淺埋砂質(zhì)新黃土隧道下穿公路施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳仁連

摘 要：通過武家坡隧道淺埋段下穿公路施工，介紹了一種超前長管棚預(yù)加固下穿公路的隧道施工方法。在埋深僅有25m的砂質(zhì)新黃土軟弱圍巖隧道下穿公路時，通過雙層大管棚精確定位、導(dǎo)向，超前加固圍巖，提高圍巖自穩(wěn)能力，配合微臺階工法，及時封閉成環(huán)，控制圍巖變形和沉降，確保隧道安全施工、公路安全通行，是一種較合理的下穿方案。為類似淺埋軟弱圍巖隧道快速、安全下穿結(jié)構(gòu)物施工提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：下穿公路;砂質(zhì)新黃土;淺埋;超前長管棚;微臺階

1、引言

當前在交通強國戰(zhàn)略的指引下，鐵路工程首當其沖，建設(shè)規(guī)模不斷擴大，路網(wǎng)越來越密，鐵路建設(shè)不可避免會出現(xiàn)一些隧道下穿公路、鐵路、油氣管線、市政管網(wǎng)、建筑物等現(xiàn)象。大部分隧道埋深較淺，施工過程中對地面構(gòu)筑物影響較大，如何安全下穿是保證隧道安全施工和上部構(gòu)筑物正常使用的關(guān)鍵。采用常規(guī)爆破施工、短管棚支護、分部開挖方法，效率低、風險大，常常會出現(xiàn)塌方、大變形等危險。本文采用超前長管棚加微臺階工法施工方案，下穿砂質(zhì)新黃土淺埋段施工，隧道變形小、沉降可控，不影響公路正常通行，是一種安全可靠、快速有效的施工方法。

2、工程概況

武家坡隧道位于陜西省榆林市靖邊縣，起訖里程為DK256+643 -DK259+315，隧道全長2672m，為單洞雙線隧道。隧道進口承擔正洞施工任務(wù)1436.75米，其中DK256+693～DK256+707段下穿307國道，與線路方向約呈60°相交，最小埋深25m。下穿段距隧道進口50米。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報揭示，穿越段主要為砂質(zhì)新黃土，黃褐色，稍密，稍濕，垂直節(jié)理發(fā)育，自穩(wěn)性差。隧址區(qū)地表水主要為基巖裂隙水滲出形成地表徑流，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，穿越段隧道洞內(nèi)基本無水。

3、下穿公路施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1總體施工方案

武家坡隧道DK256+693～DK256+707下穿國道段主要遵循“強化監(jiān)控量測、實施超前加固與支護、做到工法與支護措施選擇到位、保證初支緊跟下臺階施工和快速封閉成環(huán)”的施工原則。因穿越段距洞口較近，且埋深較淺。結(jié)合現(xiàn)場施工實際，決定在隧道洞口打入雙層直徑為159mm的長管棚對洞身進行超前預(yù)支護。隧道正洞采用微臺階法開挖工法進行。施工過程中地表和洞內(nèi)加密監(jiān)控量測斷面，增加監(jiān)測頻次，用量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。同時，保證仰拱和襯砌及時跟進。其中長管棚支護、微臺階開挖、實施監(jiān)控量測是控制圍巖變形、保證施工安全的關(guān)鍵所在。

3.2超前長管棚施工控制要點

⑴超前長管棚施工

在隧道洞口邊仰坡臨時防護工程施工完成后，開始進行導(dǎo)向墻和超前長管棚施工。超前長管棚采用長度為86.75m、直徑為159mm（t=7mm）熱軋無縫鋼管，在隧道拱部120°范圍施作。每層長管棚環(huán)向間距40cm，外插傾角為0°至3°。為保證管棚入巖角度，防止管棚侵限，采用精準導(dǎo)向鉆孔工藝進行鉆孔。利用加固好的可移動鉆機平臺調(diào)整施鉆位置和鉆桿角度。施鉆過程中采用定位導(dǎo)向儀進行跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡偏離時，及時進行調(diào)整?，F(xiàn)場鉆孔時，采用間隔鉆孔的方式進行，每完成一個鉆孔，立即頂進鋼管。鋼管每節(jié)長4m至6m，每節(jié)鋼管兩端預(yù)加工成外絲扣，以便連接下一節(jié)鋼管。為保證連接質(zhì)量，相同斷面鋼管接頭數(shù)量不得超過鋼管總數(shù)的50%。鋼管上鉆設(shè)溢漿孔，直徑10mm，間距150mm，按梅花形進行布置。鋼管中增設(shè)鋼筋籠，以提高鋼管的抗彎能力，鋼筋籠由四根Φ22主筋和固定環(huán)焊接而成。

⑵注漿施工

長管棚注入水泥漿，水泥漿液水灰比為0.5：1～2：1。施工過程中要保證注漿壓力和注漿量，注漿壓力控制在0.5 MPa 至2.0MPa，注漿量達到設(shè)計注漿量的95%以上。注漿施工前要根據(jù)現(xiàn)場實驗情況來調(diào)整注漿參數(shù)?，F(xiàn)場注漿時如果出現(xiàn)進漿量很大，但注漿壓力不變時，應(yīng)立即暫停施工，調(diào)整漿液配合比，縮短凝膠時間。長管棚注漿順序為從下到上，壓力由小到大，漿液先稀后濃。當壓力達到設(shè)計注漿終壓并穩(wěn)定不少于15min，且管棚周圍巖體和孔隙被漿液填充滿時，結(jié)束該孔注漿。

3.3微臺階開挖工法控制要點

隧道穿越國道段洞身采用微臺階法開挖，人工配合機械施工。上臺階長度控制在3-5m，高度控制在3m，同時預(yù)留核心土，開挖循環(huán)進尺控制在 0.6m。中臺階長度控制在5-7m，高度控制在3.5m，左右對稱開挖。下臺階與仰拱開挖高度控制在5m，左右對稱開挖。中下臺階開挖循環(huán)進尺控制在1.2m。洞身開挖預(yù)留變形量為20cm，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時調(diào)整預(yù)留變形量的大小，保證斷面凈空尺寸不侵限。開挖過程中，嚴格控制超欠挖，開挖結(jié)束后應(yīng)立即進行初噴砼封閉開挖面，緊跟進行初期支護，盡快封閉成環(huán)。初期支護格柵鋼架拱腳采用泡沫鋁墊板進行墊實，防止鋼架懸空。為了保證安全，開挖應(yīng)在上循環(huán)支護結(jié)束后進行。三臺階開挖時必須保證掌子面至仰拱初支封閉成環(huán)距離小于2倍洞徑，即小于22m。開挖過程要遵循“兩緊跟”的原則，即鋼架緊貼掌子面安裝和初支仰拱緊跟下臺階施工。微臺階法開挖重點強調(diào)一個“快”字，必須保證“快挖、快支、快成環(huán)”才能把優(yōu)勢顯現(xiàn)出來。

3.4監(jiān)控量測控制要點

充分利用好監(jiān)控量測技術(shù)是控制隧道施工安全，指導(dǎo)科學(xué)施工的重要手段。監(jiān)控量測能從不同的角度反應(yīng)出圍巖變形情況。下穿公路段采取現(xiàn)場觀察、地表沉降量測和洞內(nèi)監(jiān)控量測等多種手段綜合進行監(jiān)控?，F(xiàn)場觀察采用目視和羅盤儀進行，地表沉降和洞內(nèi)量測采用全站儀進行?，F(xiàn)場采集的量測數(shù)據(jù)通過隧道監(jiān)測信息系統(tǒng)傳遞給相關(guān)人員，使大家及時了解和掌握監(jiān)控量測信息。

⑴現(xiàn)場觀察

通過現(xiàn)場觀察能夠直觀的了解到地表和洞內(nèi)初支變化情況。現(xiàn)場觀察工作可以分為洞內(nèi)觀察和洞外周邊環(huán)境的觀察。一般要選擇具有一定施工經(jīng)驗或者具備監(jiān)測業(yè)務(wù)能力的人員進行觀察工作。重點觀察初期支護是否發(fā)生開裂，地表和公路路面是否發(fā)生沉降裂縫，邊坡是否擾動?，F(xiàn)場觀察要做好記錄，一般每施工循環(huán)記錄一次，同時要保證觀察的連續(xù)性。

⑵地表沉降量測

對于隧道下穿公路施工來說，重點就是要做好公路的地表沉降監(jiān)測工作。地表沉降觀測點在公路兩測沿路邊各設(shè)一個斷面。監(jiān)測點在隧道開挖線以內(nèi)按2m間距進行布設(shè)，開挖線以外按5m間距進行布設(shè)，監(jiān)測范圍不應(yīng)小于 H0+B 米（H0為隧道埋深，B為隧道洞身寬度）。在開挖掌子面接近下穿公路垂直斷面20米時，按2次/d進行監(jiān)測。當沉降速率小于10mm/d，繼續(xù)施工。沉降速率大于10mm/d小于20mm/d時，應(yīng)加強觀察，適當調(diào)整開挖進度，加快封閉成環(huán)速度。沉降速率大于20mm/d時，要暫停掌子面施工，制定加固措施，保證量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行施工。

⑶洞內(nèi)監(jiān)控量測

隧道開挖初期圍巖會存在較大的拱頂沉降值和水平收斂值。隨著支護結(jié)構(gòu)施工并且具備了一定的支撐強度之后，其變化值逐漸降低。施工中沿隧道開挖方向布設(shè)拱頂監(jiān)測點，在同一斷面的拱腰和邊墻處布設(shè)2對水平收斂觀測點，斷面間距5m。在公路正下方段落間距加密為3m。監(jiān)測頻率為2次/d，當出現(xiàn)異常情況時，根據(jù)現(xiàn)場管理要求，加大監(jiān)測頻率，監(jiān)測初始值讀數(shù)應(yīng)在隧道開挖后6h內(nèi)完成。拱頂沉降速率小于10mm/d且水平收斂速率小于5mm/d時，繼續(xù)施工。拱頂沉降速率大于10mm/d小于20mm/d或水平收斂速率大于5mm/d小于10mm/d，應(yīng)加強觀察，適當調(diào)整開挖進度，加快封閉成環(huán)速度。沉降速率大于20mm/d或水平收斂速率大于10mm/d時，要暫停掌子面施工，制定加固措施，保證量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行施工。

4、實施效果分析

通過超前長管棚預(yù)支護措施、微臺階開挖工法和監(jiān)控量測這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，武家坡隧道下穿國道施工期間洞內(nèi)未發(fā)生塌方、掉塊，國道路面未出現(xiàn)沉降開裂現(xiàn)象。施工總體安全可控，質(zhì)量顯著提升。更為重要的是提前15天完成下穿國道施工任務(wù)。

5、結(jié)論與建議

武家坡隧道采用超前長管棚加微臺階開挖綜合方案，成功完成了下穿公路施工，安全可靠，進度較快，沉降變形可控，是一種有效下穿公路施工方法，以下幾點可為類似工程做為借鑒或參考。

⑴超前長管棚預(yù)支護其支護強度高、支護范圍大，大大提高了圍巖自身穩(wěn)定性，為隧道后續(xù)工序安全施工提供了保障。

⑵微臺階開挖工法能及時封閉成環(huán)，其兩緊跟和拱腳支墊措施，能有效控制變形、控制沉降，對保證地面公路安全起決定性作用。

⑶采用綜合、立體的監(jiān)控量測措施，及時發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)、地面變化情況，作為施工控制的一個指揮棒，在下穿施工過程中起著重要作用。

同時在施工過程中也發(fā)現(xiàn)一些需要繼續(xù)改進的地方，如長管棚施工控制較難，尤其是長度超過40m以后，其方向、成孔、注漿等均存在一定的難度。微臺階施工作業(yè)面多、交叉施工作業(yè)頻繁，施工組織難度較大，一個工序發(fā)生問題，將影響整個施工組織，效率大大降低。同時隧道下穿工況復(fù)雜，方案也應(yīng)一洞一方案，諸如此類問題還待在以后的施工過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗。

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