中部引黃工程引水隧洞下穿高速公路超前大管棚施工方案研究

趙經(jīng)緯

（山西省中部引黃工程建設(shè)管理局 山西太原 030000）

0 引言

中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)重要骨干工程之一，是山西省水資源合理配置和高效利用的基礎(chǔ)性工程，是水利部“河湖連通”治水思路在山西的具體實踐。工程主要由水源工程和隧洞輸水工程兩部分組成，規(guī)模為大（2）型，年引水量6.02億m3，設(shè)計取水流量23.55 m3/s，泵站揚程200 m、總裝機(jī)容量96 000 kW。中部引黃工程某隧洞在開挖過程中遇到與高速公路交叉的情況，需下穿忻保高速，如按常規(guī)鉆爆法開挖方式施工，不可控因素多，易造成塌方、或?qū)Ω咚俟吩斐捎绊?，存在極大安全隱患及風(fēng)險，一旦出現(xiàn)問題，所造成的損失巨大，且難以彌補(bǔ)，因此，制定合理的開挖支護(hù)方案成為該段施工的難點。本文以山西省中部引黃工程該隧洞下穿忻保高速為例，簡述了該隧洞與忻保高速的位置關(guān)系、分析并提出大管棚機(jī)械開挖施工方案，經(jīng)現(xiàn)場施工證明，該方案安全可行，也可為同類工程提供相應(yīng)的施工經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 隧洞與忻保高速公路位置關(guān)系

下穿忻保高速段為中部引黃工程某總干隧洞的起始端，該隧洞全長28.44 km。

1.1.1 平面布置

本工程輸水總干線由北向南布置，忻保高速為兩條平行的東西走向的公路。中部引黃工程該隧洞自忻保高速公路官地坪2#隧道進(jìn)口與公路排水暗涵 (排水暗涵為南北方向)之間穿越。

中部引黃工程該隧洞設(shè)計為城門式洞型，與忻保高速公路右線交叉角為84.42°；與左線交叉角為79.28°，交叉段大管棚超前支護(hù)長約95m。如圖1所示：

圖1 隧洞下穿忻保高速公路段平面布置圖

1.1.2 豎向布置

隧洞從忻保高速公路的下部穿越。隧洞洞頂在高速公路左線交叉段平均埋深為7.17 m，與高速公路右線交叉段平均埋深為7.35 m。

1.1.3 交叉斷面設(shè)計

隧洞穿越段巖石洞段，采用城門洞形斷面。襯砌后洞凈寬5 m，凈高5.5 m，直墻段高3.0 m，設(shè)計水深3.52 m，頂拱中心角180°，半徑2.5 m，襯砌厚度0.4 m。

1.2 交叉段地質(zhì)情況

隧洞穿越段覆蓋層厚度6～10.3 m，從鉆孔資料分析，基巖面上覆蓋1～2 m厚第四系洪沖積卵石混合土，其余段全部為人工堆積物。下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中厚層灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化厚度2～3 m。洞頂埋深5.52～11.12 m。該段引水隧洞圍巖主要為奧陶系上馬家溝組上段灰?guī)r。隧洞洞頂處于強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r層中，局部也可能為覆蓋層，成洞條件差。

1.3 水文地質(zhì)條件

鉆孔揭露存在層間水，終孔層間水水位埋深14.4 m，低于隧洞洞底。

1.4 交通狀況

忻保高速公路正在通行運營中，行車流量大。

2 施工方案

依據(jù)設(shè)計和高速公路管理局等單位的要求，為減小隧洞開挖對山體邊坡和既有路基的影響，施工總體方案如下：

1）根據(jù)設(shè)計要求，穿越忻保高速公路段隧洞段已經(jīng)對高速公路路基進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理，經(jīng)檢測合格。

2）穿越段施工期間在隧洞與高速公路交叉處沿高速公路方向兩端各1 km范圍內(nèi)設(shè)置警示牌，警示牌設(shè)置及管理由忻保高速公路路政大隊負(fù)責(zé)。

3）穿越段隧洞施工時采用雙層超前管棚支護(hù)配合機(jī)械開挖的施工工藝，堅持“管超前，短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、緊襯砌”的原則。

4）本文僅對超前大管棚施工進(jìn)行探討，其他措施做簡單介紹。

2.1 大管棚設(shè)計

設(shè)計參數(shù)：

1）管棚規(guī)格：管棚為雙層管棚鋼管外徑159 mm、壁厚8 mm，共72根，其中管棚外層37根，內(nèi)層35根，總長度105 m，分三次施打，每次35 m，每次搭接5 m，兩次搭接共計10 m。搭接形式如圖2所示：

圖2 管棚搭接示意圖

因管棚打設(shè)設(shè)備需要工作面，每次施打管棚時需要對隧洞斷面進(jìn)行擴(kuò)大擴(kuò)寬，原隧洞開挖尺寸為寬5.24 m，高6.02 m，直墻段高3.4 m，頂拱中心角180°，半徑2.62m，根據(jù)現(xiàn)場需要，將原隧洞開挖外擴(kuò)1.32m，擴(kuò)挖后洞寬7.88 m，高7.34 m，直墻段高3.4 m，頂拱中心角180°，半徑3.94 m，開挖完成后，對擴(kuò)挖段進(jìn)行初期支護(hù)。首次擴(kuò)大斷面距離為7m；洞身施工為23m；第二次擴(kuò)大斷面為7 m，洞身施工為：23 m；第三次擴(kuò)大斷面為：7 m，洞身施工為35 m。

2）管棚連接方式：制作管棚的鋼管進(jìn)場時，尺寸為10～12 m，因隧洞掌子面操作空間狹窄，在管棚鉆進(jìn)過程中為方便施工將鋼管加工成3 m，4 m不同規(guī)格進(jìn)行連接，連接方式為在連接處的管棚內(nèi)插入Φ140 mm、長度40 cm的鋼管，并將接頭處外圈焊接牢固，相鄰管棚接頭至少錯開1 m。

3）提前在鋼管上面布設(shè)注漿孔，孔徑15～20 mm，孔間距環(huán)向15～17 cm、縱向間距30～60 cm，呈梅花型布置，管棚末端留不小于1 m的范圍不打孔作為止?jié){段。

4）管距：環(huán)向間距31.1 cm；排距30.8 cm。

5）外插角：外插角 1°～5°。

6）注漿材料：水泥漿。

7）設(shè)置范圍：拱部180°范圍（起拱線以上部分），超前大管棚采用先成孔后裝管施工方法。

2.2 大管棚施工

2.2.1 施作導(dǎo)向墻

1）大管棚的導(dǎo)向墻位于擴(kuò)挖段前端，開挖時采用分段法開挖，先開挖起拱線以上部分，預(yù)留下部原狀巖石。導(dǎo)向墻內(nèi)埋設(shè)3榀I20a工字鋼鋼拱架支撐，縱向間距0.5 m，拱架底腳焊接22 cm×24 cm鋼板作為平面支撐，增強(qiáng)拱架的支撐力，底腳設(shè)置Φ42、單根長2.5 m注漿鎖腳小導(dǎo)管錨固，鋼拱架之間用Φ20、環(huán)向間距1 m的縱向連接筋連接，保證導(dǎo)向墻的穩(wěn)定性。導(dǎo)向墻位置在開挖輪廓線以外，斷面尺寸為長×厚（1.0 m×0.84 m），導(dǎo)向墻內(nèi)預(yù)埋 72根 Φ220×6 mm 導(dǎo)向管，導(dǎo)向管牢固焊接在鋼架上下兩側(cè)，環(huán)向間距31.1 cm，內(nèi)層導(dǎo)向管中心距開挖結(jié)構(gòu)外輪廓25 cm，導(dǎo)向管預(yù)埋完畢后，對每根導(dǎo)向管進(jìn)行編號，導(dǎo)向管外層掛設(shè)Φ8、150 mm×150 mm的鋼筋網(wǎng)片，然后噴射C20混凝土至密實。

2）采用Φ220×6 mm鋼管作為管棚的導(dǎo)向管，采用全站儀在工字鋼架上定出其平面位置和外插角，導(dǎo)向管牢固焊接在工字鋼上下兩側(cè)，防止噴射混凝土?xí)r產(chǎn)生偏移，焊接過程中控制外插角在1°～5°范圍。導(dǎo)向墻加套管斷面圖見圖3。

2.2.2 設(shè)置鉆孔平臺安裝鉆機(jī)

1）鉆機(jī)采用履帶式管棚鉆機(jī)，鉆機(jī)平臺采用預(yù)留核心土結(jié)合碎石渣回填鋪設(shè)至平臺所需高度。

圖3 導(dǎo)向墻加套管斷面圖 單位：mm

2）鉆機(jī)施工平臺鋪好后，將鉆機(jī)移至操作平臺上，鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的導(dǎo)向管方向平行，精確核定鉆機(jī)位置，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線與導(dǎo)向管軸線相吻合。

2.2.3 導(dǎo)向鉆進(jìn)

管棚打設(shè)采取每間隔1個孔位跳打。施工前，技術(shù)人員對已預(yù)埋的導(dǎo)向管管位、角度進(jìn)行認(rèn)真復(fù)測，誤差超限則進(jìn)行調(diào)整；開孔定位，調(diào)試角度由專人負(fù)責(zé)，確保無誤；鉆孔設(shè)備采用履帶式管棚鉆機(jī)，鉆桿從導(dǎo)向管中穿過，鉆孔前，精確測定孔的平面位置、方向和仰角，并對每個孔進(jìn)行編號，管棚分三次鉆進(jìn)，每次鉆進(jìn)35 m，共計105 m，每次搭接5 m，共兩次搭接，共計搭接10 m。

2.2.4 方向控制與糾偏

水平鉆進(jìn)受鉆具自重影響，鉆具前端易下垂，為了減少糾偏的工作量，控制環(huán)狀間隙的擴(kuò)大，開孔定位時，內(nèi)層管棚中心距隧道結(jié)構(gòu)開挖外輪廓250 mm，保證棚管位置滿足設(shè)計要求。鉆進(jìn)時保證鉆機(jī)的橫向穩(wěn)定。

2.2.5 鉆孔注漿

本下穿段鉆孔注漿具體施工過程如下：

鉆孔注漿分雙層進(jìn)行，按照先內(nèi)后外的順序進(jìn)行。內(nèi)外層間隔分序（外層奇數(shù)孔為1序，偶數(shù)孔為2序；內(nèi)層偶數(shù)孔為1序，奇數(shù)孔為2序），層中分4段（第一段10 m，第二段10 m，第三段10 m，第四段5 m，第一段為開挖方向最前端）進(jìn)行孔內(nèi)阻塞循環(huán)漸進(jìn)灌注施工。

灌漿壓力技術(shù)指標(biāo)見表1：

表1 灌漿壓力技術(shù)指標(biāo)

分段注漿采用孔內(nèi)阻塞循環(huán)式對需灌孔進(jìn)行灌注，每段間安裝止?jié){塞，灌漿時進(jìn)漿管管口與孔底距離不大于 50 cm，漿液水灰比采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個比級的純水泥漿灌注，開灌水灰比為3∶1。

灌漿壓力和漿液濃度調(diào)整原則：

1）當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不應(yīng)改變水灰比。

2）當(dāng)某級漿液注入量已達(dá)300 L以上時，或灌漿時間已達(dá)30 min時，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)改濃一級水灰比。

3）當(dāng)注入率大于30 L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。灌漿過程中灌漿壓力或注入率突然改變較大時，應(yīng)立即查明原因采取相應(yīng)措施處理。

2.2.6 頂進(jìn)鋼管

鉆孔成孔注漿完成后，用管棚鉆機(jī)重新開孔，即把原孔內(nèi)殘余漿液清理干凈，隨后將鋼管封閉，并隨之安裝Φ30的導(dǎo)漿管進(jìn)行管內(nèi)灌漿。

3 開挖支護(hù)與襯砌

大管棚施工結(jié)束后，開始洞身段機(jī)械開挖，開挖方式為上下臺階法。采用挖掘機(jī)配合液壓巖石破碎錘開挖洞身，人工利用風(fēng)鎬進(jìn)行周邊輪廓修整。

支護(hù)方式采用I20a工字鋼、間距30 cm、鎖腳小導(dǎo)管為Φ42熱軋鋼管每榀拱架8根、鋼筋網(wǎng)片采用Φ8鋼筋，網(wǎng)格間距150 mm×150 mm，單層設(shè)置，噴射C20混凝土20 cm。

襯砌設(shè)計采用40 cm厚全斷面C25鋼筋混凝土襯砌。由于下穿段埋深較淺，穿越段襯砌混凝土緊跟初期支護(hù)，每循環(huán)5 m。

4 結(jié)語

中部引黃該隧洞下穿忻保高速洞段已順利通過，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該隧洞及高速公路路面未發(fā)生明顯變形及沉降，公路運行未受影響，運用文中所述方法對隧洞進(jìn)行超前大管棚施工，機(jī)械開挖、襯砌緊跟一次支護(hù)的施工方式，能夠減少對上部結(jié)構(gòu)擾動，盡可能減少對高速公路路基以及公路運行的影響，該方案的成功實施對其他同類工程具有一定的參考價值。