鋼波紋管涵在隧道溶洞處治中的應(yīng)用研究

文章結(jié)合廣西天巴高速公路勤蘭隧道工程建設(shè)實踐，在勤蘭隧道穿越ZK89+540處大型溶洞采用“2-2 m鋼波紋涵洞橫向正交穿越隧道的方案，并提出“鋼波紋管涵+襯砌加強”的溶洞處治措施，該方案有效避免了溶洞等不良地質(zhì)造成的災(zāi)害，提高了隧道的安全穩(wěn)定性，對類似工程具有一定的借鑒意義。

隧道；溶洞；鋼波紋管；處治

U457+.2A371212

作者簡介：

邵小軍（1985—），高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)項目管理工作。

0" 引言

鋼波紋管涵采用Q235A熱軋鋼板制成管身，鋼板屈服強度≥235 MPa，抗壓強度≥375 MPa，使用性能優(yōu)異，特別是對基礎(chǔ)要求不高、施工簡便、安裝快捷，施工周期大大縮短，優(yōu)于一般涵洞?，F(xiàn)以天巴高速勤蘭隧道為項目背景，基于勤蘭隧道K89+540處大型溶洞揭露情況，采用三維激光掃描手段開展溶洞探測，在探明溶洞空間位置、發(fā)育規(guī)模等基本情況的基礎(chǔ)上，提出“鋼波紋管涵+襯砌加強”的溶洞處治措施。

1" 工程概述

勤蘭隧道位于廣西河池市巴馬瑤族自治縣西山鄉(xiāng)勤蘭村境內(nèi)的天峨至北海公路（天峨經(jīng)鳳山至巴馬段）上，隧道區(qū)屬山蝕切割強烈、地形起伏連綿、山峰高程多在640～700 m、坡陡坡緩、山體基巖外露、山勢起伏較大，為巖溶峰叢洼地地貌。進(jìn)洞口側(cè)巖溶洼地地面高程為350～370 m，出洞口側(cè)地面高程為370～390 m，低洼地段發(fā)育有泉眼、落水洞等，施工至K89+540處揭露一處大型溶洞。

1.1" 勘察

《勤蘭隧道工程地質(zhì)說明》和《勤蘭隧道工程（地質(zhì)）縱斷面圖》施工圖設(shè)計文件中顯示：隧道穿越的山體巖性以厚層狀結(jié)構(gòu)的石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r為主，巖石堅硬，具有較高的力學(xué)強度和較強的抗風(fēng)化能力。隧道大部分巖體發(fā)育較完整-完整，局部巖溶發(fā)育，對圍巖穩(wěn)定有不良作用。

根據(jù)天巴高速公路勤蘭隧道半航空瞬變電磁探測結(jié)果，隧道穿越山體頂部分布有較大范圍的上覆含水層，地表雨水在雨季容易沿巖溶垂直裂隙通道向洞體內(nèi)滲透，在施工中應(yīng)加強防范和支護(hù)。隧道中部存在大面積的巖溶發(fā)育區(qū)和部分垂直型巖溶裂隙通道，隧道右線K89+510～K89+590段存在低阻異常區(qū)，推斷該區(qū)域為巖溶發(fā)育區(qū)，影響范圍頂部在隧道上方約50 m。

1.2" 設(shè)計

在《勤蘭隧道施工圖設(shè)計文件》中注明：K89+510～K89+570段圍巖等級為Ⅲ級，襯砌結(jié)構(gòu)類型為S3-A，巖體為巖質(zhì)堅硬、裂隙發(fā)育、巖體破碎的厚層狀、中風(fēng)化灰?guī)r。把“巖溶地質(zhì)調(diào)查+地質(zhì)雷達(dá)探測+超前水平鉆探+三維激光掃描+地質(zhì)素描”的綜合探測方法納入工序管理。

1.3" 溶洞情況

在K89+540處及其后開挖揭示：該特大型溶洞縱向長約40 m、橫向?qū)捈s210 m、高約54 m，由左側(cè)至右側(cè)向下發(fā)育（流水方向一致），與隧道軸線斜交，貫穿左洞拱頂上部，并侵入右洞全范圍；存在多處落水洞和一處消水洞（最右側(cè)），最左側(cè)落水洞呈點滴狀出水，最右側(cè)深坑為主要消水洞，無積水；溶洞壁為中風(fēng)化灰?guī)r，溶洞壁整體穩(wěn)定性較好，溶洞系近半填充型，填充物主要為粉質(zhì)黏土和破碎石質(zhì)、角礫質(zhì)等，溶洞底部集中分布有碎石角礫質(zhì)。溶洞三維圖如圖1所示。

（a）K89+540～K89+554段隧道與溶洞位置關(guān)系

（b）K89+540處隧道斷面與溶洞位置關(guān)系

1.4" 溶洞處治設(shè)計對策

本工程選用“鋼波紋管涵+襯砌加強”的溶洞處治措施，K89+540溶洞處治立面圖見下頁圖2，具體設(shè)計方案如下：

（1）施工前準(zhǔn)備工作：首先清除溶洞內(nèi)危石，其次沿洞軸線采用物探探查隧道基底下有無存在隱伏溶洞，再調(diào)查溶洞內(nèi)水流方向、消水洞等情況。

（2）右洞K89+540～K89+554段按照S4-A型襯砌施工，K89+554～K89+595段按照《勤蘭隧道K89+554～595段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計圖》（圖號BG-02）進(jìn)行施工，K89+595～K89+605段按照S5-A型襯砌施工。

（3）初期支護(hù)完成之后，襯砌輪廓線以外溶洞空腔采用臺階回填方式施作C20混凝土護(hù)拱。施作護(hù)拱和初支時，需在K89+570段右側(cè)預(yù)留運營維護(hù)通道，其內(nèi)設(shè)檢修爬梯及圍欄，并在底部設(shè)置2-2 m鋼波紋涵洞，連通溶洞空腔，確保溶洞排水通暢。

（4）左洞拱頂、拱肩部位圍巖較薄，在清除溶洞內(nèi)淤泥后，回填泵送C20混凝土，保證圍巖與泵送混凝土形成的保護(hù)層厚度≥2 m。

鋼波紋管涵在隧道溶洞處治中的應(yīng)用研究/邵小軍

（5）處治設(shè)計結(jié)構(gòu)計算：使用Midas GTS軟件建立鋼波紋管施工的彈塑性計算模型，見圖3。計算結(jié)果表明，最大應(yīng)力為34 MPa，小于Q235A鋼屈服極限，最大軸力為268 kN/m，滿足施工需求。波紋管端頭局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為96 MPa，兩端端頭應(yīng)在施工時采取加固措施，見圖4。

2" 鋼波紋管涵應(yīng)用研究

2.1" 鋼波紋管涵施工

2.1.1" 基坑開挖

根據(jù)設(shè)計要求，采用機械+人工配合的方式進(jìn)行開挖，機械開挖至設(shè)計標(biāo)高時，采用人工進(jìn)行修整。

2.1.2" 基礎(chǔ)混凝土墊層

基礎(chǔ)混凝土墊層采用0.3 m厚的C20混凝土。若鋼波紋管暗涵通過溶洞填充物時，應(yīng)將填充物進(jìn)行清理，并采用C15混凝土進(jìn)行換填處理。

（a）鋼波紋管單元坐標(biāo)系X軸方向的軸力

（b）鋼波紋管整體坐標(biāo)系Y軸方向應(yīng)力

2.1.3" 鋼波紋管涵拼裝

鋼波紋管涵節(jié)片運至現(xiàn)場后，檢查相關(guān)技術(shù)材料及第三方出具的質(zhì)量檢測報告，在相關(guān)技術(shù)指標(biāo)合格后，進(jìn)行鋼波紋管涵試拼，試拼段相關(guān)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到規(guī)范要求。

鋼波紋管涵采用在隧道洞外分段拼裝的方式，每一段管段都要做好標(biāo)記，拼裝完所有管節(jié)后，所有管節(jié)的固定螺栓都要用扭動電動扳手依次扣緊，不能遺漏，并在扣緊后用紅漆進(jìn)行標(biāo)記，保證重疊部分的波紋緊緊嵌在一起。

2.1.4" 管節(jié)安裝

將拼裝好的管節(jié)采用隨車吊運至施工現(xiàn)場，按照管節(jié)編號依次安裝，并對管節(jié)與墊層的楔形位置采用C15混凝土預(yù)制的楔形塊進(jìn)行支墊，保證管節(jié)的拼裝線性。

2.1.5" 涵管回填

鋼波紋管涵安裝完成后，采用C15混凝土分層對稱回填，應(yīng)符合設(shè)計要求。做好回填施工前的各項工作：（1）對各管段的固定螺栓進(jìn)行一次再檢查，保證螺栓的緊密性；（2）用方木與槽鋼在鋼波紋管暗涵內(nèi)部做十字交叉支承，防止局部受力造成鋼波紋管變形；（3）在鋼波紋管涵兩側(cè)端頭內(nèi)部加密十字交叉支承，外部做木模加固，最后進(jìn)行回填作業(yè)。

2.1.6nbsp; 洞口施工

入口處為沖刷的地區(qū)，在鋪砌入口設(shè)置截水墻，深度≥600 mm，防止溶洞內(nèi)流水沖刷基礎(chǔ)。在出口修筑跌水臺階，防止流水沖毀管涵基礎(chǔ)。

2.2" 注意事項

（1）設(shè)置專人指揮拼裝吊裝作業(yè)。

（2）設(shè)置專人對管節(jié)的固定螺栓進(jìn)行緊固，不得遺漏。

（3）在回填施工前應(yīng)在鋼波紋管涵內(nèi)設(shè)置十字支撐，防止回填過程中由于局部受力而導(dǎo)致的變形。

（4）應(yīng)對鋼波紋管涵做好防腐措施，防水層的材料優(yōu)先選用瀝青。

2.3" 效益分析

2.3.1" 經(jīng)濟(jì)效益

按常規(guī)鋼筋混凝土蓋板涵施工，鋼筋混凝土蓋板涵施工成本價按8 490元/m計算，直接成本為8 490元/m×58 m=492 420元；若采用鋼波紋管涵施工，施工成本價為4 620元/m，直接成本為4 620元/m×58 m=267 960元。故采用該工法施工比傳統(tǒng)鋼筋混凝土蓋板涵施工節(jié)約成本224 460元。

另外，采用鋼波紋管涵施工工藝，不僅可以縮短工期，而且可以降低工人勞動強度。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土蓋板涵（2-2×2 m）涵長58 m，施工工期約為45 d，采用鋼波紋管涵施工工期僅為15 d，直接節(jié)約工期30 d。

2.3.2" 社會效益

鋼波紋管涵的應(yīng)用，很大程度地降低了在隧道內(nèi)施工的風(fēng)險，且大幅度縮短了巖溶隧道溶洞處治工期，不僅加快了建設(shè)步伐，也體現(xiàn)了鋼波紋管涵的應(yīng)用優(yōu)勢。

3" 結(jié)語

本文結(jié)合天巴高速公路勤蘭隧道穿越的大型溶洞，采用“鋼波紋管涵+襯砌加強”的溶洞處治實踐，主要結(jié)論如下：

（1）在巖溶隧道溶洞處治施工中，鋼波紋管涵是首選的替代蓋板涵、拱形涵和小橋的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)自重輕、運輸方便、施工簡便、耐久性好，而且還具有很強的抗拉、抗剪和抗疲勞能力，對于巖溶隧道的溶洞處治工程有一定的應(yīng)用價值。

（2）在施工過程中，其施工周期短、成本低、對基礎(chǔ)要求不高，從工程整體考慮，可節(jié)約投資、縮短施工周期，確保了勤蘭隧道的順利貫通。

［1］張東山，王憲國.大直徑鋼波紋管涵在多雨山區(qū)公路的應(yīng)用［J］.筑路機械與施工機械化，2016，33（10）：75-78.

［2］萬義云，劉風(fēng)云，梁養(yǎng)輝，等.高填方大孔徑鋼波紋管涵洞施工工藝及效益分析［J］.山東交通科技，2016（6）：43-46.

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20240416