公路工程中隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及措施研究

楊基

摘 要：該文以作者參與某高速公路隧道工程為研究對(duì)象，該隧道穿越溝谷淺埋段實(shí)際施工為例，論文首先探討了施工方案的選擇，進(jìn)而分析了淺埋地段隧道的施工工藝及關(guān)鍵施工工序，最后做了施工總結(jié)，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：隧道 穿越 淺埋 施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0055-02

某隧道全長(zhǎng)4928m，起訖里程DK140+198～DK145+126，為單線(xiàn)隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h。

DK144+433～DK144+502段為溝谷淺埋段，覆蓋層厚5～7m，溝內(nèi)常年流水，水量較大，溝水流量一般在13 000～15 000m3/d。地表有公路通過(guò)，居民房屋集中。見(jiàn)圖1淺埋段縱斷面圖。該段地層巖性主要為粗圓礫土，松散且膠結(jié)性差。洞身受地表水的補(bǔ)給，地下水發(fā)育，為中等富水區(qū)。原設(shè)計(jì)地表采用φ70鉆孔進(jìn)行注漿加固，洞身采用φ60中管棚超前支護(hù)，預(yù)注水泥-水玻璃雙液漿，全環(huán)設(shè)置工16型鋼鋼架，間距0.8m/榀。

1 施工方案選擇

DK144+433～DK144+502淺埋段原設(shè)計(jì)要求在隧道開(kāi)挖前對(duì)地表進(jìn)行注漿加固并防水，注漿范圍為線(xiàn)路左右側(cè)各15m，深度達(dá)到土石分界下1m，注漿完畢后采用M10水泥砂漿封孔，并恢復(fù)原地貌。但實(shí)際施工中，由于地表居民阻撓，地表加固方案無(wú)法實(shí)施。在此情況下，經(jīng)建設(shè)四方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)踏勘并多次經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案比選論證后，確定通過(guò)加強(qiáng)隧道支護(hù)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道的安全施工。

（1）開(kāi)挖至DK144+507里程前，通過(guò)與地表居民協(xié)商，對(duì)其臨時(shí)搬遷補(bǔ)償，并對(duì)地表及村民房屋實(shí)施監(jiān)測(cè)。（2）通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，將原設(shè)計(jì)φ60中管棚變更為φ108大管棚，并加密鋼架間距為0.6m/榀。

2 技術(shù)措施

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析檢算

（1）荷載計(jì)算。

該段為淺埋隧道，地面基本水平，所受的荷載具有對(duì)稱(chēng)性，垂直壓力按①式計(jì)算，水平壓力按②式計(jì)算：

式中：B-隧道跨度（m）；

γ-圍巖重度（kN/m3）

θ-頂板土柱兩側(cè)摩擦角（°）

h-洞頂?shù)孛娓叨龋╩）

λ-側(cè)壓力系數(shù)

φ-圍巖計(jì)算摩擦角（°）

β-產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角（°）

ei=γhiλ ②

式中：hi-內(nèi)外側(cè)任一點(diǎn)至地面的距離（m）

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算。

結(jié)構(gòu)受力分析采用荷載-結(jié)構(gòu)模型、平面桿系有限元位移法，根據(jù)圍巖級(jí)別、地形地質(zhì)條件，以破損階段理論為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并結(jié)合工程類(lèi)比與施工條件的因素，綜合分析確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 洞內(nèi)大管棚、小導(dǎo)管施作

洞身拱部設(shè)φ108大管棚，環(huán)向間距40cm，L=30m，打設(shè)角度向上傾斜3°～5°，縱向搭接3～5m，每環(huán)20根。為便于洞內(nèi)大管棚施作，提前擴(kuò)挖洞內(nèi)大管棚工作室，如圖1。開(kāi)挖前在加工廠提前制作好I16型鋼鋼架，鋼架比正常斷面擴(kuò)大60～70cm，洞室縱向長(zhǎng)度6～8m。洞室施工完畢后安裝正常斷面的鋼拱架，并焊接導(dǎo)向管。由于淺埋段圍巖為砂礫石、卵石，施工中采用偏心錨桿鉆機(jī)跟管施作φ108（外徑）×6mm（壁厚）大管棚，解決了一般的管棚鉆機(jī)打好孔后再插入鋼管時(shí)塌孔難以插入的難題。大管棚施做完畢后，相鄰兩管之間由于局部注漿不密實(shí)，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象時(shí)，在大管棚相鄰兩管之間增加φ42超前小導(dǎo)管，L=4m，打設(shè)角度向上傾斜3°～5°，縱向搭接1.2m，同時(shí)注水泥-水玻璃雙液漿加固地層。

2.3 四臺(tái)階九步開(kāi)挖法

四臺(tái)階九步開(kāi)挖法是以三臺(tái)階七步開(kāi)挖法為基本模式，將三臺(tái)階七步開(kāi)挖法中的上臺(tái)階再分為兩個(gè)臺(tái)階，各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)，平行推進(jìn)的施工方法。即先采用大管棚（超前小導(dǎo)管）護(hù)頂，將隧道斷面分為四個(gè)臺(tái)階分步開(kāi)挖，仰拱緊跟下臺(tái)階并及時(shí)閉合成環(huán)。采用該法施工時(shí)，在各臺(tái)階形成一定的步距，而且同一臺(tái)階左右工作面形成相互錯(cuò)開(kāi)后，即可在各工作面按每循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行平行流水作業(yè)。施工時(shí)每循環(huán)進(jìn)尺按1榀鋼架間距控制，各臺(tái)階步距控制在3m～5m，同一臺(tái)階左右工作面錯(cuò)開(kāi)不少于2榀鋼架。四臺(tái)階九步開(kāi)挖法施工工序見(jiàn)圖2。

施工控制要點(diǎn)：①加強(qiáng)對(duì)技術(shù)及施工人員的培訓(xùn)，提高全體參建人員的安全、質(zhì)量意識(shí)，堅(jiān)持“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則，確保施工安全。②隧道開(kāi)挖中，應(yīng)在每次開(kāi)挖后及時(shí)觀察、描述圍巖裂隙結(jié)構(gòu)狀況、巖體軟硬程度、出水量大小，核對(duì)設(shè)計(jì)情況，判斷圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整施工方法、開(kāi)挖進(jìn)尺，杜絕盲目冒進(jìn)。③開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖體穩(wěn)定狀態(tài)合理確定中部拉槽長(zhǎng)度及寬度，防止邊墻位移，引發(fā)塌方事故。在圍巖穩(wěn)定性較好時(shí)，應(yīng)及時(shí)取消核心土，以便提高上導(dǎo)光爆效果，減少超欠挖，加快施工進(jìn)度。④邊墻馬口嚴(yán)禁對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，一般錯(cuò)開(kāi)距離不宜小于2榀鋼架間距。⑤控制好各臺(tái)階長(zhǎng)度，各臺(tái)階步距一般以3～5m為宜，便于機(jī)械操作，尤其是節(jié)省上臺(tái)階挖掘機(jī)的扒碴時(shí)間，進(jìn)而加快施工進(jìn)度。⑥每循環(huán)進(jìn)行測(cè)量放樣檢查，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，嚴(yán)格控制超欠挖，要求平均線(xiàn)性超挖不大于10cm，最大超挖不大于15cm。⑦在挖掘機(jī)扒碴過(guò)程中注意不得碰撞已施工好的初期支護(hù)，防止引發(fā)塌方事故。⑧注意各工序均衡生產(chǎn)，緊跟仰拱和二襯。

2.4 規(guī)范監(jiān)控量測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，確保安全，而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得圍巖動(dòng)態(tài)的信息（數(shù)據(jù)），為修正和確定初期支護(hù)參數(shù)，混凝土襯砌支護(hù)時(shí)間提供信息依據(jù)，為完善設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工提供可靠的足夠的數(shù)據(jù)。針對(duì)廟子溝淺埋段地質(zhì)及地表情況，監(jiān)控量測(cè)采用地表量測(cè)與洞內(nèi)量測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行。

（1）洞內(nèi)外觀察。

①洞內(nèi)外觀察分開(kāi)挖工作面觀察和已施工區(qū)段觀察兩部分，開(kāi)挖工作面觀察在每次開(kāi)挖后進(jìn)行，觀察內(nèi)容包括節(jié)理裂隙發(fā)育情況、工作面穩(wěn)定狀態(tài)、涌水情況等，當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況基本無(wú)變化時(shí)，可每天進(jìn)行一次，觀察后及時(shí)記錄填寫(xiě)開(kāi)挖面地質(zhì)描述。②在觀察過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件惡化，初期支護(hù)發(fā)生異常，應(yīng)立即采取相應(yīng)應(yīng)急措施，并進(jìn)行不間斷觀察。③對(duì)已經(jīng)施工區(qū)段的觀察，每天至少進(jìn)行一次，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的狀況，以及施工質(zhì)量是否符合規(guī)定要求。④洞外觀察包括洞口地表情況、地表沉陷、邊仰坡的穩(wěn)定、地表水滲透觀察等內(nèi)容。

（2）拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)。

拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)在同一斷面進(jìn)行，并采用相同的量測(cè)頻率，具體斷面布置間距見(jiàn)表1，量測(cè)頻率從表2中根據(jù)變形速度和距開(kāi)挖工作面距離選擇較高的一個(gè)量測(cè)頻率。

（3）地表下沉量測(cè)。

地表測(cè)點(diǎn)與洞內(nèi)水平凈空變化和拱頂下沉在同一橫斷面位置布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行地表下沉監(jiān)控量測(cè)，量測(cè)斷面的間距按下表10m布置。橫斷面方向地表下沉量測(cè)的測(cè)點(diǎn)間隔取2～5m，隧道中線(xiàn)附近測(cè)點(diǎn)適當(dāng)加密，隧道中線(xiàn)兩側(cè)量測(cè)范圍不小于H+B。地表下沉量測(cè)應(yīng)在開(kāi)挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）處開(kāi)始，直到襯砌結(jié)構(gòu)封閉，下沉基本停止為止。地表下沉量測(cè)的頻率和拱頂下沉和水平相對(duì)凈空變化的量測(cè)頻率相同。

（4）測(cè)點(diǎn)布置。

凈空變化，拱頂下沉和地表下沉設(shè)置在同一斷面。洞內(nèi)周邊收斂量測(cè)、拱部下沉根據(jù)淺埋段開(kāi)挖方法設(shè)置4條水平測(cè)線(xiàn)。

（5）監(jiān)測(cè)資料整理、數(shù)據(jù)分析及反饋。

現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所取得的原始數(shù)據(jù)，不可避免的會(huì)具有一定的離散性，其中包含著測(cè)量誤差。因此，應(yīng)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理。數(shù)學(xué)處理的目的是：將同一量測(cè)斷面的各種量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比、相互印證，以確定量測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性；探求圍巖變形或支護(hù)系統(tǒng)的受力隨時(shí)間變化的規(guī)律，判定圍巖和初期支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。在取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，及時(shí)由專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)人員整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)合圍巖、支護(hù)受力及變形情況，進(jìn)行分析判斷，將實(shí)測(cè)值與允許值進(jìn)行比較，及時(shí)繪制各種變形或應(yīng)力～時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨向及圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，并將結(jié)果反饋給現(xiàn)場(chǎng)施工人員。

2.5 防排水施工

在二次襯砌前，對(duì)初支面殘留水進(jìn)行處理，降低地下水對(duì)二次襯砌的壓力和侵蝕。由于地表水及地下水發(fā)育，初期支護(hù)完成后噴射混凝土面有大量滲水、流水、股狀水射出，在鋪掛防水材料前，先將集中出水點(diǎn)用鐵皮制作的半圓管引流到設(shè)計(jì)盲管出口位置，再用砂漿抹平。針對(duì)該段出水量較大，環(huán)向盲管間距較設(shè)計(jì)6m一環(huán)加密為2m一環(huán)。防水板采用熱熔墊圈焊接鋪掛，搭接不得少于15cm，雙焊縫，每條焊縫不小于15mm。嚴(yán)格保證防水板無(wú)焦焊、假焊、焊穿等現(xiàn)象，施做二襯鋼筋時(shí)要嚴(yán)防鋼筋頭刺穿防水板。中埋式橡膠止水帶要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施作，采用鋼筋卡固定牢固。二襯混凝土嚴(yán)格按配合比施工，加強(qiáng)振搗，確保起到防水作用。

3 施工總結(jié)

通過(guò)以上的施工技術(shù)措施，該隧道安全穿越了DK144+433～DK144+502溝谷淺埋段。

（1）通過(guò)方案優(yōu)化，取消了原設(shè)計(jì)地表加固措施，克服了外部環(huán)境對(duì)施工的影響，達(dá)到了35m/月的施工進(jìn)度。（2）采用先進(jìn)的管棚鉆進(jìn)工藝，兩臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)工作，每天可完成60m管棚施工任務(wù)。（3）針對(duì)該段地層較為破碎的特點(diǎn)，施工中將三臺(tái)階七步法改為四臺(tái)階九步法開(kāi)挖，確保了施工安全。（4）由于溝谷段地表水下滲，要求管棚注漿及防排水施工質(zhì)量要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，該段二襯施工后未出現(xiàn)明顯的滲漏水現(xiàn)象，取得了較好的效果。（5）通過(guò)嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)及對(duì)地表房屋的監(jiān)控，地表房屋未見(jiàn)開(kāi)裂下沉現(xiàn)象，為今后類(lèi)似工程施工提供了思路和參考。

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