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闹枝特长隧道施工技术研究

作者:王新川; 雷阳传; 崔华锋; 雷凡  发布:2017/5/25  浏览:
单位:中建六局桥梁有限公司

摘 要:为解决闹枝特长隧道施工中洞口浅埋段进洞安全,长距离空压机拱压困难和供电结合,洞口与自然景观的结合以及洞内防排水等问题,针对闹枝隧道作为特长隧道的自有特点,采取了其施工中洞口景观绿化与自然的结合、开挖不同围岩的方法、防排水以及供电与供压缩空气中风包的利用等一系列措施。不同的难点采取不同处理,使得闹枝隧道顺利完成贯通和交工。

0 引言

公元前 2180 ~ 前 2160 年,在幼发拉底河下修建的一条约 900m 长的砖衬砌人行通道,是迄今已知的最早用于交通的隧道,它是在旱季将河流改道后用明挖法建成的。中国最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石门隧道,建成于东汉永平九年(公元 66 年)。17 世纪和 18 世纪,随着运输事业的发展和技术的进步,尤其是工程炸药的应用,修建通航隧道和道路隧道的工程也发展起来。19 世纪铁路建筑的发展促使隧道工程迅速发展,修建的隧道数量也很多。20 世纪以来,汽车运输量不断增加,公路路线标准相应提高,公路隧道也逐渐增多。如今的隧道施工技术已经越来越成熟,陕西秦岭终南山隧道、甘肃大坪里隧道等的建成都是中国在世界上领先水平的施工技术的体现。隧道施工中有着共性的施工难度,也有着每个隧道特有的难点,但特长隧道的施工一直是各类隧道施工中难度最大的类型之一[1] 。

1 工程概况

闹枝隧道是鹤大高速靖宇至通化段最长的一座特长隧道,也是吉林省目前贯通的隧道中最长隧道,其为分离式隧道,左幅长度3 181m,右幅3 200m。双向四车道高速公路,设计速度 80km/h。

隧道区位于长白山西南麓支脉岗山岭腹地,山体总体走向北东,周围群山叠嶂,海拔标高447 ~1 135m,为中低山地貌。隧道经过区段海拔高度447 ~605m。山体坡脚 13° ~ 43°,北东侧洞口(进口)较陡,坡度 30° ~ 43°,顶部有陡崖,西南侧洞口(出口)坡度 13° ~20°,最低海拔高度 453m,最高海拔 586. 80m,相对高差 133. 80m。区内大部分地段被第四系残破积物覆盖。隧道区气候属亚温带大陆性季风区,冬季寒冷漫长,夏季短暂温热多雨。

洞口段为 V 级,洞身段为 III ~ V 级间断分布,洞身左幅 V 级总长度 641m,右幅 V 级长度 607m。

2 施工中的重点及难点

作为特长隧道,闹枝隧道既有着普通隧道共有的问题,也有着其特有的特点,现就闹枝隧道施工过程存在的问题进行研究。

2. 1 洞口浅埋 V 级段的开挖

在闹枝隧道开挖施工中,其进洞过程以及浅埋段都是不可忽视的难点。闹枝隧道山体坡脚 13° ~43°,北东侧洞口(进口)较陡,坡度 30° ~ 43°,顶部有陡崖,西南侧洞口(出口)坡度 13° ~ 20°,都存在洞口段浅埋的问题。

2. 2 隧道防排水以及防渗漏

隧道的防渗漏是关键环节,尤其在东北地区,存在冬天上冻问题,如果隧道渗漏后再经过冻胀破坏,很容易影响二次衬砌混凝土的强度,同时隧道渗漏结冰之后路面容易打滑,影响通车安全。

2. 3 隧道开挖过程空压机提供压缩空气

随着隧道开挖深度的增加,空压机提供压缩空气存在不够现象,影响施工效果和进度。

2. 4 隧道供电

隧道供电需要考虑洞内施工,洞外生活区以及洞渣利用区(碎石场),及随着后期空压机的增加带来的供电压力。

2. 5 洞口植被保护

公路所经过的地区为长白山腹地,区内植物种类十分丰富,而本着尊重自然,保护优先;借景为主,优化景观的施工原则。这就需要洞口开挖过程中对现有植被进行保护,增大了施工难度。

3 对施工难度和重点的解决方案

3. 1 施工开挖方案

洞口段是隧道开挖的难点,它的施工在最开始应放慢进尺,以保证安全进洞为首要,这就需要根据不同的围岩等级采取不同的施工方法。在闹枝隧道洞口 V 级围岩选用 2 个施工方案,对右洞进口(RK361 + 222. 00—RK361 + 280. 00),右洞出口(RK364 + 275. 00—RK364 + 380. 00),左洞出口(LK364 +306. 00—LK364 +356. 00)这 3 段 PYQM5(偏压浅埋 V 级)选用单侧壁导坑法,对左洞进口(LK361 +215. 00—LK361 + 290. 00)、QM5(浅埋 V级)、SM5(深埋 V 级) 选用环形开挖留核心土开挖法[2] 。

在进洞后我们对 SM4(深埋 IV 级)采用台阶法施工,SM3(深埋 III 级)采用光面爆破,全断面开挖。各施工方法和示意如下。

1) 单侧壁导坑法施工顺序为:①小导管注浆预支护;②先行导洞上台阶开挖;③先行导洞上半断面初期支护及临时支护;④先行导洞下台阶开挖;⑤先行导洞下半断面初期支护及临时支护;⑥先行洞上台阶开挖;⑦后行洞上半断面初期支护;⑧后行洞下台阶开挖;⑨后行洞下半断面初期支护;⑩浇筑仰拱; 瑏 瑡防水层施工,浇筑二次衬砌(见图 1),图 1 中数字为开挖顺序。

图 1  单侧壁导坑法施工顺序示意

2) 环形开挖留核心土开挖法施工顺序为:①小导管注浆预支护;②上台阶环形开挖;③上台阶初期支护;④上台阶核心土开挖;⑤下台阶中部开挖;⑥下台阶侧壁部开挖;⑦下台阶初期支护;⑧仰拱初期支护及浇筑仰拱;⑨防水层施工,浇筑二次衬砌(见图 2),图 2 中数字为开挖顺序。

图 2  环形开挖留核心土开挖法施工顺序示意

3) 台阶法施工顺序为:①超前锚杆预支护;②上半断面开挖;③上半断面初期支护;④下半断面开挖;⑤下半断面初期支护;⑥防水层施工,浇筑二次衬砌(见图 3),图 3 中数字为开挖顺序。

图 3  台阶法施工顺序示意

3. 2 施工中空压机应用方案与隧道供电

由于本隧道为 3 200m 隧道,进出口分别负责1 600m的施工任务,作为较长的用气场合,随着距离的增加需要补充损耗等距离造成的问题。

作为资源再利用的示范点,隧道的开挖洞渣经过试验检测,其生产的碎石可作为隧道和路基的路面基层碎石原料,因此在隧道口弃渣场设置碎石场,这样其用电就增大了隧道变压器的负荷,随着隧道开挖深度的增加,空压机增多,最后会造成变压器限制空压机数量的情况。因此需要从空压机和变压器双方面考虑解决 [3] 。

选择空压机的气量要与所需的排气量相匹配,并留有 10%的余量,总排气量的确定通常的办法是以较小排量的空压机并联取得较大的排气量,随着用气量增大而逐一开机,这样不但对电网有好处,而且能节约能源。

1)排气压力的计算

空压机排气压力越高,所耗电能越多,其压力过低,则不能驱动凿岩风动器具,同时管路还有压力损耗。所以选择安装过程需要通过计算并综合考虑电力和现场实际。计算其最下限压力则为管理损耗的压力降加上实际需要使用的压力。而长管路输送的压力降计算如下:

式中: ΔP 为压力降(bar); I 为从空压机到用气机具的管道长度(m); Q C 为容积流量(L/s); d 为管路管径(mm); p 为管道进口压力(绝对压力)(bar,1bar =10 5 Pa)。

闹枝隧道采用的风动凿岩机 YT28 的工作气压为 0. 4 ~0. 63MPa,管道长度采用隧道长度的一半 1600m,容积流量 20m 3 /min,管路管径 150mm,绝对压力 8bar,带入公式计算得压力降为 0. 055bar,因此闹枝隧道一个口施工选用的空压机排气压力宜为 0. 7MPa [4] 。

2)排气量的计算

一般用以下方法计算:

Q 2 = Σ Q 0 K(1 + ∮ 1 + ∮ 2 + ∮ 3)m 3 /h                           (2)

式中: Q 2 为设计容量(m 3 /h); ΣQ 0 为用气机具消耗量总和; K 为消耗量不平等系数(最大)1. 2 ~ 1. 4;∮ 1 为管道损耗系数,当管道全长 <1km 时取 0. 1; <1. 5km 时取 0. 15; > 2km 时取 0. 2; ∮ 2 为用气设备磨损增耗量系数,取 0. 15 ~ 0. 2; ∮ 3 为未预见的消耗量系数,取 0. 1。

总排气量通过较小排量空压机并联获得,而且在使用过程中根据需要的增加逐一开启,排气量在满足实际需要的同时留有 10% 的余量。在隧道施工中,一般选用多台容积量为 20m 3 /min 的压缩机并联[5] 。

3)隧道供电与气压不够问题的解决

本隧道一开始使用的是固定式压缩机,因此随距离增大移动空压机就不作考虑,可以增加空压机数量。

此处以进口为例,为满足施工,现场从一开始的 4 台空压机到最后的 7 台空压机,在后期施工任务不多的情况下,为满足施工需要,综合考虑增加 1台空压机的成本和变压器负荷(施工、生活区、碎石场)等情况。

最后在施工距离中间找一位置设置储气罐(俗称风包),风包作用是储放空压机产出的压缩气体,有一定的稳压作用,进入风包后的压缩气体突然降压,能一定程度上析出水分。在施工任务不多的情况下,隧道中途增加一个风包可以满足要求,起到一定的稳压作用,使得工作面能完美施工。

3. 3 隧道防排水

为解决隧道防排水,采用多环节保障,做到预防为主,追求不漏,防治结合。从初期支护面到二衬依次采取环向盲沟、环向半圆管、防水板、纵向排水管、横线排水管、竖向集水管等施工措施,保证隧道防排水做到不渗不漏。

3. 4 洞口绿化

隧道施工中洞口景观主要体现“隐”的设计理念,弱化人工痕迹。因此我们施工中从两方面入手,首先,在进洞之前做到尽量少破坏原有植被,能进洞即可,图 4 为隧道两洞中间原有植被保护;其次是后期在洞口上方进行了回填种植土,栽植多种乔木并撒播植草,以彩叶树为特色,提高了行驶车辆的注意力,使洞口景观与周边环境相结合,图 5 为后期栽树植草之后的景观 [6] 。

图 4   隧道两洞中间原有植被保护

图 5   后期栽树植草之后的景观

4 结语

闹枝隧道出口从 2014-05-01 开工,进口从2014-07-01 进洞开工,于 2015-09-30 完成整洞贯通,2016-06-28 交工检验合格,为目前吉林省最长隧道。整个隧道施工过程根据不同围岩选用不同开挖方法,根据现场长度和使用气量,综合现场电量综合决定合理空压机数量,闹枝隧道选用双螺杆空压机,多台数量结合后期隧道中途加气包稳压等措施更是亮点,同时洞内防排水做到不渗不漏,洞口绿化与周边环境完美结合。

摘自《施工技术》

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