淺埋暗挖隧道下穿既有構(gòu)造物施工技術(shù)

李 新 生，孫 慕 楠

(1.95338部隊，廣東 廣州 510000；2.中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局 ，四川 彭山 620860)

1 概 述

龍泉山區(qū)間隧道YDK44+150～YDK44+300(150 m)、ZDK44+130～ZDK44+300(170 m)段下穿已通車的快速路張萬溝大橋。區(qū)間圍巖為強風(fēng)化泥巖夾砂巖，處于向斜富水帶。隧道穿越張萬溝大橋樁基礎(chǔ)，穿越段1#橋墩樁底高程為579.913 m，橋臺臺底高程為589.666 m。左線隧道位于橋臺與橋墩之間，距橋臺7.5 m，距橋墩中心線12.5 m，隧道拱頂距橋臺底32.94 m，距橋墩底23.19 m。采用淺埋暗挖法下穿該段區(qū)間時，隧道的開挖施工將對上覆土體造成擾動作用并對土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡造成破壞、導(dǎo)致土體應(yīng)力重新分布，土層發(fā)生位移，引起橋梁構(gòu)造物及地表不均勻沉降甚至嚴(yán)重變形垮塌[2]，給施工帶來極大的安全風(fēng)險。對此，為了確保隧道順利下穿張萬溝大橋，必須加強土體結(jié)構(gòu)變形控制。而土體結(jié)構(gòu)變形又受隧道工程埋深、開挖施工技術(shù)等因素影響。研究發(fā)現(xiàn)：為減小對地表土層的影響，可適當(dāng)增加隧道工程埋深[3]，但需要注意的是：埋深過大會產(chǎn)生高額的造價且施工技術(shù)難度較大。

考慮到該段隧道地處富水帶且埋深較淺等不利因素，不但要保證龍泉山隧道順利下穿張萬溝大橋，而且不能影響到張萬溝大橋的正常交通。經(jīng)技術(shù)人員分析后決定，該工程首先應(yīng)用地震波反射法(TSP)探知隧道前方的地質(zhì)情況，為隧道施工中及時采取防范措施提供依據(jù)，進而有效控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；其次，在了解前方地質(zhì)情況的前提下通過采用超前帷幕注漿和超前大管棚雙重預(yù)加固措施穩(wěn)固巖體；最終實行光面爆破以減少爆破后圍巖產(chǎn)生爆破裂縫的數(shù)量，從而減少對張萬溝大橋的擾動。筆者對所采取的施工技術(shù)進行了闡述。

2 所采取的施工技術(shù)

2.1 地震波反射法(TSP)

地震反射波法[4]是利用地震反射波進行人工地震勘探的方法。其測量結(jié)果能較準(zhǔn)確地確定界面的深度和形態(tài)，圈定局部構(gòu)造，判斷地層巖性。

將TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的測線布設(shè)在掌子面附近的邊墻上，它由兩個接收器孔(孔深2 m)和24個炮孔(孔深1.5 m，間距1.5 m)組成，兩個接收器孔對稱分布在兩個邊墻，24個炮孔等間距布置在邊墻，每個炮孔的炸藥用量為60～80 g，采用瞬發(fā)電雷管逐個引爆。

炮孔從掘進頭向后在巷道邊墻布置，第一個炮眼距掌子面退后5 m，孔深1.5 m，其它23個炮眼以同樣孔深、間距1.5 m向后依次布置。接收孔位置距第24號炮眼的距離為16 m。

施工過程對鉆孔的要求：

(1)炮孔：24個，垂直邊墻深度為1.5 m，間距1.5 m，高度1 m，孔徑42 mm；

(2)接收孔：2個，深度2 m，距第24號炮孔16 m，高度1 m，孔徑50 mm；

(3)炮孔和接收孔在巷道邊墻布置成一條直線，高度1 m，平行于巷道走向布置；

(4)所有孔均垂直于邊墻；

(5)數(shù)據(jù)的采集與分析：洞內(nèi)數(shù)據(jù)的采集主要由接收器、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備以及起爆設(shè)備三大部分組成。洞內(nèi)數(shù)據(jù)的采集包括打接收器孔、爆破孔、埋置接收器管、連接接收信號儀器、接收放炮信號等過程。通過專門的數(shù)據(jù)處理軟件處理得知龍泉山隧道在YDK44+150-260(110 m)、ZDK44+130～260(130 m)區(qū)間均為向斜富水帶。

2.2 超前帷幕注漿

龍泉山隧道在YDK44+150～260(110 m)、ZDK44+130～260(130 m)區(qū)間均為向斜富水帶，采用超前帷幕注漿預(yù)加固措施能夠防止隧道開挖過程中引起的張萬溝大橋沉降變形。

(1)止?jié){墻及鉆孔施工。在隧道掌子面施工到距設(shè)計周邊注漿里程前5 m位置，在掌子面設(shè)置厚度為2 m的C20混凝土止?jié){墻。采用管棚鉆機進行鉆孔，鉆孔直徑為108 mm，鉆孔2 m后設(shè)置1 m長、φ108孔口管，壁厚6 mm。注漿采用全斷面注漿法，掌子面設(shè)置5圈注漿孔，每循環(huán)注漿段長30 m(開挖25 m，保留5 m長止?jié){巖盤)。

鉆孔順序宜先鉆內(nèi)圈孔、后鉆外圈孔，先無水孔、后有水孔。鉆進過程中經(jīng)常測定其位置，并根據(jù)鉆機鉆進的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。鉆進過程中必須確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

(2)注 漿。注漿材料主要為水泥漿液，水泥水玻璃雙漿液主要在封孔或突涌時使用。注漿順序為先外圈再內(nèi)圈，同圈孔間隔施工。采用分段后退式注漿，分段長度為0.6～1 m。鉆孔完成后，在孔內(nèi)設(shè)置止?jié){塞，從孔底開始分段進行注漿，第一分段注漿完成后，后退一個分段長度進行第二分段注漿，如此往復(fù)，直到整個注漿段完成，注漿終壓為1.5～2 MPa。

2.3 超前大管棚施工

為保證隧道下穿張萬溝大橋施工過程中橋梁的結(jié)構(gòu)安全，在隧道右線YDK44+190～230(40 m)段及左線ZDK44+170～210(30 m)段設(shè)置大管棚。大管棚采用直徑108 mm，壁厚6 mm的熱軋無縫鋼花管制作，管棚施工角度為3°。大管棚長45 m，環(huán)向間距為40 cm。左右線管棚設(shè)計各30根，共計60根。管棚導(dǎo)向墻設(shè)計為1 m寬，厚0.6 m，采用C25噴射混凝土澆筑。φ140導(dǎo)向管與導(dǎo)向墻型鋼焊為整體，中心距下底邊30 cm，距上底邊30 cm。導(dǎo)向管環(huán)向間距為40 cm，安裝導(dǎo)向管外插角3°。為滿足大管棚施工，需對上臺階斷面進行擴挖，擴挖段總長7 m，過渡段1 m，擴挖厚度為1 m。上臺階擴挖段施工時，下臺階施工至擴挖段起點后停止開挖施工，待上臺階管棚施工完成后采用C25噴射混凝土將擴挖段回填至設(shè)計開挖斷面后進行下臺階的施工。

(1)導(dǎo)向墻施工。導(dǎo)向架采用2榀Ⅰ18型鋼鋼架作為管棚導(dǎo)向墻，間距0.6 m。2榀鋼架間縱向采用φ22縱向鋼筋，環(huán)向1 m間距布置并與鋼架焊接牢固。工字鋼底部至內(nèi)模頂面的距離為5 cm。

(2)導(dǎo)向管施工。工字鋼架設(shè)完成后進行導(dǎo)向管的安裝，導(dǎo)向管采用直徑144 mm的熱軋無縫鋼花管，其壁厚為5 mm，導(dǎo)向管的長度為1.5 m，環(huán)向間距為40 cm。為防止導(dǎo)向管在灌注混凝土?xí)r發(fā)生位移，將導(dǎo)向管焊接在工字鋼架上。

(3)模板的安裝及澆筑。為保證導(dǎo)向墻端頭噴射混凝土面光滑平順，需在導(dǎo)向墻安裝端頭模板。導(dǎo)向墻的端頭模板采用2.5 cm厚的木板，木板間的連接采用加背撐方式進行加固，木模板與鋼模板之間采用扒釘或鋼釘連接牢固，模板與混凝土接觸面涂刷脫模劑。

導(dǎo)向墻采用C25噴射混凝土澆筑，采用潮噴工藝。

(4)大管棚施工。為滿足洞內(nèi)大管棚施工，需對上臺階斷面進行擴挖，擴挖段總長7 m，過渡段長1 m，擴挖厚度為1 m。

(5)跟管鉆進施工。鉆孔采用管棚鉆機，鉆孔直徑為127 mm。在打設(shè)每孔的第一節(jié)管時，奇偶孔分別采用長度為1.5 m和2 m的鋼管并安裝管系。以后的每一節(jié)管均采用1.5 m長的鋼管。

(6)管棚加工。大管棚為直徑108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼花管。在大管棚管壁上鉆注漿孔，孔徑為10～16 mm，孔縱向間距為15～20 cm，梅花形布置，尾部留長度不小于100 cm的不鉆孔止?jié){段。

大管棚鋼花管標(biāo)準(zhǔn)段鋼管長度為1.5 m。為提高導(dǎo)管的抗彎能力，在導(dǎo)管內(nèi)增設(shè)鋼筋籠。鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為16 mm，鋼筋之間每1 m間距用5 cm長、直徑48 mm的鋼管連接，鋼管壁厚3.5 mm。

(7)管棚注漿。管棚安裝完成后進行注漿，漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液。由于管棚間距較小，鉆成一孔便開始注漿(有水時從無水孔向有水孔進行)，同時可以讓漿液在松散的巖層中擴散填充，將破碎的巖層固結(jié)，有利于相鄰孔在鉆孔時減少掉塊，避免發(fā)生卡鉆或掉鉆、掉釬現(xiàn)象。

注漿分兩步完成。當(dāng)?shù)谝淮巫{的漿液充分收縮后進行第二次注漿，以使管棚填充密實。

注漿完成后，采用鋼板在鋼管口進行焊接封堵，預(yù)留注漿管，注漿管安裝閥門，堵頭必須封閉嚴(yán)實。注漿完成后，采用快干水泥砂漿封堵鋼花管與導(dǎo)向管之間的空隙。

2.4 爆破開挖

區(qū)間段采用臺階法施工，采取短進尺、光面控制爆破進行開挖，每循環(huán)掘進60 cm，地表爆破震動速度不大于5 cm/s。

根據(jù)裝藥參數(shù)和爆破震動速度反算爆破安全距離，采用以下公式進行計算：

R=(K/V)1/aQ1/3

式中V為地面質(zhì)點峰值震動速度，cm/s；Q為炸藥量(延遲起爆時為最大一段裝藥量)，kg；R為觀測點(計算)到起爆源的距離，m；K，a為與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破點至計算點間地形、地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

已知爆破震動速度V=5 cm/s，通過查閱《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)中的K值和a值與巖性的關(guān)系得知：軟巖石：K值取250～350，a值取1.8～2；通過計算可以得出爆破安全允許距離R為18.12～24.79 m。將觀測點安裝在1#墩橋墩上，實測觀測點地面高程為601.8 m，觀測點距1#墩樁底距離為21.88 m；觀測點距離下方隧道左線開挖拱頂距離為45.07 m>R最大值(24.79 m)，采用爆破設(shè)計裝藥參數(shù)滿足爆破震動速度<5 cm/s的要求。

開挖注意事項：

(1)采用爆破開挖時一定要按審批通過的爆破設(shè)計進行鉆孔裝藥爆破，嚴(yán)格控制鉆孔深度，避免進尺過大導(dǎo)致地表出現(xiàn)沉降；

(2)裝藥時避免集中裝藥，采用控制爆破以減少爆破震動對建筑物的影響；

(3)開挖完成后，及時施做初期支護，拱架間距及鎖腳錨桿的深度必須滿足設(shè)計要求，鎖腳錨桿注漿一定要飽滿密實。

2.5 監(jiān)控量測

該段隧道施工前在路面埋設(shè)了監(jiān)測量測點。右線施工前，于道路兩側(cè)埋設(shè)了監(jiān)測點，每排7個點，從中心線向兩邊點間距為2～5 m，共4排。左線施工前在橋臺及橋墩上埋設(shè)沉降點，每個橋墩1個點，橋臺4個點。施工期間對測點進行了變形監(jiān)測。

(1)監(jiān)控量測頻率。在下穿張萬溝大橋施工期間，監(jiān)控量測人員每24 h對控制點進行一次數(shù)據(jù)采集并編制監(jiān)控數(shù)據(jù)分析表，及時發(fā)布在監(jiān)控量測群里，遇監(jiān)控量測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時必須及時采取處理措施。

(2)施工期間，該段公路1 km范圍內(nèi)限速為30 km/h并設(shè)置顯著的警示標(biāo)志。隧洞爆破時，采取交通臨時管制措施。

該橋梁允許的最大沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)橋面地表沉降控制值小于20 mm。

(2)橋臺豎向沉降控制值小于15 mm，橋臺不均勻沉降控制值小于5 mm。

(3)橫橋向同一蓋梁兩個墩柱不均勻沉降位移差控制值小于5 mm，縱橋向相鄰橋墩不均勻沉降位移差控制值小于15 mm。

(4)同一蓋梁豎向不均勻沉降控制值小于3.5 mm，隧道拱頂范圍內(nèi)同一蓋梁豎向不均勻沉降控制值小于3 mm。

監(jiān)測結(jié)果分析情況：

通過采取以上施工技術(shù)措施，得到了隧道左、右線地表、橋墩以及橋臺的最大沉降隨施工位置的豎向變形結(jié)果(表1、2)。

表1 右線隧道下穿引起地表沉降匯總表 /mm

表2 左線隧道下穿引起橋墩、橋臺沉降匯總表 /mm

由上述數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：隨著隧道不斷向前掘進，地表沉降值、拱頂橋墩與橋臺沉降值均在控制范圍之內(nèi)。說明此次通過地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報，采用超前帷幕注漿、大管棚雙重預(yù)加固、實施上下臺階光面爆破施工技術(shù)使隧道在下穿快速公路張萬溝大橋施工時的安全得到了保障，亦使得淺埋軟弱圍巖地段的施工能順利進行，對順利下穿張萬溝大橋起到了決定性的作用。

3 結(jié) 語

淺埋軟弱圍巖隧道下穿張萬溝大橋工程作為隧道施工的難點工程存在極大的挑戰(zhàn)性，通過采取上述有效的施工技術(shù)，本次工程施工右線橋面最大地表沉降值為6.2 mm，橋臺豎向沉降最大值為8.3 mm，橋臺最大不均勻沉降值為2.1 mm。橫橋向同一蓋梁兩個墩柱的最大不均勻沉降位移差值為0.5 mm，縱橋向相鄰橋墩不均勻沉降位移差為5.3 mm。各沉降均在允許值范圍之內(nèi)，說明所采取的帷幕注漿以及大管棚超前支護對地層穩(wěn)固的作用明顯，注漿加固地層使地層的強度以及完整性均明顯提高[5]。