淺埋大跨公路隧道穿越富水軟弱土層施工關鍵技術

趙立財

（天津大學，天津300072）

淺埋大跨公路隧道穿越富水軟弱土層施工關鍵技術

趙立財

（天津大學，天津300072）

以廈漳公路（廈門段）東孚隧道施工為例，介紹了?229大管棚跟管鉆進咬合相接加固技術+十字交叉隔壁后拆式開挖技術在淺埋富水軟弱土層隧道開挖過程中的應用；同時利用TGMIS動態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)對施工沉降狀況進行了數(shù)據(jù)采集、分析及處理，使圍巖變形得到控制，順利通過了淺埋軟弱土層段掘進施工。

淺埋；富水軟弱土；隧道；管棚；加固；十字交叉隔壁后拆式；開挖

1 前言

在隧道新奧法施工中，大跨徑、淺埋段的超前支護和初期支護是施工安全的關鍵工序，支護的技術手段比較多，如初噴、錨桿、拱架、超前小導管等，但支護效果與適用范圍卻有很大差別[1]。東南沿海地區(qū)地下水位較高，對殘坡積層軟弱土體進行開挖時，一旦出現(xiàn)問題，將會造成極大的經濟損失[2]。長期以來，由于富水軟弱土層注漿時普通漿液擴散性能差，開挖過程中易引起地應力集中而沿開挖面和現(xiàn)有結構面發(fā)生失穩(wěn)坍塌事故，急需一種安全可靠的支護措施來解決此難題[3]。

本文以廈漳公路（廈門段）東孚隧道為例，重點研究大跨徑淺埋隧道穿越富水軟弱土層地段，以監(jiān)測技術為基礎，運用?229大管棚跟管鉆進咬合相接加固技術+十字交叉隔壁后拆式開挖技術，安全順利地完成了整個工程的施工。

2 工程概況

廈漳公路東孚隧道為淺埋暗挖大跨徑單洞隧道，洞高14 m，洞寬16 m，洞身淺埋段長62 m，其洞頂距離地表垂直距離為8～18.6 m。該隧道開挖斷面大，圍巖軟弱，隧道拱部處在富水軟弱土層內，整個隧道位于遇水易軟化的殘積土層中，圍巖類別為V級。在開挖過程中如不采取有效措施對圍巖土體進行加固，將無法保證隧道上部土體穩(wěn)定。

3 大跨徑淺埋公路隧道軟弱土層總體方案

針對地下水發(fā)育軟弱土層的特性，大跨徑隧道穿越富水軟弱土層施工控制的關鍵就在于避免圍巖失穩(wěn)坍塌、突水涌泥的事件發(fā)生[4]。在東孚隧道穿越富水軟弱土層時，本文所采用的施工措施為：洞內設置泄水孔排水的同時運用?229大管棚咬合相接注漿加固隧道頂部及兩側土層后，采用十字交叉隔壁后拆式技術進行整個工作面開挖，即“化大為小，步步成環(huán)，加強支護，及時監(jiān)測”，以控制地表沉降，減弱對敏感土層的影響。富水軟弱土層施工工序流程如圖1所示。

圖1 富水軟弱土層施工工序流程圖Fig.1 Construction process diagram of rich water soft soil layer

4 大跨徑淺埋公路隧道軟弱土層施工技術

4.1 套拱施工

沿隧道開挖輪廓線外設置臨時管棚套拱，套拱長為2 m，厚為0.8 m，砼標號為C20，前端和底部均嵌入地層。施工時，在每根管棚位置預埋一節(jié)內徑比管棚外徑略大的鋼管（導向管），以精確定位每根管棚的口部位置。當套拱混凝土強度達到要求后，按一定的間隔和順序沿導向管引導的方向往地層中進行鉆孔，并進行管棚跟管鉆進的全程作業(yè)。

4.2 大管棚參數(shù)

大管棚選用40 m長的?229無孔無縫鋼管，管節(jié)長為10 m，縱向鋼管間用加工好的管節(jié)連接套絲扣連接，環(huán)向鋼管之間采用槽鋼和工字鋼套扣咬合連接。首先在洞身兩側先開槽，在槽中澆筑C25混凝土，套拱落在側槽混凝土上施作。管棚沿拱部環(huán)向布置單排即可，鋼管前段呈錐形，管棚的環(huán)向布置間距為0.35 cm，每施工段布置30根，外插角為3o，在拱部140o范圍內布置。管棚布設如圖2所示，環(huán)向管棚咬合連接見圖3。

4.3 大管棚施工

待套拱、導向管完成后，將?229鋼管與配套鉆具連接，鉆機帶動鋼管旋轉頂進至導向孔內，開始大管棚施工。在施工過程中管棚和水平鉆進系統(tǒng)嚴格按導向管孔位由同一套頂進系統(tǒng)同步跟管鉆進。本隧道分段施作管棚，首先施作第一段管棚工作斷面，施作第一段管棚，跟管過程中及時跟蹤注漿。第一段管棚段開挖37 m后，進行第二段管棚工作斷面施工，縱向管棚搭接長度為3 m，以此類推，完成管棚超前支護施工。整個跟管鉆進施工如圖4所示。

圖2 管棚布置橫斷面圖Fig.2 Cross section diagram of pipe-roof layout

圖3 管棚咬合連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipe-roof occlusal connection

4.3.1 跟管鉆進工藝原理

本隧道夯管鉆進選用德國TT40水平導向鉆機，用管棚管代替鉆桿，其最前端加裝自行研制的鉆具，鉆具套接在加固環(huán)上，后續(xù)管之間采用管節(jié)絲扣連接，鉆機邊成孔、邊將管棚依次打入土體中。結合配套鉆具(見圖5)跟管鉆進步驟如下。

在鉆進的過程中帶動?229管棚（2）一同進入，管棚（2）的跟進是通過潛孔錘（6）錘擊管棚（2）同步跟進，外套管棚（2）不與折疊旋轉動力鉆頭（8）相聯(lián)，它自動下沉至已鉆的孔或通過管靴（3）施壓進入孔內。穿孔作業(yè)原理為“回轉-沖擊模式”，壓縮空氣驅動潛孔錘（6）作業(yè)，沖擊能量來自潛孔錘（6）通過導引片傳到偏心折疊旋轉動力鉆頭（8）上，內鉆管（8）和偏心折疊旋轉動力鉆頭（8）由安裝在鉆機鉆架上的旋轉頭帶動旋轉，壓縮空氣通過沖洗頭（1.4）上的沖洗環(huán)（1.2）及內鉆管中空孔到潛孔錘（6），而后離開偏心折疊旋轉動力鉆頭（8）并帶走廢碴，廢碴與沖洗介質通過內鉆管（4）與外套管棚（2）之間的縫隙經沖洗頭排出。

圖4 水平鉆機跟管鉆進施工示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal drilling machine drilling construction

圖5 配套鉆具示意圖Fig.5 Schematic diagram of ancillary drill tool

4.3.2 管棚安裝

管棚安裝采用鉆進同步跟進的方法完成，當?shù)谝桓摴芡七M孔內，孔外剩余40 cm時，人工持鏈鉗進行鋼管連接，使兩節(jié)鋼管在聯(lián)接套處聯(lián)成一體，然后再低速推進鋼管。在管棚跟進的全過程中，鋼管與孔之間由鉆機上的高壓泥漿泵加壓，通過鉆桿，從鉆頭噴出泥漿起到潤滑護壁的作用，最終完成管棚安裝。

4.3.3 大管棚跟蹤注漿施工

在管棚頂進過程中，為了避免大管棚全部到位后引起地層擾動范圍的擴大而引起地層的較大沉降，在管棚施工過程中適時進行跟蹤注漿，補償?shù)貙拥乃缮⒆冃?，能夠更加有效地控制地層的擾動變形。管外跟蹤注漿采用袖閥式注漿管，袖閥管分花管和實管兩部分，每根袖閥管長度為4 m，管上每隔330 mm鉆一組8個?5 mm的射漿孔，每組射漿孔外部包裹一層橡膠套，每節(jié)管長2 m，漿液采用水泥漿，注漿管通過鋼箍焊接固定在管棚鋼管上，管頭伸入焊接固定在鋼管上的一段封閉鋼套箍內，與管棚鋼管同步到位。管外注漿如圖6所示。為增加管棚自身的剛度，更好地起到承載作用，管內注漿用微膨脹水泥砂漿填充管棚；利用自制的注漿套管與管棚用套絲連接，由閥門來控制開關，管內注漿如圖7所示。

圖6 管外注漿布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of pipe outside grouting

圖7 管內注漿示意圖Fig.7 Schematic diagram of pipe internal grouting

4.4 洞頂排水降水

正洞大管棚施作完畢后，由套拱拱部外緣向大管棚固結圈外鉆設泄水孔，內設導水管，環(huán)向間距為2 m，上傾角為5o，長約60 m，有效降低了水壓力。同時監(jiān)測泄水孔中排水水量、水質情況，并進行記錄分析。所有排水孔口均設置堵水閥，視大管棚加固及開挖施工情況，開關堵水閥局部阻水或排水。掌子面排水孔布置如圖8所示。

圖8 掌子面排水孔布置圖Fig.8 Layout diagram of excavation face drainage hole

4.5 十字交叉隔壁后拆法開挖

針對東孚隧道穿越富水軟弱土構造地層特點，提出了十字交叉隔壁后拆式隧道施工方法，并與二層襯砌結構、?229大管棚超前支護三者匹配使用，有效控制了圍巖變形，且每個導坑一次性開挖進尺可達15 m。工藝流程如圖9所示，具體施工步序如圖10所示。

圖9 十字交叉隔壁后拆式工藝流程圖Fig.9 Construction process diagram of cross-located right next door after disassembly type

圖10 十字交叉隔壁后拆式施工步序Fig.10 Construction steps of cross-located right next door after disassembly type

4.6 施工監(jiān)測

本工程采用自動化與人工測量相結合技術，對隧道地表下沉、拱頂沉降、管棚應力、圍巖水壓力進行監(jiān)控量測。通過監(jiān)測提供支護結構受力與變形、沉降與土層位移的數(shù)據(jù)，對隧道施工階段的受力變化特征進行分析，及時反饋信息和指導施工。

4.6.1 測點布置及測試方法

以隧道拱頂上部地表與中心線為基準每10 m設置一個監(jiān)測斷面；對應地表布置點在洞內布置拱頂下沉監(jiān)測斷面。正洞測點布置與測試方法，如表1所示。

表1 隧道監(jiān)測點布置及測試方法Table 1 Monitoring point of tunnel layout and test method

4.6.2 數(shù)據(jù)采集

本工程施工期采用TGMIS動態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集和整理，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點要在施工時埋設相應的傳感器與測試儀并讀取數(shù)據(jù)，據(jù)此來對隧道施工階段的受力變化特征進行分析，待隧道竣工后將傳感器連接的預埋光纜以及光纖傳感器接入總光纜中，最終通過數(shù)據(jù)采集儀，將其與數(shù)據(jù)管理主控室相互連接，從而實現(xiàn)長期自動監(jiān)測，如圖11所示。

圖11 監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集示意圖Fig.11 Schematic diagram of monitoring data automatic collection

4.6.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至TGMIS監(jiān)測系統(tǒng)的中心計算機數(shù)據(jù)庫后，便通過TGMIS監(jiān)測軟件處理程序對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析和處理。本文取DK84+974斷面6 d的量測數(shù)據(jù)作為本次分析對象，其具體分析情況如下。

1）拱頂與地表下沉監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線如圖12所示。

2）應力監(jiān)測。管棚應力變化如圖13所示(圖中散點有重合)，管棚與圍巖水壓力變化如圖14所示。

圖12 DK84+974拱頂襯砌及地表監(jiān)測變形曲線Fig.12 Deformation curve of DK84+974 arch lining and surface monitoring

圖13 管棚應力變化散點圖Fig.13 Stress change scatter diagram of pipe roof

圖14 管棚與圍巖水壓力變化散點圖Fig.14 Water pressure change scatter diagram of the pipe roof and the surrounding rock

4.6.4 監(jiān)測警戒值設置原則

本工程監(jiān)測中，每一測試項目都應根據(jù)保護對象的實際情況，事先確定相應的警戒值，以判定是否超出允許的范圍，判斷工程施工是否可靠，是否需調整施工部署和優(yōu)化原設計方案。一般情況下，每個警戒值均由兩部分控制，即總允許變化量和單位時間內允許的變化量。其警戒值設定原則為：a.滿足設計計算要求，不可超出設計值；b.滿足測試對象的安全要求，達到保護目的；c.滿足各保護對象的主管部門提出的要求；d.滿足鐵路與公路現(xiàn)行的相關規(guī)范要求。

4.6.5 警戒值的確定

根據(jù)以上的原則，并結合設計要求，對該工程監(jiān)測項目提出了以下警戒值。

1）地表與拱頂沉降監(jiān)測累計最大位移≤15 mm，監(jiān)測警戒值為10 mm。

2）管棚應力控制值為50 MPa（設計值），監(jiān)測警戒值為0.7倍設計值。

3）初支、二襯間水壓力控制值為4.5 MPa（設計值），監(jiān)測警戒值為0.7倍設計值。

4.6.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果

1）拱頂與地表沉降。從監(jiān)測點沉降變形曲線圖12可知，DK84+974斷面6 d內的地表A′與B′點地表下沉最大值均為1.2 mm，最大上浮值均為1.7 mm；DK84+974斷面6 d內的拱頂下沉最大值出現(xiàn)在襯砌B點，其值為2 mm，最大上浮值出現(xiàn)在襯砌A點，其值為3 mm；地表與拱頂下沉與上浮之間存有小幅度波動，但目前沉降值處在警戒值范圍內，對結構的承載能力影響不大，處于安全狀態(tài)。

2）圍巖水壓力。從圖14可知，DK84+974斷面管棚與圍巖間泄水孔水壓力在4#監(jiān)測點處最大，且只有3.1 MPa，在監(jiān)測的6 d內，3#和5#監(jiān)測點壓力值一直為零；其余各監(jiān)測點前5 d均處于遞減趨勢，在第6天水壓力均趨近于零，說明管棚注漿加固后減小了軟弱土層的滲透系數(shù)，圍巖與管棚間局部存有少量滲水，對支護結構無影響，處于安全狀態(tài)。

3）管棚應力。從圖13中可知，DK84+974斷面管棚最大應力為15 MPa，6 d內所有監(jiān)測點未見波動，全環(huán)管棚受力并未受到圍巖的擠壓影響，處于安全狀態(tài)。

5 結語

東孚隧道穿越淺埋富水軟弱土層段施工中，用該項技術后可得出以下結論。

1）基于TGMIS自動監(jiān)測信息系統(tǒng)對整個施工過程監(jiān)測斷面的沉降量、水壓力及管棚應力量測結果進行了數(shù)據(jù)采集與分析，正確地判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)以及支護結構的承載能力等。

2)?229大管棚咬合相接支護條件下，DK84+ 974斷面6 d的拱頂最大下沉值為2 mm，上浮值為3 mm；地表最大下沉值為1.2 mm，最大上浮值為1.7 mm；圍巖水壓力最大值為3.1 MPa，管棚應力最大值為15 MPa，均在監(jiān)測警戒值范圍內，可推斷出圍巖及結構體系處于安全可控狀態(tài)。

3）隧道穿越富水軟弱土構造地層采用十字交叉隔壁后拆式開挖方法，并與二層襯砌結構、?229大管棚超前支護三者匹配使用，每個導坑一次性開挖進尺可達15 m，有效加快了整體施工進度，確保了隧道施工安全。

4）結合應力變化散點圖與沉降曲線圖可知，6 d內所有沉降監(jiān)測點變化不大，管棚應力6 d內未見有波動，在第6天水壓力值均趨近于零，說明隧道開挖過程中，處于安全狀態(tài)。

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Keyconstructiontechnologyofshallowburied large span highway tunnel through rich water soft soil layer

Zhao Licai
（Tianjin University，Tianjin 300072，China）

This article takes Xia-Zhang highway(Xiamen section)Dongfu tunnel construction as an example.Introduces the application of ?299 big pipe follow with pipe drilling occlusal and linking reinforcement technology+cross-located right next door after disassembly type excavation technology in shallow-buried rich water soft soil stratum tunnel excavation process. While using TGMIS dynamic intelligent monitoring system of construction settlement conditions for data acquisition，analysis and processing，make the deformation of surrounding rock control，successfully passed the construction of shallow-buried soft soil excavation.

shallow buried；rich water soft soil；tunnel；pipe；reinforcement；cross-located right next door after disassembly type；excavation

U45

A

1009-1742（2015）01-0081-07

2013-11-23

趙立財，1985年出生，男，遼寧蓋州市人，博士研究生，工程師，主要從事能源與環(huán)保領域技術研究工作；E-mail：383202550@qq.com