鄂北地區(qū)水資源配置工程穿公路段淺埋隧洞開挖與支護(hù)施工技術(shù)要點(diǎn)

熊萍 包喆 黃震宇

摘要：為研究水利工程中淺埋段隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以鄂北地區(qū)水資源配置工程為例，探討了大管棚支護(hù)方式在淺埋段隧洞施工中的應(yīng)用，并對(duì)其施工技術(shù)要點(diǎn)和施工工藝進(jìn)行了介紹。該技術(shù)在淺埋隧洞開挖支護(hù)、二襯施工等方面均起到較好的保護(hù)作用，保證了運(yùn)行過(guò)程中洞室穩(wěn)定性，也避免了塌方、冒頂?shù)炔涣嫉刭|(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。相關(guān)技術(shù)成果可為今后類似工程提供施工經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：穿公路段淺埋隧洞;大管棚支護(hù);隧洞開挖;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.006

Abstract： In order to study the stability of shallow buried tunnel structure in water conservancy project， taking the North Hubei Water Transfer Project as an example， the application of large pipe shed in the shallow buried tunnel is discussed，and the technological points and construction technology are also introduced. The application results showed that the construction technology played better role in protecting the stability of the tunnel in the processes of excavation support， secondary lining construction and operation， and avoided the occurrence of adverse geological phenomena such as collapse and roof fall. The corresponding research results can provide valuable construction experience for similar projects in the future.

Key words： shallow tunnel passing through highway section;big pipe shed support ;tunnel excavation; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱“鄂北工程”）從湖北省丹江口水庫(kù)清泉溝隧洞進(jìn)口引水，向沿線城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水，以解決鄂北地區(qū)干旱缺水問(wèn)題。工程主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽、節(jié)制閘、分水閘、檢修閘、退水閘、放空閘閥、排洪建筑物及王家沖水庫(kù)等組成，工程規(guī)模為Ⅱ等大（2）型，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)或3級(jí)，次要建筑物為3級(jí)或4級(jí)。

鄂北工程線路總長(zhǎng)269.67 km，沿線建筑物類型較多，且有多處建筑物與其他建筑物（諸如公路、水塘等）交叉。以2016年8標(biāo)歪寨隧洞為例，隧洞全長(zhǎng)6 140 m，其中樁號(hào)184+640～184+790段長(zhǎng)150 m，屬于V類圍巖，該段隧洞下穿S49省級(jí)公路和稻田沖溝，穿省道處洞頂埋深15 m，省道邊還有一口深14 m的水井在隧洞施工范圍內(nèi);穿稻田沖溝處洞頂埋深僅8 m，且距隧洞軸線150 m范圍內(nèi)還有6戶民房。在多項(xiàng)限制條件下，如何既保證洞內(nèi)施工安全，又保證洞外交通和民房安全，成為此隧洞在開挖與支護(hù)過(guò)程中需要著重考慮的問(wèn)題。歪寨隧洞184+640～184+790穿公路淺埋段示意見圖1。

2 地質(zhì)條件

歪寨隧洞184+640～184+790段屬于V類圍巖，極不穩(wěn)定。圍巖為絹云鈉長(zhǎng)片巖，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，上覆蓋巖體厚2～10 m。巖體微透水，洞身有斷層通過(guò)，巖石強(qiáng)度為軟巖，巖體完整性差，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)平直粗糙，裂隙寬度1～5 mm，有滲水或滴水現(xiàn)象。

3 加固措施

184+640～184+790段拱頂120°范圍內(nèi)做150 m超前大管棚，分成6×30 m節(jié)施工。每節(jié)套拱采用C25混凝土澆筑，套拱長(zhǎng)2 m，寬6.59 m，預(yù)埋Φ133導(dǎo)向管，導(dǎo)向管參數(shù)為：δ=6 mm，L=2.0 m，環(huán)向間距0.4 m;每節(jié)管棚采用Φ108鋼花管，δ=6 mm，環(huán)向間距0.4 m，仰角1°，L=30 m，搭接長(zhǎng)度5 m。每節(jié)套拱澆筑完成后，在套拱前2 m范圍內(nèi)拱頂適當(dāng)擴(kuò)挖50 cm作為鉆機(jī)架設(shè)和工作空間。

184+640～184+790段系統(tǒng)錨桿采用Φ22，L=3.0 m的錨桿，間排距1.0 m，呈梅花形布置，噴射20 cm厚C25混凝土，掛Φ6.5鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)間距15 cm，洞身采用I18鋼拱架，拱架間距0.5 m，每榀拱架左右底腳各布置1根Φ22，L=4.5 m鎖腳錨桿，與鋼拱架焊接牢固;底部仰拱布置I18鋼拱架，間距0.5 m，噴20 cm厚C25仰拱混凝土。套拱前2 m范圍內(nèi)拱頂擴(kuò)挖部分采用C25噴射混凝土補(bǔ)平。 支護(hù)橫剖面及縱剖面見圖2～3。

4 施工過(guò)程控制

歪寨隧洞184+640～184+790段按照“套拱擴(kuò)挖→鋼拱架→導(dǎo)向管→套拱結(jié)構(gòu)鋼筋→套拱混凝土澆筑→鉆孔→安裝鋼管→管棚注漿→管口封堵→超前支護(hù)→鉆爆開挖→鋼拱架→錨噴支護(hù)→下一循環(huán)管棚施工”的順序組織施工。

4.1 管棚施工

管棚施工是目前下穿地面建筑物隧道施工中常用的一種方法。在管棚施工前將洞內(nèi)開挖面擴(kuò)挖、排險(xiǎn)，除去揭露的破碎巖石，在開挖面套拱下環(huán)向預(yù)留核心土做鉆機(jī)平臺(tái)，并穩(wěn)固前方開挖體。

4.1.1 管棚參數(shù)

（1）導(dǎo)向管。導(dǎo)向管參數(shù)為Φ133 mm×6 mm，長(zhǎng)度2 m，環(huán)向間距0.4 m，傾角1°，每環(huán)17個(gè)。

（2）管棚鋼管。熱軋無(wú)縫鋼管Φ108 mm×6 mm，環(huán)向間距0.4 m，仰角1°，總長(zhǎng)150 m（每環(huán)有效長(zhǎng)度6×25 m，搭接長(zhǎng)度為5 m）。

（3）隧洞縱向每一橫斷面的鋼管接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭錯(cuò)開。

4.1.2 管棚加工制作

管棚采用3 m和6 m兩種長(zhǎng)度，用15 cm長(zhǎng)絲扣直接對(duì)口連接。鋼管管壁加工注漿花孔，孔徑Φ8 mm，排距按10 cm設(shè)置，每排2孔，呈梅花形排列。前段做成15 cm的尖錐形，尾端3 m不做鉆孔。第一節(jié)鋼管交替采用3 m和6 m兩種長(zhǎng)度鋼花管，其余節(jié)數(shù)均采用6 m鋼花管。

4.1.3 套拱施工

混凝土套拱作為長(zhǎng)管棚的導(dǎo)向墻，在開挖廓線以外拱部120°范圍內(nèi)施作，套拱內(nèi)埋設(shè)5榀I18鋼拱架（間距0.5 m）進(jìn)行支撐，鋼拱架與每環(huán)的17個(gè)導(dǎo)向管焊接成一個(gè)整體，套拱長(zhǎng)度為2 m，以保證其基礎(chǔ)穩(wěn)定牢固。

套拱內(nèi)預(yù)埋Φ133鋼管作為管棚的導(dǎo)向管，安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度直接影響管棚質(zhì)量。用經(jīng)緯儀以坐標(biāo)法在工字鋼架上定出其平面位置;用水準(zhǔn)尺配合坡度板設(shè)定孔口管的傾角;用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角?？卓诠軕?yīng)牢固焊接在工字鋼上，以防澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生位移。

套拱采用C25混凝土進(jìn)行澆筑，模板安裝和澆筑過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，做好導(dǎo)向管防護(hù)工作，避免混凝土侵入堵塞管道，混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后再進(jìn)行下道工序。

4.1.4 鉆孔施工

鉆機(jī)平臺(tái)充分使用未挖出巖石為基礎(chǔ)，增加適量腳手架來(lái)搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，鉆孔由1～2臺(tái)鉆機(jī)以高孔位向低孔位進(jìn)行。平臺(tái)要支撐于穩(wěn)固的地基上，腳手架連接要牢固、穩(wěn)定，防止鉆機(jī)在施鉆時(shí)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移而影響鉆孔質(zhì)量。要求鉆機(jī)與已設(shè)定好的孔口管方向平行，必須精確核定鉆機(jī)位置。用經(jīng)緯儀、掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓，待成孔3 m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及水壓。鉆進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常用測(cè)斜儀測(cè)定其位置，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時(shí)處理鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的偏差。鉆進(jìn)過(guò)程中，須確保扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn);認(rèn)真作好鉆進(jìn)過(guò)程的原始記錄，及時(shí)對(duì)孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖時(shí)的地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)參考資料，用于指導(dǎo)洞身后續(xù)開挖。用地質(zhì)巖芯鉆桿配合鉆頭進(jìn)行反復(fù)掃孔，清除浮渣，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣。

4.1.5 管棚鋼管安裝施工

棚管頂鉆進(jìn)采用裝載機(jī)和管棚機(jī)鉆進(jìn)相結(jié)合的工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導(dǎo)孔（Φ127 mm），然后用千斤頂配合人工操作頂進(jìn)鋼管。接長(zhǎng)鋼管應(yīng)滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯(cuò)開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開1 m。

4.1.6 管棚注漿施工

根據(jù)實(shí)際施工地質(zhì)條件，管棚施工時(shí)采用一次全鉆孔注漿，當(dāng)巖石破碎裂隙發(fā)育時(shí)采用前進(jìn)式注漿，即鉆孔一段注漿一段，一直循環(huán)至注漿中孔。巖石裂隙不夠發(fā)育，巖層稍好可采用后退式注漿，即一次鉆孔到注漿孔深，再?gòu)目椎桌弥節(jié){塞分段壓漿后退至孔口。注漿材料為純水泥漿液，水灰比為1∶1 。

注漿前先進(jìn)行注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定具體注漿參數(shù)。采用注漿機(jī)將漿液注入管棚鋼管內(nèi)，初壓0.5～1.0 MPa，終壓2 MPa，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5 m，持壓3～5 min后停止注漿，注漿結(jié)束后立即清除管內(nèi)漿液，并用水泥砂漿緊密充填，以增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。管棚注漿要分I、II序孔間隔注漿，保證注漿質(zhì)量，以更好地固結(jié)巖石。注漿量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，一般為鉆孔圓柱體體積的1.5倍;若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。

4.2 洞挖施工

歪寨隧洞184+640～184+790段洞挖遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，采取上、下半洞臺(tái)階式開挖，循環(huán)進(jìn)尺控制在1 m以內(nèi)，在開挖過(guò)程中嚴(yán)格按照“一掘一支護(hù)”的原則組織施工，開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，開挖斷面、開挖循環(huán)進(jìn)尺等要求，采用光面爆破和預(yù)留光爆層爆破技術(shù)相結(jié)合的開挖方式，達(dá)到減少爆破振動(dòng)、降低噪音、使圍巖成形圓順的目的[1]。

4.3 錨桿施工

鉆工在支護(hù)工作臺(tái)架上，用氣腿鉆造孔，鉆孔方向應(yīng)垂直結(jié)構(gòu)面或與設(shè)計(jì)要求的角度一致，鉆頭直徑大于錨桿直徑15 mm以上。成孔后采用高壓風(fēng)清孔，對(duì)于部分孔內(nèi)粉泥，宜用高壓水沖洗，再用高壓風(fēng)沖洗孔內(nèi)的水。

用鋼筋切割機(jī)將錨桿加工成需要的長(zhǎng)度。錨桿桿體必須調(diào)直無(wú)缺損、無(wú)銹、無(wú)雜物，所有錨桿均應(yīng)設(shè)鋼墊板。

錨桿安裝允許偏差應(yīng)符合以下規(guī)定：？①錨桿孔的孔徑應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;②錨桿孔的深度應(yīng)比錨桿長(zhǎng)度大10 cm;③錨桿孔距允許偏差為±15 cm;④錨桿插入長(zhǎng)度不得小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%。

4.4 鋼拱架施工

鋼拱架的施工程序?yàn)椋簬r面清理→鎖腳錨桿施工→鋼拱架安裝→鋼楔緊固→鋼筋網(wǎng)片安裝[2]。

鋼拱架安裝應(yīng)在洞挖施工前，按照施工方案預(yù)定的規(guī)格、數(shù)量加工制作備用，其聯(lián)結(jié)鋼板、螺栓螺帽、鋼楔等亦準(zhǔn)備到位。在巖石破碎地帶使用鋼拱架時(shí)，先要對(duì)圍巖進(jìn)行隨機(jī)錨桿和初噴射混凝土支護(hù)，以保證鋼拱架安裝作業(yè)人員的安全。

（1）鋼拱架安裝前，應(yīng)處理巖面欠挖，清理巖面浮石及墻腳堆積物。

（2）采用氣腿鉆打鎖腳錨桿孔，錨桿孔位置按鋼拱架的間距及分段長(zhǎng)度確定。鎖腳錨桿由人工安裝，藥卷錨固。

（3） 鋼拱架安裝在裝載機(jī)的配合下由人工進(jìn)行，鋼拱架分段間采用聯(lián)結(jié)鋼板螺栓連接牢固。鋼拱架與圍巖間空隙采用鋼楔楔緊，應(yīng)使其基本與圍巖密貼。鋼拱架與鎖腳錨桿和鋼楔等焊接，要求焊接牢固，鋼拱架不移位，焊接完成后，每榀鋼拱架間用連接鋼筋焊接成整體。

（4）鋼拱架安裝完成后，立即在頂拱鋼支撐上焊接細(xì)鋼筋網(wǎng)片，防止頂拱掉塊，同時(shí)進(jìn)行超前錨桿施工。

（5）鋼拱架安裝后，盡快進(jìn)行噴混凝土作業(yè)，并全部覆蓋。噴射混凝土?xí)r，先從拱腳或墻處向上噴射，以防上部噴射料虛掩拱腳（墻腳）不密實(shí)，造成強(qiáng)度不夠，拱腳（墻腳）失穩(wěn)。

4.5 噴射混凝土施工

洞內(nèi)噴射混凝土施工均采用濕噴法作業(yè)。噴射施工前應(yīng)清理受噴面，清除開挖面浮石、石渣或堆積物，挖除欠挖部分，用高壓風(fēng)水槍沖洗受噴面，對(duì)于潮濕的泥化巖石，采用高壓風(fēng)清掃巖面。對(duì)土質(zhì)邊坡，則將邊坡整平、壓實(shí)。 受噴面驗(yàn)收合格后，在錨桿上設(shè)立噴厚標(biāo)志，對(duì)受噴面滲水部位，可采用埋設(shè)導(dǎo)管、盲管或截水圈作排水處理[3]。

噴射混凝土采取分段分片從下至上進(jìn)行，噴射時(shí)，噴頭要與受噴面垂直，距離不大于1.0 m，呈“S”形運(yùn)動(dòng)?；炷羾娚浜?0 cm以上的部位，噴射施工分層進(jìn)行，每層噴射厚3～5 cm?；炷两K凝到下一循環(huán)放炮時(shí)間控制不小于3 h。噴射混凝土終凝2 h后開始灑水養(yǎng)護(hù)，7 d內(nèi)使噴射混凝土表面處于濕潤(rùn)狀態(tài)。通過(guò)預(yù)埋鋼筋作噴混凝土厚度標(biāo)志或鉆孔檢查，由肉眼檢查評(píng)價(jià)外觀質(zhì)量。

4.6 小導(dǎo)管施工

小導(dǎo)管沿開挖輪廓線單排布置?？拙酁?0 cm，外插角10°，每排17根，搭接長(zhǎng)度不小于100 cm，每2榀鋼拱架施作一循環(huán)。小導(dǎo)管由管外徑Φ 42 mm、壁厚4 mm的熱扎無(wú)縫鋼管加工制成，前部鉆注漿孔，孔徑Φ 6 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置4排。前端加工成錐形，尾部長(zhǎng)度50 cm。將加工好的小導(dǎo)管插入已鉆好的眼孔，為充分發(fā)揮小導(dǎo)管的支護(hù)作用，將小導(dǎo)管尾部焊接在已架好的型鋼支撐上。

注漿采用水泥-水玻璃雙液注漿，水灰比為1∶1（重量比），注漿壓力初始為0.5 MPa，在注漿壓力達(dá)到1 MPa時(shí)結(jié)束注漿。注漿采取從低孔向高孔位，根據(jù)設(shè)計(jì)的注漿參數(shù)，從注漿壓力、注漿量和注漿時(shí)間上來(lái)判斷是否結(jié)束注漿。具體可分以下幾種情況：①當(dāng)注漿壓力接近或達(dá)到終壓（0.5～1.0 MPa）時(shí)，結(jié)束注漿;②當(dāng)注漿壓力超過(guò)或達(dá)到終壓的80%時(shí)，出現(xiàn)較大跑漿，經(jīng)間歇注漿后也可結(jié)束注漿;③當(dāng)注漿量達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)注漿量，孔口管出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象時(shí)可以結(jié)束。水泥凈漿注漿完成且注漿壓力穩(wěn)定后，以1∶1的水泥砂漿將小管棚灌注并搗實(shí)，其尾端必須與鋼架焊接，以保證超前支護(hù)能夠更好地發(fā)揮作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在歪寨隧洞穿公路淺埋段施工中采取上述加強(qiáng)措施，整個(gè)開挖支護(hù)過(guò)程順利，無(wú)塌方、冒頂?shù)痊F(xiàn)象發(fā)生，安全高效地完成了該段的開挖支護(hù)施工。隧洞開挖過(guò)程中，洞內(nèi)安排收斂變形、沉降變形觀測(cè)，洞外安排公路、沖溝沉降觀測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示洞內(nèi)洞外基本無(wú)異常，狀況良好。目前，該段已全面完成混凝土二期襯砌。

歪寨隧洞淺埋段采用大管棚支護(hù)方式，對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到一定積極作用，保證了該段隧洞開挖支護(hù)及二襯過(guò)程的順利進(jìn)行，也可為類似淺埋段或穿越建筑物隧洞施工提供參考。

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（編輯：唐湘茜）