下穿公路干線隧道長管棚施工技術

傅思亮

(中鐵二十四局集團有限公司,上海 200071)

1 工程概況

廈門杏林大橋主體工程C標段,是連接廈門杏林大橋和廈門高崎機場的一條公路干道。暗挖隧道(分左右線)下穿嘉禾公路,隧道埋深5～8 m,屬超淺埋,相對位置如圖1所示。隧道位于剝蝕殘丘地貌與濱海沉積相過渡帶,隧址范圍內上覆第四系人工填筑黏土、塊石土,下部局部有海相沉積之淤泥質砂、淤泥質黏土、粗砂等,下伏燕山期花崗巖,局部夾有灰綠巖脈。嘉禾公路在下穿公路暗挖隧道范圍段主要為第四系人工填筑土、低液限黏土,屬軟弱地層,公路為填方,下穿公路暗挖隧道左右線長度分別為76、65 m,開挖斷面高度9.05 m,寬度14.14 m,高跨比0.64,在嘉禾公路范圍內采用長管棚超前預支護。

嘉禾公路是廈門市進出島的主要通道之一,車流量大,交通繁忙。在本工程整個施工過程中,主要是要確保上方嘉禾公路的正常通車,保證隧道施工不發生坍塌和變形超限。

圖1 下穿嘉禾公路暗挖隧道平面示意

2 施工方案比選

2.1 本工程的特點和要求

地質較差,隧道通過區域主要是黏土填方等軟弱土層,存在孤石；地面交通繁忙,施工中控制沉降要求高,公路不得發生因施工斷道，路面沉降要求控制在5 cm內；隧道施工難度大,施工中不得發生坍塌,變形不得超標；管棚長,易發生坍塌堵孔,方向控制難。

2.2 施工方案的比較

根據工程特點以及地下工程施工的經驗,管棚超前預支護可選用長管棚一次穿越貫通和分段搭接穿越的形式,其優缺點比較如表1所示。

表1 管棚施工方案比選

針對以上特點,考慮從機械設備選型、管棚的選用及布置、地層處理難易程度、管棚施工工藝等方面進行了比較,經過專家論證和管棚施工試驗,最后決定采用方案一,即長管棚一次穿越貫通。

3 長大管棚超前支護設計

3.1 工藝原理

長大管棚施工是在地層中進行鉆孔并打入大管棚鋼管,并在鋼管內加入鋼性骨架,通過向管內注入具有一定壓力的膠凝材料,凝固后使周圍軟弱地層的力學性質得到改善和加固,并與管棚形成一個整體棚架式的加固拱圈,從而起到超前預支護作用。

3.2 參數選擇

管棚采用φ133 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管,節長分別為4、6 m,環向間距為40 cm,拱部采用雙層,外插角為1°～1.5°,兩側采用單層,管棚長度按隧道全長,管棚的布置如圖2所示。為了增加大管棚的剛度,管棚內設置鋼筋籠,由4根φ22 mm螺紋鋼筋及固定環組成；為了保證管棚的方向在誤差內,在管棚起點設立厚度為1 m的鋼筋混凝土弧形導管墻,作為管棚施作的支架和導向架；為了使管棚注漿能達到較好的效果,在管棚鋼管上設注漿孔,孔徑12 mm,孔間距30 cm,梅花形布置(管棚兩端3 m范圍內不設注漿孔),注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。為了保持管棚的剛度及整體受力,在管棚的尾部采用厚度為1 m的鋼筋混凝土弧形梁，將管棚尾部連成整體。

圖2 下穿嘉禾公路暗挖隧道管棚設計斷面布置(單位：cm)

4 管棚施工

4.1 管棚的支架、導向架和導向墻施工

為了控制鉆桿及鋼管的繞度和移動,保證鉆孔精度,在管棚的起點設導向墻,導向墻的厚度為1 m,高度、弧形長度根據管棚位置設置,鋼筋混凝土結構,導向墻內用2榀鋼架(鋼架采用I20型鋼加工制作,縱向間距80 cm)作為骨架,并在鋼架上按照管棚環向間距焊接導向管,用鋼筋將導向管、鋼架連成整體。

4.2 鉆孔

在導向墻完成后,采用地質鉆機進行管棚施工,采用水平定向跟管鉆進法鉆孔,鉆孔時要嚴格按照設計的間距和角度鉆孔。為了保證在填土中不發生塌孔,事先可采用注漿的方法,對管棚經過范圍進行注漿,使之達到一定的密實度。

4.3 管棚安設

水平定向跟管鉆進法鉆孔是把鉆孔和安裝管棚一起完成,即管棚和鉆孔一起推進,以防坍塌；管棚采用鉆孔一段鋼管安裝一段的方法,鋼管節之間采用絲扣連接(絲扣長15 cm)；管棚到位后及時將管棚與鉆孔壁間縫隙填塞密實,在管棚端頭焊上法蘭盤止漿閥,并保證質量。

4.4 管棚注漿

管棚安裝完成后,應盡快進行注漿,本工程采用水泥-水玻璃雙液漿,通過壓漿試驗確定注漿參數(表2),注漿壓力達到2.5 MPa并持續5 min以上,經過反復注漿,確認達到要求后,停止注漿,及時封堵注漿口。

4.5 管棚施工精度控制4.5.1 設備選型

管棚能否達到精度要求,與設備的性能關系大,為了保證精度,現場施工中根據試驗采取了英格索蘭KR80412型管棚鉆機。該設備自帶鉆桿穩定器,在鉆進過程中始終保持鉆頭鉆桿在同一水平線上,鉆進軌跡發生偏斜較小。

4.5.2 鉆孔時預防偏孔

對管棚方向可能發生變化的控制,用導向管導向,扶正器扶正鉆具,然后用測斜儀檢查,保證開始不發生偏斜。鉆孔中采用巖心管掃孔檢查進行控制,發現較小的偏斜時,采用調整鉆頭角度的辦法糾偏。當孔的偏斜超過允許范圍時,停止鉆孔,注水泥漿充填,凝固后重新鉆孔。

4.5.3 鉆孔過程中障礙物的處理

根據鉆進的速度、巖土取芯、鉆孔設備壓力等情況判斷此鉆孔管段的地質情況,及時做好施工記錄。對土中含有部分孤石,采取正反循環鉆進以及提高鉆頭質量的方法,強行鉆進,此辦法無法解決時,通過人工挖孔樁排除障礙物。

4.5.4 管棚施工中下墜彎曲的預防

管棚長度長,鉆頭與鉆桿直徑也不相同,長距離鉆孔容易發生管棚下墜彎曲,施工前在相同的地層中進行了下墜彎曲試驗,根據試驗預留管棚向上1°～1.5°的角度,并根據每根管棚的施工情況,對下一根管棚進行修正。管棚安裝鋼管時使用測斜儀每安裝段測量,掌握下墜情況。

4.6 公路路面沉降監測

針對下穿公路暗挖隧道范圍段地質差,土壤含水量高,施工時下沉量較大的特點,為了能采用動態施工管理指導施工,根據要求,在地表(含公路)上、隧道內設置沉降觀測點。根據沉降總量和變化速率,及時掌握圍巖和支護的動態信息,用于指導施工作業。沉降觀測點的觀測頻率見表3,經過對沉降觀測結果的分析,公路路面沉降最大點的沉降量為27 mm(表4),在允許的3 cm范圍內,滿足設計要求。

5 結語

(1)對于穿越交通干線的暗挖隧道、軟弱破碎圍

巖隧道及淺埋隧道,采用長大管棚進行超前支護的施工工藝,對防止地面過大下沉和過多影響建筑物,以及增加施工安全度,提高隧道運營的長期穩定性,具有顯著的社會效益。

表3 路面監控量測項目及方法

表4 公路路面變形最大點的量測結果

(2)在長大管棚保證精度的情況下,超前預支護作用明顯,可減少地表下沉和防止圍巖坍塌,同時在管棚鉆進施工過程中,能對前方地質起到探明作用,其地質資料可為指導隧道開挖提供依據。

(3)利用信息化手段,監測公路路面沉降情況、隧道施工過程中的沉降情況,及時調整施工方法；公路的沉降控制較好,隧道未發生坍塌,保證了安全和進度,收到了預期的效果。

(4)下穿嘉禾公路暗挖隧道長大管棚一次穿越,長度較長,隨長度延長下墜彎曲有增大的傾向,本隧道管棚累計下墜最大達到282 mm。對此,施作管棚時,預先考慮了這一影響,設置了合理的外插角度,基本達到了要求,保證了運營安全。

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