公路隧道大管棚進(jìn)洞施工技術(shù)分析

劉曉峰

(山西路杰工程咨詢有限公司，山西 太原 030006)

1 項(xiàng)目背景

此公路隧道工程項(xiàng)目的起訖樁號(hào)是：右線YK15+135～YK17+518，長(zhǎng)度是2.383 km，其中V級(jí)圍巖長(zhǎng)度為300 m；左線ZK15+110～ZK17+529，長(zhǎng)度是2.419 km，其中V級(jí)圍巖長(zhǎng)度為336 m。此隧道洞口處是黃土沖溝斜坡，最大埋深接近是38.2 m，圍巖屬于強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化泥灰?guī)r。結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，隧道洞口V級(jí)圍巖段的主洞施工確定先支護(hù)后開(kāi)挖，選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖方式，同時(shí)超前支護(hù)選擇的是大管棚結(jié)構(gòu)。

此公路隧道項(xiàng)目特點(diǎn)如下：(1)隧道洞口圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較差，屬于V級(jí)圍巖，同時(shí)黃土土質(zhì)不均，包含了15%姜石，泥灰?guī)r存在嚴(yán)重的風(fēng)化喜愛(ài)內(nèi)向，巖芯呈現(xiàn)破碎狀，所以開(kāi)挖施工中受到擾動(dòng)后容易發(fā)生塌方與冒頂?shù)劝踩鹿剩?2)隧道洞口段洞頂埋深相對(duì)偏淺，且拱頂受力不佳，無(wú)法自然成拱，所以必須采取合理的控制措施；(3)隧道洞口處圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體表現(xiàn)為破碎狀，同時(shí)局部包含石灰?guī)r與溶孔等，地下水較為發(fā)育，受多種要素的影響巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低，所以洞口邊坡容易出現(xiàn)失穩(wěn)。

2 施工技術(shù)

2.1 邊仰坡施工

從邊仰坡相距5 m的位置開(kāi)挖截水溝，同時(shí)將下游出水口和路塹排水系統(tǒng)進(jìn)行有效連接。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙坡度要求進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)放，然后以挖掘機(jī)的方式進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，順序是從上之下，并預(yù)留成洞核心土，將邊坡與仰坡的坡率控制是1∶0.5，而二級(jí)邊坡控制是1∶0.75[1]。爆破施工選擇密眼少藥松動(dòng)爆破，以確保爆破施工效果的前提下，嚴(yán)格控制隧道洞口圍巖擾動(dòng)。

在邊仰坡刷坡施工后，應(yīng)及時(shí)從邊仰坡上進(jìn)行掛網(wǎng)噴射防護(hù)。選擇坡面合理位置插入錨桿(其直徑φ=22 m，長(zhǎng)度是3 m)，確定的間隔距離是1.5 m，采用梅花型進(jìn)行布設(shè)。然后鋪筑一層鋼筋網(wǎng)(其直徑φ=8 mm)，以焊接方式將鋼筋網(wǎng)和錨桿連為一體。最后噴射一層C20混凝土(其厚度控制為10 cm)，方法采用的是濕噴，同時(shí)保證鋼筋網(wǎng)的保護(hù)層≥2 cm。

2.2 套拱與超前管棚施工

此項(xiàng)目中套拱與超前管棚施工流程詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 套拱與超前管棚施工流程

(1)套拱施作

此項(xiàng)目中導(dǎo)向墻選擇的是C30鋼混護(hù)拱(厚度為60 cm)，從其內(nèi)部設(shè)置I18工字鋼(數(shù)量是3榀)與長(zhǎng)度為2 m的導(dǎo)向鋼管(其直徑φ=127 mm，數(shù)量是42根)，確定的環(huán)向間隔距離為40 cm，待安裝完成后將拱架與導(dǎo)向管以焊接方式連接，同時(shí)對(duì)導(dǎo)向管的傾斜角度進(jìn)行仔細(xì)檢查，以確保其符合設(shè)計(jì)規(guī)定基本要求，最后實(shí)施混凝土澆筑。

(2)鉆孔

提前從孔壁中合理位置進(jìn)行孔號(hào)標(biāo)記，然后根據(jù)標(biāo)記位置通過(guò)潛孔鉆機(jī)(其型號(hào)為XY-28-300)實(shí)施鉆孔，而在鉆孔施工階段必須保證其和隧道軸線之間的仰角控制為1°，慢速、有序進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，孔位的鉆進(jìn)施工順序是由拱頂中央處先奇數(shù)后偶數(shù)朝向兩側(cè)進(jìn)行。

鉆機(jī)施工初始階段，主要以低速低壓鉆進(jìn)為主，當(dāng)鉆進(jìn)深度≥50 cm同時(shí)無(wú)任何的異常情況，才能夠恢復(fù)正常鉆進(jìn)施工速度，通常鉆進(jìn)速度控制是5 m/h[2]。然后安排專業(yè)技術(shù)人員通過(guò)測(cè)斜儀器進(jìn)行仔細(xì)檢查，結(jié)合檢查結(jié)果精準(zhǔn)判斷成孔效果，若是存在問(wèn)題則必須停止鉆進(jìn)，然后采取有效處治措施，恢復(fù)后才可以繼續(xù)施工。

(3)安裝管棚鋼管

此項(xiàng)目中管棚鋼管選擇的是有孔鋼花管，根據(jù)設(shè)計(jì)基本要求通過(guò)電鉆方式鉆設(shè)直徑為φ=8 mm的孔，確定的間隔距離為75 cm，以梅花型進(jìn)行設(shè)置。管棚鋼管包含不同節(jié)段鋼花管，具體：長(zhǎng)度3 m鋼花管與長(zhǎng)度6 m鋼花管，接頭位置設(shè)置厚壁箍(長(zhǎng)度控制為15 cm)，而且同一斷面中的接頭必須相互錯(cuò)開(kāi)?？紤]到管棚頂進(jìn)施工任務(wù)比較艱巨，所以頂進(jìn)設(shè)備選擇挖掘機(jī)，以確保緩慢、勻速頂進(jìn)，嚴(yán)格控制管棚破損，若是管棚頂進(jìn)階段阻力相對(duì)偏大，則可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行旋轉(zhuǎn)頂進(jìn)。

(4)注漿成孔

待鋼管安裝施工完成后緊接著就要進(jìn)行壓漿試驗(yàn)，以完成壓漿工藝各項(xiàng)參數(shù)的有效驗(yàn)證。具體施工階段應(yīng)嚴(yán)格貫徹“安裝一孔”、“注漿一孔”的基本原則。隧道圍巖無(wú)水時(shí)采用的注漿液為“水泥、水玻璃”雙液漿，拌制過(guò)程中的體積比控制為1∶0.5。在注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，其中初始注漿壓力控制為0.5～1.0 MPa，然后有序增加注漿壓力，而終壓則控制為2 MPa，同時(shí)持壓3～5 min[3]。在注漿施工過(guò)程中必須要嚴(yán)格依照預(yù)先設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)施工要求，對(duì)水泥砂漿材料進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁⑶以诓牧系耐斗殴ぷ鬟^(guò)程中，必須要向其中加入一定量的緩凝劑材料，但是也需要對(duì)水的使用量進(jìn)行有效控制。當(dāng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作要求之后，方可進(jìn)行后續(xù)的深入攪拌處理，實(shí)際攪拌工作時(shí)間不能小于1 min，在注入水泥砂漿材料之后再進(jìn)行后續(xù)的攪拌工作，攪拌持續(xù)時(shí)間不能少于3 min，充分保證材料攪拌的均勻性和穩(wěn)定性。緩凝劑的實(shí)際參數(shù)量大小需要保證在水泥含量的2%～3%之間，在注漿工作之前需要對(duì)管道內(nèi)部的沉積物進(jìn)行徹底沖洗，同時(shí)需要在小導(dǎo)管的尾部位置和輸漿管之間進(jìn)行連接。通過(guò)使用電動(dòng)注漿施工技術(shù)方法，以自下而上的注漿順序來(lái)進(jìn)行施工，為了有效防止出現(xiàn)漏漿問(wèn)題需要在掌子面先噴射5～10 cm厚度的混凝土材料，同時(shí)在注漿施工當(dāng)中需要有效控制注漿施工壓力和實(shí)際注漿施工質(zhì)量，在完成注漿施工之后需要及時(shí)封堵鋼管的管口位置。

2.3 洞口開(kāi)挖

此隧道項(xiàng)目中洞口主洞圍巖級(jí)別是V級(jí)，選擇的開(kāi)挖方式是“單側(cè)壁導(dǎo)坑”+“臺(tái)階法”，將隧道輪廓線起拱線當(dāng)作界限，其中起拱線上部使用的是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，同時(shí)預(yù)留核心土，待上臺(tái)階支護(hù)施工結(jié)束之后，以左幅與右幅交錯(cuò)方式進(jìn)行下導(dǎo)坑與仰拱開(kāi)挖作業(yè)[4]?？紤]到洞口位置比較薄弱，為了能夠確保安全性與穩(wěn)定性，圍巖預(yù)支護(hù)選擇30 cm長(zhǎng)管棚。通過(guò)機(jī)械化實(shí)施掘進(jìn)，主要采用風(fēng)鎬或者是挖掘機(jī)，若是需要爆破施工則必須嚴(yán)格貫徹弱爆破基本原則。分部開(kāi)挖施工方法主要指的是在隧道工程項(xiàng)目正式開(kāi)挖工作之前進(jìn)行引導(dǎo)坑開(kāi)挖的一種掘進(jìn)工作方式。在開(kāi)挖施工中首先需要使用引導(dǎo)坑結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道某個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)提前性開(kāi)挖，向其中挖出一段施工作業(yè)面，并且在此工作基礎(chǔ)之上展開(kāi)必要的支護(hù)處理，完成該段支護(hù)工作之后再將剩余的部分進(jìn)行拔除。相比而言，這種開(kāi)挖工作方法更加安全有效，更加適用于一些特殊性的土層開(kāi)挖作業(yè)工作當(dāng)中，整體而言，分部開(kāi)挖工作實(shí)際上主要是將隧道工程項(xiàng)目的整個(gè)開(kāi)挖工作環(huán)節(jié)分割成兩個(gè)組成部分：第一部分是提前施工，第二部分是后續(xù)施工。因?yàn)樵诘谝粋€(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)挖工作結(jié)束之后采取必要的支護(hù)處理，以此可以有效保證后續(xù)開(kāi)挖工作的安全性。

在施工階段需要注意下述幾項(xiàng)：(1)圍巖開(kāi)挖是必須最大程度上控制爆破量，主要采用弱爆破；(2)開(kāi)挖應(yīng)嚴(yán)格貫徹“短進(jìn)尺”與“多循環(huán)”的基本原則；(3)嚴(yán)格實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析圍巖和支護(hù)狀態(tài)，然后科學(xué)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)與完善施工方法。由于這種開(kāi)挖方式所涉及到的地層巖石條件穩(wěn)定性較低，同時(shí)巖石結(jié)構(gòu)的傳遞荷載量較低，如果開(kāi)挖長(zhǎng)度過(guò)大很容易形成比較嚴(yán)重的塌方事故。因此，為了有效保證隧道開(kāi)挖工作的安全性和穩(wěn)定性，針對(duì)IV級(jí)以上的圍巖結(jié)構(gòu)，通常情況下需要使用短臺(tái)階開(kāi)挖工作方法來(lái)進(jìn)行開(kāi)挖。在開(kāi)挖工作中的掘進(jìn)長(zhǎng)度相對(duì)較小，通常情況下是以邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方式進(jìn)行處理，不但可以保證開(kāi)挖工作質(zhì)量，同時(shí)還可以進(jìn)一步提高整個(gè)開(kāi)挖工作的安全性和穩(wěn)定性，有效避免巖石產(chǎn)生坍塌等各種風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

2.4 支護(hù)施工

成功進(jìn)洞之后，需要及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)與掌子面施工，保證斷面一次澆筑成型，盡快封閉成環(huán)。此隧道項(xiàng)目初期支護(hù)基本包括I22a鋼拱架、縮腳錨桿、C25混凝土等。各拱架之間以φ=22 mm鋼筋進(jìn)行連接，然后通過(guò)焊接的方式與系統(tǒng)錨桿相連[5]。從鋼拱架上緊密鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)將搭接長(zhǎng)度控制在20 cm以上，從而形成一種承載結(jié)構(gòu)。采取措施有效處理拱架連接位置，通常設(shè)置縮腳錨桿并進(jìn)行焊接，以增強(qiáng)拱架剛度。通過(guò)濕噴機(jī)(其型號(hào)是TK-961)進(jìn)行混凝土噴射，確定的噴射距離是0.8～1.2 m，其中初次噴射厚度控制在3～4 cm，復(fù)噴控制為5～8cm，保證厚度符合設(shè)計(jì)規(guī)定基本要求。混凝土噴射施工順序是從上之下，先墻后拱，需要立即進(jìn)行檢查開(kāi)挖斷面尺寸大小，然后需要對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行初噴封閉處理，有效保證圍巖結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

(1)混凝土噴射支護(hù)施工

在混凝土噴射施工過(guò)程中，通常情況下使用的是濕噴機(jī)設(shè)備，該施工當(dāng)中保證施工區(qū)域不存在大量的地下水影響。在材料攪拌工作過(guò)程中需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作要求，向其中加入一定量的混凝土速凝劑，噴射距離范圍需要控制在0.8～1.2 m之間，同時(shí)還需要有效保證好與巖體表面的垂直程度?；炷羾娚涔ぷ鬟^(guò)程中需要保證由下到上分段進(jìn)行噴射處理，在噴射拱部位置過(guò)程中可以先使用臺(tái)階法，先噴射拱部的拱腳位置然后再噴射拱部的拱頂位置，實(shí)際噴射長(zhǎng)度需要控制在4 m以下。在材料噴射過(guò)程當(dāng)中，如果發(fā)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)表面存在不規(guī)整情況，需要先噴射巖體結(jié)構(gòu)表面的凹陷位置，然后再噴射其他平整面位置。

(2)鋼筋網(wǎng)支護(hù)施工

在鋼筋網(wǎng)制作工作之前需要仔細(xì)檢查鋼筋材料的質(zhì)量情況，有效保證材料質(zhì)量符合項(xiàng)目工程施工要求和標(biāo)準(zhǔn)。在鋼筋網(wǎng)制作工作結(jié)束之后，需要對(duì)材料質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，有效保證鋼筋材料不會(huì)產(chǎn)生明顯的銹蝕問(wèn)題，然后在鋼筋棚內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行充分綁扎。在鋼筋網(wǎng)支護(hù)工作過(guò)程中，相關(guān)工作人員需要預(yù)先將大片的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加工與制作，同時(shí)在錨桿安裝工作結(jié)束之后進(jìn)行鋪裝鋼筋網(wǎng)。在隧洞之外根據(jù)隨高就低的施工原則，對(duì)混凝土噴射完成之后的巖體表面進(jìn)行鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，如果有支撐結(jié)構(gòu)可以將鋼筋網(wǎng)直接設(shè)置在外弧邊緣位置，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行焊接加固處理。如果存在鋼支撐結(jié)構(gòu)則需要通過(guò)沖擊孔位置進(jìn)行打前孔，并且對(duì)膨脹螺栓進(jìn)行埋設(shè)，然后將其直接固定在鋼筋網(wǎng)的膨脹螺栓上，保證鋼筋網(wǎng)僅僅貼合在巖體結(jié)構(gòu)表面，提高鋼筋網(wǎng)的支護(hù)工作效果。

3 監(jiān)控量測(cè)

結(jié)合隧道右洞監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)得出，初期爆破施工產(chǎn)生的擾動(dòng)比較大，部分測(cè)點(diǎn)變形較為突出，其中最大沉降速率是15.2 mm/d。施工30 d后地表沉降速率明顯減小，而且趨于穩(wěn)定；施工初期隧道拱頂下沉速率是0.88 mm/d，施工30 d后拱頂沉降數(shù)值是0.18 mm。

根據(jù)隧道左洞監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)得出，施工初期隧道拱頂沉降變形比較大，其中最大沉降速度是0.36 mm/d，施工后30 d沉降數(shù)值是1.05 mm。

此隧道進(jìn)洞開(kāi)挖施工階段，地表沉降的最后數(shù)值是26.41 mm，經(jīng)過(guò)調(diào)查與優(yōu)化施工方法后，最后沉降數(shù)值控制為11.83 mm。隧道拱頂下沉的最大數(shù)值是1.52 mm，符合≤2 mm的規(guī)定基本要求。當(dāng)測(cè)值出現(xiàn)異常，并確認(rèn)為非人為異常后，應(yīng)采取應(yīng)急測(cè)試措施。

(4)觀測(cè)孔某部位的觀測(cè)值大于其標(biāo)準(zhǔn)值+2倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，該孔每天不少于三個(gè)測(cè)次，并增加相鄰觀測(cè)孔的監(jiān)測(cè)頻度。同時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面的目視檢查、統(tǒng)計(jì)有多少觀測(cè)孔出現(xiàn)異常、分析相鄰部位其它物理量的觀測(cè)結(jié)果，分析基礎(chǔ)的穩(wěn)定狀況。

(5)觀測(cè)孔某部位的觀測(cè)值大于標(biāo)準(zhǔn)值+3倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，或累計(jì)水平位移大于設(shè)計(jì)允許值，或根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，除加強(qiáng)監(jiān)測(cè)外還需上報(bào)有關(guān)部門(mén)及時(shí)研究處理措施。

4 總 結(jié)

文章結(jié)合公路隧道工程項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合研究了隧道大管棚進(jìn)洞施工技術(shù)，主要包含了邊仰坡施工、套拱施工、超前管棚施工、洞口開(kāi)挖以及支護(hù)施工等同時(shí)對(duì)隧道進(jìn)洞施工進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)。實(shí)踐表明，此大跨徑公路隧道采用的大管棚進(jìn)洞施工技術(shù)合理、可行，保證了隧道施工質(zhì)量及安全，為類似項(xiàng)目施工提供了借鑒。