賀家莊隧道(進口)下穿張三公路施工技術

孫太石

1 工程概況

賀家莊隧道原設計在DK241+740～DK241+800范圍內下穿三門峽市張三公路,該段圍巖設計為Ⅴ級,Ⅴ級加強襯砌斷面,全環設置Ⅰ25a型鋼鋼架,間距60 cm,超前支護采用φ 50小導管。圍巖主要為褐黃色粘質黃土(Q2),呈硬塑～堅硬狀,結構較緊密,直立性強,含水量約15%。

該公路是通往賀家莊隧道進出口、黃龍村隧道、富村隧道及黃龍村特大橋、張家灣1號、2號大橋的唯一通道,加之該處三門峽高速公路服務區正在擴建,所有運料的重型貨車都必須從這里經過,行車比較密集。經現場實測,該公路與隧道中線夾角約34°,以深挖方形式在洞頂 DK241+754～DK241+784處通過,隧頂覆蓋層厚度為12.5 m,公路路面寬度為 7.65 m,見圖1。

2 施工方案

為確保公路運輸及隧道施工安全,施工中對DK241+749～DK241+789段采用40 m長大管棚超前支護,弧形導坑預留核心土短臺階開挖。主要施工方案如下：

1)取消該段原設計的超前小導管,在拱部135°范圍內采用φ 159雙層大管棚超前加強支護,每層管棚環向間距0.4 m,層間距0.3 m,管棚長40 m,呈梅花形布置。

2)沿大管棚下輪廓線進行開挖(比設計開挖線大40 cm左右),采用雙層鋼拱架進行初期支護,施工時先在拱部架立Ⅰ20鋼拱架,噴混凝土至設計輪廓開挖線,然后再按原設計要求進行初期支護。拱架間距仍采用原設計的0.6 m。

3)為控制沉降,施工中采取了增加鎖腳錨桿、進一步擴大拱腳、加強初期支護、仰拱緊跟等措施。

3 施工方法

1)超前大管棚施工。

采用超前大管棚施工主要是為了保證隧道開挖的安全,利用隧道管棚機在隧道拱頂區域鉆設水平孔,埋設超前支護鋼管,并進行注漿固結土層,使隧道拱頂預先形成一傘狀保護環的大管棚。此結構的抗彎、抗剪功能可有效承載局部松弛的地層荷重,適時提供隧道開挖后,而支護尚未施作或發揮作用前這段時間所需的支撐力,使隧道開挖面得以穩定安全并同之后的支護和結構等形成一系統,達到三度空間支撐功能,可減少隧道開挖引起的地面沉降。

施工中采用了“導向跟管鉆進法”進行洞內長管棚施工,該方法不需用在洞內預先設置管棚工作室,工效高,其主要原理為：

該方法要求在鉆進過程中能準確測定鉆頭在地下的位置和方向,并根據鉆頭在鉆進過程中的位置和方向同設計軌跡的差異,利用能進行調節方向的鉆頭(一般為楔型鉆頭)改變鉆頭的鉆進方向,從而按設計要求完成各種管線的鋪設。鉆頭示意圖見圖2。

針對賀家莊隧道的特點和下穿公路的要求,制定了如下施工方案：DK241+749～DK241+789段采用φ 159 mm雙層大管棚超前支護,管棚長40 m,布設在拱頂135°范圍之內,每環46根,環向間距40 cm,層間距30 cm,梅花形布置。當掌子面開挖到DK241+735時,噴射混凝土封閉掌子面,開始上層管棚鉆孔,初始外插角4°,鉆至 8 m時開始往水平方向調節鋼管打設角度,至14 m左右趨于水平;當掌子面開挖到DK241+739時,噴射混凝土封閉掌子面,開始下層管棚鉆孔,初始外插角 4°,鉆至4 m時開始往水平方向調節鋼管打設角度,至10 m左右趨于水平;施工時,空鉆調節范圍不留設鋼管,至DK241+749后開始施工管棚,此時管棚的下端距開挖線40 cm,滿足設計要求。拱頂管棚布置示意圖見圖3。

2)短臺階開挖。

施工中采用短臺階法開挖,即先采用大管棚護頂,將隧道斷面分為上、中、下三個臺階分步開挖,仰拱緊跟下臺階并及時閉合成環。采用該法施工時,在上、中、下各臺階形成一定的步距,而且同一臺階左右工作面相互錯開后,即可在各工作面按每循環進尺進行平行流水作業。施工時每循環進尺0.5 m,各臺階步距控制在3 m,同一臺階左右工作面錯開1 m。

短臺階施工的主要工序如下：a.上導施工。拱頂在大管棚的保護下,人工配合機械由上而下弧形開挖圖4中的①部并預留核心土,開挖后立即初噴4 cm厚混凝土封閉作業面;然后架立Ⅰ20鋼拱架,噴混凝土至設計輪廓開挖線;最后再按原設計要求架立Ⅰ25鋼架,進行初期支護。拱架間距為 0.6 m,上下層相互對應。b.中、下導施工。首先開挖圖4中的②部,然后再開挖圖4中的③部,使同一臺階左右工作面錯開一定的距離(一般控制在2榀鋼架間距),嚴禁同一臺階側墻對挖,使拱架懸空,最后再開挖圖4中的④部核心土。下導的開挖與中導的施工相同。c.仰拱施工。仰拱開挖長度每3 m施作一次,距下臺階最大距離控制在15 m。為減少仰拱填充混凝土施工縫,其初支分次閉合,仰拱襯砌和填充混凝土分次整體澆筑,長度控制在一幅棧橋長度范圍之內即可。

為了解決出碴、進料運輸與仰拱施工之間的干擾問題,保證仰拱施工質量,加快施工進度,在施工過程中在已開挖仰拱上鋪設棧橋,出碴運輸車輛在棧橋上行駛,棧橋下進行仰拱以及仰拱填充施工。

4 監控量測

1)路面沉降觀測：由于地形限制,在公路路面布設了2個觀測斷面,共14個測點,監測頻率為1次/d,實測最大下沉量29 mm。2)拱頂下沉量測。洞內共布置了8個點,監測頻率按1次/d進行,實測拱頂最大下沉量30 mm。3)圍巖收斂情況。施工中共布置6個觀測斷面,每個斷面設3條測線,監測頻率為1次/d,實測最大收斂19.94 mm。4)仰拱下沉情況。施工中共布置2個測點,監測頻率為1次/d,實測最大下沉量5 mm。

從量測資料看,公路路面及洞頂下沉量得到了較好的控制,路面未見明顯病害出現。

5 確保施工質量及安全的保證措施

1)嚴格按變更設計方案進行施工,確保施工質量,進而保證施工安全。2)嚴格控制每循環進尺,上、中、下導嚴格按1榀鋼架間距進行開挖,即每循環進尺0.6 m。3)隧道開挖后總的變形量值基本受控于各分部開挖閉合時間的長短,各分部施工必須盡快封閉,并盡早使仰拱初支閉合成環。4)嚴格控制拱頂下沉及圍巖收斂,增加鎖腳錨管和鋼架縱向連接鋼筋,擴大拱腳基礎,增設支撐墊板等措施,使拱腳置于可靠的地基上,減小拱頂下沉。5)加強圍巖監控量測,及時反饋信息、指導施工,特別是洞頂路面沉降觀測。6)嚴格控制超欠挖及初噴混凝土平整度,確保鋼架背后與圍巖密貼。7)制定安全應急預案,儲備應急物資。

6 結語

1)對于下穿公路、覆蓋層較薄的隧道,采用超前大管棚超前支護通過是安全的、行之有效的。2)“導向跟管鉆進法”進行洞內長管棚施工,不需在洞內預先設置管棚工作室,工效高,費用低,而且一次性可打設超過60 m的大管棚。3)施工中必須嚴格控制每循環進尺和臺階長度,仰拱緊跟下臺階施工,使仰拱初支盡早閉合成環,是控制地表和拱頂下沉、圍巖收斂最有效的手段。4)短臺階法開挖較CRD法施工可以加快隧道開挖進度,縮短仰拱閉合時間,有利于控制下沉。

[1]JTG F60-2009,公路隧道施工技術規范[S].

[2]王東杰.公路隧道施工[M].北京：中國電力出版社,2010.[3]季常煦,王 凱,王信剛,等.長管棚超前支護技術在軟弱圍巖隧道施工中的應用研究[J].國外建材科技,2006(4)：18-19.