特大斷面TBM拆卸洞室鉆劈法施工關鍵技術

夏 平, 高 穩

(中鐵五局集團成都工程有限責任公司,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壁導坑法、CRD法以及分層導坑等開挖方法為主。楊朝洪[1]在城市隧道施工中采用靜態破碎和控制爆破相結合的施工方法。隨著工程技術水平的進步、大劈力液壓劈裂機出現,工程上嘗試將液壓劈裂作為隧道開挖的靜態施工方案[2],并取得了良好的經濟和社會效益。

由于加寬段隧道斷面較大,支護結構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目紫荊隧道為依托工程,對特大TBM拆卸洞室鉆劈法施工進行介紹。

1 工程概況

都江堰至四姑娘山山地軌道交通項目紫荊隧道位于汶川縣映秀鎮和耿達鎮之間,隧道全長10.4 km,隧道最大埋深約709 m,為單洞雙線隧道。在進口附近設置1座橫洞,長238 m,洞身處設置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,后接耿達特大橋,最大坡度37.427‰,設計時速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拆卸洞室三維結構如圖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,巖質為硬巖,巖體較完整,大塊狀砌體結構,節理裂隙較發育,地下水較發育,局部出現滲水現象,拱部、側壁基本穩定。本段埋深為382～398 m,隧址區Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度0.20g。地下水主要類型有基巖裂隙水、構造裂隙水,段內地下水對混凝土結構無侵蝕性。

2 總體施工方案

2.1 拆卸洞室結構及施工設計

紫荊隧道斜井正洞進入拆卸洞前需在非爆開挖段提前預留導坑平臺,為開挖導洞做準備;提前在非爆開挖段填充面上預留18.56 m作為起坡點,進入拆卸洞交界位置非爆開挖頂面高度與導洞斜坡之間高差為5 m,便于臺車或罐車能上下自由通行,坡度為12.8%;上挑導坑尺寸為7.31 m寬×5.93 m高(利用現有開挖臺車);施工至最后10 m后,預留一處4 m斜坡至平臺,斜坡坡率為1∶1,便于調整施工縱坡,噴射混凝土罐車能開至此處進行拱頂噴砼,滿足施工條件;最后8 m上挑至拆卸洞拱頂,拱頂到位后開始兩側擴挖,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口方向掘進,TBM拆卸洞室橫斷面及導洞斷面如圖3所示。

圖3 TBM拆卸洞室橫斷面及導洞斷面(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、下三層臺階,共四個區段,上部拱形段分為1、2區,中下部分為3、4區。

(2)首先,利用定制的開挖臺架在達到拆卸洞之前18.56 m位置開始向上挑挖,以中導洞形式向上挑挖66.56 m后到達TBM拆卸洞頂部。其次,水平向前、左、右方進行擴挖出上部拱形斷面(設置8 m施工平臺),上部采用先中間后兩邊的分部法開挖。第三步,當TBM端上部拱形斷面擴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區擴挖完成后,開始施工下部3、4區,下部采用上下臺階法施工,以先上臺階3區(中層)后下臺階4區(下層)的順序,從非爆開挖施工段向TBM段方向進行施工。

3 拆卸洞鉆劈法施工

3.1 液壓劈裂機工作原理

液壓劈裂技術的實現主要依賴于液壓劈裂機的使用,常見的劈裂機由液壓缸、活塞桿、控制閥、輸油管、楔塊等組成。施工時通過在工作面上打孔后將劈裂機的劈塊端置入孔內,再通過液壓動力站輸出的超高油壓而產生的巨大推動力來驅動楔塊組中的中間楔塊向前伸出,推動劈塊向兩邊擴張,從而在孔壁上造成強大的擴張力來致使巖石破裂[2]。

與傳統的炸藥爆破相比,鉆劈法施工具有無震動、無飛石、無毒氣、無污染、無須煩瑣的申報手續、運輸和使用安全等特點[4]。

紫荊隧道所選用的劈裂機型號為博奧FL300,設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 劈裂參數確定

3.2.1 孔深確定

紫荊山隧道圍巖級別為Ⅲ級,按設計要求進尺不得超過3 m,對于劈裂孔直徑設計未作要求由設備決定;劈裂孔孔深根據現場循環作業時間及機械性能決定采用1 500 mm,既滿足設計要求同時也滿足機械性能要求。

3.2.2 周邊眼鉆孔尺寸確定

周邊眼根據潛孔鉆機械性能及功效確定,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

根據現場實測,本段施工圍巖以花崗巖為主,巖石完整性較好,單軸抗壓強度σc=130.5 MPa,單軸抗拉強度σt=4.0 MPa。

需要驗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為單軸抗壓強度。當布孔間距L=500 mm時,劈裂機產生的分裂力q1需滿足[7]:

式中:q1為劈裂機產生的分裂力;F為邊界修正因子,取F=0.2。

該型號的劈裂機理論分裂力為45 MPa,計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)

每循環開挖后檢查施工進尺及周邊超欠挖情況,總結分析數據異常情況,及時修正各項鉆劈參數。劈裂槍施工現場及相關工況如圖7～圖9所示。

圖7 劈裂槍施工現場圖8 鉆劈施工圖9 鉆劈后渣石形態

4 拆卸洞開挖支護施工

導洞及拆卸洞室均采用鉆劈法進行開挖,根據圍巖情況按設計要求采用臺階法施工。

4.1 導洞臨時支護

導洞開挖一個循環后須采取臨時支護措施,Ⅲ級圍巖初期支護措施為?22 mm藥卷錨桿,其長度為2.5 m,局部打設,初支噴射C25混凝土,厚度5 cm。

4.2 洞室開挖及裂渣運輸

導洞及拆卸洞室采用液壓劈裂技術完成開挖,開挖完后按設計要求及時施作初期支護,仰拱及時封閉成環。

出渣時采用裝載機1臺、挖掘機1臺配合3臺自卸汽車。在進行出渣清底以及仰拱襯砌施工過程中,為確保上臺階的開挖支護施工,采用仰拱棧橋跨越仰拱工作面。中導洞開挖如圖10所示。

圖10 中導洞開挖

4.3 拆卸洞初期支護

拆卸洞初期支護襯砌類型見表1。

表1 紫荊隧道拆卸洞室支護參數

4.4 其他控制要點

(1)導洞坡度控制,要保證施工機械能正常進出作業。

(2)上臺階反挑開挖時,靠導洞側臨空施工安全防護,加強人員值班值守,觀察圍巖變化情況及對圍巖加強監測,出現異常情況,人員及時撤離掌子面。

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

圖11 拆卸洞室兩側端墻施工

(4)隧道內安排專人對通風風速、有毒有害氣體等進行監測,出現異常情況,及時組織人員進行撤離。在掌子面附近安裝炮霧機,降低隧道內粉塵含量,掌子面炮霧機降塵如圖12所示。

圖12 掌子面炮霧機降塵

(5)采用物探+鉆探的方式進行綜合超前地質預報,與原設計進行對比,確定支護參數。

(6)加強監控量測,根據監測數據與初始值進行對比,若超限則及時采取加強觀測、停工并加強支護等措施,防止洞內初期支護發生較大變形與明顯損傷。開挖過程中對監控量測埋設進行加密,并持續對監控量測進行數據分析,根據現場實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到21.0 mm,對圍巖擾動較大;此開挖方法對圍巖結構穩定影響和擾動程度均降低,滿足設計及規范要求。

(7)嚴格質量驗收標準及程序,上一道工序驗收合格后方可進行下一道工序。

(8)制定應急預案并進行演練,確保能及時應對各種突發情況。

5 實施效果

(1)開挖進度方面:紫荊隧道位于生態環境保護區內,TBM拆卸洞室采用鉆劈非爆開挖,每天可完成約2 m的施工進尺,開挖方量約160 m3/d,工序銜接合理,工效顯著。

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

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

6 結束語

根據都四項目紫荊隧道特大斷面TBM拆卸洞室開挖施工的實際情況,可以有效地維護圍巖結構的穩定,減少圍巖的擾動、確保施工進度,質量安全得到有力的保障,減少了項目成本,環保、可控性強,液壓劈裂技術在不能進行爆破施工的隧道中具有廣闊的推廣前景。