超大斷面隧道工程的長管棚套拱支護(hù)施工分析

郝金川

(中鐵十八局集團(tuán) 第四工程有限公司,天津 300350)

在高速公路建設(shè)過程中,隧道工程占據(jù)了較大比重。因此,對于高速公路建設(shè)而言,隧道質(zhì)量的好壞對交通安全影響非常大。如長江大橋隧道是一座跨越長江的公路和鐵路雙層橋梁隧道,全長約10.9 km,其中公路隧道長約6.8 km。該隧道于2014年建成通車,是中國首座公路和鐵路雙層橋梁隧道,也是世界上第一座采用盾構(gòu)法施工的雙層鐵路橋梁隧道,此條公路隧道施工中采用盾構(gòu)開挖法,長管棚套拱支護(hù)施工技術(shù),取得了良好的效果,為類似工程提供了參考和借鑒。在不同地質(zhì)條件下,適用的支護(hù)技術(shù)和支護(hù)參數(shù)也存在較大差異。隨著隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展,對隧道施工技術(shù)的要求也逐步提高。營盤梁隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,支護(hù)施工難度大,常規(guī)的錨桿支護(hù)措施難以滿足穩(wěn)定圍巖的要求。尤其在實際施工中,經(jīng)常會遇到一些特殊的地質(zhì)條件,使得長管棚套拱支護(hù)施工難度倍增,如在導(dǎo)向墻施工中會受到地下水的影響,此外,在成拱混凝土澆筑中,可能會引起邊坡失穩(wěn)問題。因此,在具體施工中需結(jié)合工程特點(diǎn),制定科學(xué)合理的施工方案和技術(shù)措施,以保證施工質(zhì)量。

1 工程概述

1.1 隧道簡述

營盤梁隧道是成德大道德羅項目示范段工程重要組成部分,位于德陽市羅江區(qū)白馬關(guān)鎮(zhèn)鳳雛村。隧道左線進(jìn)洞口樁號ZK16+984,路面設(shè)計高程566.931 m;右線進(jìn)洞口樁號K16+967,路面設(shè)計高程567.097 m。隧道左線出洞口樁號ZK17+481,路面設(shè)計高程556.402 m;右線出洞口樁號K17+486,路面設(shè)計高程555.623 m。主線斷面凈寬17.25 m,凈高5.0 m。根據(jù)隧道規(guī)則及相關(guān)工程經(jīng)驗,將左右洞路基設(shè)計線間距L=24 m作為小凈距與分離式的分界點(diǎn)。隧道左線ZK17+231—ZK17+481、右線K17+236—K17+486為小凈距段。

1.2 周圍環(huán)境

營盤梁隧道左右線圍巖綜合評定圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級,地下水主要為基巖裂隙水,水量少。安略線(220 kV)電塔位于營盤梁隧道左洞洞頂正上方,里程為ZK17+200,隧道頂與地面距離為51 m。營盤梁隧道與蘭成渝石油管線平行,兩者最小距離約90 m。隧道與安略線及蘭成渝石油管線平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與蘭成渝石油管線平面位置關(guān)系

1.3 地質(zhì)特征

隧道進(jìn)、出口山坡坡面呈直線型,地形坡度一般為25°～40°。大部分地段基巖裸露或者淺埋,植被較發(fā)育。經(jīng)對場地內(nèi)及鄰近基巖進(jìn)行露頭調(diào)查,可知層間裂隙裂面平直,結(jié)合差,屬硬性結(jié)構(gòu)面。隧址區(qū)不良地質(zhì)主要表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)化巖體較破碎,巖石風(fēng)化碎落,裂隙發(fā)育,巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)。

由于本工程所處位置的地質(zhì)條件比較復(fù)雜,在應(yīng)用長管棚套拱進(jìn)行支護(hù)施工時主要有3個難點(diǎn)。1) 導(dǎo)向墻施工是長管棚套拱支護(hù)施工的前提條件。若導(dǎo)向墻定位不夠準(zhǔn)確,或者缺乏足夠的穩(wěn)定性,會影響到后續(xù)長管棚套拱支護(hù)施工的效果。本工程地質(zhì)水文條件復(fù)雜,使得導(dǎo)向墻施工成為了一大難點(diǎn)。2) 由于隧道工程采用了全斷面開挖,一次澆筑成拱的方法,在進(jìn)行混凝土澆筑施工中,洞口兩側(cè)邊坡可能會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,如何有效保證邊坡穩(wěn)定也是本工程施工的主要難點(diǎn)。3) 復(fù)雜的工程圍巖條件,使得長管棚套拱支護(hù)施工需要考慮的因素較多,且隧道施工空間有限。因此,如何有效保證長管棚套拱支護(hù)施工中各道工序能夠準(zhǔn)確、有效地落到實處,也是本工程長管棚套拱支護(hù)施工的主要難點(diǎn)之一。

2 長管棚套拱支護(hù)施工要點(diǎn)分析

2.1 導(dǎo)向墻施工

圖2 隧道洞口導(dǎo)向墻及大管棚縱斷面圖(單位:mm)

本工程長管棚套拱布設(shè)在距離洞口明暗洞交界位置,套拱緊貼新鮮巖面,導(dǎo)向鋼管布設(shè)施工中必須嚴(yán)格按照要求設(shè)計外插角,并與環(huán)向間距接長到巖面上[1]。與此同時,套拱底部需要通過石渣土進(jìn)行分層回填并進(jìn)行壓實,作為臨時胎架以及管棚鉆孔施工作業(yè)平臺的搭設(shè)基礎(chǔ),在具體施工中還可確保導(dǎo)向墻施工的穩(wěn)定性。

2.2 套拱施工

2.2.1 測量放線

測量放線首先放出套拱基礎(chǔ)開挖位置及高程。開挖完畢后對套拱基礎(chǔ)的位置、每榀鋼拱架內(nèi)拱腳位置、中點(diǎn)以及高程進(jìn)行精確測量。如鋼拱架拱腳超挖,采用1.5 cm×30 cm×40 cm(長×寬×高) 的鋼板調(diào)整至設(shè)計高程;如超挖過大,采用漿砌片石進(jìn)行調(diào)整,漿砌片石尺寸在套拱尺寸的基礎(chǔ)上增大10 cm。

2.2.2 鋼拱架安裝

2.2.3 導(dǎo)向管安裝

2.2.4 模板安裝

鋼拱架及導(dǎo)向管檢查合格后,方可進(jìn)行模板安裝。模板采用竹膠板拼裝,固定牢靠,內(nèi)側(cè)采用方木或者鋼管作為背模加工成拱形內(nèi)支撐,間距80～100 cm。鋼拱架采用圓木及管架支立在核心土上或堅硬的地基上。導(dǎo)向墻外模采用雙鋼管對拉螺桿隨澆筑隨安裝,確保振搗密實。 模板拼裝完畢后,對模板內(nèi)凈空進(jìn)行測量檢查,合格后進(jìn)行加固。加固支撐采用工字鋼、方木及鋼管,支撐必須牢固。

2.2.5 套拱混凝土澆筑

在進(jìn)行混凝土澆筑施工中,為控制應(yīng)力變形,要盡量采用兩側(cè)對稱澆筑的方法。兩側(cè)最大混凝土灌注高差不超過1 m,嚴(yán)格遵循緩慢、對稱的原則。邊澆筑混凝土,邊進(jìn)行振搗,嚴(yán)控振搗質(zhì)量,嚴(yán)禁過振搗、漏振搗問題,以提升混凝土的密實度,形成表面光滑,無蜂窩麻面的混凝土。待混凝土初凝完成后,及時在其上覆蓋一層土工布進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),控制養(yǎng)護(hù)時間不低于14 d[2]。套拱混凝土澆筑要以機(jī)械澆筑為主、人工配合為輔,利用串筒和溜槽下料,兩側(cè)分層對稱澆筑。通過插入式振搗棒進(jìn)行充分振搗,每層澆筑厚度控制在30～40 cm,按順序振搗,以免發(fā)生漏振問題。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)浮漿后,方可停止振搗?；炷翝仓^程都要緩慢進(jìn)行,并派遣專人負(fù)責(zé)對模板監(jiān)控,一旦出現(xiàn)漿液滲漏問題要立即封堵。若出現(xiàn)了嚴(yán)重的模板變形問題,要立即停止?jié)仓?對模板加固處理后,方可繼續(xù)澆筑。

2.3 長管棚套拱支護(hù)施工

2.3.1 管棚加工

圖3 鋼管構(gòu)造

2.3.2 鉆 孔

當(dāng)套拱施工完成后,需等待混凝土達(dá)到設(shè)計要求強(qiáng)度的90%,方可進(jìn)行管棚鉆孔施工。本工程主要采用履帶式潛孔鉆機(jī),每個長管棚輔助進(jìn)洞鉆孔103個[4]。長管棚鉆孔需要能夠和已經(jīng)設(shè)定好導(dǎo)向管同向,精確定位好鉆機(jī)的位置。通過全站儀在套拱之上放出管棚軸線,通過掛線、鉆桿導(dǎo)向相互結(jié)合的方法合理調(diào)整鉆機(jī)位置,以保證鉆機(jī)桿軸線能夠和孔口管軸線相互一致。先鉆奇數(shù)孔,注漿完成后,再進(jìn)行偶數(shù)孔鉆孔。

2.3.3 管棚安裝

在進(jìn)行管棚安裝施工時,通過鉆機(jī)將加工好的鋼管分段頂進(jìn),鋼管接頭可通過絲扣進(jìn)行連接,控制連接長度不小于15 cm。其中,編號為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3 m鋼管,編號為偶數(shù)的第一節(jié)管采用6 m鋼管,此后每節(jié)都采用6 m長的鋼管,以便更好地達(dá)到設(shè)計要求。需要注意的是在進(jìn)行管棚安裝施工中,要控制同一個斷面內(nèi),接頭數(shù)不能超過50%的接頭總數(shù),相鄰鋼管的接頭至少要錯開1 m[5]。為最大限度保證鉆孔質(zhì)量,防止鉆孔對相鄰孔造成影響,在進(jìn)行管棚施工時需要先對編號為奇數(shù)的管棚進(jìn)行施工,注漿完成后再進(jìn)行偶數(shù)管棚施工。鋼管接頭通過絲扣管箍,絲扣長度不得小于15 cm,采用外徑為114 mm、壁厚為6 mm的套管絲扣進(jìn)行連接。在進(jìn)行管棚施工操作時,鉆機(jī)立軸方向必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。為保證鉆孔方向的準(zhǔn)確性,需要通過光靶測斜儀對鋼管鉆進(jìn)的偏斜度進(jìn)行分析。若出現(xiàn)偏斜,要及時進(jìn)行糾正。

2.3.4 安裝鋼筋籠

本工程鋼筋籠由固定環(huán),以及四根直徑18 mm的主筋組成,固定環(huán)間距控制在150 cm。固定環(huán)由直徑為42 mm的鋼管制作而成,主要安裝在長管棚內(nèi),進(jìn)行通長布置[6]。本工程鋼筋籠在鋼筋加工廠提前預(yù)制而成,制作好的鋼筋籠運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后,通過人工向管內(nèi)推進(jìn)安裝。鋼筋籠在管口位置完成搭接,每一節(jié)鋼筋籠的長度需要控制在6 m,通過焊接法相互搭接。遇土質(zhì)軟巖時使用鋼筋籠,以增加管棚鋼管的抗彎能力。鋼筋籠結(jié)構(gòu)以及截面如圖4,圖5所示。

圖4 鋼筋籠結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 鋼筋籠截面示意圖

2.3.5 注 漿

當(dāng)管棚、鋼筋籠施工完成后,在鋼管中壓入純水泥漿液,水灰比控制在0.6～0.8,注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa,注漿壓力需要逐步升高,達(dá)到設(shè)計終壓要求2.0～2.5 MPa時,持續(xù)注漿超過10 min,方可結(jié)束注漿[7]。若在注漿施工中出現(xiàn)了不進(jìn)漿,或者漿液溢出等問題,表明注漿已滿。用灌漿機(jī)對鋼花管進(jìn)行灌漿,直到水泥漿從排氣口流出為止,即為灌漿完畢的標(biāo)志。注漿完畢后,應(yīng)將管道中的泥漿清理干凈,然后用M30水泥砂漿對管道進(jìn)行嚴(yán)密的填充,以加強(qiáng)管道的剛性與強(qiáng)度。注漿速率應(yīng)按注漿孔進(jìn)水的多少來確定,由快到慢,當(dāng)注漿結(jié)束時,應(yīng)立即旋緊止?jié){閥。待水泥漿固化后,將止?jié){閥拆下,進(jìn)行清潔、回收[8]。在灌漿作業(yè)中,由于壓力的突然上升,會造成管道堵塞,必須停車檢查;如果注漿進(jìn)漿量非常大,并且在很長一段時間內(nèi),壓力都沒有上升,此時應(yīng)調(diào)整漿液濃度及配合比,縮短凝膠時間,實行間歇式或低壓力注漿,使?jié){液在裂縫中短暫停留,且停留時間不超過混合漿的凝膠時間,以利于凝固,防止注漿不飽滿情況的發(fā)生。

3 施工成效

本工程是典型的超大斷面隧道工程,所在區(qū)域地質(zhì)水文條件比較復(fù)雜,若直接施工,容易出現(xiàn)隧道坍塌等安全問題?；诒竟こ虖?fù)雜的地質(zhì)條件,在施工中采用了長管棚套拱支護(hù)施工,先進(jìn)行套拱施工,再進(jìn)行長管棚安裝施工,取得了良好的施工效果,實現(xiàn)了對隧道破碎圍巖、不穩(wěn)定圍巖的有效加固。采用長管棚套拱支護(hù)的大斷面隧道段和無采用長管棚套拱支護(hù)的大斷面隧道段收斂變形對比如圖6所示。

圖6 有無長管棚套拱支護(hù)段收斂變形對比圖

從圖6中能夠看出,無管棚洞段的收斂變形較大,最終拱頂沉降約50 mm,而有管棚洞段的收斂變形較小,最終拱頂沉降減少到2 mm,顯示管棚的支護(hù)效果顯著。

4 結(jié) 語

針對超大斷面隧道工程施工,長管棚套拱施工技術(shù)是一種非常有效的隧道施工方法。在當(dāng)前的超大斷面隧道工程項目施工中,由于其施工環(huán)境比較惡劣,對施工的要求非常高,因此在實際操作過程中,需結(jié)合工程的重難點(diǎn),把控好各施工細(xì)節(jié),先做好導(dǎo)向墻施工,接著把控好套拱及管棚支護(hù)、注漿要點(diǎn),并加強(qiáng)各工序的高效銜接,實現(xiàn)對隧道破碎圍巖、不穩(wěn)定圍巖的有效加固,為隧道開挖施工提供了良好的條件。管棚套拱技術(shù)在超大斷面隧道工程中良好的應(yīng)用效果,可為類似工程施工提供參考和指導(dǎo)。