浅埋砂质新黄土隧道下穿公路施工关键技术研究

陈仁连

摘 要：通过武家坡隧道浅埋段下穿公路施工，介绍了一种超前长管棚预加固下穿公路的隧道施工方法。在埋深仅有25m的砂质新黄土软弱围岩隧道下穿公路时，通过双层大管棚精确定位、导向，超前加固围岩，提高围岩自稳能力，配合微台阶工法，及时封闭成环，控制围岩变形和沉降，确保隧道安全施工、公路安全通行，是一种较合理的下穿方案。为类似浅埋软弱围岩隧道快速、安全下穿结构物施工提供参考和借鉴。

关键词：下穿公路;砂质新黄土;浅埋;超前长管棚;微台阶

1、引言

当前在交通强国战略的指引下，铁路工程首当其冲，建设规模不断扩大，路网越来越密，铁路建设不可避免会出现一些隧道下穿公路、铁路、油气管线、市政管网、建筑物等现象。大部分隧道埋深较浅，施工过程中对地面构筑物影响较大，如何安全下穿是保证隧道安全施工和上部构筑物正常使用的关键。采用常规爆破施工、短管棚支护、分部开挖方法，效率低、风险大，常常会出现塌方、大变形等危险。本文采用超前长管棚加微台阶工法施工方案，下穿砂质新黄土浅埋段施工，隧道变形小、沉降可控，不影响公路正常通行，是一种安全可靠、快速有效的施工方法。

2、工程概况

武家坡隧道位于陕西省榆林市靖边县，起讫里程为DK256+643 -DK259+315，隧道全长2672m，为单洞双线隧道。隧道进口承担正洞施工任务1436.75米，其中DK256+693～DK256+707段下穿307国道，与线路方向约呈60°相交，最小埋深25m。下穿段距隧道进口50米。根据超前地质预报揭示，穿越段主要为砂质新黄土，黄褐色，稍密，稍湿，垂直节理发育，自稳性差。隧址区地表水主要为基岩裂隙水渗出形成地表径流，地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，穿越段隧道洞内基本无水。

3、下穿公路施工关键技术

3.1总体施工方案

武家坡隧道DK256+693～DK256+707下穿国道段主要遵循“强化监控量测、实施超前加固与支护、做到工法与支护措施选择到位、保证初支紧跟下台阶施工和快速封闭成环”的施工原则。因穿越段距洞口较近，且埋深较浅。结合现场施工实际，决定在隧道洞口打入双层直径为159mm的长管棚对洞身进行超前预支护。隧道正洞采用微台阶法开挖工法进行。施工过程中地表和洞内加密监控量测断面，增加监测频次，用量测数据指导施工。同时，保证仰拱和衬砌及时跟进。其中长管棚支护、微台阶开挖、实施监控量测是控制围岩变形、保证施工安全的关键所在。

3.2超前长管棚施工控制要点

⑴超前长管棚施工

在隧道洞口边仰坡临时防护工程施工完成后，开始进行导向墙和超前长管棚施工。超前长管棚采用长度为86.75m、直径为159mm（t=7mm）热轧无缝钢管，在隧道拱部120°范围施作。每层长管棚环向间距40cm，外插倾角为0°至3°。为保证管棚入岩角度，防止管棚侵限，采用精准导向钻孔工艺进行钻孔。利用加固好的可移动钻机平台调整施钻位置和钻杆角度。施钻过程中采用定位导向仪进行跟踪监测，发现钻孔轨迹偏离时，及时进行调整。现场钻孔时，采用间隔钻孔的方式进行，每完成一个钻孔，立即顶进钢管。钢管每节长4m至6m，每节钢管两端预加工成外丝扣，以便连接下一节钢管。为保证连接质量，相同断面钢管接头数量不得超过钢管总数的50%。钢管上钻设溢浆孔，直径10mm，间距150mm，按梅花形进行布置。钢管中增设钢筋笼，以提高钢管的抗弯能力，钢筋笼由四根Φ22主筋和固定环焊接而成。

⑵注浆施工

长管棚注入水泥浆，水泥浆液水灰比为0.5：1～2：1。施工过程中要保证注浆压力和注浆量，注浆压力控制在0.5 MPa 至2.0MPa，注浆量达到设计注浆量的95%以上。注浆施工前要根据现场实验情况来调整注浆参数。现场注浆时如果出现进浆量很大，但注浆压力不变时，应立即暂停施工，调整浆液配合比，缩短凝胶时间。长管棚注浆顺序为从下到上，压力由小到大，浆液先稀后浓。当压力达到设计注浆终压并稳定不少于15min，且管棚周围岩体和孔隙被浆液填充满时，结束该孔注浆。

3.3微台阶开挖工法控制要点

隧道穿越国道段洞身采用微台阶法开挖，人工配合机械施工。上台阶长度控制在3-5m，高度控制在3m，同时预留核心土，开挖循环进尺控制在 0.6m。中台阶长度控制在5-7m，高度控制在3.5m，左右对称开挖。下台阶与仰拱开挖高度控制在5m，左右对称开挖。中下台阶开挖循环进尺控制在1.2m。洞身开挖预留变形量为20cm，根据围岩监控量测数据及时调整预留变形量的大小，保证断面净空尺寸不侵限。开挖过程中，严格控制超欠挖，开挖结束后应立即进行初喷砼封闭开挖面，紧跟进行初期支护，尽快封闭成环。初期支护格栅钢架拱脚采用泡沫铝垫板进行垫实，防止钢架悬空。为了保证安全，开挖应在上循环支护结束后进行。三台阶开挖时必须保证掌子面至仰拱初支封闭成环距离小于2倍洞径，即小于22m。开挖过程要遵循“两紧跟”的原则，即钢架紧贴掌子面安装和初支仰拱紧跟下台阶施工。微台阶法开挖重点强调一个“快”字，必须保证“快挖、快支、快成环”才能把优势显现出来。

3.4监控量测控制要点

充分利用好监控量测技术是控制隧道施工安全，指导科学施工的重要手段。监控量测能从不同的角度反应出围岩变形情况。下穿公路段采取现场观察、地表沉降量测和洞内监控量测等多种手段综合进行监控。现场观察采用目视和罗盘仪进行，地表沉降和洞内量测采用全站仪进行。现场采集的量测数据通过隧道监测信息系统传递给相关人员，使大家及时了解和掌握监控量测信息。

⑴现场观察

通过现场观察能够直观的了解到地表和洞内初支变化情况。现场观察工作可以分为洞内观察和洞外周边环境的观察。一般要选择具有一定施工经验或者具备监测业务能力的人员进行观察工作。重点观察初期支护是否发生开裂，地表和公路路面是否发生沉降裂缝，边坡是否扰动。现场观察要做好记录，一般每施工循环记录一次，同時要保证观察的连续性。

⑵地表沉降量測

对于隧道下穿公路施工来说，重点就是要做好公路的地表沉降监测工作。地表沉降观测点在公路两测沿路边各设一个断面。监测点在隧道开挖线以内按2m间距进行布设，开挖线以外按5m间距进行布设，监测范围不应小于 H0+B 米（H0为隧道埋深，B为隧道洞身宽度）。在开挖掌子面接近下穿公路垂直断面20米时，按2次/d进行监测。当沉降速率小于10mm/d，继续施工。沉降速率大于10mm/d小于20mm/d时，应加强观察，适当调整开挖进度，加快封闭成环速度。沉降速率大于20mm/d时，要暂停掌子面施工，制定加固措施，保证量测数据稳定后再进行施工。

⑶洞内监控量测

隧道开挖初期围岩会存在较大的拱顶沉降值和水平收敛值。随着支护结构施工并且具备了一定的支撑强度之后，其变化值逐渐降低。施工中沿隧道开挖方向布设拱顶监测点，在同一断面的拱腰和边墙处布设2对水平收敛观测点，断面间距5m。在公路正下方段落间距加密为3m。监测频率为2次/d，当出现异常情况时，根据现场管理要求，加大监测频率，监测初始值读数应在隧道开挖后6h内完成。拱顶沉降速率小于10mm/d且水平收敛速率小于5mm/d时，继续施工。拱顶沉降速率大于10mm/d小于20mm/d或水平收敛速率大于5mm/d小于10mm/d，应加强观察，适当调整开挖进度，加快封闭成环速度。沉降速率大于20mm/d或水平收敛速率大于10mm/d时，要暂停掌子面施工，制定加固措施，保证量测数据稳定后再进行施工。

4、实施效果分析

通过超前长管棚预支护措施、微台阶开挖工法和监控量测这些关键技术的应用，武家坡隧道下穿国道施工期间洞内未发生塌方、掉块，国道路面未出现沉降开裂现象。施工总体安全可控，质量显著提升。更为重要的是提前15天完成下穿国道施工任务。

5、结论与建议

武家坡隧道采用超前长管棚加微台阶开挖综合方案，成功完成了下穿公路施工，安全可靠，进度较快，沉降变形可控，是一种有效下穿公路施工方法，以下几点可为类似工程做为借鉴或参考。

⑴超前长管棚预支护其支护强度高、支护范围大，大大提高了围岩自身稳定性，为隧道后续工序安全施工提供了保障。

⑵微台阶开挖工法能及时封闭成环，其两紧跟和拱脚支垫措施，能有效控制变形、控制沉降，对保证地面公路安全起决定性作用。

⑶采用综合、立体的监控量测措施，及时发现洞内、地面变化情况，作为施工控制的一个指挥棒，在下穿施工过程中起着重要作用。

同时在施工过程中也发现一些需要继续改进的地方，如长管棚施工控制较难，尤其是长度超过40m以后，其方向、成孔、注浆等均存在一定的难度。微台阶施工作业面多、交叉施工作业频繁，施工组织难度较大，一个工序发生问题，将影响整个施工组织，效率大大降低。同时隧道下穿工况复杂，方案也应一洞一方案，诸如此类问题还待在以后的施工过程中不断总结经验。

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