隧道超短臺階開挖法下穿高速公路施工案例

馬占榮，武國春，董 佐

(中鐵二十五局集團第五工程公司，山東青島 266000)

1 工程概況

1.1 工程地質

該隧道地處黃土丘陵地帶，屬于長大隧道。在隧道下穿高速公路位置，地面地形比較平緩。地表覆新黃土，黃褐色，堅硬～硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細圓礫土和鈣質結核層，夾多層淺棕紅色古土壤層。下伏老黃土，淺棕紅色，堅硬～硬塑，土體緊密，含鈣質結核層和洪積碎石類土和砂土，洞頂覆土較薄。區段沿線新黃土分布廣泛，部分具有濕陷性，局部為Ⅳ、Ⅴ級，濕陷系數δs=0.012～0.080。

1.2 洞身與高速公路位置關系

隧道洞身DK106+726.5～DK106+790.6處下斜穿高速公路，高速公路路面寬約為25 m，高速公路與隧道洞身夾角49°11'37″，下穿路面長度約為35 m。隧道洞頂至公路路面高度約29 m，開挖洞頂至高速公路路塹邊坡頂約36 m。

本隧道最大的風險源就是下穿高速公路，該段隧道施工設計地表沉降控制標準為最大2 cm，如何控制沉降值，確保安全，在保證質量安全基礎上快速通過是施工的關鍵。見圖1、圖2。

2 設計施工方案

(1)在DK106+820～DK106+830段預留長管棚工作室，工作室比正常隧道擴挖80 cm，以保證φ159 mm大管棚施工作業空間。

(2)隧道里程DK106+700～DK106+820段，拱部150°范圍內，一次性打入1環52根φ159 mm大管棚進行超前加強支護，大管棚長120m，t=9mm，環向間距40cm。

(3)DK106+700～DK106+820段拱部140°范圍內設置61根φ42mm小導管超前支護，小導管長6m，t=3.5mm，環向間距30 cm。超前小導管配合鋼架使用，每3 m(5榀)施做1環，縱向搭接長度不小于3.0 m。

圖1 隧道下穿高速公路平面示意(單位:m)

圖2 隧道下穿高速公路斷面示意

(4)玻纖錨桿垂直打入掌子面進行加固，玻纖錨桿長12 m，錨桿間距60 cm×80 cm(水平×豎向)，每8 m一環，搭接長度4 m。

(5)初期支護采用I25a鋼架，間距60 cm，φ8鋼筋網，20 cm×20 cm網格，噴射C25混凝土，厚度35 cm。仰拱底部初期支護采用I25a鋼架、φ22 mm連接筋、噴射C25混凝土，與拱墻初期支護閉合成環。

(6)隧道DK106+700～DK106+820采用雙側壁導坑法施工，施工時加強監控量測，及時施做初期支護和二次襯砌。

(7)二襯采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度60 cm，仰拱厚度70 cm。仰拱采用C35鋼筋混凝土進行施工，仰拱填充采用C20混凝土。

3 現場實際施工方案

3.1 總體施工原則

下穿高速公路段隧道施工總原則是“短進尺、強支護、快封閉、勤量測”。現場施工首先采用φ159 mm大管棚進行超前支護，φ42 mm小導管超前支護，隨后進入洞身開挖、支護、仰拱以及二襯施工，為使隧道快速安全通過高速公路，分別邀請專家進行方案評審和方案優化，結合專家意見，在不改變其他設計支護參數前提下，按超短臺階法進行施工。仰拱和二襯應盡可能緊跟掌子面，快速閉合成環。仰拱至掌子面最大距離控制不大于9 m，二襯至掌子面最大距離不大于15 m。如圖3所示。

圖3 短臺階施工支護步距示意(單位:m)

3.2 主要工序施工控制要點

3.2.1 大管棚

采用管棚鉆機將120 mφ159 mm大管棚一次性打入，環向間距40 cm，外插角度控制在 0.5°～1.5°，采用棚管導向跟管一次性鉆進法工藝。

3.2.2 洞身開挖及初期支護

依次開挖支護上臺階2～3榀，每次開挖支護1榀鋼拱架進尺，確保有足夠的空間進行中下臺階開挖，由于核心土較高，利用挖機將核心土兩邊的位置修成臺階式，以便工人上下作業;在上臺階開始第3或第4榀開挖支護時，再開始進行中下臺階左右的交錯開挖。

嚴格控制開挖進尺，開挖后立即進行初期支護，減少圍巖暴露時間，初期支護采用I25a鋼架、φ22 mm連接筋φ8 mm鋼筋網C25噴射混凝土，做到“短進尺、強支護”。短臺階開挖時嚴格控制臺階長度不大于3 m，中下臺階每次左右錯開1.2 m(2榀鋼架)。每側上中下臺階鋼拱架鎖腳錨管根數分別為6根、4根、4根，打入深度不小于4 m。

超短臺階開挖法有利于控制圍巖變形，但中下臺階相隔太近，施工干擾較大，所以在施工過程中嚴格控制中下臺階錯開的問題，確保在無安全隱患前提下，進行下道工序的施工，開挖后要及時進行噴錨作業，以免土體暴露時間過長，形成安全隱患。

掌子面每次開挖1榀鋼拱架，進尺60 cm;掌子面開挖完成后，及時對掌子面進行噴錨封閉。掌子面距已施做好的仰拱達到約9 m時，噴混凝土封閉好掌子面，再緊跟著開挖支護中下臺階1.8 m或2.4 m，使中下臺階分別跟齊到同一里程。現場施工每個循環開始前，首先需要用自卸車裝載4～5車的土回填到掌子面核心土的位置，以便挖掘機能作業，上臺階掌子面繼續向前循環開挖支護。

3.2.3 仰拱

只要有條件立刻施做仰拱，使初期支護盡早成環，仰拱底部初期支護采用I25a鋼架、φ22 mm連接筋、C25噴射混凝土，仰拱采用C35鋼筋混凝土進行施工，C20混凝土進行填充。嚴格控制仰拱開挖長度，每次3.5～4 m，快速施作仰拱，減少沉降。

3.2.4 二襯

由于作業面空間較為狹小，將掛防水板簡易臺車拆除，在液壓襯砌臺車上制作外伸支架鋪設木板用來掛設防水板，綁扎鋼筋，從而可以有效節省空間。下穿高速公路段二襯應緊跟仰拱，仰拱填充強度達到條件后，立即施作二襯。拱墻二襯采用C35鋼筋混凝土，利用混凝土輸送泵、液壓全自動鋼模板臺車整體澆筑。拱頂混凝土澆筑要加強監控，必須緩慢施工，邊振搗邊澆筑，防止初期支護與二襯混凝土存在空隙。大管棚預留工作室段的二襯施工，使用鋼管將二襯液壓臺車加強支撐，然后一次性進行管棚工作室段整體二襯混凝土澆筑，由于混凝土比較厚，施工時要放慢速度，加強監控，以免跑模，擠爆臺車模板等。

3.3 監控量測方案

隧道下穿高速公路段施工設計地表沉降控制標準為2 cm，監控量測在此段施工過程中尤為重要。施工過程中測量隊將每日的沉降及變形監控量測資料報局指分管領導及項目部主管領導，及時掌控沉降情況。

3.3.1 監測項目

本項目在下穿高速公路施工過程中需進行的常規監測主要有:地表沉降、隧道拱頂下沉及水平收斂等。各種觀測數據相互印證，確保監測結果的可靠性，為合理確定施工參數提供依據，達到反饋指導施工的目的。

在施工過程中，項目部測量隊人員堅持以每天4次的量測頻率進行監控量測，在下穿大運高速公路過程中，當下雨的時候，為監測雨天對沉降的影響，測量人員全天在高速路面上每隔1 h進行1次地表高程量測。

3.3.2 監測測點布置

監測測點布置原則為:觀測點類型和數量的確定結合本工程性質、地質條件、設計要求、施工特點等因素綜合考慮，全面反映被監測對象的工作狀態，以隧道中線為中心向兩邊對稱布置。

表面變形測點的位置既要考慮反映監測對象的變形特征，又要便于應用儀器進行觀測，還要有利于測點的保護。按照設計預先布置好各監測點。如果測點在施工過程中遭到破壞，應盡快在原來位置或盡量靠近原來位置補設測點，保證該測點觀測數據的連續性。

地表監控量測點布置如圖4所示。以隧道中線與高速公路走向斷面為該量測斷面的里程;以隧道中線與量測斷面交點為中點，沿公路方向兩側布點，左右兩側每間隔3 m布點，布5個，之后每隔5 m布點，布7個;即每個量測斷面共布25個點。

3.4 交通管制方案

項目部和作業隊共分白天和夜晚安排4人對高速公路進行24 h現場指揮交通，示意車輛減速慢行。高速公路兩端在GK676+708和GK678+708設置減速警示牌。

高速公路 GK676+708～GK677+608，GK677+808～GK678+708每隔100 m設置警示牌，標明“因施工前方限速15 km/h”。

高速公路GK677+608～GK677+808段慢行，限速15 km/h。

4 結語

隧道洞身下穿高速公路共64.1 m，從2011年5月6日到2011年6月27日共54 d 7個循環完成，在隧道下穿高速公路段，地表最大沉降值為17.1 mm，最終實現了下沉控制在20 mm內的設計沉降目標，順利完成重點工程安全質量進度目標。

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