楠竹山隧道下穿在建高速公路開(kāi)挖及支護(hù)施工

崔哲霖

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津市 300300)

開(kāi)挖和支護(hù)是楠竹山隧道下穿在建高速公路的核心工序，由于不同路段的地質(zhì)條件存在較大的變化，不能始終采用同一個(gè)開(kāi)挖方法或單一的支護(hù)施工技術(shù)，否則難以保證施工的質(zhì)量和安全。楠竹山隧道下穿在建高速公路地段，地質(zhì)水文條件復(fù)雜，影響因素多，施工難度比較大，需要結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)構(gòu)，及時(shí)調(diào)整施工方案，才能最大限度上保證施工質(zhì)量，促使施工任務(wù)高效、有序、安全地完成。因此，開(kāi)展楠竹山隧道下穿在建高速公路開(kāi)挖及支護(hù)施工的分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

楠竹山隧道位于重慶市南川區(qū)西城街道及水江鎮(zhèn)境內(nèi)，為正線(xiàn)雙線(xiàn)隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，進(jìn)口里程為DK83+040，出口里程為DK93+834,全長(zhǎng)10794 m。隧道穿越楠竹山，屬剝蝕、溶蝕、侵蝕低山地貌，隧道進(jìn)口段三疊系中下統(tǒng)可溶巖形成巖溶槽谷地貌，地形起伏較大。主要河流為隧道進(jìn)口端龍巖江。DK83+081.7～DK83+110段下穿在建高速公路。其中DK83+080～DK83+105段襯砌類(lèi)型采用偏壓式加強(qiáng)明洞；DK83+105～DK83+250段采用Vs型襯砌。

楠竹山隧道洞身段的須家和組砂巖，侏羅系下統(tǒng)形成低山，兩側(cè)進(jìn)口段三疊紀(jì)中下統(tǒng)可溶巖形成巖溶槽谷地貌，隧區(qū)地表水以溝水為主，溪溝較發(fā)育，隧頂有地表徑流水體，受季節(jié)影響大。

區(qū)域?qū)儆陂L(zhǎng)江水系，主要河流為隧道進(jìn)口龍巖江，隧道洞深多龍巖江支溝，溪溝較發(fā)育，為常年流水，水量不大，隧頂有地表徑流水體，受到季節(jié)的影響比較大。分布魚(yú)塘較多，其中DK91+300～+400右側(cè)40 m為處煙廠坡水庫(kù)。

2 施工難點(diǎn)分析

此段隧道施工過(guò)程中，需保證在建南兩高速公路施工通道，且施工工期較緊，考慮明洞開(kāi)挖施工從小里程向大里程進(jìn)行，待進(jìn)口至下穿段影響范圍段施工完成后，進(jìn)行道路改移，以保證在建南兩高速公路施工通道，道路改移完成后，開(kāi)始下穿段影響范圍段隧道施工，施工完成后，回填至移交界面同時(shí)施工高速過(guò)渡段，后隧道正序施工，是本工程施工的重難點(diǎn)之一。

施工該段明洞襯砌及暗洞段大管棚，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再回填下穿高速段C20回填，回填砼表面下10 cm位置設(shè)置φ12護(hù)面鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm?；靥頒20砼作為高速公路底基層至瀝青砼底面，留18 cm的瀝青砼面層空間。同時(shí)，為了避免因道路下部結(jié)構(gòu)的差異引起的施工區(qū)段高速公路沉降不均衡，高速公路范圍內(nèi)明洞開(kāi)挖基坑外8 m范圍設(shè)置搭板作為過(guò)渡段，也是本工程施工的重難點(diǎn)之一。

3 楠竹山隧道下穿在建高速公路開(kāi)挖方法

本隧道明挖段采用人工機(jī)械豎向分層開(kāi)挖，每層開(kāi)挖高度不超過(guò)3 m。土石方施工采用機(jī)械鑿打、人工輔助相結(jié)合的方式開(kāi)挖。

3.1 洞口和明洞開(kāi)挖施工

進(jìn)場(chǎng)后先進(jìn)行場(chǎng)地平整，再?gòu)乃淼肋M(jìn)口向大里程進(jìn)行明洞施工，該段基坑采用從上至下分層開(kāi)挖，且隨挖隨支護(hù)，開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖，臨時(shí)邊坡采用錨網(wǎng)噴防護(hù)。為節(jié)約工期，該段明洞施工時(shí)可同時(shí)施工過(guò)渡道路，但須注意兩者開(kāi)挖的相互影響。施工該段明洞襯砌，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再回填土石至過(guò)渡道路路面高程，并完善過(guò)渡道路路面。本工程洞口和明洞開(kāi)挖施工圖如圖1所示。

圖1 洞口和明洞開(kāi)挖施工圖

3.2 邊仰坡開(kāi)挖及防護(hù)

待施工過(guò)渡道路完成后，進(jìn)行下穿影響段明洞、暗洞大管棚及高速公路過(guò)渡段施工。該段基坑采用從上至下分層開(kāi)挖，且隨挖隨護(hù)，采用機(jī)械開(kāi)挖，利用錨網(wǎng)噴進(jìn)行臨時(shí)邊坡防護(hù)，特別是明暗分界處的臨時(shí)直立開(kāi)挖面應(yīng)給予加強(qiáng)防護(hù)，采用超前大管棚配合錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)以保證既有高速公路邊坡的穩(wěn)定。施工該段明洞襯砌及暗洞段大管棚，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再回填砼作為高速公路底基層至瀝青砼底面，留18 cm 的瀝青砼面層空間。同時(shí)為了避免因道路下部結(jié)構(gòu)的差異引起的施工區(qū)段高速公路沉降不均衡，高速公路范圍內(nèi)明洞開(kāi)挖基坑外8 m范圍設(shè)置搭板作為過(guò)渡段。施作高速公路路面層，設(shè)置過(guò)渡段并恢復(fù)交通，最后施工DK83+105～DK83+145暗洞。具體的施工圖如圖2所示。

圖2 穿影響段明洞、暗洞大管棚及高速公路過(guò)渡段施工圖

3.3 隧道開(kāi)挖方法

本工程隧道里程比較長(zhǎng)，不同里程段的地質(zhì)條件存在較大差異，比如：DK83+105～DK83+145段圍巖為Ⅴs級(jí)，在具體施工中，為保證開(kāi)挖效率，提升施工的安全性，采取了三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)施工，具體的開(kāi)挖施工示意圖如圖3所示。

圖3 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工示意圖

具體的開(kāi)挖方法為：采取光面非爆開(kāi)挖方法，臺(tái)階長(zhǎng)度為30 m，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.6 m作業(yè)后，先結(jié)合隧道工程的地質(zhì)條件，進(jìn)行超前支護(hù)，達(dá)標(biāo)及時(shí)開(kāi)展上臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，及時(shí)完善支護(hù)體系，形成一個(gè)牢固、穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系；接著進(jìn)行中臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，錯(cuò)開(kāi)深度控制在3～5m之間，中臺(tái)階開(kāi)挖完成之后，及時(shí)補(bǔ)充完善上臺(tái)階和中臺(tái)階支護(hù)[1]；然后進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖和支護(hù)，并緊跟著仰拱、填充混凝土澆筑；最后等上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階全部施工完成之后，進(jìn)行拱墻襯砌，然后再進(jìn)行循環(huán)開(kāi)挖。

4 支護(hù)施工技術(shù)的應(yīng)用

就案例工程而言，地質(zhì)條件復(fù)雜，僅憑單一的支護(hù)施工技術(shù)，難以滿(mǎn)足隧道穩(wěn)定性、牢固性的要求。為選擇出最佳的支護(hù)施工技術(shù)，采用“經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比設(shè)計(jì)模型”來(lái)對(duì)比各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以選擇出最佳的支護(hù)施工技術(shù)。先結(jié)合水文地質(zhì)勘察結(jié)果，合理劃分隧道施工的巖土分區(qū)，再對(duì)類(lèi)似工程施工成功的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，和本工程施工情況進(jìn)行對(duì)比分析，從而選擇出最佳的支護(hù)技術(shù)和方案。就案例工程而言，隧道開(kāi)挖深度大，存在很多不良地質(zhì)，為保證開(kāi)挖掌子面的安全性，在支護(hù)中采取了超前小導(dǎo)管注漿、砂漿錨桿、噴混凝土及超前管棚施工相互結(jié)合的支護(hù)方法，取得了良好效果。

4.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)

超前小導(dǎo)管支護(hù)是目前隧道開(kāi)挖施工中常用的支護(hù)技術(shù)，能夠和隧道圍巖相互融合，相互支撐，利用小導(dǎo)管錨固和漿液擴(kuò)散的聯(lián)合作用，在掌子面開(kāi)挖前，在前方圍巖中就形成一個(gè)穩(wěn)定的圍巖結(jié)構(gòu)，以免在正式開(kāi)挖施工中發(fā)生安全問(wèn)題。

超前小導(dǎo)管支護(hù)為提升施工速度，保證支護(hù)效果，鋼制小導(dǎo)管全部在施工現(xiàn)場(chǎng)制作完成，噴射混凝土對(duì)巖面進(jìn)行封閉，再進(jìn)行測(cè)量放線(xiàn)，確定好每根小導(dǎo)管的布設(shè)位置后，利用鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，邊鉆進(jìn)邊檢測(cè)，控制好鉆進(jìn)的傾斜度，鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度之后，插入小導(dǎo)管進(jìn)行注漿操作[2]。在具體施工中，超前小導(dǎo)管需緊貼開(kāi)挖面處鋼架，以此為支點(diǎn)，將小導(dǎo)管尾段和鋼架焊接牢固。灌注漿液的水灰比控制在0.5～1.0之間。在土層超前小導(dǎo)管注漿時(shí)，注漿壓力要控制在2 MPa以上。

串漿是超前小導(dǎo)管施工中遇到的問(wèn)題，對(duì)注漿效果造成的影響較大，一旦發(fā)現(xiàn)串漿問(wèn)題，要及時(shí)封堵。逐孔注漿，并在注漿之前用鐵絲清除管內(nèi)雜物，用高壓風(fēng)槍進(jìn)行沖洗后，再進(jìn)行注漿。若在注漿中發(fā)生注漿量提升但壓力并不升高的情況，需要立即停止注漿，重新調(diào)整漿液濃度及配比，縮短凝膠時(shí)間。進(jìn)行小泵量灌注時(shí)，要促使?jié){液在裂隙中充分停留，以便有足夠時(shí)間凝膠。

4.2 砂漿錨桿支護(hù)施工技術(shù)

洞口臨時(shí)開(kāi)挖面選擇了噴錨支護(hù)的方法，采用直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2～5m錨桿進(jìn)行錨桿支護(hù)，錨桿支護(hù)布設(shè)間距為1.2 m，錨桿支護(hù)完成之后掛設(shè)上直徑為8 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為25 cm，然后再?lài)娚湟粚雍穸炔恍∮? cm的C25砼。明暗分界直立開(kāi)挖面采用噴錨支護(hù)，噴C25砼厚12 cm，φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm，φ22砂漿錨桿長(zhǎng)2～6 m，間距1.0 m×1.0 m，相互之間呈現(xiàn)出梅花形布設(shè)。具體的噴錨效果如圖4所示。

圖4 噴錨現(xiàn)場(chǎng)效果圖

砂漿錨桿支護(hù)施工技術(shù)也是隧道下穿在建高速公路支護(hù)中可用的方法，具體的施工要點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是在砂漿錨桿支護(hù)施工之前，按照設(shè)計(jì)要求，加工錨桿桿體以及錨墊板，并通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)錨桿和錨墊板的性能，滿(mǎn)足具體支護(hù)施工要求之后，合理堆放，并加強(qiáng)保護(hù)，避免受潮腐蝕[3]。

二是在案例工程隧道開(kāi)挖中，明挖采取了分層開(kāi)挖的方法，第一層開(kāi)挖結(jié)束之后，及時(shí)跟進(jìn)邊坡防護(hù)，先掛網(wǎng)噴射混凝土，測(cè)量放線(xiàn)，確定每根砂漿錨桿支護(hù)的位置，然后用風(fēng)動(dòng)鉆巖機(jī)進(jìn)行鉆孔操作，保證系統(tǒng)錨桿實(shí)際放樣的允許偏差在±5 cm之內(nèi)。

三是鉆孔完成之后，及時(shí)清孔，本工程用高壓水清孔，清孔完成之后及時(shí)對(duì)鉆孔的深度、孔徑、傾斜度等進(jìn)行詳細(xì)檢查，達(dá)標(biāo)之后及時(shí)開(kāi)始注漿操作。注漿漿液選擇水泥砂漿，水灰比控制在0.38～0.45，灰砂比控制在1∶1～1∶2，保證水泥砂漿的強(qiáng)度不低于M20，注漿是采取單管注漿，注漿管插入到錨桿孔底進(jìn)行注漿，邊注漿邊拔出注漿管[4]。

四是注漿結(jié)束后及時(shí)插入加工好的錨桿，錨桿放入注漿孔中后需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)漿處理。錨桿孔裝滿(mǎn)漿液后，將錨桿鋼筋插入錨桿孔，并用水泥袋紙封住孔口，但錨桿碰觸到孔底之后，保證孔口填滿(mǎn)砂漿。錨桿插入后，3天內(nèi)不能懸掛重物，也不要隨意敲打。

五是當(dāng)錨桿的灌輸砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的八成以上后，及時(shí)安裝墊板，安裝時(shí)保證墊板和錨桿軸線(xiàn)的垂直度，以提升總體支護(hù)效果。如果垂直度不足，為保證錨墊板能夠均勻壓緊巖面，可通過(guò)在螺帽下方安裝楔形墊塊，或者是墊板之后用砂漿找平的方法進(jìn)行調(diào)整[5]。錨墊板安裝完成后及時(shí)進(jìn)行全方位的檢查驗(yàn)收，保證錨桿的材質(zhì)、長(zhǎng)度、直徑、漿液性能都滿(mǎn)足施工要求,并按照相關(guān)規(guī)范抽樣檢查錨固力，保證錨固力的平均值不低于設(shè)計(jì)值，以確保錨桿施工質(zhì)量。

4.3 噴混凝土支護(hù)施工技術(shù)

噴混凝土支護(hù)施工是一種隧道工程支護(hù)中應(yīng)用的支護(hù)方法，具有成本低、支護(hù)效果好、支護(hù)速度快等優(yōu)勢(shì)。在案例工程支護(hù)中，噴混凝土支護(hù)施工技術(shù)的作業(yè)程序如圖5所示。

圖5 濕式噴射混凝土作業(yè)程序示意圖

濕式噴射混凝土作業(yè)時(shí)要選擇普通硅酸鹽水泥，保證其細(xì)度模數(shù)在2.5以上，集料選擇粒徑在5～12 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，配合比通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)確定。在混凝土噴射之前，要認(rèn)真檢查隧道邊墻拱部巖面，并對(duì)欠挖進(jìn)行處理，去除所有的浮石、墻角虛渣等，可采用高壓風(fēng)或是高壓水對(duì)巖面進(jìn)行全面清洗。

在噴射混凝土?xí)r，噴頭到巖面之間的距離要控制在0.8～1.2 m，且噴頭要盡量垂直隧道面，噴射混凝土?xí)r噴頭要呈“S”形運(yùn)動(dòng)，保證噴射的連續(xù)性。先噴射隧道邊墻，再?lài)娚渌淼拦安?，按照從下到上的順序連續(xù)噴射，噴嘴要盡量呈現(xiàn)出螺旋狀運(yùn)動(dòng)，螺旋直徑控制在20～30 cm，以控制混凝土噴射時(shí)的回彈量。但混凝土噴射厚度超過(guò)5 cm時(shí)就要分層噴射，第二層噴射需要在第一次噴射終凝前1 h后進(jìn)行，并對(duì)第一層混凝土面進(jìn)行沖洗?；炷羾娚浣K凝完成2 h之后，及時(shí)開(kāi)始噴水養(yǎng)護(hù)，以免形成裂縫，以下隧道支護(hù)效果，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能少于7天。

4.4 隧道大管棚施工

本隧道明挖段采用機(jī)械進(jìn)行分層開(kāi)挖分層防護(hù)，明暗交界處(公路高邊坡地段)采用大管棚配合錨桿進(jìn)行防護(hù)。明暗分界直立開(kāi)挖面采用噴錨支護(hù)，明暗交界處襯砌施工完成后施做大管棚。大管棚對(duì)鋼管的密封性有很高的要求，為提升大管棚支護(hù)效果，本工程選擇直徑為108 mm、壁厚為6 mm的熱軋無(wú)縫鋼管作為大管棚。施工過(guò)程中對(duì)公路邊坡的變形及沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為隧道中線(xiàn)左右各50 m，測(cè)點(diǎn)間距5 m，觀測(cè)頻率為1天/次。隧道大管棚支護(hù)正面圖如圖6所示。

圖6 雙線(xiàn)隧道大管棚支護(hù)正面圖(單位：mm)

管棚選擇直徑為108 mm、壁厚為6mm的熱軋無(wú)縫鋼管，相互之間通過(guò)螺紋絲扣連接，通過(guò)全站儀聯(lián)合水平尺的方法，確定每根大管棚安裝的具體位置。確定好大管棚的位置后，用鉆機(jī)鉆孔，鉆機(jī)鉆頭直徑為145 mm，邊鉆進(jìn)，邊檢查，以保證成孔的質(zhì)量。達(dá)到設(shè)計(jì)鉆孔位置后，及時(shí)用高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行清孔。用經(jīng)緯儀、測(cè)斜儀等工具，檢測(cè)鉆孔的深度、孔徑、外插角等，保證都達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再安裝大管棚，每節(jié)大管棚安裝前，需要先連接好，保證端頭絲扣擰緊。

控制措施：為保證鉆孔精度，需要精確測(cè)量每個(gè)鉆孔的位置，并進(jìn)行準(zhǔn)確編號(hào)，外插角控制在1°～3°效果最佳，仰角控制在1°～1.5°。在整個(gè)鉆孔中，必須嚴(yán)格控制好鉆機(jī)的下沉量及左右偏移量，控制好鉆孔平面位置。管棚不得侵入隧道開(kāi)挖線(xiàn)內(nèi)，禁止鋼管相交，常測(cè)孔斜度，發(fā)現(xiàn)超限誤差及時(shí)處理。為后期安裝管棚和注漿提供良好條件。

針對(duì)施工縫、變形縫防水難度大的問(wèn)題，本工程在明洞襯砌環(huán)向和縱向施工縫均采取全環(huán)“中埋橡膠止水條+中埋橡膠止水帶”；變形縫采取全環(huán)“外緣瀝青麻筋封閉+中埋橡膠止水條+中埋鋼邊橡膠止水帶+內(nèi)緣聚硫密封膏嵌縫+縫間聚乙烯硬質(zhì)泡沫板充填”。隧道DK83+058、DK83+080、DK83+105位置各設(shè)置一道變形縫，變形縫寬度2 cm。

DK83+040～DK83+058段18 m為雙耳式明洞，仰拱厚度80 cm，襯砌厚度80 cm。

DK83+058～080段22 m為偏壓式明洞，仰拱厚度80 cm，襯砌厚度80 cm。

DK83+080～105段25 m為偏壓加強(qiáng)式明洞，仰拱厚度80 cm，襯砌厚度80 cm。

DK83+105～145段40 m為VS型襯砌，仰拱厚度75 cm，襯砌厚度65 cm。

4.5 支護(hù)效果分析

將超前小導(dǎo)管、砂漿錨桿、噴混凝土施工、大管棚相互結(jié)合的支護(hù)方法，應(yīng)用到楠竹山隧道下穿在建高速公路施工中，隧洞塑性區(qū)分布云圖如圖7所示。

圖7 隧洞塑性區(qū)分布云圖

圍巖塑性區(qū)主要分布在隧洞頂部和底部，塑性區(qū)深入隧洞頂板和底板，底部塑性區(qū)范圍達(dá)22.8 m，底部圍巖塑性區(qū)范圍達(dá)20.8 m，在觀測(cè)結(jié)束時(shí)，初次襯砌已經(jīng)全部進(jìn)入塑性。比起采取單一的支護(hù)施工技術(shù)，采用超前小導(dǎo)管、砂漿錨桿、噴混凝土施工及大管棚相互結(jié)合的支護(hù)方法后，隧道變形得到有效控制，襯砌開(kāi)裂、鋼支架損壞現(xiàn)象比較少見(jiàn)，避免了隧洞的返修，順利完成該洞段施工。二襯施工后，隧道整體穩(wěn)定性良好，表明所采取的支護(hù)方法合理有效。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，開(kāi)挖和支護(hù)是楠竹山隧道下穿在建高速公路施工的重中之重，開(kāi)挖方法和支護(hù)效果對(duì)施工質(zhì)量有很大影響。為最大限度上確保施工安全及質(zhì)量，需根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)條件，確定針對(duì)性的開(kāi)挖方法。開(kāi)挖完成之后及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，不同隧道段，地質(zhì)條件不同，需要采取有針對(duì)性的支護(hù)方法，才能保證施工質(zhì)量。在案例工程支護(hù)中采取超前小導(dǎo)管、砂漿錨桿、噴混凝土及大管棚施工互相配合的支護(hù)方式，收效良好，可為類(lèi)似工程提供借鑒參考。