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———文章编号:10094539(2018)增2002205・科技研究・软塑性黄土隧道斜井挑顶施工技术研究靠%(中铁二十二局集团第五工程有限公司重庆400042)摘要:隧道斜井与正洞交叉口挑顶施工是工程质量与安全控制的薄弱环节。文章针对银西高铁上阁村隧道斜井与正洞交叉口的沉降变形问题,结合软塑性黄土地层水敏性高、承载能力低等特点,分析了交叉口挑顶过程中出现“”“支护变形过大的原因,提出了抗压衬砌+门架支护措施,并开展了现场实际工程应用。监测结果表明抗压衬砌”+门架支护措施有效地控制了斜井挑顶施工拱部沉降变形,避免了交叉口薄弱段突发坍塌的风险,适用于软塑性黄土地层隧道斜井与正洞交叉口挑顶施工支护,研究结果对类似工程具有一定的借鉴与指导意义。关键词:软塑性黄土斜井挑顶施工技术中图分类号:U445.4文献标识码:A+BDOI:10.3969/j.issn.1009.4539.2018.S2.006RoofRippingConstructionTechnologyforSoftPlasticLoessTunnelInclinedShaftChangYan(ChinaRailway“228BureauGroup…5EngineeringCo.Ltd.,Chongqing400042,China)Abstract:Theconstructionofenteringintothetunnelattheintersectionoftheinclinedshaftistheweaklinkoftheprojectqualityandsafetycontr01.ThearticleaddressedtheproblemsofsettlementanddeformationattheintersectionofaninclinedshaftinShanggecunTunnelof—’YinchuanXiall—HighspeedRailway,combiningwiththewatersensitivityandlowbearingcapacityofthe—softplasticloesslayer.Then,itanalyzedthereasonfortheexcessivedeformationofsupportduringtheprocessofroofripping,putforwardthesupportmeasures“—ofpressureresistinglininganddoor”frame,andcarriedoutthepracticalengineeringapplicationinthefield.Themonitoringresultsshowthatthesupportmeasurescouldeffectivelycontrolthesettlementdeformationofthearchintheroofrippingconstructionofinclinedshaft,avoidingtherisksofsuddencollapseatweakintersections.Itisapplicabletotheconstructionsupportingofenteringintothetunnelattheintersectionoftheinclinedshaftinsoftplasticloesslayer,andtheresearchresultshavecertainreferenceandguidancesignificanceforsimilarprojects.Keywords:softplasticloess;inclinedshaftroofripping;constructiontechnology1研究现状黄土自身地质结构不稳定,黄土的含水量对隧道的稳定性影响也非常显著¨。2J,高含水率黄土大断面隧道,易产生支护结构塑性变形、坍塌等工程病害。对黄土隧道的工程地质特性评价日J,基于内力和变形实测数据与模拟数据的隧道形态影响的变化规律研究Ho等,是近年来黄土隧道工程主要的——收稿日期:20180320基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017G007.G)作者简介:常岩(1982一),男,工程师,主要从事铁路隧道工程施工技术管理的工作。研究内容。黄土隧道斜井挑顶施工,在郑西、大西、宝兰、太中银铁路及蒙华铁路等铁路线修建过程中,总结了良好的经验。张智军M1结合郑西客运专线函谷关隧道1号斜井挑顶,采用小导管超前支护和钢支撑支护围岩,利用临时脚手架辅助,分5次边开挖边挑顶,施作CRD中壁支撑和临时仰拱进行分部开挖,该法在高含水率黄土地段塑性变形控制有∞一定局限性;赵生彬,辛军响o在大西线乔家山隧道3号斜井进正洞挑顶施工中采用小导洞内施作套拱,再在套拱保护下按正洞设计进行开挖和初期支护的施工工法,其工序较为复杂;唐锐一1结合六盘22铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018t增2)万方数据・科技研究・山隧道2号斜井挑顶,采用在斜井近接隧道正洞区段扩大斜井断面,使斜井拱顶高程平齐于正洞拱顶高程,再于交叉口处转化为门型洞室开挖,然后在门型洞室内侧支立正洞钢架,与交叉口处斜井扩大钢拱架连接形成担梁结构的施工方法进行挑顶,该法不利于软弱围岩变形控制,加大了超挖回填量。目前,针对大范围高含水率软塑性黄土地段斜井进正洞挑顶施工技术研究,可借鉴的成果或经验非常少。2工程概况新建银川至西安铁路上阁村隧道穿越董志塬,起讫里程DK207+517.55~DK214+300,全长6782.45m,隧道纵坡为25%o的上坡,设l号和2号斜井工程辅助正洞施工,l号斜井与正线相交里程DK211+200,全长503nl,平面交角73。,线路设纵坡11%,为无轨双车道运输断面,斜井洞身均为V级围岩,斜井进正洞段穿越软塑黄土。斜井与正洞相接段纵断面设计见图1。①!三!!!塑垂芏:i!堕g}黏贯黄土谤0。fk土工布3.1.1交叉口段门架方案为提供穿越软塑性黄土地段斜井与正洞交叉“口处正洞钢架稳定的落脚支点,形成类似简支梁”拱结构旧J,拟在斜井与正洞平面交叉口处,增加刚度、强度较大的门型架提供挑顶之后正洞钢架的坐落平台,设计为5榀125a拼焊而成的门型钢架,安装于斜井拱顶上,门型架横梁长11.54m,边柱高8.12m。正洞钢架落脚于门架上,正洞初期支护钢架受∽围岩压力拱作用J,通过门架将力传递给边墙底板基础及斜井复合式衬砌结构上,以控制围岩压力拱过度发展引起的沉降、变形。斜井挑顶搭设门架设计如图2所示。3.1.2小导洞方案“”按照先小导洞开挖,再立挑顶钢架的顺序,沿斜井中部向正洞洞身拱部爬坡范围内每间隔60cm架立一榀小导洞支护钢架,高度超过正洞设计开挖轮廓线外40cm(即预留沉降量40cm),以便于安装正洞钢架,导洞为120a门型框架支撑结构,底部设横撑封闭成环,共设置22榀,均为单独设计。图1斜井与隧道正洞相接段纵断面设计隧道区内第四系松散层孔隙潜水补给主要为大气降水的垂直人渗、地表水的侧向及下渗补给。在DK210+567~DK2Il+300段洞身穿越软塑性黄土、DK211+300~DK211+?50隧道基底穿越软塑性黄土层。钻探取土样测定,黄土层含水率25%~28%,液性指数IL>O.5,判定在斜井与正洞交叉段土体主要呈软塑性黄土,工程性质较差,易发生变形和塌方。3技术方案3.1初步方案按照挑顶施工技术方案原理,结合原设计复合式衬砌结构,2号斜井挑顶施工确定初步施工技术方案。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY小导洞钢架支腿与水平横梁部分采用焊接,每个支腿部位上下各打设4根长度2.0m、,1,42锁脚锚管,拱部打设研2超前小导管,设L=3.5m、间距40cm。导洞钢架挂蛳钢筋网,@20cmx20cm,喷25cm厚C25混凝土。斜井挑顶小导洞设计如图3所示。图2斜井挑顶搭设门架设计(初步方案)2018l增2)23万方数据・科技研究・们2超前小导管,1=3.5m图3斜井挑顶小导洞设计(单位:mm3.1.3挑顶异型钢架导洞自正洞左侧边墙开挖至右侧拱腰后,不拆除导洞拱部横梁,直接安装5榀正洞异型钢架,钢架右侧坐落在斜井口部125a门架的横梁上,横梁上按60em间距安装有法兰盘,采用高强螺栓连接牢固;钢架右侧打设4根长4ITI+42锁脚锚管锚固在岩土上,安装连接筋和网片后喷射混凝土,安装围岩监测元件,加强监测。交叉口正洞挑顶钢架设计如图4所示。正洞异型钢架与门架连接背后空洞用喷射混凝土填满。右侧拱腰处钢架焊接纵向132a连接槽钢,为增加拱脚稳定性,底部加垫2根20X20cm木枋。2号斜井挑顶实施后,对门架及挑顶后钢架通过监控量测数据分析,门架累计沉降147mm,正洞拱部累计沉降185.6mm,且斜井井身衬砌出现环向裂缝,判定交叉口底板基础出现不均匀下沉,从而引起整体沉降。图4交叉口正洞挑顶钢架设计(单位:mm)3.1.4初步方案结构稳定影响分析结合初步设计方案,应用MIDASCTS网格单元对斜井挑顶过程的结构稳定性、变形规律进行数值模拟分析。(1)参数选取斜井、正洞设计参数:斜井%。。拱墙设116型钢钢架,间距1榀/m,C25喷射混凝土厚度23cm,拱墙衬砌厚40cm,底板厚40cm;正洞为Ve复合衬砌支护结构,C25喷射混凝土厚度35cm,型钢钢架间距60cm,采用125a型钢。按照等效原则,将钢架的弹性模量折算给初期支护喷混区,折算弹性模量计算公式:E咄+学式中,E为通过折算后混凝土弹性模量(MPa);E。为素混凝土弹性模量(MPa);S。为钢拱架横截面积(ITl2);Js。为混凝土横截面积(in2);E。为钢拱架的弹性模量(MPa)。各项材料的具体各参数如表1所示。表1材料模型的物理力学参数指标密度/内摩内聚力/弹性模量/材料总类泊松比(kg・m。)擦角/(o)MPaGPaV级围岩2400280.2O.35O.15地表岩体240035035O.35O.4C25喷射2500O.232.8混凝土l临时支撑7700O.25210(2)有限元计算模型根据弹性力学理论,隧道外计算区域大于3倍洞径时可满足要求。本模型水平计算均取5倍以上隧道直径,向下取5倍以上隧道直径,形成一个160m×100m×60m的立方体计算区域,再在上部按实际地形加入地面模型。有限元模型如图5所示。单元根据材料特性不同,分别建立土体单元,衬砌单元、钢架单元。荷载为z轴竖向重力荷载,同时模型需要考虑孑L隙水压,在正洞顶部施加水位面。本次考虑斜井挑顶沉降的重点在于挑顶钢架的沉降差值以及最大沉降值,因此把观察点定在门架、挑顶支护钢架的拱部和边墙,如图6所示。—————P1一惭●-・IlI--~誓图5上阁村隧道1#斜井挑顶有限元计算模型图6斜井与正洞交接段支护有限元计算模型(初步方案)24铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(增2)万方数据・科技研究・(3)交叉口门架变形规律图7显示,交叉口门架沉降位移最大值约为152mm,发生在拱部区域。(4)小导洞及挑顶钢架变形规律图8中显示,挑顶钢架拱部沉降值约为214mm,异型钢处沉降位移约为182mm。图7交叉口门架沉降分布图8挑顶钢架沉降变形分布由图7~图8结果可以看出,2号斜井按初步方案实施挑顶时,斜井交叉口处的围岩z方向位移和最大主应力最大。交叉口处门架底部为软塑性黏质黄土,随着正洞钢架落脚于门架上,门架竖向产生较大沉降,从而引起正洞内支护钢架整体竖向沉降变形,与现场监测数据情形基本一致。3.2挑顶加强段技术方案研究3.2.1斜井进正洞加强段复合抗压衬砌设计考虑1号斜井进正洞软塑黄土地段围岩应力一应变条件,斜井初期支护加大预留变形量H叫至15cm,斜井衬砌加强段加长为20m。抗压复合衬砌段支护参数:全断面设120a型钢钢架,间距0.6m,共计33榀;曲墙带仰拱抗压衬砌采用C40钢筋混凝土,结构钢筋采用双层堂20mm钢筋,主筋间距20cm。斜井加强段加强衬砌设计如图9所示。c30初期i护17cm预留变形沉降量15cm防水扳、土工邳lC401N筋砼衬砌厚50cml壁堑塑丝叠垒窒J。.图9斜井与正洞交叉段加强衬砌断面设计铁道建筑技术RAILWAYCO~S丁RUC丁『0~丁ECH~OLOGy斜井加强段初支钢架采用由正交90。向斜交73。逐步过渡的方法,即初支钢架扇形过渡至与正洞平行,斜井中轴线方向拱架分布间距63cm,每榀钢架转向1。,共计17榀完成17。的转向,最后1榀钢架与边墙平行。斜井与正洞交叉段平面设计如图10所示。C30条形基础.100cmx80cmx60cm墨!±!塑:堕斜井加强抗压≥1丽砸而正萄确蕊皤十井拱架扇形过渡1段.长10m.120b钢架共17ta,.尺寸渐变世堂婪匹㈣钢架净宽3・5mxo+4q028T队挑项导洞装置门型刹基础钢板,75cmc30条形基础,100cm—_;忑矿面i葡百F图10斜井与正洞交叉段加强衬砌断面设计3.2.2斜井与正洞交叉段门架设计于交叉口处,采用并排架立5榀125a拼焊的型钢门架,门梁搭设在斜井拱部。门架横梁、立柱连接均采用螺栓连接。为加强门架整体稳定性,门架立柱底部设置混凝土条形基础,横截面尺寸1.87mx0.6m,长1.0m,工字钢脚焊接钢板,与条形基础预埋钢板采用M27x70innl高强螺栓连接。为抑制沉降,门架钢拱架设置仰拱钢架,与斜井仰拱初支钢架设计一致,置于斜井仰拱两榀钢架间,并喷射混凝土形成整体。斜井与正洞交叉段支撑门架设计如图11所示。[]苤12』!C30初期支护27cm预留变形沉降量15cm防水板、土工布C40钢筋砼衬砌厚50cm斜井内轮廓净空。l搿f’I。ll正洞125a初支钢架@60cm]’}}}}I’j}=125a竖撑Ⅲ∥}J《蚕;秀i蓠謇凶、心lill125a竖撑帮焊钢板帮焊钢板蒸!磷41D×150x16mm斜并120b钢架[32agk向150×150×16mill、。输r连接槽钢§门架脚焊接IYA/俑}连接钢板\I黝\劢一一门架脚焊接£彰iillilJ獬K乏姜连接钢板们2锁脚锚管卜r%L--4・5…m:眵Z187L/829n87’L)go前_混凝土条形墓础厂/c40仰拱钢筋砼,1踟匏锁脚锚管100cmx60cm/最厚115cm/L=4.5m正洞仰拱贯通搭接/C30初期/混凝土条形基础图11斜井与正洞交叉段支撑门架设计2018{增2)2S量一堕,焊护一显砌一蛇一洲拼支夏一盐三|川渤Ⅺ期一留一次一怼一坦譬一黯剖面蚓耳.I№o嚣嚣孽g嚣嚣器蒌鋈鬟1M-!l三三三lI—棼眨kEk万方数据・科技研究・在靠近正洞侧设置一道变形缝,防止由于不均匀沉降而产生裂缝。考虑正线隧道与正洞拱顶高差大,导洞首次开挖时将土方填筑至斜井正洞内,填筑坡道坡率33%,待导洞开挖掘进3m后,进行第二次夯填土石填筑坡道,爬坡坡率21%,爬坡段19.5m。正洞与斜井挑顶纵断面设计如图图15斜井加强段门架竖向沉降分布图16斜井挑顶段挑顶钢架竖向沉降分布图13斜井加强段近接正洞10m范围竖向沉降分布(2)交叉口门架加强变形规律分析(见图14一图15)图14交叉口门架支护有限元计算模型图15中显示,交叉口门架沉降位移最大值约为44r13lTl,发生在拱部区域。(3)挑顶变形规律分析图16中显示,挑顶钢架拱部沉降值约为126mm。挑顶加强段对控制正洞内拱顶沉降有效。铁道建筑技术图17交叉口监测断面测点布置示意从各监测项目变形累计值统计情况如下:(1)斜井加强段初期支护:交叉口处拱顶沉降累计沉降最大值一15mm;交叉口处净空变化累计位移最大值一5.4mm(见图18)。垂除速F詈XDK0+459-GD00i萋二--圈lv.v:I{15二。卜、一7斗:j略一1.0}一‘。~、.一一17—————————SL一十,L一一__一≤舔韶瓣礤丽丽驴图181号斜井拱顶累计时程曲线(2)交叉口门架:沉降累计沉降最大值断面测点GD00(一47.3mm)。(3)正洞初期支护:DK211+185累计沉降最大值一97.6mm,交叉口净空变化累计位移最大值一49.07mm(见图19)。(下转第56页)RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLoGY2018l增2l门∽嚣怒盏嚣嚣器瀑滋囊蒜一■■■■■■●盹UUl万方数据・科技研究・[2][3][4][5][6]邱文利.道路桥梁建设中新技术及新材料的应用[J].—交通世界,2016(20):6263.李清凉.新材料新工艺在桥梁修复补强中的应用[J].—交通世界,2017(28):100101.——汤意.一种新桥型无背索波形钢腹板部分斜拉桥[J].公路交通科技(应用技术版),2011,7(6):239~241.李红学,郭红领,高岩,等.基于BIN的桥梁工程设计与—施工优化研究[J].工程管理学报,2012,26(6):4852.郑巧芳,张虽栓.基于ANSYS的桥梁结构优化设计[J].智能城市,2017,3(2):229.[7]王辅圣.下承式钢管一混凝土桁架组合梁施工过程有—限元分析[J].铁道建筑技术,2016(12):1518.[8]吴小峰,孙启国,狄杰建,等.抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较[J].西北地震学报,2011,33—(3):275278.[9]庞元志.大跨铁路连续刚构桥地震力分析[J].铁道建—筑技术,2010(s2):4043.[10]陈常明,陈文光,宋建永.基于GQJS与ANSYS的桥梁抗震计算介绍[J].公路交通科技(应用技术版),2008—(4):115116.———————————————————————————————’—‘—・+一+一+++一+一+一+-+一++一+一卜+卜++卜+-+卜+++卜+一+一+一+++-++++一+・+一+一卜一+一+一+。+一_-+。卜・(上接第26页);,£;,g§,量t'q;,l;,;线中线:2--,=三二离昌溪.善委蠹受.誉蚕蕾.线路中线。Lj、u’u。u。’’线路一擎.们~’∞、i’萌’∞∽\图19正洞监测断面测点布置示意身稳定性差、承载能力低,施工变形控制难度大,而隧道斜井与正洞交叉口挑顶作为施工的薄弱环节,其沉降变形对安全与质量控制至关重要。本文提出堕“”的抗压衬砌+门架支护措施有效地控制了斜井挑顶施工拱部沉降变形,避免了交叉口薄弱段突发坍塌的风险,适用于软塑性黄土地层隧道斜井与正洞交叉口挑顶施工支护,可为以后类似工程提供案例。参考文献监测时间一年一月.日图201号斜井施工大里程段拱顶累计时程曲线由图18、图20可知,随着斜井与正洞交叉口段正洞开挖后,围岩产生塑性变形,在中、下台阶开挖时隧道拱顶沉降逐渐加大;斜井交叉口门架在抗压复合衬砌封闭成环后,沉降变形趋于稳定。交叉口位置存在明显的拱顶塑性区,如果交叉口支护结构强度不足,拱顶压力过度发展达到一定程度时,围岩出现沉降、变形开裂u“”2|,进而产生挑顶段的关门坍塌事故。因此,必须在挑顶实施前,严格加强斜井衬砌闭环及交叉口处支护措施,严控开挖工序,预留足够变形沉落量,加强过程严密监测并提高预警。5结束语银西高铁上阁村隧道软塑性黄土隧道围岩自56铁道建麓技术[1]管振祥.富水土质隧道变形规律的试验研究[J].石家—庄铁路工程职业技术学院学报,2003(2):4549.[2]朱泽兵,张东明.浅埋、富水、软弱黄土地段隧道施工—技术[J].地下空间,2001(2):134137,160.[3]刘生强.浅析黄土隧道的地质环境特性[J].工程技术(全文版),2016,8(8):157.[4]陈福江.黄土隧道围岩含水率变化对隧道形态影响的研究[D].成都:西南交通大学,2008.[5]张智军.双线黄土隧道斜井进正洞挑顶施工技术研究—[J].山西建筑,2007(12):313314.[6]赵生彬,辛军响.软弱围岩大断面隧道斜井进正洞挑—顶施工技术[J].铁道标准设计,2011(s1):132134.[7]唐锐.六盘山隧道大断面挑顶施工技术[J].西南公—路,2014(2):2830.[8]高海毅.公路隧道斜井进正洞交叉口大包法施工技术—[J].建筑技术开发,2016(3):6970.[9]贾涛.软弱破碎隧道围岩压力拱研究现状与发展分析[J].工程技术(文摘版),2016,1(7):211.[10]韦玲,刘忠强.基于MIDAS/GTS的软弱围岩隧道预留变形量研究[J].工程技术(全文版),2017,4(17):—276277.[11]初厚永.大断面黄土隧道围岩变形监控量测技术[J].—现代交通技术,2009(1):6872.[12]孟德鑫,谭忠盛.大断面黄土隧道变形控制技术及支护—受力特征[J].土木工程学报,2015(S1):383387.只A『L¨,AyC0 ̄S丁开L,c丁J0~丁ECH~0正-0GY2018f增2J万方数据
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