鄂北地區水資源配置工程穿公路段淺埋隧洞開挖與支護施工技術要點

熊萍 包喆 黃震宇

摘要：為研究水利工程中淺埋段隧洞結構的穩定性，以鄂北地區水資源配置工程為例，探討了大管棚支護方式在淺埋段隧洞施工中的應用，并對其施工技術要點和施工工藝進行了介紹。該技術在淺埋隧洞開挖支護、二襯施工等方面均起到較好的保護作用，保證了運行過程中洞室穩定性，也避免了塌方、冒頂等不良地質現象的發生。相關技術成果可為今后類似工程提供施工經驗參考。

關鍵詞：穿公路段淺埋隧洞;大管棚支護;隧洞開挖;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.006

Abstract： In order to study the stability of shallow buried tunnel structure in water conservancy project， taking the North Hubei Water Transfer Project as an example， the application of large pipe shed in the shallow buried tunnel is discussed，and the technological points and construction technology are also introduced. The application results showed that the construction technology played better role in protecting the stability of the tunnel in the processes of excavation support， secondary lining construction and operation， and avoided the occurrence of adverse geological phenomena such as collapse and roof fall. The corresponding research results can provide valuable construction experience for similar projects in the future.

Key words： shallow tunnel passing through highway section;big pipe shed support ;tunnel excavation; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）從湖北省丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，向沿線城鄉生活、工業和唐東地區農業供水，以解決鄂北地區干旱缺水問題。工程主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽、節制閘、分水閘、檢修閘、退水閘、放空閘閥、排洪建筑物及王家沖水庫等組成，工程規模為Ⅱ等大（2）型，主要建筑物級別為2級或3級，次要建筑物為3級或4級。

鄂北工程線路總長269.67 km，沿線建筑物類型較多，且有多處建筑物與其他建筑物（諸如公路、水塘等）交叉。以2016年8標歪寨隧洞為例，隧洞全長6 140 m，其中樁號184+640～184+790段長150 m，屬于V類圍巖，該段隧洞下穿S49省級公路和稻田沖溝，穿省道處洞頂埋深15 m，省道邊還有一口深14 m的水井在隧洞施工范圍內;穿稻田沖溝處洞頂埋深僅8 m，且距隧洞軸線150 m范圍內還有6戶民房。在多項限制條件下，如何既保證洞內施工安全，又保證洞外交通和民房安全，成為此隧洞在開挖與支護過程中需要著重考慮的問題。歪寨隧洞184+640～184+790穿公路淺埋段示意見圖1。

2 地質條件

歪寨隧洞184+640～184+790段屬于V類圍巖，極不穩定。圍巖為絹云鈉長片巖，呈強風化～弱風化狀，上覆蓋巖體厚2～10 m。巖體微透水，洞身有斷層通過，巖石強度為軟巖，巖體完整性差，結構面狀態平直粗糙，裂隙寬度1～5 mm，有滲水或滴水現象。

3 加固措施

184+640～184+790段拱頂120°范圍內做150 m超前大管棚，分成6×30 m節施工。每節套拱采用C25混凝土澆筑，套拱長2 m，寬6.59 m，預埋Φ133導向管，導向管參數為：δ=6 mm，L=2.0 m，環向間距0.4 m;每節管棚采用Φ108鋼花管，δ=6 mm，環向間距0.4 m，仰角1°，L=30 m，搭接長度5 m。每節套拱澆筑完成后，在套拱前2 m范圍內拱頂適當擴挖50 cm作為鉆機架設和工作空間。

184+640～184+790段系統錨桿采用Φ22，L=3.0 m的錨桿，間排距1.0 m，呈梅花形布置，噴射20 cm厚C25混凝土，掛Φ6.5鋼筋網片，鋼筋網間距15 cm，洞身采用I18鋼拱架，拱架間距0.5 m，每榀拱架左右底腳各布置1根Φ22，L=4.5 m鎖腳錨桿，與鋼拱架焊接牢固;底部仰拱布置I18鋼拱架，間距0.5 m，噴20 cm厚C25仰拱混凝土。套拱前2 m范圍內拱頂擴挖部分采用C25噴射混凝土補平。 支護橫剖面及縱剖面見圖2～3。

4 施工過程控制

歪寨隧洞184+640～184+790段按照“套拱擴挖→鋼拱架→導向管→套拱結構鋼筋→套拱混凝土澆筑→鉆孔→安裝鋼管→管棚注漿→管口封堵→超前支護→鉆爆開挖→鋼拱架→錨噴支護→下一循環管棚施工”的順序組織施工。

4.1 管棚施工

管棚施工是目前下穿地面建筑物隧道施工中常用的一種方法。在管棚施工前將洞內開挖面擴挖、排險，除去揭露的破碎巖石，在開挖面套拱下環向預留核心土做鉆機平臺，并穩固前方開挖體。

4.1.1 管棚參數

（1）導向管。導向管參數為Φ133 mm×6 mm，長度2 m，環向間距0.4 m，傾角1°，每環17個。

（2）管棚鋼管。熱軋無縫鋼管Φ108 mm×6 mm，環向間距0.4 m，仰角1°，總長150 m（每環有效長度6×25 m，搭接長度為5 m）。

（3）隧洞縱向每一橫斷面的鋼管接頭數不大于50%，相鄰鋼管接頭錯開。

4.1.2 管棚加工制作

管棚采用3 m和6 m兩種長度，用15 cm長絲扣直接對口連接。鋼管管壁加工注漿花孔，孔徑Φ8 mm，排距按10 cm設置，每排2孔，呈梅花形排列。前段做成15 cm的尖錐形，尾端3 m不做鉆孔。第一節鋼管交替采用3 m和6 m兩種長度鋼花管，其余節數均采用6 m鋼花管。

4.1.3 套拱施工

混凝土套拱作為長管棚的導向墻，在開挖廓線以外拱部120°范圍內施作，套拱內埋設5榀I18鋼拱架（間距0.5 m）進行支撐，鋼拱架與每環的17個導向管焊接成一個整體，套拱長度為2 m，以保證其基礎穩定牢固。

套拱內預埋Φ133鋼管作為管棚的導向管，安設的平面位置、傾角、外插角的準確度直接影響管棚質量。用經緯儀以坐標法在工字鋼架上定出其平面位置;用水準尺配合坡度板設定孔口管的傾角;用前后差距法設定孔口管的外插角。孔口管應牢固焊接在工字鋼上，以防澆筑混凝土時產生位移。

套拱采用C25混凝土進行澆筑，模板安裝和澆筑過程嚴格按照規范執行，做好導向管防護工作，避免混凝土侵入堵塞管道，混凝土澆筑并養護一定時間后再進行下道工序。

4.1.4 鉆孔施工

鉆機平臺充分使用未挖出巖石為基礎，增加適量腳手架來搭設鉆機平臺，鉆孔由1～2臺鉆機以高孔位向低孔位進行。平臺要支撐于穩固的地基上，腳手架連接要牢固、穩定，防止鉆機在施鉆時產生不均勻下沉、擺動、位移而影響鉆孔質量。要求鉆機與已設定好的孔口管方向平行，必須精確核定鉆機位置。用經緯儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

鉆機開鉆時，應低速低壓，待成孔3 m后可根據地質情況逐漸調整鉆速及水壓。鉆進過程中，經常用測斜儀測定其位置，并根據鉆機鉆進的狀態判斷成孔質量，及時處理鉆進過程中出現的偏差。鉆進過程中，須確保扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進;認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質判斷、描述，作為洞身開挖時的地質預測預報參考資料，用于指導洞身后續開挖。用地質巖芯鉆桿配合鉆頭進行反復掃孔，清除浮渣，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。用高壓風從孔底向孔口清理鉆渣。

4.1.5 管棚鋼管安裝施工

棚管頂鉆進采用裝載機和管棚機鉆進相結合的工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導孔（Φ127 mm），然后用千斤頂配合人工操作頂進鋼管。接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開。同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1 m。

4.1.6 管棚注漿施工

根據實際施工地質條件，管棚施工時采用一次全鉆孔注漿，當巖石破碎裂隙發育時采用前進式注漿，即鉆孔一段注漿一段，一直循環至注漿中孔。巖石裂隙不夠發育，巖層稍好可采用后退式注漿，即一次鉆孔到注漿孔深，再從孔底利用止漿塞分段壓漿后退至孔口。注漿材料為純水泥漿液，水灰比為1∶1 。

注漿前先進行注漿現場試驗，通過試驗確定具體注漿參數。采用注漿機將漿液注入管棚鋼管內，初壓0.5～1.0 MPa，終壓2 MPa，漿液擴散半徑不小于0.5 m，持壓3～5 min后停止注漿，注漿結束后立即清除管內漿液，并用水泥砂漿緊密充填，以增強管棚的剛度和強度。管棚注漿要分I、II序孔間隔注漿，保證注漿質量，以更好地固結巖石。注漿量應滿足設計要求，一般為鉆孔圓柱體體積的1.5倍;若注漿量超限，未達到壓力要求，應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。

4.2 洞挖施工

歪寨隧洞184+640～184+790段洞挖遵循“短進尺、弱爆破、強支護”的原則，采取上、下半洞臺階式開挖，循環進尺控制在1 m以內，在開挖過程中嚴格按照“一掘一支護”的原則組織施工，開挖后及時進行初期支護。

根據實際地質條件，開挖斷面、開挖循環進尺等要求，采用光面爆破和預留光爆層爆破技術相結合的開挖方式，達到減少爆破振動、降低噪音、使圍巖成形圓順的目的[1]。

4.3 錨桿施工

鉆工在支護工作臺架上，用氣腿鉆造孔，鉆孔方向應垂直結構面或與設計要求的角度一致，鉆頭直徑大于錨桿直徑15 mm以上。成孔后采用高壓風清孔，對于部分孔內粉泥，宜用高壓水沖洗，再用高壓風沖洗孔內的水。

用鋼筋切割機將錨桿加工成需要的長度。錨桿桿體必須調直無缺損、無銹、無雜物，所有錨桿均應設鋼墊板。

錨桿安裝允許偏差應符合以下規定：？①錨桿孔的孔徑應符合設計要求;②錨桿孔的深度應比錨桿長度大10 cm;③錨桿孔距允許偏差為±15 cm;④錨桿插入長度不得小于設計長度的95%。

4.4 鋼拱架施工

鋼拱架的施工程序為：巖面清理→鎖腳錨桿施工→鋼拱架安裝→鋼楔緊固→鋼筋網片安裝[2]。

鋼拱架安裝應在洞挖施工前，按照施工方案預定的規格、數量加工制作備用，其聯結鋼板、螺栓螺帽、鋼楔等亦準備到位。在巖石破碎地帶使用鋼拱架時，先要對圍巖進行隨機錨桿和初噴射混凝土支護，以保證鋼拱架安裝作業人員的安全。

（1）鋼拱架安裝前，應處理巖面欠挖，清理巖面浮石及墻腳堆積物。

（2）采用氣腿鉆打鎖腳錨桿孔，錨桿孔位置按鋼拱架的間距及分段長度確定。鎖腳錨桿由人工安裝，藥卷錨固。

（3） 鋼拱架安裝在裝載機的配合下由人工進行，鋼拱架分段間采用聯結鋼板螺栓連接牢固。鋼拱架與圍巖間空隙采用鋼楔楔緊，應使其基本與圍巖密貼。鋼拱架與鎖腳錨桿和鋼楔等焊接，要求焊接牢固，鋼拱架不移位，焊接完成后，每榀鋼拱架間用連接鋼筋焊接成整體。

（4）鋼拱架安裝完成后，立即在頂拱鋼支撐上焊接細鋼筋網片，防止頂拱掉塊，同時進行超前錨桿施工。

（5）鋼拱架安裝后，盡快進行噴混凝土作業，并全部覆蓋。噴射混凝土時，先從拱腳或墻處向上噴射，以防上部噴射料虛掩拱腳（墻腳）不密實，造成強度不夠，拱腳（墻腳）失穩。

4.5 噴射混凝土施工

洞內噴射混凝土施工均采用濕噴法作業。噴射施工前應清理受噴面，清除開挖面浮石、石渣或堆積物，挖除欠挖部分，用高壓風水槍沖洗受噴面，對于潮濕的泥化巖石，采用高壓風清掃巖面。對土質邊坡，則將邊坡整平、壓實。 受噴面驗收合格后，在錨桿上設立噴厚標志，對受噴面滲水部位，可采用埋設導管、盲管或截水圈作排水處理[3]。

噴射混凝土采取分段分片從下至上進行，噴射時，噴頭要與受噴面垂直，距離不大于1.0 m，呈“S”形運動。混凝土噴射厚10 cm以上的部位，噴射施工分層進行，每層噴射厚3～5 cm。混凝土終凝到下一循環放炮時間控制不小于3 h。噴射混凝土終凝2 h后開始灑水養護，7 d內使噴射混凝土表面處于濕潤狀態。通過預埋鋼筋作噴混凝土厚度標志或鉆孔檢查，由肉眼檢查評價外觀質量。

4.6 小導管施工

小導管沿開挖輪廓線單排布置。孔距為50 cm，外插角10°，每排17根，搭接長度不小于100 cm，每2榀鋼拱架施作一循環。小導管由管外徑Φ 42 mm、壁厚4 mm的熱扎無縫鋼管加工制成，前部鉆注漿孔，孔徑Φ 6 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置4排。前端加工成錐形，尾部長度50 cm。將加工好的小導管插入已鉆好的眼孔，為充分發揮小導管的支護作用，將小導管尾部焊接在已架好的型鋼支撐上。

注漿采用水泥-水玻璃雙液注漿，水灰比為1∶1（重量比），注漿壓力初始為0.5 MPa，在注漿壓力達到1 MPa時結束注漿。注漿采取從低孔向高孔位，根據設計的注漿參數，從注漿壓力、注漿量和注漿時間上來判斷是否結束注漿。具體可分以下幾種情況：①當注漿壓力接近或達到終壓（0.5～1.0 MPa）時，結束注漿;②當注漿壓力超過或達到終壓的80%時，出現較大跑漿，經間歇注漿后也可結束注漿;③當注漿量達到或超過設計注漿量，孔口管出現冒漿現象時可以結束。水泥凈漿注漿完成且注漿壓力穩定后，以1∶1的水泥砂漿將小管棚灌注并搗實，其尾端必須與鋼架焊接，以保證超前支護能夠更好地發揮作用。

5 結 語

通過在歪寨隧洞穿公路淺埋段施工中采取上述加強措施，整個開挖支護過程順利，無塌方、冒頂等現象發生，安全高效地完成了該段的開挖支護施工。隧洞開挖過程中，洞內安排收斂變形、沉降變形觀測，洞外安排公路、沖溝沉降觀測，監測數據顯示洞內洞外基本無異常，狀況良好。目前，該段已全面完成混凝土二期襯砌。

歪寨隧洞淺埋段采用大管棚支護方式，對隧洞結構穩定起到一定積極作用，保證了該段隧洞開挖支護及二襯過程的順利進行，也可為類似淺埋段或穿越建筑物隧洞施工提供參考。

參考文獻：

[1] 呂廣進. 淺析高速公路隧道開挖中爆破技術的應用[J]. 城市建設理論研究（電子版），2014（29）：1169-1170.

[2] 儲成洲，徐冉. 淺議水利工程水壩混凝土施工技術[J]. 建筑工程技術與設計，2016（11）：399.

[3] 郭太雷. 錨噴砼加固水庫邊坡的施工[J]. 農業科技與信息，2013（15）：59-60，61.

（編輯：唐湘茜）