淺埋隧道下穿高速公路施工技術

摘要：隧道下穿高速公路，下穿段覆土層厚度約13.0m厚度的頁巖層。為確保高速公路正常運行，隧道開挖時主要控制地表沉降，隧道開挖前在下穿段設計超前大管棚；采用雙側壁導坑法開挖，拱部120°內系統錨標采用中空注漿錨桿，邊墻采用普通砂漿錨桿，采用間距50cm的Ⅰ20a鋼架支護，全環封閉，鋼筋網片的參數為φ8@15x15，噴混凝土厚度25cm。

關鍵詞：淺埋隧道 破碎圍巖 雙層管棚 雙側壁導坑

1 工程概況

新建沈陽至丹東鐵路客運專線大頂山隧道DK77+660

—DK77+760段下穿沈丹高速公路，隧道下穿高速公路段全長140m，縱向軸線與高速公路縱軸線交角為交角60°。該段隧道圍巖為Ⅴ級，工程地質為頁巖、強風化、巖體破碎，節理發育、巖體條件差，雨季有基巖裂隙水；高速公路寬度約40m，瀝青路面頂標高179.44m，隧道開挖輪廓線頂面到瀝青路面頂面的距離為13.2m。

2 施工方案

根據大頂山隧道下穿高速公路處的圍巖實際情況， 按照“管超前、短進尺、強支護、勤量測、快襯砌、早封閉”的方法組織施工。隧道下穿高速公路段采用雙層φ159大管棚超前支護，雙側壁導坑法開挖，雙層初期支護，隧道開挖后及時施作鋼拱架、錨噴支護、混凝土襯砌緊跟開挖面；并根據量測結果及時指導施工。與高速公路管理單位聯系對高速公路通行采取限速、限噸位、分道通行的交通管制措施。

2.1 雙層大管棚施工方案

管棚設計為雙層φ159mm大管棚，兩環管棚中至中間距為0.4m，每環管棚62根，管棚長度為100m，內環管棚布置在隧道開挖輪廓線外0.3m弧線上，管棚鋼管采用無縫鋼管，壁厚為8mm，鋼管內安裝鋼筋籠，注入1：1水泥漿液，一般注漿壓力為0.5-2.0MPa，注漿終壓注漿量小于0.1L/min，鋼管內注漿回填密實。

2.1.1 施工工藝流程

三通一平→人員設備進場→鋪設“H”鋼軌道→設備組裝調試→空壓機安裝調試→調試鉆機（方位、傾角）→鉆具組裝進孔→鉆進→回次加尺→鉆進→直至設計深度→ 回取鉆具、錘頭→送管棚鋼管并測量→回次加尺→送管棚鋼管并測量→直至設計深度→終孔及環狀間隙注漿→移至下一孔位。

2.1.2 施工方法

2.1.2.1 管棚工作室

根據現場條件，設計打設單節管棚鋼管長度為5-6m，因此管棚工作室長度不小于8.0m，管棚工作室拱部呈5%緩坡形制作，支護后，在掌子面處工作室拱部比外環管棚中心外偏80cm，鉆機安裝平臺標高應比最低一根管棚中心低1.0m，鉆機安裝平臺應硬化。鉆機機架高度在6.0m以內比較合適，可高度太大應分層施工。

2.1.2.2 潛孔沖擊鉆進

用φ73鉆桿為鉆具，前端裝有潛孔沖擊器和潛孔錘頭，潛孔錘沖擊器后緊跟4米長的φ146鉆桿，φ146鉆桿后面跟φ73鉆桿，φ73鉆桿與回轉動力頭聯接，如下圖所示，用空壓機排出的壓縮空氣使潛孔錘頭產生錘擊振動，將鉆桿依次打入，直至達到設計長度。

2.1.2.3 送管

水平孔施作完成后，將φ73鉆桿及潛孔錘頭拔出，把φ159管棚鋼管鉆頭做成20度斜口或錐形，在第一節管棚鋼管中安裝有線導向儀，管棚鋼管之間采用絲扣連接，管棚鋼管通過變徑與回轉動力頭連接，如下圖所示，鉆機將管棚鋼管依次送入水平孔中，每送一節管棚鋼管利用有線導向儀測量一次傾角，保證管棚鋼管不侵入開挖線，若發現水平孔進入了開挖線，則停止送管棚鋼管，或將已送入的管棚鋼管拔出注漿后重打，且根據前面的打設數據調整水平孔的入孔角度。

2.1.2.4 注漿

①注漿材料：注漿材料水泥漿，水灰比1：1（重量比）。

②采用注漿機將水泥漿注入管棚鋼管內，注漿壓力0.5～2.0MPa。

③根據設計注漿量（一般為鉆孔圓柱體的1.5倍）進行控制，若注漿量超限而且未達到壓力要求，需調整漿液濃度繼續注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。

④注漿分序進行，即第一序鉆孔注漿1、4、7……43號孔，第二序鉆孔注漿2、5、8……41號孔，第三序鉆孔注漿3、6、9……42號孔。

⑤注漿結束后及時清除管內漿液，并用M10沙漿充填，增強管棚的剛度和強度。

2.2 雙側壁導坑法施工方案

隧道下穿高速公路段拱部120°內系統錨標采用中空注漿錨桿，邊墻采用普通砂漿錨桿，錨桿長3.5m，錨桿間距0.5×0.75m。采用格Ⅰ20a鋼架支護，全環封閉，每榀間距0.5m。鋼筋網片的參數為φ8@15x15，噴混凝土厚度25cm。

雙側壁導坑法施工工序如圖2.2-1所示。

2.2.1 開挖支護方法

2.2.1.1 利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

2.2.1.2 弱爆破開挖①部。

a.噴8cm厚混凝土封閉掌子面。

b.施作①部導坑周邊的初期支護，即初噴4cm厚混凝土，架設Ⅰ20a鋼架及Ⅰ18臨時鋼架。

c.施作系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

2.2.1.3 在滯后于①部一段距離后，弱爆破開挖②部。

a.噴8cm厚混凝土封閉掌子面。

b.導坑周邊部分初噴4cm厚混凝土。

c.架設Ⅰ20a鋼架及Ⅰ18臨時鋼架。

d.鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

2.2.1.4 利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

a.弱爆破開挖③部并施作導坑周邊的初期支護和臨時支護，步驟同①。

b.弱爆破開挖④部并施作導坑周邊的初期支護和臨時支護，步驟同②。

2.2.1.5 利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

a.弱爆破開挖⑤部。

b.噴8cm厚混凝土封閉掌子面。

c.導坑周邊噴4cm厚混凝土，架設Ⅰ20a鋼架及Ⅰ18臨時鋼架。

d.鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

2.2.1.6 利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

a.弱爆破開挖⑥部并施作導坑周邊的初期支護和臨時支護，步驟同⑤。

b.弱爆破開挖⑦部。

c.噴8cm厚混凝土封閉掌子面。

2.2.1.7 安設Ⅰ18橫撐。

a.弱爆破開挖⑧部。

b.噴8cm厚混凝土封閉掌子面。

2.2.1.8 導坑底部初噴4cm厚混凝土，安設Ⅰ20a鋼架使鋼架封閉成環，復噴混凝土至設計厚度。

2.2.1.9 逐段拆除靠近已完成二次襯砌6～8m范圍內兩側壁底部鋼架單元。

2.2.1.10 灌注仰拱與填充混凝土（仰拱與填充分開施作）。

2.2.1.11 根據監控量測結果分析，拆除Ⅰ18臨時鋼架及臨時支撐，利用襯砌臺車一次性澆注邊墻拱部混凝土（拱墻襯砌同時施作）。

2.2.2 錨桿鉆孔及安裝

錨桿采用錨桿鉆機成孔。若出現塌孔現象，則用錨桿鉆機帶套管成孔，鉆孔后要及時插放錨桿并注漿。錨桿成孔中如遇地下管線時，上下左右移位再打，布孔位置允許偏差±150mm，孔徑符合設計要求，孔深允許偏差±100mm，如確實打不到設計長度，而致孔深不能滿足設計要求時，向設計及監理及時反映。在安放之前，都應將孔內殘留及松動的廢土清除干凈。

2.2.3 壓力注漿

若成孔時發現孔內土壤含水量較大，則壓力注漿應緊隨上一工序進行。注漿管應與錨桿鋼筋一起插入孔內，注漿管底部與錨桿鋼筋用膠布粘綁，距離孔底250mm～5mm，在孔口位置設置止水塞及排氣管。采用簡單適用的注漿袋法實現壓力注漿，確保注漿壓力達到設計要求，注漿時從孔底向外注漿，當注漿袋飽滿密實后在同一壓力下維持5 分鐘，然后抽出注漿管并迅速扎緊袋口。注漿泵壓力表要定期進行檢測，損壞的壓力表不能使用，計量不準確的及時調換。漿液采用純水泥漿或水泥砂漿。水泥砂漿灰砂重量比重為1：0.5～1：1，為提高注漿早期強度，保證漿體與周圍土體緊密結合，可摻加適量的加早強劑和微膨脹劑，摻量通過試驗確定。水泥凈漿要拌和均勻，隨拌隨用，一次拌和的漿液在初凝之前用完。漿液初凝收縮后及時在孔口補漿。

2.2.4 鋼架安裝

鋼架安裝在掌子面開挖初噴完成后立即進行。根據測設的位置，各節鋼架在掌子面以螺栓連接，連接板應密貼。為保證各節鋼架在全環封閉之前置于穩固的地基上，安裝前應清除各節鋼架底腳下的虛碴及雜物。同時每側增設2根鎖腳錨管將其鎖定，并在鎖腳錨桿管中插入φ25鋼筋加強錨管剛度。下臺階開挖完成后，初期支護及時跟進，將鋼架全環封閉。

為保證鋼架位置安設準確及穩定性，隧道開挖時在鋼架的各連接處預留連接板凹槽，鋼架安裝時采用預制砼塊楔入。鋼架按設計位置安設，在安設過程中當鋼架和初噴層之間有較大間隙應每隔2m用砼預制塊楔緊，鋼架背后用噴砼填充密實。鋼架縱向連接采用鋼筋進行，環向間距1m。

鋼架落底接長應在單邊交錯進行，每次單邊接長鋼架1～2排，接長鋼架和上部鋼架通過墊板用螺栓牢固準確連接。

2.2.5 綁扎鋼筋網及復噴砼

錨桿安裝完成后進行鋼筋網片施工，鋼筋使用之前調直并去銹污。網片鋼筋采用綁扎，搭接長度須滿足設計要求。編網時坡面一律拉線，鋼筋網水平方向錯開搭接。復噴砼在綁扎完鋼筋網后進行，一次噴射至設計厚度。噴射前要將初噴面清理干凈。鋼筋網幫扎完成后應盡快進行噴砼作業，以使鋼架與噴砼共同受力。噴射砼分層進行，先從拱腳或墻角處由下向上噴射，防止上層噴射料虛掩拱腳（墻角）不密實，造成強度不夠，拱腳（墻角）失穩。

2.3 隧道二次襯砌

二次襯砌采用整體模板臺車施工，臺車長度12.0米。二次襯砌緊跟開挖面進行。

二次襯砌施工前進行地質和支護狀態觀察、水平收斂、拱頂下沉、錨桿抗拔力、圍巖壓力等項監控量測，收斂穩定后進行二次襯砌。液壓模板臺車須準確對位，牢固支撐，保證澆筑中不變形、不走移。脫模時間必須按照規范要求根據試驗確定。脫模后及時養護混凝土。

3 監控量測

為驗證支護結構效果，確認支護參數和施工方法的準確性或為調整支護參數和施工方法提供依據，在施工過程中要對拱頂沉降、圍巖變形和地表（高速路面）沉降等進行監測。

3.1 監測方法

各監測項目的監測檢測方法見表3-1。

3.2 監測控制網的建立

3.2.1 基點布設及埋設

在監控量測地表區域附近布設水準基點三組（每組3個，按閉合水準網的方式布設），基點按符合水準路線布設，基準點布設在穩固的基巖面上。水準基點均采用現澆混凝土的方式埋設，為保證基準點不受隧道開挖的影響，基準點都布設在爆破振動安全允許距離外，以保證水準基點的穩定性。

3.2.1.1 地表監測點的埋設

DK77+660～DK77+760段設置間距為5米。在高速公路兩側的地表監測點采用長20cm寬20cm的現澆混凝土埋設，混凝土底埋設至基巖處，地表觀測標采用長10cm的￠14的圓鋼，在高速路面上采用電鉆鉆孔，埋設長10cm的￠10的圓鋼，圓鋼露出路面3mm。

隧道地表測點埋設斷面見下圖。

3.2.1.2 地表監測點的觀測

地表沉降觀測使用電子水準儀按二等水準測量施測。在對下鉆段高速公路面沉降監測點進行觀測時為保證人員安全，在觀測期間對高速公路采取半道封閉方案即對觀測段高速路面進行封閉，確保人員安全。

3.2.1.3 洞內拱頂下沉點、收斂點的埋設

大頂山隧道DK77+660-DK77+760段采用雙側壁導坑法施工，洞內觀測點在上半洞斷面開挖形成，初期支護后立即埋設，埋設后立即觀測。

3.2.1.4 洞內收斂測點的埋設

采用長60cm的￠16螺紋鋼，深入巖石25cm并灌入錨固劑使其牢固，鋼筋外露部分焊接￠8的白鋼掛鉤。

拱頂監測點的埋設：采用長30CM的￠14螺紋鋼，深入巖石25cm并灌入錨固劑使其牢固，在鋼筋外露部分焊接5cm×5cm厚3mm厚的鋼板，然后在鋼板上貼測量專用反光片。

3.3 監控量測的頻率

根據《鐵路隧道監控量測技術規程》（鐵建設[2007]138號）要求，量測頻率根據沉降速度來確定。當出現異常情況或不良地質時增大監控量測頻率。地表下沉的量測頻率和拱頂下沉及凈空水平收斂的量測頻率相同。地表下沉量測在開挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）處開始，直至襯砌結構封閉，下沉基本停止時為止。

3.4 量測數據整理、分析

現場量測數據及時整理，繪制量測數據與時間的關系曲線及量測數據與開挖面距離的關系曲線，并應進行數據處理或回歸分析。

3.4.1 量測數據處理、分析及反饋：

①依據回歸分析、預測位移、收斂、拱頂下沉及最終值。

②以位移～時間曲線為基礎，根據位移、位移速率等分析、評定圍巖和支護的穩定性。

a.當位移急驟增加，每天的相對凈空變化超過1mm時，應重點加強觀測，并密切注意支護結構的變化。

b.當位移～時間曲線出現反彎點時，同時支護開裂或掉塊，此時應盡快采取補強措施以防坍方。

c.當位移、周邊收斂、拱頂下沉量達到予測最終值的80%～90%，收斂速度小于0.1～0.2mm/d，拱頂下沉速率小于0.07～0.15mm/d時，可認為圍巖基本穩定，可施作二次襯砌。

d.利用位移分析程序對圍巖及支護結構的穩定性進行分析、評價。

e.綜合以上分析、評價及時修正設計、調整支護參數，對施工及時提供建議和措施。

4 地表防排水處理

隧道下穿沈丹高速公路段施工時，首先檢查高速公路地表兩側排水溝及邊坡上的天溝是否通暢，如果不通暢應進行疏通，避免排水溝（天溝）積水滲入至隧道內。

5 結論

大頂山隧道破碎圍巖的淺埋隧道下穿高速公路施工技術的應用，成功、有效地控制了圍巖的變形，保證了施工過程的安全，實現隧道下穿施工過程中高速公路的全過程正常運營。

參考文獻：

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