前黄隧道下穿高速公路施工技术控制

王斌杰

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

前黄隧道下穿高速公路施工技术控制

王斌杰

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

结合甬台温客运专线前黄隧道下穿甬台温高速公路施工,详细介绍了浅埋隧道的各项施工技术,在保证甬台温高速公路车辆通行的情况下,确保前黄隧道顺利安全下穿甬台温高速公路。本施工技术实例可供同类工程施工参考。

浅埋;超前长管棚;双侧壁导坑;爆破开挖

1 工程概况

甬台温客运专线前黄隧道位于宁波宁海县境内,为单洞双线隧道,里程为DK69+729至DK70+289,隧道总长度为560 m(原设计隧道长为555 m,为确保高速公路拓宽双向八车道需要,应高速公路有关部门要求,将隧道向出口方向加长5 m)。隧道出口附近DK70+223至DK70+258段下穿甬台温高速公路(高速公路桩号为：K89+588至K89+611),路面与隧道拱顶最小间距为3.0 m,高速公路中央分隔带处地下管线距离隧道拱顶最小净距为1.93 m,属于浅埋隧道。

在下穿高速公路地段,隧道覆盖层薄弱,围岩较为破碎,加之甬台温高速公路交通繁忙,路面下沉控制要求高,给隧道施工带来了很大的困难。具体地质情况见图1。

图1 下穿部分纵断面及地质图

2 方案比选

方案一在隧道与高速公路交叉处,将高速公路向隧道出口方向临时进行改移,待隧道下穿原高速公路施工结束后,恢复原路面；如果条件允许的话,这一方案是最能确保高速公路行车安全的,因为隧道施工与通行车辆之间有一定的安全距离,互不干扰。

方案二在隧道与高速公路交叉处路面架设栈桥,隧道下穿施工期间,让车辆从栈桥上通过隧道顶,以确保隧道施工及车辆通行安全。

方案三高速公路与隧道交叉处采取四分之一封道,即隧道施工到高速公路左半幅行车道下面时,左半幅通行车辆在施工影响区段改由超车道慢速通行;当隧道施工至左半幅超车道下面时，左半幅通行车辆在施工影响区段改由超车道通行；右半幅施工同左半幅。这一方案同样可以确保施工及行车安全。

在隧道与高速公路交叉处,两边都是高山,不具备道路改移条件,方案一不可取；在高速公路路面架设和拆除栈桥时,同样需要高速公路封半边道；据计算,半幅栈桥架施工封道时间需要20 d,拆除需要5 d,全部栈桥施工需要封半幅道的总时间为50 d左右；另外在高速公路路面上架设栈桥,需要设置一定的坡度,给车辆通行造成一定的困难,故方案二也不可取；经过多方专家论证,最终确定采用方案三。

3 施工工艺

3.1φ108 mm超前长管棚配合I20 a工字钢超前预支护

为确保施工安全,施工时采用φ108 mm超前长管棚,长管棚壁厚为6 mm的热轧无缝钢管,为了保证管棚的施作效果及施工质量,管棚采取进口43 m、出口56 m、中间搭接的方式施工,管棚环向间距400 mm。

出口管棚里程为DK70+284至DK70+228,施打前先将出口端明洞及边仰坡开挖防护,施作管棚工作平台；洞内管棚里程为DK70+215至+258,为确保管棚能正常施打,开挖DK70+200至DK70+215段时,拱部120°范围内沿径向扩挖1 m,作为管棚施工工作室。

3.1.1 出口端明洞开挖

1)明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行,尽量避开雨天施工。

2)边、仰坡防护应与明洞开挖同步进行,因出口边、仰坡有W4地层,自稳性能差,出口仰坡坡面及明暗洞分界向洞口方向4 m范围边、仰坡的W4地层采用φ42小导管注浆加固,小导管长4.5 m,间距1 m×1 m梅花型布置,坡面采用双层φ8钢筋200 mm×200 mm网片加喷射200 mm厚C20混凝土封闭。

3)对边坡渗水要及时引、排到坡面外,以加强对坡面的防护。

3.1.2 洞内管棚工作室

对DK70+200至+215段15 m范围的拱部开挖断面进行扩挖,环向围岩扩挖1 m,按设计初支护要求加固围岩。

3.1.3 施作导向墙

1)混凝土套拱作为长管棚的施工导向墙,套拱在设计轮廓线以外施作,套拱截面尺寸为1 m×4 m,内埋设4榀I18工字钢支撑,每榀拱架间距1 m,钢支撑与管棚孔口管焊成整体。

进口洞内套拱因环向扩挖1 m,套拱基础位于坚硬岩石上,按正常流程施作套拱即可。出口洞外套拱基础位于强风化层内,隧道向下开挖时,由于套拱下沉会导致隧道沉降控制达不到应有效果,因此出口套拱应落到墙脚部位,由于套拱对管棚的强大支撑作用,可有效控制开挖沉降值。

2)孔口管按中到中400 mm间距预埋φ200 m钢管作为管棚的导向管,导向管安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上,防止浇筑混凝土时产生位移。

3.1.4 搭钻孔平台安装钻机

1)钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设,搭设平台应一次性搭好,钻孔由2台钻机由高孔位向低孔位对称进行,可缩短移动钻机与搭设平台时间,便于钻机定位。

2)平台支撑要着实地,连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

3)钻机定位：钻机要求与已设定好的孔口管方向平行,必须精确核定钻机位置。用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法,反复调整,确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

3.1.5 钻孔

1)倾角：钢管轴线与衬砌外缘线夹角1°～3°,为了便于安装钢管,钻头直径采用φ180 mm。

2)岩质较好的可以一次成孔；钻进时如产生坍孔、卡钻,需补注浆后再钻进。

3)钻机开钻时,应采取低速低压,待成孔10 m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

4)钻进过程中应经常用测斜仪测定其位置,并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量,并及时处理钻进过程中出现的事故。

5)钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

6)认真做好钻进过程的原始记录,及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报,可用作指导洞身开挖的依据。

3.1.6 清孔、验孔

1)用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔,清除浮渣至孔底,确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。

2)用高压气从孔底向孔口清理钻渣。

3)用全站仪和测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。

3.1.7 安装管棚钢管

1)钢管应在专用的管床上加工好丝扣,钢管四周钻φ10～16 mm出浆孔,管头焊成圆锥形,便于入孔。

2)管棚顶进采用管棚机钻进的工艺,即利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。

3)接长钢管应满足受力要求,相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%,相邻钢管接头至少错开2 m。

3.1.8 安装钢筋笼

将制作好的钢筋笼放入管棚中。

3.1.9 注浆

1)安装好管棚钢管后即对孔内注浆,注浆后再施工检查管,用以检查注浆质量。

2)注浆参数：采用单液浆,水泥浆水灰比1∶1。

3)采用液压注浆机将液浆注入管棚钢管内,初压0.5～1.0 MPa,终压2 MPa,持压15 min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍,若注浆量超限,未达到压力要求,应调整浆液浓度继续注浆,直至符合注浆质量标准,确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填,方可终止注浆。

4)单根钢管的注浆量按下式估算：

Q=πRkLη

式中:RK为浆液扩散半径,取Rk=0.6L0；L0为相邻注浆钢管中至中的距离；L为钢管长；η为围岩空隙率,各种地层条件下围岩空隙率参考值：砂土40%,黏土20%,断层破碎带5%。

5)注浆结束后及时清除管内浆液,并用M20水泥砂浆充填以增强管棚的刚度和强度。

3.2 采用双侧壁导坑法开挖

为确保隧道开挖时尽量减少公路路面的沉降,该段隧道开挖采用双侧壁导坑法施工。具体施工方法见图2。

图2 双侧壁导坑法施工横断面图

3.2.1 施工步骤

第1步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护；弱爆破开挖①部；喷80 mm厚混凝土封闭掌子面；施作①部导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷40 mm厚混凝土,架设I20 a钢架及I18临时钢架,并设锁脚钢管,安设I18横撑；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度；施作Ⅰ部初期二衬混凝土进行永久支护。

第2步：在滞后于①部一段距离后,弱爆破开挖②部；喷80 mm厚混凝土封闭掌子面；导坑周边部分初喷40 mm厚混凝土；架设②部I20 a钢架及I18临时钢架；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度；施作Ⅱ部初期二衬混凝土进行永久支护。

第3步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护；弱爆破开挖③部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第1步。

第4步：弱爆破开挖④部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第2步。

第5步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护；弱爆破开挖⑤部；喷80 mm厚混凝土封闭掌子面；导坑周边初喷40 mm厚混凝土,架设⑤部拱部I20 a钢架；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度；施作Ⅴ部初期二衬混凝土进行永久支护。

第6步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护；弱爆破开挖⑥部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第5步 。

第7步：弱爆破开挖⑦部；喷80 mm厚混凝土封闭掌子面；安设⑦部I18横撑。

第8步：弱爆破开挖⑧部；喷80 mm厚混凝土封闭掌子面；导坑底部初喷40 mm厚混凝土,安设I20 a钢架使钢架封闭成环,复喷混凝土至设计厚度；施作Ⅶ部初期二衬混凝土进行永久支护。

第9步：逐段拆除靠近已完成衬砌范围内两侧壁底部钢架单元。

第10步：灌筑 Ⅸ 部仰拱及隧底填充(仰拱与隧底填充应分次施作)。

第11步：根据监控量测结果分析,拆除I18临时钢架及临时横撑。

3.2.2 I20 a工字钢架加强支护

初期支护采用I20 a工字钢架加强,纵向间距按0.5 m一榀布置。见图3。

图3 双侧壁导坑法施工及初支水平断面图

3.3 控制爆破振速

施工爆破时控制爆破在振速3.5 cm/s以内,保证路面最小限度地受到爆破的影响[1]。

具体措施如下：

根据R=(K/V)1/aQ1/3

式中：R为地震安全距离,如果封闭半车道,R可取到3 m以上,本工程取R=3 m。Q为爆破最大一段装药量；V为建筑物地震安全速度(cm/s)；K、a为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减系数,本工程根据经验K=150,a=1.7。

本工程V取3.5 cm/s。

最大一段装药量Q=(3/150)3/1.7×33=0.04 kg。

因此,洞内单响最大一段装药量控制在0.04 kg以内,并且洞内爆破严格按照短进尺,每循环最大进尺0.5 m ,将断面按照设计要求,分八部分开挖,同一次开挖,用毫秒雷管微差,达到爆破振速3.5 cm/s以内,以保证路面不会因爆破而受到损害。

3.4 监控量测

3.4.1 洞内监控量测

1)监控量测部位[2]：监测主要包括拱顶下沉和周边位移。

2)监测点布置：施工时,分别在DK70+230、DK70+235、DK70+240、DK70+245、DK70+250、DK70+255、DK70+260里程布设拱顶下沉和周边位移监测点,监测点布置见图4,其中E1、E2和E为拱顶下沉点,A、B、C、D点为周边位移点。

图4 收敛布置示意图

3)监控量测时间：从前黄隧道下穿高速公路开始施工到高速公路受影响区段变形稳定的整个时间段。

4)监测频次：每天观测2次。

5)监测结果处理：根据观测数据,判定围岩、地表变化,并绘制围岩、地表变化动态图以指导施工；施工期间如果发现变形突变,应立即停止洞内开挖作业,并启动相关应急预案。

监测数据显示,周边位移最大位置是在DK70+245处,收敛值为7.362 mm；拱顶下沉最大位置也在DK70+245处,下沉值为5.7 mm。

3.4.2 高速公路路面及边坡监控量测

高速公路路面及边坡监控量测[2]委托第三方进行执行,同时项目部采用徕卡DNA03电子水准仪和全站仪进行观测,并将观测数据的分析情况上报给设计院,从而保证了监控量测的结果真实有效。施工结束后高速公路路面累计最大沉降量为6.4 mm,在设计控制范围内。路面沉降观测点布置见图5。

图5 路面沉降观测点布置图

4 施工期间高速公路实行交通管制

当隧道施工到达高速公路侧沟外缘时,及时向高速公路相关单位汇报。请高速公路急救中心按计划强制实行相关区段四分之一封道,以避免车辆在正在开挖的隧道上面通行,确保隧道施工和车辆通行的安全万无一失。施工期间现场配备大型拖车和示警巡逻车各1辆,人员1名,现场封闭改道按高速公路二类施工现场要求摆放标志标牌。

5 结 语

甬台温客运专线前黄隧道下穿甬台温高速公路段施工时,通过进出口超前长管棚预支护,采用双侧壁导坑开挖,爆破时控制炸药用量,加强现场监控量测,辅助交通管制等多项措施,有效控制了隧道施工期间甬台温高速公路前黄段的路面下沉和隧道的拱顶下沉及周边位移,确保了前黄隧道的顺利下穿贯通。

[1] 中国工程爆破协会.GB 6722—2003 爆破安全规程[S]．北京：中国标准出版社，2004.

[2] 王梦恕 .中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010．

Construction Technology Control of the Expressway that Qian Huang Tunnel Go through underneath

WANGBinjie

2017-02-22

王斌杰(1976—),男,浙江湖州人,工程师,从事铁路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U455.4

B

1008-3707(2017)03-0041-05