新哨坡隧道下穿玉元高速公路施工技术

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  【摘 要】昆玉铁路扩能改造工程新哨坡隧道D3K52+970- D3K53+050段下穿玉元高速公路,铁路隧道拱顶和高速公路路面高差2~3米,其施工难点主要在于如何保证快速、安全的通过。在施工期间,通过总体方案的优化及施工过程中的开挖工法选择、地表及洞内监控量测、增加锁脚“L”型钢筋、采取有效的注浆措施防止沉降、制定合理的高速公路保通方案等安全控制措施来指导现场施工,即满足了进度要求,通了保证了施工安全。
  【关键词】隧道;下穿高速公路;方案比选;施工技术
  1.引言
  隨着我国经济建设的发展,铁路建设也得到了快速的发展,铁路工程建设项目一般线路长,路线既定,在建设过程中难免要穿越各种各样的地质岩层,其中浅埋软弱地层隧道由于地层埋藏较浅,多为风化破碎的隧道围岩,受力情况复杂,易发生围岩坍塌、地表下沉或坍至地表等情况,施工较为困难。以昆玉铁路扩能改造工程新哨坡隧道D3K52+970~D3K53+135段为例,其穿越的地质岩层为弱膨胀土,围岩级别全部为V级,且隧道于D3K53+100处下穿玉元高速公路,高速公路与铁路隧道交角约420,铁路隧道拱顶和高速公路路面高差2~3米,存在着极高的安全隐患。在进行施工时,处理不当极有可能导致较大的安全事故,带来不必要的损失,因此,了解和掌握软弱围岩隧道浅埋段的相关施工技术,提高施工技术水平,对保障施工安全顺利进行,保证工程质量有着十分重要的现实意义。
  2.工程概述
  2.1工程概况
  昆阳至玉溪铁路扩能改造工程新哨坡隧道位于玉溪市红塔区境内,为双线单洞隧道,进口里程为D3K52+450,出口里程为D3K54+420,全长1970m,全隧道为3‰人字形坡。隧道于D3K53+100处下穿玉溪至元江高速公路,下穿长度52.85米,高速公路与铁路隧道交角约420,隧道拱顶和路面高差2~3米,玉元高速公路路基宽24.5米,行车道宽2×7.5米,中央分隔带2.0米,硬路肩2.5米,土路肩0.75米,路缘带宽0.5米,中央分隔带内植草绿化,高速公路路面采用沥青混凝土。平面位置关系见图1.
  图1 新哨坡隧道与玉元高速公路平面位置关系
  2.2总体施工方案比选
  新哨坡隧道为昆玉铁路重点工程之一,而下穿玉元高速公路更是重中之重,隧道下穿玉元高速公路受到了建设单位的高度重视,多次组织咨询、设计、监理等现场勘查,召开技术研讨会。在吸取了各位专家的意见和建议后,我们形成了4种下穿方案。
  (1)过渡后暗挖方案
  为了保证玉元高速公路的安全通行以及昆玉线新哨坡隧道的安全修建,对玉元高速公路进行临时过渡。过渡方案道路等级:临时过渡;设计速度:60km/h;车道数:4(双向);最小曲线半径:170m;最大纵坡:6%;道路宽度:19.5m;路面类型:沥青混凝土;路拱横坡:2%。高速公路改移完成后隧道采用暗挖通过。
  具体施工顺序为:为了保证高速公路的安全通行以及新哨坡隧道的安全修建,对玉元高速公路进行临时过渡,施工顺序:修建施工便线——将高速公路改移到施工便线通行——进行D3K53+050~D3K53+135段暗洞施工——复原高速公路——进行D3K53+050~D3K52+970段暗洞施工,施工便线见图1。
  此方案对高速公路行车影响较小,对原有高速公路路面破坏较少,且工期较短。
  (2)过渡后明挖方案
  过渡方案及施工顺序与(1)相同,只是将D3K53+130~D3K52+970段均采用明挖。
  采用明挖的缺点为对原高速公路路面破坏面积较大,施工时须路政、交警、高速公路管理等部门配合,协调时间较长并产生不可预见的费用;且高速公路中央隔离带埋设有通信、电力、信号等光缆,明挖时容易损坏,后果较严重。
  (3)盖挖法
  高速公路采用单幅双向通行,在封闭车道进行桩基、托梁、盖板施工,然后恢复高速公路通车,在盖板下进行隧道施工。此方案施工时间长,造价高不经济,且对高速公路通车影响时间较长,方案不可行。
  (4)大管棚超前支护暗挖施工方案
  采用一环80米φ159大管棚作为超前支护,暗挖时封闭半幅车道。由于玉元高速公路为连接昆明至曼谷国际大通道的重要路段,且重型货车较多,车流量极大,且高速公路与隧道为斜交,对应车道的隧道衬砌无法一次施工完成,此方案安全风险极大,交通部门及参与施工几方均不同意,此方案不可行。
  通过对以上四种方案的比选,施工采用了方案(1)。
  2.3工程特点
  由于隧道洞顶为高速公路,且隧道断面较大,开挖宽度达14.5米,开挖高度达12.2米,施工时需严格控制下沉量,确保高速公路路面不被破坏。
  高速公路管理单位给出的施工时间仅为3个月,要完成高速公路改移、隧道开挖支护及二衬、高速公路复原的所有工作,时间紧迫。
  3.隧道暗挖施工技术
  3.1支护技术
  在下穿高速公路施工时,隧道拱部144°范围采用超前Φ60mm(d=6mm)中管棚注浆加固,单根长9m,纵向间距3.0m,环向间距0.3m,中管棚预留注浆孔,按梅花型布置,注浆采用M20水泥浆,水灰比0.5:1~0.8:1,注浆压力为0.5~1MPa。通过注浆将拱顶的围岩与原高速公路路面中的碎石层、水稳层进一步连接成整体,为防止开挖过程中的拱顶及路面下沉起到良好的作用。
  初期支护采用喷锚支护,具体参数如下:全环设I20b型钢钢架,间距0.5米,喷射C25砼厚度为27cm,上台阶拱脚设Φ42锁脚锚管,每处4根,中、下台阶每处设2根,每根长4m,各台阶拱脚均设28a纵向槽钢,并焊接牢实,形成纵梁,锁脚锚管与钢架之间增加“L”型钢筋,提高锚管端部和钢架的连接强度。上台阶初支按3米(纵)╳1米(环)预留注浆孔,在铺设防水板之前对初支进行注浆,以防止隧道初支背后脱空造成高速公路路面在通车后下沉。   3.2开挖方法
  结合本隧道下穿高速公路的特点,施工时决定采用三台阶预留核心土法进行施工,开挖时严格按上台阶不超过一榀拱架间距、中下台阶一次不超过两榀拱架间距、仰拱一次开挖时不超过3米,上、中、下台阶的高度控制在3.5-4米。
  三台阶预留核心土法具有如下优点:
  施工空间大,方便机械化施工,可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖,工效较高;在地质条件发生变化时,便于灵活、及时地转换施工工序,调整施工方法;在台阶法开挖的基礎上,预留核心土,左右错开开挖,利于开挖工作面稳定;当围岩变形较大或突变时,在保证安全和满足净空要求的前提下,可尽快调整闭合时间;三台阶七步开挖法规避了CRD法需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素,能及时调整闭合时间,方便机械施工,利于施工工序转换。
  由于浅埋隧道的围岩地质条件较差,因此要尽量减小对其震动,减小对围岩的扰动。特别是开挖时,能用人工或机械开挖的尽量不用爆破,本段隧道施工时,在仰拱地段局部较硬地段采用破碎锤施工。
  3.3地表水处理
  在上台阶开挖之前,根据施工的进度,对D3K53+050~D3K53+135浅埋段周边30m范围内低洼地段进行处理,在外围用砂浆设置临时排水沟,确保地表排水的顺畅;对高速公路浆砌排水沟进行修补,防止渗漏水。
  3.4步距控制
  严格控制各台阶长度,实际施工时按微台阶控制,台阶长度在3~4米,确保初支封闭成环位置距离掌子面不超过15米,二衬距离掌子面距离不超过40米,拆除原12m长钢筋及防水板简易安装台架,在隧道衬砌台车上掌子面方向搭设3m长的临时防水板及钢筋安装台架,每3m一段进行防水板安装及衬砌钢筋的绑扎施工。
  3.5劳动力及机械组织
  根据施工现场实际分析,对施工组织进行调整:维持原三班倒的作业形式,开挖班、喷浆班、立架班各班组增加2~3人,同时喷浆机由2台增加至3台,管棚钻机由1台增加至2台,这样每循环作业时间由10小时缩短至8小时。
  3.6监控量测
  根据本隧道特点,量测项目选用了四项,分别为地质和支护状况观察描述、周边位移;收敛和拱顶下沉量测;地表下沉量测;地表路面、水沟结构物裂缝观测。量测间距5m,每个断面布置7个点,拱顶一个,各台阶左、右对称各一个。地表下沉量测与洞内测点里程一致,量测数据可以相互印证,其布置为沿断面横向每2m布一点,共布15点。通过测点数据整理及拱顶下沉值与时间曲线图的分析,可以看出隧道开挖及初期支护后,拱顶下沉值随时间的增长逐步趋于稳定。仰拱施工后拱顶下沉速率就基本趋于稳定,小于0.1mm/d,拱顶最大累计下沉量为13mm,地表最大累计下沉量为10m,均位于高速公路侧沟处。
  4.本隧道浅埋段隧道施工注意事项
  软弱围岩隧道的施工比一般的隧道施工难度更大,因此更应当注意施工中的一些问题,控制施工质量,以保证施工安全顺利进行。
  4.1施工前注意事项
  工程施工前,应当全面了解和掌握施工现场的具体情况,通过实地勘察等掌握隧道工程的地质、周围自然环境、围岩特点、浅埋土层地下水深度等具体的情况,以确保施工设计方案的科学合理可行。
  4.2施工过程中注意事项
  由于软弱围岩的岩体强度地,岩层荷载力小,在进行超前支护工作时,支护管的长度、管径等须根据穿越长度、现场地质条件及隧道上部上覆土层等具体的施工情况来确定;注浆前,须进行压水试验,同时需对使用的机械设备进行检查,确保其性能可靠;检查管路的连接情况,以保证其符合设计的要求。
  隧道开挖时,通常采取弱爆破、短进尺、强支护、早封闭和及时支护的措施,尽可能少用爆破开挖,减少爆破对隧道周围岩层的影响;合理安排施工时间,浅埋段一般尽量赶在冬季或雨季前完成;在各台阶拱脚设置大拱脚,以减少拱顶下沉速率。
  加大管理力度,实行严格的奖惩措施,要求工人严格按照施工技术交底的有关要求进行施工,减少人为因素对隧道稳定性的影响,同时,加强过程监控机制,对关键部位、关键环节实行全程跟踪旁站。
  5.高速公路施工安全保通主要措施
  5.1封路改道安全保通措施
  (1)施工前认真编制《玉元高速公改移路保通方案》,并经过相关单位评审,接受昆明东管理处玉溪管理所、路政及交警的施工现场安全监管,服从调度和管理,控制车辆在施工范围的行车速度,加强对施工运输车辆的管理,派专人指挥交通。
  (2)标示标牌的设置严格按经审批的施工平面图进行布置,以维持玉元高速公路交通的畅通。指示标牌及导向设施安装前邀请交警进行现场培训,安装完成后邀请交警进行现场摄像,视频资料进行备案存档。
  (3)施工期间,为了保证玉元高速公路的交通行车安全,按照中华人民共和国交通部颁发的《公路养护安全作业规程》相条款设置标志、标牌,并严格按照警告区、上游过渡区、缓冲区、作业区、下游过渡区、终止区准确摆放,其中警告区长度取1600m;车道封闭上游过渡区长度按限制时速40km/h,取50米设置;缓冲区按50m设置;按改路时需要确定;在下游30m设置下游过渡区;在下游40m设置终止区,设置限速取消标示。
  5.2施工人员安全保障措施
  (1)在高速公路施工作业的所有施工人员,在上路作业前由项目部组织进行专门的安全教育,并在现场设置专职安全员对现场交通情况进行疏导、指挥;同时对施工人员施工安全进行监督、检查,如在现场发现违法施工安全的行为,立即进行制止并予纠正。
  (2)所有施工人员必须穿戴有反光标识的服装,夜间施工时,施工人员必须佩带肩灯。不得穿越高速公路,施工作业人员严禁酒后进行施工;不得在封闭的施工区域以外活动、不得在施工区域内睡觉、打闹。   (3)车道封闭时,采用锥形桶对高速公路行车道和施工区域进行隔离,相邻锥形桶采用三角旗彩带连接,防止作业人员及物料、设备进入行车道,影响交通。
  (4)所有施工物料、设备一律堆放在已封闭的车道内。
  5.3车辆运输
  (1)施工車辆均需配备醒目的行车安全标牌,并开启危险信号灯,不得以任何理由在高速公路上掉头、逆行;施工车辆在行驶过程中应主动避让社会车辆,不得在施工区域外随意停放。
  (2)所有车辆一律停放在已封闭的施工区域内。
  (3)加强车辆日常保养及检查,确保刹车、指示系统的正常。
  (4)施工车辆进去安排专人进行引导及值守。
  5.4其它保通措施
  (1)派专人每天定时清扫场内及场外道路路面,以保证路面的清洁,利于行车。
  (2)在施工场地周围悬挂足够的施工警示牌和警示灯,提醒行人及车辆注意安全,夜间在施工区域特殊地段锥形筒上设置小黄灯诱导车辆通行。
  (3)施工过程中,施工区旁如有障碍,在保证安全的前提下及时清除,以免危及行车安全;如在封道路段发生任何交通事故需立即向交警部门报告,并配合交警维持好本路段交通。
  (4)现场施工作业人员及施工车辆应服从交通执法人员和路政巡逻人员的指挥和调遣,对于其现场提出的保通安全方面的问题应及时进行改进。
  (5)施工作业结束后,应首先拆离施工机具和材料,清理路面障碍物,然后依次倒退拆除安全标志,开放交通。
  (6)为避免雨雾天气高速公路行车因道路封闭造成交通事故,由施工单位与气象部门进行联系,准确掌握施工地段气象资料,在连续降雨的情况下,尽量恢复施工路面,如不能及时恢复的,则按《公路养护安全作业规程》(JTG H30-2004)设置相关标志标牌和现场保通人员,解除道路封闭状态,撤除施工作业人员和设备,开放交通。
  6、结语
  经过采取一系列的措施后,整体工期控制在80天,比原计划90天节约了10天,高速公路在临时过渡期间也未发生拥堵事件,为隧道施工创造了良好的施工条件,同时,除高速公路局部浆砌片石水沟需用砂浆修补外,高速公路路面得到较好保护,这证明,软弱围岩浅埋段采用此种开挖及初期支护方法是可行的,隧道施工是安全的,稳定的。通过上述施工实例,我们看出,对于浅埋隧道,只要根据实际情况,采取切实可行的施工技术和工艺,运用科学的监控量测手段,并通过数据分析来指导施工,就能保证施工安全、稳妥、顺利进行。
  参考文献:
  [1]郑峰.浅埋软弱地层盾构隧道施工建筑物沉降分析[J].天津建筑科技,2012,(4)
  [2]黄胜平.高速铁路大断面隧道浅埋段软弱围岩施工方法优化研究[J].铁道建筑技术,2012,(6)
  [3]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB 10753-2010)
  [4]《公路养护安全作业规程》(JTG H30-2004)
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