夏 平, 高 穩(wěn)

(中鐵五局集團(tuán)成都工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610000)

不同類型的特大斷面隧道以及類似的大斷面地下工程的施工多以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法以及分層導(dǎo)坑等開挖方法為主。楊朝洪[1]在城市隧道施工中采用靜態(tài)破碎和控制爆破相結(jié)合的施工方法。隨著工程技術(shù)水平的進(jìn)步、大劈力液壓劈裂機(jī)出現(xiàn),工程上嘗試將液壓劈裂作為隧道開挖的靜態(tài)施工方案[2],并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

由于加寬段隧道斷面較大,支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中承受的圍巖壓力較大,為確保隧道施工的安全性,選擇合理的適宜性開挖工法尤為重要[3]。本文以四川都四山地軌道交通項(xiàng)目紫荊隧道為依托工程,對特大TBM拆卸洞室鉆劈法施工進(jìn)行介紹。

1 工程概況

都江堰至四姑娘山山地軌道交通項(xiàng)目紫荊隧道位于汶川縣映秀鎮(zhèn)和耿達(dá)鎮(zhèn)之間,隧道全長10.4 km,隧道最大埋深約709 m,為單洞雙線隧道。在進(jìn)口附近設(shè)置1座橫洞,長238 m,洞身處設(shè)置1座斜井(兼牽混所及避難所),長355 m。紫荊隧道前接木江坪大橋,后接耿達(dá)特大橋,最大坡度37.427‰,設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h,為電氣化山地軌道交通隧道。紫荊隧道TBM施工截止位置設(shè)置一處TBM拆卸洞室,長度×寬度×開挖高度為60.0 m×14.7 m×26.1 m,TBM拆卸洞室三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TBM拆卸洞室三維模型

TBM拆卸洞為Ⅲ級圍巖,該段隧道洞身穿越巖層為晉寧-澄江期第四期巖漿巖斜長花崗巖,厚層狀,巖質(zhì)為硬巖,巖體較完整,大塊狀砌體結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙較發(fā)育,地下水較發(fā)育,局部出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,拱部、側(cè)壁基本穩(wěn)定。本段埋深為382～398 m,隧址區(qū)Ⅱ類場地基本地震動(dòng)峰值加速度0.20g。地下水主要類型有基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水,段內(nèi)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。

2 總體施工方案

2.1 拆卸洞室結(jié)構(gòu)及施工設(shè)計(jì)

紫荊隧道斜井正洞進(jìn)入拆卸洞前需在非爆開挖段提前預(yù)留導(dǎo)坑平臺(tái),為開挖導(dǎo)洞做準(zhǔn)備;提前在非爆開挖段填充面上預(yù)留18.56 m作為起坡點(diǎn),進(jìn)入拆卸洞交界位置非爆開挖頂面高度與導(dǎo)洞斜坡之間高差為5 m,便于臺(tái)車或罐車能上下自由通行,坡度為12.8%;上挑導(dǎo)坑尺寸為7.31 m寬×5.93 m高(利用現(xiàn)有開挖臺(tái)車);施工至最后10 m后,預(yù)留一處4 m斜坡至平臺(tái),斜坡坡率為1∶1,便于調(diào)整施工縱坡,噴射混凝土罐車能開至此處進(jìn)行拱頂噴砼,滿足施工條件;最后8 m上挑至拆卸洞拱頂,拱頂?shù)轿缓箝_始兩側(cè)擴(kuò)挖,TBM拆卸洞室縱斷面如圖2所示。

圖2 TBM拆卸洞室縱斷面(單位:cm)

拆卸洞室開挖總高度為26.1 m(Ⅲ級圍巖地段),分上、中、下三部開挖,上部7.85 m,中部8.00 m,下部10.25 m;由斜井小里程工作面往紫荊隧道進(jìn)口方向掘進(jìn),TBM拆卸洞室橫斷面及導(dǎo)洞斷面如圖3所示。

圖3 TBM拆卸洞室橫斷面及導(dǎo)洞斷面(單位:cm)

2.2 施工工藝流程

TBM拆卸洞室施工工藝流程如圖4所示。

圖4 TBM拆卸洞室施工工藝流程

2.3 施工工序

(1)TBM拆卸洞分上、中、下三層臺(tái)階,共四個(gè)區(qū)段,上部拱形段分為1、2區(qū),中下部分為3、4區(qū)。

(2)首先,利用定制的開挖臺(tái)架在達(dá)到拆卸洞之前18.56 m位置開始向上挑挖,以中導(dǎo)洞形式向上挑挖66.56 m后到達(dá)TBM拆卸洞頂部。其次,水平向前、左、右方進(jìn)行擴(kuò)挖出上部拱形斷面(設(shè)置8 m施工平臺(tái)),上部采用先中間后兩邊的分部法開挖。第三步,當(dāng)TBM端上部拱形斷面擴(kuò)挖完成后反向施工上部拱形斷面,直至全部上部拱形斷面開挖成型。

(3)在上部1、2區(qū)擴(kuò)挖完成后,開始施工下部3、4區(qū),下部采用上下臺(tái)階法施工,以先上臺(tái)階3區(qū)(中層)后下臺(tái)階4區(qū)(下層)的順序,從非爆開挖施工段向TBM段方向進(jìn)行施工。

3 拆卸洞鉆劈法施工

3.1 液壓劈裂機(jī)工作原理

液壓劈裂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于液壓劈裂機(jī)的使用,常見的劈裂機(jī)由液壓缸、活塞桿、控制閥、輸油管、楔塊等組成。施工時(shí)通過在工作面上打孔后將劈裂機(jī)的劈塊端置入孔內(nèi),再通過液壓動(dòng)力站輸出的超高油壓而產(chǎn)生的巨大推動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)楔塊組中的中間楔塊向前伸出,推動(dòng)劈塊向兩邊擴(kuò)張,從而在孔壁上造成強(qiáng)大的擴(kuò)張力來致使巖石破裂[2]。

與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比,鉆劈法施工具有無震動(dòng)、無飛石、無毒氣、無污染、無須煩瑣的申報(bào)手續(xù)、運(yùn)輸和使用安全等特點(diǎn)[4]。

紫荊隧道所選用的劈裂機(jī)型號為博奧FL300,設(shè)備性能和工作特性為:高度2.5 m,總重量650 kg,理論分裂力45 MPa,鉆孔直徑115 mm,鉆孔深度1 500 mm。

3.2 劈裂參數(shù)確定

3.2.1 孔深確定

紫荊山隧道圍巖級別為Ⅲ級,按設(shè)計(jì)要求進(jìn)尺不得超過3 m,對于劈裂孔直徑設(shè)計(jì)未作要求由設(shè)備決定;劈裂孔孔深根據(jù)現(xiàn)場循環(huán)作業(yè)時(shí)間及機(jī)械性能決定采用1 500 mm,既滿足設(shè)計(jì)要求同時(shí)也滿足機(jī)械性能要求。

3.2.2 周邊眼鉆孔尺寸確定

周邊眼根據(jù)潛孔鉆機(jī)械性能及功效確定,采用?140 mm鉆頭,搭接咬合10 mm,孔對孔間距為130 mm。

3.2.3 劈裂孔孔距確定

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測,本段施工圍巖以花崗巖為主,巖石完整性較好,單軸抗壓強(qiáng)度σc=130.5 MPa,單軸抗拉強(qiáng)度σt=4.0 MPa。

需要驗(yàn)算在該孔距下分裂力是否滿足形成孔間貫通裂縫的條件。巖石斷裂韌度為[6]:KIC=0.026 5σc+0.001 4=0.026 5×130.5 MPa+0.001 4=3.459 7 MN·m-3/2。式中:KIC為巖石斷裂韌度;σc為單軸抗壓強(qiáng)度。當(dāng)布孔間距L=500 mm時(shí),劈裂機(jī)產(chǎn)生的分裂力q1需滿足[7]:

式中:q1為劈裂機(jī)產(chǎn)生的分裂力;F為邊界修正因子,取F=0.2。

該型號的劈裂機(jī)理論分裂力為45 MPa,計(jì)算證明分裂力滿足形成孔間貫通裂縫的條件,因此劈裂孔布孔間距確定為500 mm。

3.3 工程應(yīng)用

掌子面劈裂孔布孔間距為50 cm×50 cm,沿隧道中線左右對稱呈梅花形布置,潛孔鉆鉆孔孔位咬合圓及鉆孔劈裂孔位布置如圖5、圖6所示。

圖5 潛孔鉆鉆孔孔位咬合圓(單位:cm)

圖6 鉆孔劈裂孔位布置(單位:cm)

每循環(huán)開挖后檢查施工進(jìn)尺及周邊超欠挖情況,總結(jié)分析數(shù)據(jù)異常情況,及時(shí)修正各項(xiàng)鉆劈參數(shù)。劈裂槍施工現(xiàn)場及相關(guān)工況如圖7～圖9所示。

圖7 劈裂槍施工現(xiàn)場圖8 鉆劈施工圖9 鉆劈后渣石形態(tài)

4 拆卸洞開挖支護(hù)施工

導(dǎo)洞及拆卸洞室均采用鉆劈法進(jìn)行開挖,根據(jù)圍巖情況按設(shè)計(jì)要求采用臺(tái)階法施工。

4.1 導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)

導(dǎo)洞開挖一個(gè)循環(huán)后須采取臨時(shí)支護(hù)措施,Ⅲ級圍巖初期支護(hù)措施為?22 mm藥卷錨桿,其長度為2.5 m,局部打設(shè),初支噴射C25混凝土,厚度5 cm。

4.2 洞室開挖及裂渣運(yùn)輸

導(dǎo)洞及拆卸洞室采用液壓劈裂技術(shù)完成開挖,開挖完后按設(shè)計(jì)要求及時(shí)施作初期支護(hù),仰拱及時(shí)封閉成環(huán)。

出渣時(shí)采用裝載機(jī)1臺(tái)、挖掘機(jī)1臺(tái)配合3臺(tái)自卸汽車。在進(jìn)行出渣清底以及仰拱襯砌施工過程中,為確保上臺(tái)階的開挖支護(hù)施工,采用仰拱棧橋跨越仰拱工作面。中導(dǎo)洞開挖如圖10所示。

圖10 中導(dǎo)洞開挖

4.3 拆卸洞初期支護(hù)

拆卸洞初期支護(hù)襯砌類型見表1。

表1 紫荊隧道拆卸洞室支護(hù)參數(shù)

4.4 其他控制要點(diǎn)

(1)導(dǎo)洞坡度控制,要保證施工機(jī)械能正常進(jìn)出作業(yè)。

(2)上臺(tái)階反挑開挖時(shí),靠導(dǎo)洞側(cè)臨空施工安全防護(hù),加強(qiáng)人員值班值守,觀察圍巖變化情況及對圍巖加強(qiáng)監(jiān)測,出現(xiàn)異常情況,人員及時(shí)撤離掌子面。

(3)拆卸洞兩側(cè)端頭按設(shè)計(jì)要求留足二襯施工襯砌厚度,開挖尺寸要預(yù)留出二襯關(guān)模等施工空間;對兩端掌子面進(jìn)行徑向錨桿加強(qiáng)支護(hù)并噴砼封閉,防止掌子面擠出,確保安全,拆卸洞室兩側(cè)端墻施工如圖11所示。

圖11 拆卸洞室兩側(cè)端墻施工

(4)隧道內(nèi)安排專人對通風(fēng)風(fēng)速、有毒有害氣體等進(jìn)行監(jiān)測,出現(xiàn)異常情況,及時(shí)組織人員進(jìn)行撤離。在掌子面附近安裝炮霧機(jī),降低隧道內(nèi)粉塵含量,掌子面炮霧機(jī)降塵如圖12所示。

圖12 掌子面炮霧機(jī)降塵

(5)采用物探+鉆探的方式進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào),與原設(shè)計(jì)進(jìn)行對比,確定支護(hù)參數(shù)。

(6)加強(qiáng)監(jiān)控量測,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與初始值進(jìn)行對比,若超限則及時(shí)采取加強(qiáng)觀測、停工并加強(qiáng)支護(hù)等措施,防止洞內(nèi)初期支護(hù)發(fā)生較大變形與明顯損傷。開挖過程中對監(jiān)控量測埋設(shè)進(jìn)行加密,并持續(xù)對監(jiān)控量測進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測值與初始值對比得出拱頂最大下沉值為4.3 mm,邊墻最大收斂值為4.0 mm。進(jìn)口段同圍巖級別巖性采用鉆爆法施工最大拱頂下沉及邊墻收斂值達(dá)到21.0 mm,對圍巖擾動(dòng)較大;此開挖方法對圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響和擾動(dòng)程度均降低,滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(7)嚴(yán)格質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及程序,上一道工序驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一道工序。

(8)制定應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行演練,確保能及時(shí)應(yīng)對各種突發(fā)情況。

5 實(shí)施效果

(1)開挖進(jìn)度方面:紫荊隧道位于生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi),TBM拆卸洞室采用鉆劈非爆開挖,每天可完成約2 m的施工進(jìn)尺,開挖方量約160 m3/d,工序銜接合理,工效顯著。

(2)開挖質(zhì)量方面:隧道開挖嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)輪廓線布設(shè)周邊眼,開挖前由測量人員精準(zhǔn)放出開挖邊線,以控制隧道超欠挖,超欠挖均控制在6 cm以內(nèi),減小噴射混凝土超耗,節(jié)約了隧道施工成本,提升管理效益。

(3)開挖對環(huán)水保影響方面:由于施工工藝所具有的特性,實(shí)際施工中噪聲低、振動(dòng)沖擊小、無粉塵,施工環(huán)境中無有害有毒氣體,符合綠色施工要求,施工作業(yè)環(huán)境顯著改善。

6 結(jié)束語

根據(jù)都四項(xiàng)目紫荊隧道特大斷面TBM拆卸洞室開挖施工的實(shí)際情況,可以有效地維護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,減少圍巖的擾動(dòng)、確保施工進(jìn)度,質(zhì)量安全得到有力的保障,減少了項(xiàng)目成本,環(huán)保、可控性強(qiáng),液壓劈裂技術(shù)在不能進(jìn)行爆破施工的隧道中具有廣闊的推廣前景。