軟弱地層淺埋暗挖隧道下穿運(yùn)營高速公路施工技術(shù)研究

周國旺

（川藏鐵路有限公司，四川成都 610000）

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)中具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè)，是構(gòu)建新發(fā)展格局的重要支撐和服務(wù)人民美好生活、促進(jìn)共同富裕的堅(jiān)實(shí)保障。國家“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃中指出：到2025年，實(shí)現(xiàn)以“八縱八橫”高速鐵路主通道為主骨架，高速鐵路區(qū)域連接線銜接，以部分兼顧干線功能的城際鐵路為補(bǔ)充，對50 萬人口以上城市覆蓋率達(dá)到95%以上，基本建成交通強(qiáng)國[1]。

在高速鐵路普及的同時(shí)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和水平也相應(yīng)有了更高的要求，鐵路施工環(huán)境及地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，越來越多的鐵路線路設(shè)計(jì)需穿越既有高速鐵路、高速公路等建構(gòu)筑物，給建設(shè)施工帶來越來越多風(fēng)險(xiǎn)，因此鐵路以隧道形式下穿既有高速公路較為常見，高速鐵路隧道在軟弱地質(zhì)條件下穿高速公路施工，措施控制稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響了高速正常通行或道路中斷等嚴(yán)重問題，如何快速安全下穿既有高速公路是鐵路工程施工面臨的一大難題。

本文通過工程實(shí)例，從施工角度深入探討鐵路隧道下穿高速公路建造技術(shù)，超前管幕、袖閥管帷幕、導(dǎo)洞開挖、隧道監(jiān)控量測等隧道施工技術(shù)控制要點(diǎn)措施，為同類型隧道工程施工提供借鑒。

1 工程概況

所研究的隧道位于華北平原北緣，為沖積平原，地形平坦開闊，地勢由西北向東南緩傾。隧道在穿越某村后，在距村莊西側(cè)400 m 處下穿既有運(yùn)營高速公路路基段，既有高速公路為雙向八車道公路。下穿高速暗挖段覆土厚度8.89～18.12 m，交叉角度為95.93°，公路路基高7.12 m，寬105 m，路面為瀝青混凝土，兩側(cè)坡面為六邊形混凝土空心塊護(hù)坡，與公路位置關(guān)系圖如圖1、圖2 所示。

圖1 暗挖段與既有高速位置關(guān)系平面圖

圖2 暗挖段與既有高速位置關(guān)系縱斷面圖

隧道下穿高速公路暗挖段里程為DK33+175—DK33+315，全長140 m。下穿段采用CRD 法施工，襯砌結(jié)構(gòu)采用曲墻拱形結(jié)構(gòu)、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)類型，如圖3 所示。

圖3 暗挖段復(fù)合襯砌斷面圖

以管幕和小導(dǎo)管作為超前支護(hù)，噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架作為初期支護(hù)，二次襯砌采用小鋼模拼裝澆筑，三次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，在二次襯砌與三次襯砌間設(shè)置防水層。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 工程地質(zhì)

隧道地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）填筑土，第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂，第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。

2.2 地下水類型及特征

場區(qū)內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水，其中砂類土層中水量較豐富。沿線地下水埋深變化較大，水位埋深16.7～22.2 m（高程-0.95～4.41 m），水位季節(jié)性變幅3～5 m，主要由大氣降水及地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，以地下水側(cè)向徑流和人工開采為排泄條件。

2.3 地震動(dòng)參數(shù)

本隧所在位置抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，依據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.2.1，本隧為建筑抗震一般地段。

2.4 不良地質(zhì)及特殊巖土

本隧位于地面沉降地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，地面存在沉降現(xiàn)象。野外調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)地面沉降災(zāi)害對建構(gòu)筑物、管線等造成明顯的危害現(xiàn)象。隧區(qū)主要位于大興區(qū)榆垈地面沉降區(qū)影響地帶內(nèi)，歷史累計(jì)沉降量985～1 270 mm，年沉降速率22～37 mm/年，發(fā)育程度中等。

3 隧道施工技術(shù)控制要點(diǎn)

3.1 超前管幕

隧道拱部150°范圍140 m 通長設(shè)置鎖扣Φ299 mm管幕（壁厚12 mm 無縫鋼管，小里程側(cè)57 m、大里程側(cè)86 m，搭接3 m）管幕管內(nèi)加筋回填C20 細(xì)石混凝土，管幕外進(jìn)行注漿加固。側(cè)墻位置和中隔壁設(shè)置Φ42 mm 的超前鋼花管，縱向每兩榀格柵施作一環(huán)，搭接長度不小于1.5 m，采用無縫鋼管，壁厚3.5 mm。

采用導(dǎo)向頂管跟進(jìn)螺旋出土法施工?，F(xiàn)場超前管幕施工如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場超前管幕施工圖

施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→測量放線→設(shè)備就位→頂管機(jī)械的安裝調(diào)試→吊放鋼管→頂進(jìn)→吊放下一根鋼管并連接→再頂進(jìn)→加筋封堵→管內(nèi)灌注混凝土→管外注漿→下一個(gè)循環(huán)施工。

管幕施工時(shí)，為保證施工效果，要注意以下事項(xiàng)：①首選適合鉆孔深度及施工精度要求的鉆機(jī)，鉆機(jī)帶有導(dǎo)向裝置，能對鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行追蹤、糾偏；②導(dǎo)向孔嚴(yán)格控制鉆孔精度，導(dǎo)向孔施工誤差不得大于100 mm；③鉆孔時(shí)遇到鉆孔堵塞或不均勻地層引起卡鉆現(xiàn)象，采用緩慢鉆進(jìn)結(jié)合頂管的方式保證鋼管順利通過；④管幕施工過程中采用增設(shè)基準(zhǔn)管的方式進(jìn)行多基準(zhǔn)管順序施工，減少管幕鋼管施工的累計(jì)誤差[2]。

3.2 袖閥管帷幕注漿

在隧道施工過程中，因隧道地質(zhì)巖性，后退式超前周邊注漿效果不顯著，無法保證土體和既有高速公路沉降穩(wěn)定。結(jié)合原設(shè)計(jì)超前周邊注漿及現(xiàn)場滲水情況，現(xiàn)場采取下導(dǎo)洞全斷面帷幕注漿，控制開挖過程中的滲水，保證下導(dǎo)洞洞土體穩(wěn)定，形成軟隧硬打的工藝效果，保證全斷面開挖施工安全，控制沉降。袖閥管注漿工序流程如圖5 所示。

圖5 袖閥管注漿工藝流程圖

3.2.1 注漿材料

漿液類型使用普通水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力0.5～1.3 MPa。原材料采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥、膨潤土（納基類）、濃度40°Bé水玻璃，模數(shù)2.4～2.8。

3.2.2 注漿參數(shù)

帷幕注漿參數(shù)表如表1 所示。

表1 帷幕注漿參數(shù)表

3.2.3 注漿順序

為達(dá)到注漿效果，袖閥管按照先外圈、再內(nèi)圈以及先長后短的鉆孔注漿施工順序進(jìn)行施工，注漿時(shí)為避免臨近孔串漿，將同時(shí)注漿的孔終孔間距控制在2～3 m，使其注漿終壓滿足設(shè)計(jì)要求為止[3]。

3.2.4 注漿控制

單孔注漿施工過程[4]：安裝止?jié){芯管至設(shè)計(jì)深度，采用水壓力泵將水囊止?jié){塞脹開達(dá)到密封作用，連接注漿管至芯管，開始拌制注漿材料至均勻通過注漿泵進(jìn)行注漿，待注漿第一段達(dá)到注漿設(shè)計(jì)壓力停止注漿，后退水囊止?jié){塞至下一段進(jìn)行注漿作業(yè)，循環(huán)至全孔注漿結(jié)束。

每孔首次注漿完畢后立即用清水沖洗注漿管，確保再次注漿時(shí)管道暢通，當(dāng)首次注漿由于串漿、漏漿，注漿量未達(dá)到注漿效果時(shí)要進(jìn)行二次注漿，提高注漿壓力，使?jié){液在地層中均勻擴(kuò)散。注漿達(dá)到要求后，最終采用普通硅酸鹽水泥、水玻璃材料進(jìn)行全孔分段封孔。

注漿時(shí)采用注漿壓力和注漿量雙重控制標(biāo)準(zhǔn)。注漿過程中，若出現(xiàn)每步距注漿量能滿足設(shè)計(jì)，而注漿壓力太低，采用間歇注漿和減小漿液膠凝時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)增加漿量，以保證注漿效果。

通過單序孔注漿施工，雙序孔進(jìn)行檢查補(bǔ)強(qiáng)的施工方式，收集現(xiàn)場施工資料，對施工資料進(jìn)行分析。注漿結(jié)束后對掌子面薄弱區(qū)進(jìn)行孔內(nèi)成像視頻，評價(jià)效果，確保開挖無滲水、掌子面土體穩(wěn)定。

3.3 導(dǎo)洞開挖

預(yù)留核心土開挖施工斷面如圖6 所示。

圖6 ①③號(hào)洞開挖示意圖

隧道①③號(hào)洞采用預(yù)留核心土開挖法施工，②④號(hào)洞采取全斷面開挖法施工。

開挖步距控制：①號(hào)洞與②號(hào)洞步距3～5 m，②號(hào)洞與③號(hào)洞步距2～3 m，③號(hào)洞與④號(hào)洞步距3～5 m，隧道開挖進(jìn)尺每循環(huán)0.5 m。二襯仰拱到④掌子面9～12 m，二襯封閉成環(huán)到④掌子面12～18 m。

隧道上導(dǎo)洞①③號(hào)洞全斷面一次性開挖高度為6.4～6.5 m，開挖寬度6.4～6.9 m，洞身土質(zhì)為粉質(zhì)黏土、夾粉土層，開挖過程中由于掌子面土體自穩(wěn)性差，在開挖后掌子面噴混封閉前即出現(xiàn)滑落掉塊情況，在作業(yè)空間有限的條件下，對施工過程中作業(yè)人員及設(shè)備造成威脅。為了降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場優(yōu)化上導(dǎo)洞開挖工藝，由全斷面開挖改為預(yù)留核心土開挖，降低一次開挖高度，核心土起支擋掌子面、減少滑落面積，并為掌子面局部落塊提供緩沖作用[5]；核心土縱向長度2 m，為降低對上部高速公路影響，①③號(hào)洞初支閉合時(shí)間不能超過48 h。

隧道下導(dǎo)洞②④號(hào)洞采用人工配合挖掘機(jī)全斷面開挖，開挖完成后先初噴混凝土，按要求架立鋼格柵，鋼格柵頂部與①號(hào)洞鋼格柵拱腳處采用螺栓連接，為保證連接質(zhì)量，在角鋼連接處采用補(bǔ)焊加強(qiáng)；鋼格柵拱腳位置設(shè)置永久槽鋼硬支撐，保證槽鋼基底密實(shí)。向下傾斜約45°角打設(shè)鎖腳錨管，錨管尾部與鋼格柵焊接，保證鎖腳錨管達(dá)到效果[6]。鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片并焊接連接鋼筋，連接鋼筋內(nèi)外交錯(cuò)布置。最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，及時(shí)回填注漿。

3.4 隧道監(jiān)控量測

為確保既有高速公路通行安全，于隧道輻射范圍內(nèi)的高速公路路肩、坡腳、路面中央分隔帶處設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測高速公路路面變化。隧道洞內(nèi)每5 m一個(gè)斷面布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。拱頂下沉、凈空收斂監(jiān)測采用非接觸測量方法進(jìn)行監(jiān)測。

拱腳下沉、位移監(jiān)測點(diǎn)采用不銹鋼測量控制點(diǎn)預(yù)埋標(biāo)芯，球頭直徑22 mm，桿直徑16 mm，桿長100 mm。②④號(hào)洞鋼格柵安裝完成后噴漿前立即施作。

量測點(diǎn)預(yù)埋件入巖端頭用Φ22 mm 螺紋鋼，長度60 cm，外露端焊接5 cm×6 cm 鋼板，鋼板厚度為5 mm，鋼板與螺紋鋼筋焊接牢固，表面打磨光滑，無污垢。預(yù)埋件外露長度不得大于3 cm，縱向每個(gè)層面的布點(diǎn)位保持在一條線上，確保布點(diǎn)牢固無松動(dòng)[7]。

每斷面布設(shè)在兩榀鋼格柵之間同一斷面上，要求各點(diǎn)位沿里程方向偏差在±10 cm 內(nèi)；不同斷面上的同一位置的埋點(diǎn)，要求在同一高度上，監(jiān)測點(diǎn)鋼筋埋設(shè)在洞身開挖后盡快完成，埋設(shè)完成并包裹保護(hù)后進(jìn)行初支混凝土噴射。

4 結(jié)束語

下穿高速公路隧道施工重點(diǎn)是減小沉降，不影響既有高速公路正常通車。施工過程中應(yīng)用超前管幕結(jié)合全斷面袖閥管帷幕注漿技術(shù)為導(dǎo)向，以導(dǎo)洞封閉、監(jiān)控量測跟蹤分析，不僅實(shí)現(xiàn)了沉降可控，且開挖過程掌子面土體穩(wěn)定，為隧道順利開挖及行車安全提供強(qiáng)有力的保障。各項(xiàng)技術(shù)控制要點(diǎn)能為同類型隧道工程施工提供借鑒，以保證隧道施工質(zhì)量可靠、安全、可控。