超大跨度公路隧道穿越破碎帶施工技術(shù)研究

施昌齡，李九超，朱緒峰，陳文鵬

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來中國(guó)高速公路通車?yán)锍桃恢北３指咚僭鲩L(zhǎng)，截至2018年底，中國(guó)高速公路總里程已達(dá)到14.26×104km，是2000年的9.1倍，位居全球第1。高速公路對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有良好的促進(jìn)作用，但隨著交通運(yùn)輸需求以及汽車保有量的急劇增長(zhǎng)，先期建設(shè)的雙向四車道和雙向六車道高速公路的服務(wù)水平已經(jīng)不能滿足當(dāng)前交通運(yùn)輸?shù)男枨?，因此，有必要提高高速公路的通行能力，在此過程中雙洞八車道隧道開始修建[1-4]。雙洞八車道公路隧道的開挖跨度一般在18 m以上，屬于超大跨度公路隧道[5]。

破碎帶是在隧道施工過程中常見的不良地質(zhì)條件，破碎帶圍巖整體性差、黏聚力低、滲透能力強(qiáng)、不易形成承載拱，是地下工程結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定的制約因素[6-7]。超大跨度公路隧道具有薄拱、大跨及結(jié)構(gòu)扁平等特點(diǎn)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更加復(fù)雜，在穿越破碎帶等不良地質(zhì)時(shí)，隧道易出現(xiàn)應(yīng)力分布不對(duì)稱，在拱腳和墻角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，更容易產(chǎn)生大變形[8-9]，施工時(shí)難度較高，處理不當(dāng)極易發(fā)生掉塊、塌方等災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度[10-12]。然而，目前超大跨度公路隧道修建技術(shù)還未形成相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)于超大跨度公路隧道穿越破碎帶的施工經(jīng)驗(yàn)以及研究更少，因此有必要對(duì)超大跨度隧道穿越破碎帶施工方法進(jìn)行探索。

1 工程概況

樵嶺前隧道位于山東省淄博市博山區(qū)青石關(guān)村西側(cè)，為分離式雙洞八車道公路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km·h-1，左右線長(zhǎng)度分別為740 m和695 m，隧道最大開挖跨度為21.48 m，最大開挖高度為14.30 m，最大埋深約135.0 m。

1.1 地形地貌

樵嶺前隧道隧址區(qū)地貌為剝蝕低山丘陵，年平均降水量為640.5 mm，夏季降水量充沛，地表植被較發(fā)育；海拔為390～534 m，相對(duì)高度為144 m；坡角為10°～35°，整體較陡；大部分區(qū)域基巖埋深較淺，頂部基巖出露；層間節(jié)理裂隙發(fā)育，谷底堆積有較厚的洪積物與坡積物。隧道出口地段地勢(shì)較低、局部有基巖出露、覆蓋層較薄，隧道出口如圖1所示。隧道所在位置地形坡度較陡，地下水和地表水不易匯集，水容易排泄。隧址附近和地下的水文條件較簡(jiǎn)單，且隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高高于地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高，地下水和地表水對(duì)隧道影響較小。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)勘探資料，判斷隧址區(qū)圍巖以頁(yè)巖、灰?guī)r夾泥灰?guī)r薄層為主。

圖1 樵嶺前隧道出口

1.2 破碎帶地質(zhì)情況

樵嶺前隧道破碎帶主要發(fā)育在洞口段及洞身左右線K107+630～K107+725段，在K107+630～K107+725淺埋段。這些地段雨季易產(chǎn)生積水，造成裂隙水增多，層間結(jié)合減弱。根據(jù)地勘及實(shí)際資料，破碎帶地質(zhì)為寒武系頁(yè)巖、夾泥灰?guī)r薄層，屬較軟巖，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面節(jié)理發(fā)育，破碎帶掌子面圍巖如圖2所示。

圖2 樵嶺前隧道破碎帶掌子面圍巖

2 破碎帶施工方案

2.1 隧道施工工藝流程及準(zhǔn)備

圖3 樵嶺前隧道施工工藝流程

根據(jù)樵嶺前隧道穿越破碎帶圍巖條件、現(xiàn)場(chǎng)條件及工期要求等特點(diǎn)，按照“均衡生產(chǎn)、突擊重點(diǎn)、全面展開”的原則進(jìn)行施工安排，隧道施工工藝流程如圖3所示。在隧道開挖前，加強(qiáng)對(duì)掌子面前圍巖的勘測(cè)，采用長(zhǎng)距離TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，配合地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆和紅外探水進(jìn)行預(yù)報(bào)，及時(shí)預(yù)報(bào)掌子面前方15～40 m范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的地層和巖性情況，并預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)隧道破碎帶的位置，及時(shí)采取施工保障措施，從而實(shí)現(xiàn)有效避免施工過程中掉塊、塌方等災(zāi)害的目的，降低工程造價(jià)，減少施工盲目性，并消除工程安全隱患。

2.2 支護(hù)參數(shù)

樵嶺前隧道穿越破碎帶，圍巖條件較差，針對(duì)這些不利因素，加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)支護(hù)參數(shù)。破碎帶支護(hù)參數(shù)和相同圍巖級(jí)別下非破碎帶支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 樵嶺前隧道破碎帶支護(hù)參數(shù)

在隧道破碎帶發(fā)育地段，采用超前雙排小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行預(yù)支護(hù)，預(yù)防隧道出現(xiàn)掉塊、坍塌等病害。雙排小導(dǎo)管第1排長(zhǎng)450 cm，外插角為3°～6°；第2排長(zhǎng)300 cm，外插角為8°～12°，搭接長(zhǎng)度為120 cm。小導(dǎo)管采用熱軋鋼管，在距離止?jié){環(huán)1 m處開始鉆孔，孔徑為10 mm，鉆孔間隔為10 cm，梅花型布置在導(dǎo)管的表面。通過加固拱頂圍巖形成承載拱，改善圍巖的支護(hù)能力。超前注漿小導(dǎo)管側(cè)面和正面布置圖如圖4、5所示。

圖4 樵嶺前隧道超前注漿小導(dǎo)管側(cè)面布置

圖5 樵嶺前隧道超前注漿小導(dǎo)管正面布置

2.3 隧道開挖

樵嶺前隧道穿越破碎帶時(shí)采用CD法施工，為減少對(duì)破碎帶圍巖的擾動(dòng)，在隧道開挖過程中采用弱爆破、機(jī)械或人工開挖。為保證施工安全，同時(shí)確保施工進(jìn)度，及時(shí)縮短開挖進(jìn)尺，每循環(huán)的開挖進(jìn)尺由1.5 m縮短到0.6 m。周邊眼采用光面爆破法，盡可能保留半孔痕跡。為防止鋼架下沉或2底腳回收，拱部鋼架采取鎖腳措施。鎖腳每側(cè)采用2組2根長(zhǎng)3.5 m的Φ25 mm鎖腳錨桿固定，將鋼架2底腳牢固鎖定。樵嶺前隧道CD法鎖腳錨桿布設(shè)如圖6所示，CD法施工如圖7所示，圖中數(shù)字為施工順序。

圖6 樵嶺前隧道CD法鎖腳錨桿布設(shè)圖

2.4 注漿加固

在開挖后變形過大區(qū)域進(jìn)行注漿處理，確保施工質(zhì)量和圍巖的穩(wěn)定性。采用Φ50 mm的注漿小導(dǎo)管對(duì)隧道邊墻周邊注漿，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5 m，尾部置于鋼架頂部，增加共同支護(hù)能力，間距為100 cm×60 cm，呈梅花形布置(每榀拱架按6根或5根布置)。水泥漿使用的水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6～0.8∶1。注漿壓力控制在1 MPa左右，記錄注漿全過程以及出現(xiàn)的異常。當(dāng)單根小導(dǎo)管注漿量超過0.2 m3時(shí)，立即停止注漿，待漿液初凝后，再加注0.05 m3。圖8為隧道現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，圖9為注漿小導(dǎo)管注漿流程圖。

圖7 樵嶺前隧道CD法施工圖

圖8 樵嶺前隧道現(xiàn)場(chǎng)注漿

圖9 注漿小導(dǎo)管注漿流程

2.5 防水要求

襯砌混凝土施工以防水混凝土標(biāo)準(zhǔn)施工，施工縫、變形縫須達(dá)到防水要求，對(duì)混凝土基面進(jìn)行平整，清除浮渣，使防水層能夠緊貼于混凝土基面。防水層鋪設(shè)完成后采用充氣法或真空法進(jìn)行檢查，確保嚴(yán)密可靠，在滲水地段先進(jìn)行注漿止水，再鋪設(shè)防水層。排水盲管和縱、橫向排水管應(yīng)安裝在平整干凈的基底上，確保排水順暢。

3 施工質(zhì)量保證措施

3.1 開挖質(zhì)量保證措施

(1)開挖作業(yè)嚴(yán)格按照光面爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行。

(2)嚴(yán)格控制炮眼的位置、深度和角度。

(3)爆破后，及時(shí)對(duì)斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，分析超、欠挖原因，及時(shí)修正爆破參數(shù)，保證隧道開挖后硬巖的炮眼殘留率達(dá)到80%以上，中硬巖達(dá)到60%以上。

3.2 支護(hù)質(zhì)量保證措施

(1)嚴(yán)格檢查支護(hù)材料，確保支護(hù)材料的材質(zhì)、質(zhì)量、類型、數(shù)量、規(guī)格和性能滿足要求。超前小導(dǎo)管插入孔內(nèi)的長(zhǎng)度大于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%，孔內(nèi)灌漿密實(shí)飽滿，墊板緊貼圍巖，用M10砂漿對(duì)圍巖進(jìn)行填平處理，錨桿垂直于開挖輪廓線布設(shè)。

(2)鋼筋網(wǎng)與隧道斷面形狀相適應(yīng)并與錨桿或其他固定裝置連接牢固。質(zhì)檢人員應(yīng)跟班檢查搭接寬度是否符合要求，網(wǎng)格尺寸是否與圖紙相符。

(3)噴射混凝土拌和嚴(yán)格按規(guī)范及監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的配合比進(jìn)行。質(zhì)檢人員跟班檢查，嚴(yán)格控制噴射混凝土厚度，認(rèn)真做好施工記錄，并在隧道全長(zhǎng)內(nèi)每隔10～20 m取至少1個(gè)試件，從拱中心向兩側(cè)邊墻每隔2 m取樣，用以檢驗(yàn)強(qiáng)度是否合格。

(4)開挖斷面周邊有金屬桿件和鋼支撐時(shí)，將桿件和支撐背面噴射填滿，粘結(jié)好。

(5)按規(guī)范檢查噴射混凝土表面，若出現(xiàn)松動(dòng)、開裂、下墜及滑移等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)清除重噴。

3.3 防水層鋪設(shè)質(zhì)量保證措施

在專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下施作防水層鋪設(shè)全過程。鋪設(shè)前保證初噴混凝土表面無濕漬，有濕漬處進(jìn)行壓漿處理。并對(duì)初噴混凝土表面進(jìn)行找平，割除出露的鋼筋頭，用砂漿抹平。防水層鋪設(shè)完成后，要對(duì)防水層進(jìn)行保護(hù)，以免后續(xù)鋼筋焊接等施工破壞防水層。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與分析

結(jié)合樵嶺前隧道施工以及圍巖條件采取相應(yīng)監(jiān)控量測(cè)方法，采用較成熟的測(cè)試手段對(duì)隧道斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，迅速處理、分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)判斷圍巖的穩(wěn)定性，指導(dǎo)施工預(yù)防坍塌，保證施工安全。采用的儀器主要有拓普康ES-101全站儀。詳細(xì)檢測(cè)項(xiàng)目見表2，隧道拱頂下沉及周邊位移測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。施工過程中在ZK108+218樁號(hào)處超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測(cè)到掌子面前方15 m處有破碎帶，在ZK108+208樁號(hào)位置處更換為破碎帶支護(hù)參數(shù),樵嶺前隧道右線隧道破碎帶ZK108+190斷面拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖如圖11所示，周邊位移時(shí)態(tài)曲線圖如圖12所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目及量測(cè)方法

圖10 隧道拱頂下沉及周邊位移測(cè)點(diǎn)布置

圖11 隧道左線ZK108+190拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線

圖12 隧道左線ZK108+190周邊位移時(shí)態(tài)曲線

由圖11、12可知，該斷面監(jiān)測(cè)最大拱部下沉值為16.4 mm；周邊位移最大值為7.1 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，且下沉值和周邊位移值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的預(yù)留變形量180 mm。隧道開挖后，拱頂下沉和周邊位移先急劇增長(zhǎng)，之后進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段，持續(xù)變形30～40 d后趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到1個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明初期支護(hù)完全能夠控制隧道變形。從監(jiān)測(cè)斷面的拱頂下沉值可以看出：右側(cè)導(dǎo)洞2號(hào)(先導(dǎo)洞)處的下沉變形最大，拱頂0號(hào)點(diǎn)與左側(cè)導(dǎo)洞1號(hào)(后導(dǎo)洞)點(diǎn)的下沉變形相近且較小。左側(cè)后導(dǎo)洞的開挖對(duì)右側(cè)先導(dǎo)洞的下沉穩(wěn)定有較大影響，右側(cè)先導(dǎo)洞的下沉值顯著大于左側(cè)后導(dǎo)洞。

綜合分析可知：周邊位移和拱頂下沉變形規(guī)律一致，都經(jīng)歷了急劇增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和穩(wěn)定3個(gè)階段。穿越破碎帶時(shí)采取的施工控制措施效果良好，對(duì)圍巖變形的控制效果良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定破碎帶位置、對(duì)破碎帶圍巖進(jìn)行超前注漿加固、拱部結(jié)合墻部注漿加固提高破碎帶圍巖支護(hù)強(qiáng)度以及嚴(yán)格控制施工步距等措施可以確保超大跨度公路隧道安全、順利通過破碎帶。

(2)拱部采用Φ50 mm的450 cm+300 cm雙排注漿小導(dǎo)管，能夠有效控制圍巖變形，且變形不超過16.4 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的預(yù)留變形量180 m。

(3)采用CD法開挖施工，嚴(yán)格控制施工步距，后導(dǎo)洞滯后于先導(dǎo)洞15～20 m，下臺(tái)階滯后于上臺(tái)階3～5 m，每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在0.6 m，能夠保證超大跨度公路隧道順利穿越破碎帶。