兰州东岗隧道扩挖设计与施工

兰州东岗隧道扩挖设计与施工

1东岗隧道概况及地下水位包兰线东岗隧道位于兰州盆地东缘。黄河进入黑莓峡谷的顶部，穿过黄河南岸的三个步骤，略微向北倾斜，并沿着分级地形边缘发育小型侵蚀河谷，高度15760m。相对于一级阶地的高差为80m,隧道顶部线路左侧约70m以南为甘肃省化工研究所,右侧为兰州市城关区奶牛场,其余地表为果树、菜地覆盖。隧道平面地形见图1。东岗隧道始建于1956年,起迄里程K984+878.56～K985+453.56,全长575m。进、出口分别位于R=1000m和R=390m的缓和曲线上,隧道进口轨面标高1524.35m,出口轨面标高1521.49m,进口至K985+224.56为曲墙仰拱衬砌,中心排水沟;K985+224.56至出口为直墙无仰拱衬砌,左侧排水沟,碎石道床。1993年电化改造时,由于隧道净空不满足电化要求,采用了以落道为主,拱顶局部凿除,碎石道床改为混凝土宽枕道床的改建措施,并增建了双侧保温水沟及边墙竖向盲沟。1999年在隧道左侧修建了长443m的泄水洞。由于既有隧道边拱混凝土背后无设置防水层,渗漏水没有得到彻底根治,造成局部地段道床翻浆冒泥、边拱混凝土渗漏水逐年加重,衬砌混凝土在含有酸离子地下水的作用下,严重腐蚀剥落,危及行车安全。本工程的主要特点:(1)施工周期长要求从2003年7月1日开始施工到2003年9月30日竣工验收,施工项目多,工期只有3个月。(2)隧道围岩自承载力隧道穿越地层主要为红砂岩,岩层厚度较薄,上方为较厚的松散砂粘土,岩体自承载能力极低,σ0=500kPa,且隧道顶部渗漏水严重,成拱能力极差。(3)混凝土扩挖爆破难度隧道先后进行过两次整治,围岩及洞身混凝土已受到不同程度的破坏,扩挖爆破难度较大。由于隧道年代较久,混凝土强度降低,扩挖施工有一定的危险性。2地下水补径排特征该区属于基座式阶地,具明显的二元结构,地层上部为第四系上更新统洪积黄土质砂粘土,底层为卵石土,下伏上第三系砂岩,地震基本烈度八级。工程地质详见图2。经勘探测试及推测地下水埋深标高1537.5m,比隧道轨面高约13～16m,地下水补给主要为大气降水和地表灌溉水入渗补给,年平均降水量324.5mm,年平均降水天数为71.6天,大气降水入渗给量65.3m3/d,非灌溉期入渗补给量61.3m3/d,年平均入渗补给151.3m3/d。地下水的排泄:一是以泉的形式出露,在隧道进口左侧天沟处有泉水出露,该泉为下降泉,实测流量为13.77m3/d;隧道漏水是地下水排泄的另一种方式,隧道总出水量为100.29m3/d。根据水文地质调查和勘探试验查明,该处水质极差,砂岩中易溶盐含量较高,地下水中含有大量的Cl-(6.8g/L)、SO42-(9.6g/L),具硫酸盐型侵蚀,对混凝土具有强腐蚀性。3积累期3.2地表覆盖层为黄土质砂粘土,陷穴发育,在隧道两侧地表范围内共有31个陷穴,多分布在阶地周边坎坡处,由雨水、灌溉水冲蚀而成。陷穴直径一般0.4～1.5m,深度为0.5～2.0m。阶地东侧陷穴较密集,沿陡坡串珠状的陷穴已发育成冲沟;西侧陷穴沿便道附近成串珠状分布,其下部与暗沟相连通,可见最大深度为3.7m;果园为陷穴多发育区,分布在浇灌渠两侧。在隧道K985+166前后有2个上口直径为10～15m、深约30m的陷穴,分析为未填实的老钻孔被地表水冲蚀而成。这些陷穴易成为地表水下渗的通道,对隧道的防渗会产生不利影响。4隧道衬砌地下水经科研单位分析,包兰线东岗隧道渗漏水、道床局部翻浆冒泥等病害产生的主要原因为:(1)围岩中的C1-、SO42-分别高达9.6～9.8g/L和6.8g～6.9g/L,属腐蚀性地下水,对隧道混凝土具有硫酸盐强腐蚀作用。(2)由于地下水的侵蚀,衬砌深处出现了一定范围的疏松区,导致隧道衬砌有效厚度减少、混凝土强度降低、承载力下降。(3)从地质雷达探测及水的渗漏情况看,衬砌已经有很多贯穿内外的裂纹,形成了衬砌背后地下水渗漏的通道。(4)隧道仰供已经有多处破碎,地下水和红砂岩被侵蚀后形成红胶泥涌入道床中,导致翻浆冒泥,影响了行车安全。(5)隧道顶部地面灌溉水和雨水从陷穴渗入到黄土→卵石土→红砂岩中,不断补给地下水。(6)松散的卵石层进口处缓倾角的红砂岩和“X”节理的切割,形成了地下水富集和排泄的通道。(7)历年来病害整治中所建排水沟、盲管和潜水孔,被红胶泥淤堵,没有发挥应有的作用。5综合治理措施的实施兰州铁路局针对东岗隧道病害情况,组织多家单位通过一年多的分析论证和科研试验成果,经过有关专家对方案的审查、比选,确定整治方案,进行了以下综合治理措施。5.1道入口拨入并入工程中利用宝兰二线新东岗隧道,临时将包兰线从新东岗隧道入口拨入通过,出口线路不动直接进入兰州东站,这样使包兰线东岗隧道病害整治在封闭条件下进行昼夜施工,以保证施工质量,提高施工效率和缩短工期。5.2拆除和重建5.2.1至出口端衬砌(1)新建的端墙式洞门与既有端墙采用锚杆连接,进、出口洞身各接长1.5m,洞门外延,使整治后的隧道长度为578m。(2)入口端至K985+224.56段为曲墙式扩挖衬砌,K985+224.56至出口端衬砌为直墙式扩挖衬砌。(3)进口段K984+877.06～K984+897.06和出口段K985+435.06～+455.06衬砌按地震设防考虑,采用模筑衬砌。(4)隧道K984+897.06～K984+976与K985+045～K985+224.56段采用两层混凝土模筑衬砌,K984+976～K985+045段采用钢筋(钢拱架替代部分钢筋)混凝土,一、二次衬砌合并施工。(5)K985+224.56～K985+435.06段为一次模筑衬砌。(6)附属建筑物①洞内左侧设通信、信号电缆槽,右测设电力电缆槽,尺寸均为25cm×20cm。②洞内按规范要求设置大小避车洞及余长电缆箱。5.2.2缓冲类型既有隧道洞身衬砌全部凿除,按电气化铁路隧道限界重新浇注。Ⅲ级围岩衬砌采用直墙式,Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌及防水层断面见图3、图4。5.2.3支出参数Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩锚喷支护参数见表1。5.3隧道漏水5.3.1透管结构设计(1)隧道一、二次模筑之间和锚喷、一次模筑之间(Ⅲ级围岩按间距5m,Ⅳ、Ⅴ级围岩按间距3m)设置ϕ50mm环向软式透水管盲沟,墙角纵向设ϕ100mm软式透水管盲沟相互连通到侧沟,全断面铺设EVA防水板,外面衬土工无纺布。(2)衬砌施工水平缝顶面留凹槽接茬,槽边进行凿毛,并在槽边设置两道纵向BW-II止水条。隧道环向(含隧底)施工缝也均设置二道BW-II止水条。5.3.2排水系统暗沟排除东岗隧道排水系统与一般隧道不一样,排水坡度与线路坡度相反,隧道线路以5.0‰下坡进入兰州车站,而隧道的污染水不得全部流入兰州市区。新建的水沟采用普通高式(乙式)水沟,比既有线水沟低8cm,水沟每60m为一段,排水先顺坡流入到潜孔排水室,然后通过横洞和既有泄水洞,以3%的坡度反向排至进口洞外的暗沟。水害整治主要是在隧道左、右大小避人洞处,将其既有尺寸扩大,做成潜孔排水室,在潜孔室内向下挖竖井,通过横洞与既有泄水洞连通,形成新的排水系统。每个潜孔室拱部施钻3根潜水孔,左右潜孔室之间在仰拱以下预埋2根ϕ100mm的钢管,左低右高,使隧道右侧水沟的水向左侧排出(图5)。5.4建筑材料5.4.1混凝土结构(1)门的端墙C25防水、防腐混凝土,C25混凝土预制块镶面。(2)喷灰混凝土C20防水、防腐混凝土。(3)洞体支撑Ⅴ级围岩C25钢筋混凝土;Ⅳ级围岩一次衬砌C25防水、防腐混凝土,二次衬砌C25普通混凝土;Ⅲ级围岩一次衬砌C25普通混凝土。(4)弯曲、填充、放置地面C25防水、防腐混凝土。(5)隧道内埋孔室、垂直井和水平孔C25防水、防腐混凝土。5.4.2隧道表面防水、防腐由于砂岩中易溶盐含量较高,地下水中含有硫酸盐型侵蚀,对混凝土具有强腐蚀性。因此,锚喷混凝土、Ⅳ级围岩砂岩段一次衬砌,以及全隧道与水接触的潜孔室、竖井、横洞及仰拱、填充、铺底均采用防水、防腐混凝土,以增强混凝土防水防腐能力。防水、防腐混凝土的主要成分中,掺加水泥用量6%的活性无机外加剂SiKaFfume和掺量为水泥用量1%的高效减水剂SiKaNF-1。6主要施工技术6.1扩挖工作面方案比选既有洞身衬砌拆除重建是东岗隧道病害整治工程的主要项目,病害严重,施工难度大,工期紧。经过多种方案比较和慎重研究,总体施工方案在进、出口地质稍好地段各开1个扩挖工作面。凡在扩挖之前,首先对洞身衬砌进行超前地质探孔,探明衬砌背后病害情况,然后实施空洞预回填、注浆固结围岩措施,扩挖采用超前小导管支护、分层爆破等施工技术。6.1.1病变围岩的加固(1)注浆作业平台由于隧道地表覆盖层为黄土质砂粘土,陷穴发育,隧道内衬砌漏水严重,怀疑衬砌背后有诸多的暗沟空洞。为了保证隧道扩挖的安全,在扩挖之前对隧道衬砌背后进行超前钻孔,查明病害情况,部分探孔可兼作注浆孔,拱墙间距均为200cm,衬砌背后有空洞时适当加长。钻孔时,施工技术人员作详细的地质病害记录,以确定注浆加固围岩的技术方案。作业平台采用ϕ50mm简易钢管脚手架,上铺竹脚板,平台下设2根ϕ100mm的钢管,作为移动作业平台的滑道(图6)。钻孔作业平台共搭设6个,每3个一组支立在进、出口端,其中2台用于超前衬砌钻孔、2台注浆、2台施作既有隧道衬砌拆除的炮眼,当衬砌钻孔完成后,转换为注浆作业平台。超前地质探孔历时10天,钻孔2875个,发现衬砌背后大于0.3m以上的空洞56处,其中较大陷穴空洞2处:K984+998～K985+013长15m、宽3～5m、高均在起拱线上下;K985+033～K985+043长10m、宽2～3m、高在起拱线以下。在Ⅳ级砂岩渗漏水段探明水道3处,其中1处涌水量32m3/d。(2)水泥注浆压力根据探孔衬砌背后为松散围岩无水病害地段,可利用探孔,采用水泥单液注浆固结围岩。注浆参数:水泥浆(水灰比)为0.5∶1～1∶1,水泥采用普通早强水泥,注浆压力控制在0.3～0.5MPa,终压1.0～2.0MPa。注浆结束标准:达到注浆压力后,持续10～20min或吸浆量小于10L/min,压力稳定时间不小于5min。注浆管:采用ϕ32mm钢管,注浆眼孔径为ϕ6～8mm,间距15cm。注浆方法:先注稀浆(0.5∶1),浆液由稀逐级变浓,然后达到1∶1为止。(3)预应力管道注浆有水病害地段主要分布在砂岩地段,施工中采用水泥-水玻璃双液浆的堵水注浆措施,使大部分的渗漏水堵住,以提高隧道结构质量,减少对隧道扩挖衬砌施工的影响。注浆参数:水泥浆(水灰比)1∶1.25～1∶0.8;水泥浆与水玻璃体积比1∶1～1∶0.6,水玻璃浓度35Be;注浆终压1.5～2.0MPa,扩散半径为1.5m。注浆孔:渗水严重地段,以指定的出水点为圆心,除利用超前探孔外,在集中出水点处再等角度增加注浆钻孔,钻孔深度3.5～4.0m,间距80～100cm,钻孔直径50mm。注浆管:采用长3.7～4.2m直径42mm的钢管,3～3.5m长范围设花孔,以保证浆液从周围的孔中流出,钢管注浆眼ϕ8mm、间距10cm,实施一次性压浆。注浆方法:采用跳孔间隔注浆,以出水点为中心,在其周围一定范围内开始注浆,先外圈,后内圈,使层层注浆范围缩小,最后对出水点集中注浆堵水。在注浆过程中如发生串浆,则关闭孔口阀门或堵塞孔口,待其它注浆孔注浆完毕后再打开阀门继续注浆。施工中要注意观察压浆效果,直至达到理想的堵水注浆目的。(4)隧道洞暗沟增装法兰盘等人工暗沟底宽基岩暗沟结构隧道背后暗沟空洞采用两种形式回填注浆。①大于30cm以上的空洞,先用1∶3水泥砂浆进行回填注浆,注浆压力为0.2～0.3MPa;然后改用0.5∶1～1∶1的水泥浆单液注浆,注浆压力为0.3～0.5MPa,终压达到1.0～1.5MPa。②较大暗沟空洞,如K984+998～K985+013和K985+033～K985+043段的空洞处理,必须慎重考虑扩挖安全问题。经研究,人工凿洞开窗,加工法兰盘和与混凝土泵同样大小直径的钢管,伸入洞穴深处,并用螺栓与混凝土泵输送管连接,以既有隧道边拱为边模,采用混凝土泵将C20混凝土输送到洞穴的回填方法。浇筑时由下而上进行浇筑,每浇筑2m高拆除混凝土输送管,停止24小时或待混凝土强度达2.5MPa时再进行上一层的浇筑,以避免既有隧道边拱的垮塌。为了保证回填混凝土的稳定,在洞穴边缘处按1m的间距,再施作注浆锁脚锚管,锚管长5m左右。6.1.2检底、细石混凝土找平、填充和安装法施工洞身扩挖采用上、下二步短台阶扩挖方法,扩挖支护后,进行一次衬砌,接着进行检底、细石混凝土找平、铺防水板、仰拱填充(含铺底)、水沟电缆槽的施工。下面以Ⅳ级围岩扩挖衬砌为例(图7),介绍扩挖衬砌的施工方法。(1)纵向搭接长度扩挖支护采用超前小导管,钢管ϕ42mm,L=3.6m,纵向搭接长度1m,仅拱脚以上设置,每2.4m施作一环,外插角5°～10°,环向间距40cm,小导管与钢架联合使用。(2)眼间距、二次爆破由于既有隧道混凝土与衬砌背后围岩不是同一物质,为减少扩挖对围岩的震动,爆破分二次施爆,一次爆破为拆除既有混凝土,爆眼间距:环向50cm,纵向60cm,孔深20～25cm,角度30°,单孔装药量50～75g;二次爆破采用顺帮钻爆方法,炮眼排距50cm,深度150～160cm,单孔装药量150～175g。上下台阶扩挖距离不大于5m,一、二次爆破距离为150～160cm,上下台阶的一、二次爆破同时起爆。每天循环2次,一个循环进尺1.5m。(3)简易钢管脚手架爆破后向岩面喷4cm的混凝土,然后利用碴体或搭设简易钢管脚手架,施作锁脚锚杆、拱顶锚杆、铺设钢筋网、安装钢架和下循环超前小导管。当钢架、拱顶锚杆和超前支护完成之后,即在各部位施喷混凝土。(4)设拱顶下沉点及收敛点监测为了确保施工安全和结构安全,在扩挖和支护拱顶处,每隔5m设一拱顶下沉点,拱腰设收敛点,监测频率4次/天,并将结果进行回归分析,通过监控量测指导施工,如出现异常立即采取加强措施。(5)混凝土浇筑与衬砌一次衬砌采用2台自制简易台架和压边定型钢模,一次浇筑而成。为了使混凝土质量达到防水、防腐的要求,充分利用兰州市有利条件,购买商品混凝土,采用混凝土罐车运输、混凝土泵输送混凝土、插入式振动棒捣实。二次衬砌分上、下两部浇筑,先施工轨面以下混凝土结构,留出混凝土接缝的矮边墙作为上部支模的依托。上部边拱衬砌仍采用自制的2台简易台架进行衬砌,二次衬砌台架与一次衬砌台架等长,以便错开一次衬砌的施工缝。6.2拆除和更换(1)洞门加固加工过程由于洞门位置覆岩较薄、覆土较厚,为保证洞门施工安全,在开口时先拆除洞门上方帽石和既有仰坡片石,对洞门进行重新加固,具体做法是打入ϕ22长3.0m的锚杆,间距100cm×100cm,梅花形布置;采用Ⅰ16工字钢做骨架,间距50cm;外挂ϕ8钢筋网,网格间距为10cm×10cm;喷C20混凝土,厚10cm。(2)工字钢钢架与浅眼爆破贴近既有洞门端墙,支立2榀焊接在一起的Ⅰ16的工字钢钢架,施作超前小导管,并以既有端墙为依托在两侧增设4根锁脚锚杆,采用双液注浆固结围岩后,然后实施浅眼爆破扩挖进洞。(3)护墙与墙外钻眼间距根据洞身接长洞门外延的设计要求,先拆除洞门两侧的护墙3m,在既有线端墙外部钻眼,间距100cm×100cm。采用ϕ22、L=200cm的锚筋连接,洞身衬砌与新建端墙混凝土一起浇筑。(4)门的额外设计洞门衬砌完成后,采用M10浆砌片石,恢复洞门护墙、水沟和洞口上部的冲沟、截水沟。6.3隧道漏水6.3.1防水施工隧道衬砌设计为全封闭防水,施工按上、下二部分作业。(1)隧道洞身施工缝轨面以下防水是整治隧道病害的关键,施工难度大,施工条件差,也是最容易被忽视的部位。如仰拱、填充、铺底、水沟、电缆槽混凝土分块施工,防水系统施作不当,水往往从施工缝内向仰拱、填充、铺底混凝土和道床内渗水,造成隧底混凝土劣化,道床翻浆冒泥;如墙脚处环、纵向软式透水管安装不顺,混凝土浇筑时不注意,往往堵塞盲沟,直接影响到拱墙以上的防水效果。根据本隧道防水设计,在隧底中心开挖临时排水沟,填满碎石,将需要衬砌段排干水,检底时采用细石混凝土找平,再铺设无纺布和EVA防水板。为避免侧沟水渗入道床内,施工采用吊模支架衬砌,使仰拱、填充、铺底和侧沟混凝土一起浇筑,尽量减少混凝土施工缝。安置的软式透水管必须平顺,接头必须牢固,出水口拉出模板之外(图8)。(2)自动行驶热合机焊接法轨面以下二次衬砌拆模之后,搭设钢管脚手架平台,采用无钉挂铺,防水板接缝选用自动爬行热合机焊接技术。两层防水板间搭接10cm,焊缝为双焊缝,每条焊缝宽1cm,中间有2cm宽空腔作为密封充气检查焊缝的质量。在二次衬砌绑扎