。复合式中墙连拱隧道施工方法包括中导洞开挖与支护、中墙核浇筑、正洞开挖与支护、隧道防排水、正洞衬砌等。 关键词:复合式;中墙;连拱隧道 中图分类号:U455.4 文献标识码:A 文章编号:1671-5519(2016)10-0086-03 前言 复合式中墙连拱隧道施工工序较多,主要包括中导洞开挖与支护、中墙核浇筑、正洞开挖与支护、隧道防排水、正洞衬砌等,本文重点介绍宜昌桔乡路李家屋隧道中导洞开挖与支护及正洞开挖。目的是为宜昌地区双连拱隧道施工提供参考。 1 工程概况 宜昌市桔乡路位于宜昌市伍家岗区,起点为中南路,终点为东站路,是宜昌市总规划的一条城市重要交通干道。道路全长 5144.099m,道路规划红线宽 36m,双向六车道,沿线共有 3 座隧道。 其中李家屋隧道为双向六车道连拱式隧道,隧道起点里程 K1+072,终点里程 K1+218,全长 146m;地形起伏不大,沿线地形标高为 97.0~127.0,相对高差 30m,最大埋深约为40m,正洞最大开挖断面为 173m2 ,中导洞开挖断面为 39 m 2 。 2 中导洞开挖与支护 李家屋隧道围岩级别主要为Ⅳ、Ⅴ级,围岩分级见表 2-1。 表 2-1 围岩分级表 序号 里程段 长 度(m) 围 岩 级别 备注 1 ZK1+072~ZK1+135 63 Ⅴ 2 ZK1+135~ZK1+180 45 Ⅳ 3 ZK1+180~ZK1+218 38 Ⅴ 4 YK1+072 ~YK1+138.5 66.5 Ⅴ 5 YK1+138.5 ~YK1+172.5 34 Ⅳ 6 YK1+172.5 ~YK1+218 45.5 Ⅴ 利于中墙核的施工而定,李家屋隧道中导洞开挖断面高6.9m,宽 5.7m。由于属隧道施工辅助工程,中导洞的开挖方法与支护方式由具体工程条件灵活确定。本隧道中导洞开挖采用台阶法施工,格栅钢架支护,台阶长度控制在 10m;Ⅴ级围岩段上台阶开挖进尺 0.5m(一榀钢架),下台阶开挖进尺 1.0m;Ⅳ级围岩段上台阶开挖进尺 1.5m(两榀钢架),下台阶开挖进尺 1.5m。中导洞的顶部是下凹的,中墙核混凝土浇筑时要求用上凸的混凝土将中导洞的下凹空间充填密实,施工和质量控制都相当难。为了方便中导洞下凹空间的密实充填并约束中墙顶的左右移动,中导洞顶部支护时,可设置系统锚杆并留出长尾。喷射混凝土时,有意加厚中导洞顶部的喷射混凝土,使中导洞的顶部由常见的下凹变为略微下凸(图 2-1)。留出的锚杆长尾供与中墙核的钢筋连接。这样做的好处有: (1)喷射混凝土长梁下面的混凝土可以浇筑密实,保证中墙核及时承载;(2)中墙核混凝土与其上部围岩及支护结构形成整体,有利于隧道稳定,防范病害。 为了使中墙核浇筑时顶部能够密实,另一种方法是有意将中导洞的开挖中线向先行正洞一侧偏移,使中墙核整体位于中导洞开挖中线的一侧(图 2-2)。中墙核模板一侧低,一侧高,混凝土从高的一侧浇筑。同样,在中导洞施工过程中,在中墙核的上方应预留锚杆长尾,供与中墙核的钢筋连接。 (a)中导洞开挖及中隔墙基础施工(b)喷射混凝土梁施作 (c)模筑混凝土中隔墙 图 2-1 中导洞顶部的喷射混凝土下凸纵梁 现开挖中导洞 原设计开挖中导洞 图 2-2 中导洞偏离中墙核中线开挖 3 正洞掘进方法 连拱隧道正洞的施工方法,与连拱隧道的结构形式和地质条件密切相关。对于一个具体工程,应视不同的工程地质和水文地质条件以及围岩级别,选用适宜的开挖方法。本隧道采用是中导洞一双侧壁导坑法。 3.1 中导洞一双侧导洞工法 3.1.1 施工顺序 中导洞-双侧导洞施工方法的施工顺序,如图 3-1。图中的罗马数字表示开挖顺序,阿拉伯数字表示衬砌施作顺序。 开挖 I 部分(中墙位置上的岩土)施工内容:①中导洞施作初期(临时)支护;②浇筑中墙核混凝土; 开挖 II 部分(边导洞)施工内容:③施作正洞边墙的初期支护。 开挖 III 部分(上半断面)施工内容:④施作拱部初期支护。 开挖 IV 部分(下半断面)施工内容:⑤施作仰拱的初期支护、依次⑥施作仰拱、⑦二次衬砌、⑧仰拱回填、⑨路面及水沟等工作。 中文科技期刊数据库(全文版) 工程技术 2016 年 10 月 34 87 图 3-1 中导洞-双侧导洞施工方法 1、小导管超前支护 2、侧导坑开挖4、中部上台阶开挖留核心土 5、中部上台阶支护 6、中部上台阶核心土开挖土7、中部下台阶开挖 8、中部下台阶支护3、侧导坑初期支护 图 3-2 正洞单侧壁导坑法施工工艺流程(Ⅳ级围岩) 1、大管棚,小导管超前支护 2、侧导坑上台阶开挖 3、侧导坑上台阶支护4、侧导坑下台阶开挖 5、侧导坑下台阶支护 6、中部上台阶开挖留核心土7、中部上台阶支护 8、中部上台阶核心土开挖 9、中部上台阶支护10、中部下台阶开挖 11、中部下台阶支护 图 3-3 正洞单侧壁导坑法施工工艺流程(V 级围岩) 4 钻爆作业设计 除黄土隧道和一些特殊情况外,连拱隧道的中导洞和正洞掘进开挖,钻爆作业是不可缺少的。由于连拱隧道的结构特点,对施工中的钻爆作业有严格的要求。基本要求可以概括为:开挖出的断面轮廓应平整准确,减少超挖和欠挖,尽量维护围岩的自承能力,降低爆破振动对既有结构的不良影响。为达到此目的,爆破作业时,应尽力采用微震爆破技术和光面爆破相结合方法进行作业。 4.1 方案选择 (1)采用 YT-28 气腿式风钻钻眼,孔径 42mm。钻眼在自制钻爆台架上进行。(2)爆破器材及炸药单耗量:爆破孔炸药采用 ø32mm 的乳化炸药,炸药单耗量为 0.75~1.1kg/m³。(3)采用毫秒延期塑料导爆管雷管分段爆破,段别 MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13 段,导爆管簇联,每簇10~15 根,每一簇用两发起爆雷管,起爆采用起爆器电子脉冲击发。(4)炮孔堵塞长度不得小于 20cm,粘土堵塞,堵塞时保护好导爆管。(5)对爆破作业人员进行安全教育,提高安全意识。专职安全员需要对爆破作业全过程进行跟踪监督,及时消除隐患。由于隧道断面大,围岩硬度较差,施工时必须控制炸药量,隧道轮廓线应采用光面爆破,不得超挖。每次爆破后必须通风 20 分钟后再派专人排险处理。(6)爆破试验:包括爆破器材试验和起爆网路试验及试炮,试炮应按设计参数进行打孔、装药、联接网路以观察爆破效果,再根据爆破效果调整爆破参数。 4.2 爆破参数 (1)炮孔数量: \uf067\uf068 / qS N \uf03d 式中: N—为炮孔的数目; q—炸药单耗量,大约 0.75~1.1kg/m³; γ—每米长度炸药的重量,0.78kg; η—炮眼装药系数 0.55~0.65; S—隧道掘进断面。 (2)单孔药量:\uf068 * l * r Q \uf03d 式中: Q—炮眼装药量; η—炮眼装药系数,掏槽眼 0.7、辅助眼 0.6、周边眼0.65; l—炮眼深度; r—每米长度炸药量,0.78kg/m 4.3 炮眼布置 掏槽眼 采用斜眼楔形掏槽,掏槽眼比其他炮眼加深 20cm,掏槽眼布置见图 4-2。 单位:mm 150070°200 图 4-2 掏槽眼布置图 (1)辅助眼与掘进眼,辅助眼在掏槽眼外布置,起辅助掏槽作用,掘进眼在辅助掏槽眼外布置,作用同辅助眼,垂直钻孔,装药结构采用连续装药,采用毫秒雷管延时,按离掏槽口由近至远依次起爆。(2)周边眼与底板眼,周边眼与底板眼沿开挖轮廓线均匀布置,炮眼间距 50~55cm,空口布置在开挖轮廓线以内 10cm 处,眼底朝隧道轮廓线方向倾斜采用不耦合装药结构。 清孔:装药前用小直径高压风管输入高压风将炮眼石屑吹净。 装药:装药分片分组,按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行,雷管“对号入座”。 4.4 各断面爆破参数 (1)中导洞爆破开挖 中导洞Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖,台阶长度 3~5m。以Ⅳ级围岩中导洞台阶法开挖爆破参数设计为例。 炮眼直径 d 取 42mm。 炮眼深度 L=1.7m,掏槽孔比其它孔深 0.2m。 不偶合系数:根据经验,周边眼不偶合系数在 1.5~2.0范围光爆效果最好。据此周边眼选用Φ32mm 药卷(长 200mm,200g/卷)。 周边眼距 E 与抵抗线 W: E 取 30cm。 E/W 一般为 0.75~0.8,结合本隧道地质特征, W 取 60cm。 线装药系数 I:周边眼线装药系数取为 0.1kg/m。 其它孔单孔装药量:按公式\uf06c * * * * L w a k q \uf03d计算 其它孔孔距 a:取 a=18~25d 以上参数在实际施工中要根据具体地质作局部调整,完善爆破设计。 掏槽方式:采用楔形掏槽。 装药结构:周边眼采用空气间隔不耦合装药,光爆药卷每隔一定距离绑扎在定位竹片上,导爆索连接。其它眼采用连续装药方式。 起爆网路:采用孔内微差控制爆破,火雷管起爆。微差时间用 1~11 段非电毫秒雷管控制,起爆顺序为:掏槽眼→扩槽眼→掘进眼→内圈眼→周边眼,详见图 4-3 和表 4-1。 施工技术 88 2016 年 10 月 34 579157单位:mm50808015005716800313 图 4-3 Ⅳ级围岩中导洞台阶法施工炮眼布置图 表 4-1 Ⅳ级围岩中导洞上台阶钻眼参数及主要技术经济指标 炮眼名称 炮眼编号 炮眼深度(m) 炮 眼间 距(cm) 抵 抗线(cm) 炮 眼数 量(个) 单 眼装 药量(kg) 起爆顺序 起爆段别 掏槽眼 1 1.9m 1500 60 4 0.8 1 MS1 辅助眼 3-5 1.7m 80 60 29 0.6 3-5 MS3,5,7 周边眼 7 1.7m 50 60 25 0.4 7 MS9 底板眼 9 1.7m 50 60 12 0.6 9 MS11 开 挖 断面 23.633m2 预 计 循环进尺 1.5m 爆 破 方量 35.449m³ 炸 药 单耗 1.067kg/m³ (2)正洞单侧壁导坑法开挖 正洞Ⅳ、Ⅴ级围岩采用单侧壁导坑法开挖。以Ⅴ级围岩上台阶法开挖爆破参数设计为例。 炮眼直径 d 取 42mm。 炮眼深度 L=0.6m,掏槽孔比其它孔深 0.2m。 不偶合系数:根据经验,周边眼不偶合系数在 1.5~2.0范围光爆效果最好。据此周边眼选用Φ32mm 药卷(长 200mm,200g/卷)。 周边眼距 E 与抵抗线 W: E 取 30cm。 w E/一般为 0.75~0.8,结合本隧道地质特征,W 取 60cm。 线装药系数 I:周边眼线装药系数取为 0.1kg/m。 其它孔单孔装药量:按公式\uf06c * * * * L w a k q \uf03d计算 其它孔孔距 a:取 a=18~25d 以上参数在实际施工中要根据具体地质作局部调整,完善爆破设计。 掏槽方式:采用中空直眼掏槽。 装药结构:周边眼采用空气间隔不耦合装药,光爆药卷每隔一定距离绑扎在定位竹片上,导爆索连接。其它眼采用连续装药方式。 起爆网路:采用孔内微差控制爆破,火雷管起爆。微差时间用 1~9 段非电毫秒雷管控制,起爆顺序为:掏槽眼→扩槽眼→掘进眼→内圈眼→周边眼,详见图 4-4 和表 4-2; 135779111313 5 7913579135791747955080010006001500800800单位:mm 图 4-4 Ⅴ级围岩中导洞台阶法施工炮眼布置图 表 4-2 Ⅴ级围岩正洞上台阶钻眼参数及主要技术经济指标 炮眼名称 炮眼编号 炮眼深度(m) 炮 眼间 距(cm) 抵 抗线(cm) 炮 眼数 量(个) 单 眼装 药量(kg) 起爆顺序 起爆段别 掏槽眼 1 0.8m 60 60 8 0.4 1 MS1 辅助眼 3-9 0.6m 80-100 60 67 0.2 3-9 MS3,5,7,9 周边眼 11 0.6m 55 60 25 0.2 11 MS11 底板眼 13 0.6m 55 60 14 0.2 13 MS13 开 挖 断面 69.223m2 预 计 循环进尺 0.5m 爆 破 方量 34.612m³ 炸 药 单耗 0.353kg/m³ 5 结语 连拱隧道中墙顶部的构造比较复杂。不论是那种形式的连拱隧道,其中墙的顶部首先要满足承受并传递各种荷载的要求,其次还要满足隧道防排水的要求,此外,还应容易施工。要同时满足上述要求,隧道中墙顶部的构造通常比较复杂。众所周知,隧道内的施工环境较差,复杂的结构构造使施工质量往往不易保证。因此,连拱隧道的局部复杂构造增加了连拱隧道的修建难度,而且重点控制中导洞施工质量是关键。 参考文献 [1]公路隧道施工技术规范(JTGF60-2009)[S] [2]公路工程技术标准(JTG B01-2003) [S] [3]中国隧道及地下工程修建技术王梦恕著[S] [4]锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086-2001) [S] [5]混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204-2002) [S] [6]《铁路隧道工程施工技术指南(TZ204-2008) [S] 作者简介:柏光辉(1983 年 5 月 5 日),性别:男,民族:回,籍贯:安徽省合肥市,职称:工程师,学历:大学本科,单位:中铁上海工程局集团市政工程有限公司 ,研究方向:工程施工。