淺埋隧道下穿高速初支變形控制施工技術

喬 東

(中鐵三局集團第五工程有限公司，山西晉中 030600)

1 工程概況

1.1 工程介紹

閿鄉隧道地處黃河二級階地，全長770 m，洞口段60 m采用明挖法施工，下穿連霍高速公路段274 m采用雙側壁導坑法施工，其余436 m采用CRD法施工。隧道開挖斷面積為174 m2，凈空斷面積為100 m2全隧位于第四系砂質黃土層中，均為Ⅴ級圍巖。土質為灰黃色，疏松、孔隙率大，節理發育，土體間粘結力極差。

1.2 連霍高速公路通行情況

下穿連霍高速公路段洞頂覆蓋層為10.3 m。路面寬度24.5 m，公路中線與隧道中線的交角為15°。連霍高速公路車流量大，重車多，交通繁忙。通行車輛最大的載重量為450 t，平均每天車流量為2 240次。

1.3 施工重難點分析

下穿段高速公路路面要求沉降量控制在5 cm之內，因此有效控制沉降是施工的重難點。

2 下穿連霍高速公路段施工方法

2.1 拱部超前預支護

閿鄉隧道下穿段由于土層極其松散，采用濕式鉆進成孔后安裝管體的過程中塌孔現象嚴重。按照常規方法難以施作，為此采用跟管鉆進法來施工大管棚。所謂跟管鉆進法指的是邊鉆孔邊安裝導管。即管棚體分節制作，待鉆進深度夠一根導管長度后，就安裝一節導管，然后接著鉆進，每夠一節導管長度后就安裝一節，以免塌孔。采用跟管鉆進法作業時由于要靠導管作為高壓風管排渣，因此管壁上沒有溢漿孔。

2.2 掌子面超前預支護

閿鄉隧道前期施工時，通過監控量測我們發現，在離掌子面10多米遠的地方地表即開始出現下沉，另外洞內掌子面有外移的現象。鑒于此設計上掌子面按等邊三角形布設φ25纖維錨桿，以此一方面來控制掌子面的位移，另一方面通過對纖維錨桿桿體注漿來固結掌子面前方的土體。

纖維錨桿的施作工藝同中空注漿錨桿，即采用煤電鉆成孔，插入桿體后注漿而成。

2.3 下穿段開挖方法

閿鄉隧道下穿連霍高速公路段全部采用雙側壁導坑法施工。

2.3.1 與傳統雙側壁法的區別

1)側導洞的大小設置不同。閿鄉隧道雙側壁法側導坑設置的較小，中間導坑5號洞室較大。

2)側導的初支仰拱封閉時間不同，閿鄉隧道雙側壁法是在開挖中間導坑之前先封閉側導初支仰拱，而后再行施作中間洞室，以此來控制沉降量。

3)大拱腳結構不同，傳統的雙側壁法大拱腳為素混凝土結構，而閿鄉隧道雙側壁法大拱腳內加設有型鋼支撐。

4)臨時支撐的彎制弧度不同，閿鄉隧道臨時支撐彎制的弧度更為圓順，更有利于控制圍巖變形。

2.3.2 閿鄉隧道雙側壁法各洞室開挖順序及步長關系

1)a.拱部及掌子面進行超前預加固。b.人工開挖①部。c.必要時噴5 cm厚混凝土封閉掌子面。d.施作①部導坑周邊的初期支護和臨時支護，即初噴4 cm厚混凝土，架立型鋼鋼架和Ⅰ25臨時鋼架，敷設鋼筋網并設鎖腳錨桿，安設Ⅰ25橫撐。e.復噴混凝土至設計厚度。

2)a.在滯后于①部2 m～3 m后(①部由人工開挖，平臺過長不利于出碴)，機械開挖②部，人工配合整修。b.必要時噴5 cm厚混凝土封閉掌子面。c.導坑周邊初噴4 cm厚混凝土。d.接長型鋼鋼架和Ⅰ25臨時鋼架，敷設鋼筋網并安裝鎖腳錨桿。e.復噴混凝土至設計厚度。

3)在滯后于②部1.5 m后(預留1.5 m主要是減小②部的一次開挖高度，防止②部坍塌)，對側導小仰拱進行封閉。

4)在滯后于①部2 m后開挖③部，并施作導坑周邊的初期支護，步驟及工序同①部。

5)在滯后于③部2 m～3 m距離后，機械開挖④部，人工配合整修，并施作導坑周邊的初期支護，步驟及工序同②部。

6)在滯后于④部1.5 m后，對側導小仰拱進行封閉。

7)a.在滯后于④部6 m后，機械開挖⑤部，人工配合整修。b.必要時噴5 cm厚混凝土封閉掌子面。c.導坑周邊初噴4 cm厚混凝土，架立拱部型鋼鋼架，安裝鋼筋網及連接筋后復噴混凝土至設計厚度。

8)在滯后于⑤部2 m后，開始⑥部、⑦部的施作。

9)a.在滯后于⑦部滿足一次仰拱模注長度后開始⑧部的施工，機械開挖，人工配合整修。b.隧底周邊初噴4 cm厚混凝土。c.安設型鋼鋼架仰拱單元，并接長Ⅰ25臨時鋼架，復噴混凝土至設計厚度，使之封閉成環。

閿鄉隧道雙側壁法各道工序具體作業流程與傳統施工工藝相同(見圖1，圖2)。

圖1 閿鄉隧道雙側壁法立面布置示意圖

圖2 傳統雙側壁法立面布置示意圖

3 下穿段施工監控量測變形規律

3.1 地表沉降規律

地表監控量測點位的布設情況:縱向每隔5 m布設一量測斷面，橫向間隔5 m布設一個監控點位，每個里程斷面共布設9個監控點位。

隧道地表監控量測資料表明:當隧道掌子面未開挖到該斷面時，沿隧道開挖方向的地表各點已產生了沉降，開挖掌子面對前方土體的影響范圍一般為0.5h～0.8h(其中:h為洞頂覆蓋層厚度)，從布點至洞內掌子面到達地表觀測點斷面止一般下沉量為4 mm～10 mm。地表最終沉落量一般為洞內沉落量的110% ～140%，另外地表沉降時間主要取決于圍巖情況，一般二襯施作完后75 d～100 d地表沉降趨于穩定。隨著隧道的開挖，洞頂地表距隧道中線兩側0.5h～0.9h會出現一條貫通的裂縫，裂縫兩側會出現明顯的錯臺，裂縫寬度為1 cm～2 cm。如果開挖暫停5 d以上，則對應掌子面的地表會出現一條細微的橫向裂縫，與縱向裂縫連通成為懷抱式。地表的橫向沉降曲線為一拋物線，距離隧道橫向距離越大，沉降越小，在邊緣處地表有隆起現象。

監控量測資料顯示:開挖期間隧道內拱頂下沉趨勢與地表下沉趨勢基本一致。地表與洞內沉降時間差一般不超過2 h。

3.2 洞內拱頂下沉規律

洞內縱向布設點位與地表位于同一里程斷面，橫向3個洞室拱頂各布設一個監控點位。

隧道拱頂監控量測資料表明，側導洞從掌子面開挖到側導初支仰拱封閉期間，下沉量比較顯著，平均3 mm/d～5 mm/d，之后下沉量逐漸減小，平均1 mm/d～2 mm/d。側導洞下部2號，4號洞室落底及側導初支仰拱封閉作業期間下沉量明顯，平均為4 mm/d～6 mm/d。中間導坑5號洞室從開挖到施作大仰拱前下沉較為均勻，平均1 mm/d～2 mm/d，大仰拱開挖期間，下沉量比較明顯，平均為4 mm/d～6 mm/d。仰拱施作完成后至中隔壁拆除期間，整個初支形成了封閉的受力結構，拱頂下沉趨于穩定，平均下沉量為0 mm/d～1 mm/d。中隔壁拆除后前3天下沉量比較明顯，平均為2 mm/d，之后逐漸趨于穩定。整個開挖斷面側導下沉量比中間導坑下沉量大，中間導坑拱頂下沉量一般為側導坑拱頂下沉量的64%～87%。

3.3 洞內收斂規律

洞內收斂觀測點在側導1號～4號洞室各布設一對量測點位。量測方法為全站儀無接觸式量測。隧道監控量測資料表明，側導的兩個上部洞室收斂量較小，開累為5 mm～8 mm。開挖初期3 d～4 d內較為明顯，隨后每天的變化幾乎都在1 mm以內。側導2號，4號洞室施作后，布設的量測點位收斂量變化較為明顯，2號，4號洞室從施作到側導封閉前平均為3 mm/d～5 mm/d。施作側導初支仰拱期間，收斂量最大，平均為6 mm/d～8 mm/d，其后逐漸趨于穩定。側導下部洞室布設的收斂點開累收斂量為19 mm～33 mm。中隔壁拆除后整個斷面收斂變形前3天較為明顯，平均為2 mm/d，其后逐漸趨于穩定。

4 下穿段變形控制措施

4.1 控制開挖進尺及步長間距

根據圍巖的穩定情況，下穿段1號～5號洞室開挖循環進尺均為一榀鋼架間距即0.5 m。側導初支仰拱開挖循環進尺嚴禁超過3榀鋼架間距。仰拱的循環作業長度為5.2 m。通過監控量測數據表明:仰拱及時封閉是控制沉降的最有效手段。為此施工中應嚴控下列步距關系:

1)控制側導初支仰拱的封閉，一般要求側導初支仰拱距前方掌子面的距離小于5 m。

2)控制大仰拱的封閉時間，要求中間洞室大仰拱距5號洞室掌子面的距離小于17 m。

3)控制5號洞室距側導初支仰拱的距離，一般要求封閉的側導初支仰拱距5號洞室掌子面的距離為2 m～3 m，兩者之間距離過小，勢必導致側導初支封閉期間下沉量增大，距離過大勢必延長大仰拱的封閉時間。

4)控制二襯距最前方掌子面的距離，一般要求控制在45 m以內。

4.2 控制工序施工質量

建立隧道各工序的質量卡控表，使每道工序質量都處于受控狀態，以質量保證隧道施工的安全和達到控制變形的目的。各道工序控制質量要求如下:

開挖:1號，3號，5號洞室掌子面核土面應盡可能的留大。1號，3號洞室底部臨時橫撐應采用掏槽法進行安裝。

鋼架安裝:拱墻腳下墊槽鋼縱向應連成一個整體，鋼架應盡可能的貼緊掌子面的土體，鋼架接頭墊板應密貼，連接螺栓應上緊、數量足。同一榀鋼架各單元拱架應位于同一里程斷面內。1號，3號洞室底部臨時橫撐應緊跟核心土。

鎖腳錨桿:

1)嚴控鎖腳的下插角度，一般與水平面成45°角;

2)嚴控鎖腳的施作長度和數量;

3)嚴控鎖腳錨管的注漿飽滿度;

4)鎖腳與鋼架的連接必須焊接牢固，鎖腳錨桿施作質量的好壞對變形量影響較大。

噴射混凝土:

1)嚴控噴混凝土的密實度;

2)各洞室接頭混凝土接槎部位的虛碴、浮土應清除干凈;

3)臨時鋼架與主拱架的接點部位應加噴混凝土，該接點部位是應力較為集中的部位，也是施工最薄弱的地方，故而應通過噴射混凝土來補強。

臨時支護:設計上主拱圈為雙層支護，而臨時隔墻為單層支護，通過前期的施工我們也發現，臨時隔墻是引起變形的薄弱環節。因此施工中應嚴控臨時隔墻的噴混凝土厚度。

加強對洞內施工用水的管理，嚴禁積水浸泡初期支護基礎。

4.3 洞內初支補強

洞內初支補強采取的措施主要是:增加臨時支撐的噴混凝土厚度;增加鎖腳錨桿的數量;水平臨時橫撐滿噴混凝土;加密鋼拱架的間距;加打法向錨桿。

4.4 初支背后注漿

為了使地層與支護結構密貼，減小地層沉降變形，改善結構受力情況，在初期支護拱部背后進行壓漿回填。第一層初期支護施工時拱部預埋φ42鋼管，長0.5 m，環向間距3.0 m，縱向間距1.0 m，梅花形布置。注漿材料采用1∶1水泥砂漿，注漿壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，注漿孔噴射混凝土前應以編織袋封口，以免噴混凝土時堵塞注漿孔。初支背后回填灌漿應分期進行，第1期在開挖1號，2號洞室以后;第2期在3號，4號洞室完成后;第3期在5號～7號洞室完成后，第4期仰拱封閉成環完成以后，施作二次襯砌以前。

4.5 洞頂地表處理

隧道洞內施工前應對洞頂地表的沖溝、陷穴、人工洞穴、已探明的墓穴等及時進行夯填處理，并應完善地表的排水系統。另外施工過程中對于地表出現的裂縫應及時進行灌漿處理，防止雨水順著裂縫下滲。

4.6 高速公路路面防護

路面防護主要是盡可能的減少車輛對初支結構的作用力。具體采取的措施:

1)對車輛進行限速，在隧道穿越高速公路軸線兩側500 m的位置設置減速及警示標語，現場安排高速交警24 h值班，進行強制限速;

2)對隧道穿越區段實行間斷封閉半車道的方式通行車輛。

5 經驗總結

1)小導管代替大管棚。大管棚施作時由于對圍巖的多次擾動，導致控制沉降的實際作用不大，特別是采用跟管鉆進法施工后管壁沒有溢漿孔，導管四周存在空腔，雖然最后也要注漿，但由于塌孔等多種原因導致漿液注的飽滿度較差。另外在開挖時大管棚只不過承受每榀開挖段(0.5 m～0.8 m)的荷載，兩頭都有圍巖支撐，因此采用φ159 mm的大管棚也是不經濟的。可以考慮采用小導管超前支護及其他輔助措施(如小導管背后背小木板)的綜合應用以提高施工速度，降低造價，這樣對工程來說才是最有益的。小導管開挖后可以立即施作，有效控制了沉降的應力變化，另外管棚施工周期長影響進度，增加了沉降的時間。

2)纖維錨桿的實際效果較差。纖維錨桿的作用本來是為了依靠注漿粘合開挖面土體，使錨桿和圍巖粘結形成整體受力，但是在砂質黃土地層，注漿時漿液滲透效果極不理想，與土體粘結較差。相反纖維錨桿的打設擾動了土體，更容易造成塌方，而且拉長了工序的作業時間反而不利于控制沉降。

3)中隔壁噴混凝土35 cm后，拆除時較為困難，現場作業時可提前預留“弱點”以利于后續施工。可以在臨時鋼架與永久鋼架連接處、豎撐與橫撐連接處填塞空心磚，空心磚抗壓強度大可以替代噴混凝土，拆除時用鋼釬打碎即可，大大地加快了拆除速度。

4)臨時支撐的加工弧度設計上與初支仰拱的拱架加工弧度不同，現場作業時，可將臨時支撐的加工弧度調整為仰拱的拱架加工弧度，這樣臨時鋼架拆下后可用于仰拱之中，便于臨時鋼架的回收利用。

5)合理劃分各洞室的斷面大小及鋼架節點位置是加快施工進度的有效途徑。1號，3號洞室由于作業空間的原因不能采用機械開挖，因此應盡量減小1號，3號洞室的開挖斷面，適當增大2號，4號洞室的開挖斷面，以利于加快施工進度。

6)設計上要求1號距3號的距離為10 m，3號距5號的距離為10 m，現場實際作業時，將1號與3號的距離拉近至2 m，步距調整后通過對量測數據進行分析，我們發現1號，3號步距拉近對地表的沉降影響極小，1號，3號步距拉近后，整個斷面的成環時間可以提前8 d～10 d時間，反而大大地減小了最終沉落量。

[1] 楊建民.閿鄉隧道施工圖設計[Z].