低等級圍巖隧道下穿高速公路施工工藝研究

王安宇 WANG An-yu

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

在低等級圍巖鐵路隧道施工中，礦山法是最為常見的施工工藝。該方法不但施工簡單，而且施工周期短施工速度快，施工成本也較低。但當低等級圍巖鐵路隧道下穿高速公路或其他交通設施時，會造成隧道施工與高速公路互相影響。一方面由于高速公路車流量大和載荷較重，增加隧道頂部的荷載，造成隧道拱頂下沉或周邊位移超限，從而影響隧道內施工的安全性；另一方面隧道施工由于還未完全成型，使得上部高速公路路面產生沉降或開裂，嚴重時甚至會造成路面塌陷，從而危及行車安全。在重慶鐵路樞紐東環線新白楊灣隧道下穿重慶北二環高速公路施工中，通過對新白楊隧道下穿高速公路范圍的施工工藝進行優化，從而很好的解決了低等級圍巖隧道在下穿高速公路時造成的高風險難題，不但降低了施工成本，而且保證了高速公路及隧道施工的安全性。通過現場的實際應用，該施工工藝在下穿高速公路或其他交通設施施工中取得很好的效果。

1 工程概況

新建重慶鐵路樞紐東環線起于江津區，經絡璜、南彭、茶園、東港、龍盛、統景、木耳、水土，終點接軌于襄渝鐵路磨心坡站，正線線路全長約158.691km。

重慶鐵路樞紐東環線DHZQ-1 標段為珞璜南（DK0+000）～瓦窯壩雙線大橋磨心坡端橋臺臺尾（回龍灣隧道進口）（DK19+430.25）站前土建工程；其中正線新白楊灣隧道在DK3+538～598 段下穿重慶北二環高速。隧道進出口覆蓋2～7m 粉質粘土，隧道洞身為侏羅系中統上沙溪廟泥巖夾砂巖；砂巖、強風化層界1～4m，巖質較軟。隧道位于金鱉寺向斜西翼，單斜構造；隧道地質主要為泥質砂巖，該巖質地較軟，易出現掉落或塌方等危險情況；隧道進出口右側邊坡順層，工程地質一般。

2 低等級圍巖隧道下穿高速公路范圍施工工藝及方法

2.1 施工工藝

暗挖段采用噴錨構筑法施工，光面爆破，隧底結構超前施作，拱墻襯砌一次立模灌澆。進出口均設置一環25m長φ108 大管棚。洞身DK3+500～538 段設置φ76 中管棚；洞身DK3+598～606 段設置8m 管棚工作室，洞身DK3+538～598 段設置一環φ108 大管棚。V 級圍巖地段設置鋼架及拱部超前支護；DK3+538～680 段采用機械開挖，DK3+758～778 段爆破開挖。根據暗挖隧道下穿高速的安全性要求和既有成功案例以及相關支護施工經驗，對新白楊灣隧道的暗挖支護在原設計基礎上進行優化和調整：暗挖隧道DK3+533～543 段設置臨時豎井，自DK3+543～598（55m）段施工下穿高速暗挖隧道超前支護，考慮高速公路車流量大和載荷較重的要求，暗挖隧道采用φ245*10mm 大管棚進行超前支護。

2.2 豎井施工

豎井與隧道位置見圖1。

圖1 豎井與隧道位置示意圖

2.2.1 豎井參數

①豎井沿隧道方向長度為10m，滿足現場一次性施工鋼管長度6m 需要；②豎井垂直隧道方向寬度為15m，滿足暗挖隧道拱部180°支護寬度要求；③豎井開挖至隧道底部；④后續可利用此豎井雙向同時進行隧道開挖，縮短開挖周期。

2.2.2 豎井施工方法

①豎井鄰近高速公路側需采用樁基圍護并距離高速路基邊墻大于10m；

②豎井遠離高速邊的正后方同樣采用樁基圍護，頂部施工區域外可放坡；

③豎井兩側面可采用1:1.2 放坡，無需圍護。

2.2.3 后背墻

①后背墻可利用豎井后部樁基為大管棚施工提供反力；

②后背墻圍護樁基間縫隙需噴錨回填密實。

2.3 管棚施工

2.3.1 管棚總體施工工藝

管棚施工采用潛孔錘破碎沖擊，鋼管頂進工藝方法施工，管棚材料為φ245*10mm 無縫鋼管，管內采用P.O42.5水泥漿填充灌注。大管棚在隧道拱部開挖線外側環向250mmm 位置環向180°布設，大管棚施作長度為55m，共布設61 根。詳見圖2 管棚總體施工流程圖。

圖2 管棚總體施工流程圖

2.3.2 管棚鋼管推進

管棚所用的鋼管端頭需安裝防護板，頂進入孔1m后，潛孔錘在壓縮空氣提供的動力下對巖石進行擊打破碎，所產生的碎石塵渣會通過尾管排出。由于孔內比較封閉，空氣所產生的回彈壓力會使得潛孔錘往復前進進行下一步沖擊作業，后續管棚鋼管會隨著進行跟進。上述工作會反復進行一直至該管棚孔鉆進至指定深度。詳見圖3 沖擊鉆具與管棚鋼管關系示意圖。

圖3 沖擊鉆具與管棚鋼管關系示意圖

2.3.3 管棚施工控制要點

①巖石地層因為風化原因，節理發育，具有地質堅硬和存在孤石的特點，一直時圍繞著隧道施工中的重難題，若采用傳統型的鉆頭不但鉆孔進度很慢，而且鉆進所產生的振動也會造成孔內塌陷，嚴重時會卡住鉆頭和鉆桿。

因此在巖石地層鉆孔時必須采用高風壓沖擊器破碎，通過高壓空氣將鉆渣不斷的排出，使孔內產生較高的氣壓，可以有效防止塌孔，后續管棚鋼管的及時跟進，可以在短時間內完成孔內的封閉，，快速完成管棚的施工。當遇到較大的石塊等特殊地質時，可以通過鉆桿內孔注射水泥漿液，待水泥漿液完全固化后再進行錘擊破碎作業即可完成鉆孔施工。

②在巖石地段施工時通常采用潛孔錘進行管棚鉆孔施工，管棚鋼管會緊隨潛孔錘進行跟進，但由于受地質條件、機械設備、材料材質及施工工藝的影響，常規的管棚鋼管只能卵石層或碎石層中達到15～20 米的長度，滿足不了該項目所要求的管棚超前支護深度滿足不了目前項目施工設計要求。

因此在破碎巖層地段需采用“沖擊器破碎出渣，管棚鋼管頂進”方式，即先用破碎沖擊錘將巖層打碎并通過排氣孔及時排出，壓縮空氣在破碎錘后方形成高氣壓產生前進動力使破碎錘往復前進，該鉆進方法可以進行長距離鉆孔施工，因此鉆孔深度及進度均滿足施工需求。當鉆進阻力較大時可向管棚鋼管內注入膨潤土制作的泥漿等潤滑物質，從而降低內部阻力。

③在普通地質條件下鉆進可采用導向的方法對鉆孔精度進行控制，但在巖石低層由于鉆進振動及地質的影響，無法對鉆孔進行準確控制，使得鉆孔精度會出現較大偏差。在巖石地層鉆進時鋼管傾斜度略高于設計坡度，因此在鉆進前段過程中要實時對管棚鋼管角度進行測量，根據測量后的結果與設計值進行比較，及時調成鉆桿的傾斜度及鉆進速度。并且不同地質區段所調整的參數也不相同，因此要針對性的來調整已便總體滿足設計要求。

2.4 下穿高速公路隧道正洞開挖

DK3+540～DK3+600 段下穿繞城高速公路段采用臺階法施工，各臺階開挖后及時施作初期支護：架立鋼架。下臺階左、右大拱腳開挖交錯施工，嚴禁兩側同時對稱開挖。開挖時應加強注意以下幾點：

①施工應采取機械開挖和模筑混凝土工藝。施工流程，包括架立鋼架、鋼筋網、鎖腳錨管，以及防排水工程，二次襯砌，均應符合規定。

②掘進進尺，臺階高度和長度等應根據圍巖條件，機具配置和人員安排等綜合確定，并且必須符合設計圖紙、相關規范及規定要求。

1）上臺階每循環開挖支護進尺不大于1 榀鋼架間距，邊墻每循環開挖支護進尺不得大于2 榀鋼架間距，并應左右交替開挖，初期支護必須及時模筑封閉成環。仰拱開挖前必須完成大拱腳鋼架鎖腳及模筑混凝土的施工，仰拱每循環開挖進尺不得大于3m。

2）開挖上部臺階高度不宜大于3.2m，臺階長度不大于6m。

3）開挖中部臺階高度不宜大于4.8m，臺階長度不大于6m。

4）開挖下部臺階長度不大于8m。

5）開挖中、下部左、右側臺階時，前后錯開宜為4m。

6）下部開挖工序之前必須完成上臺階鋼架鎖腳錨桿，鋼架之間應及時施作縱向連接鋼筋并連接牢固。開挖后初期支護應及時封閉成環，仰拱位置距離掌子面，不得大于30m。

7）二次襯砌距掌子面的距離不得大于42m。

③當開挖正面為土質或破碎圍巖時，應采用支護等措施封閉。

④當圍巖變形異常，或鋼架下沉或內移明顯時，應立即采取應急加強支護或支撐，以及相應補強支護等措施保證安全，同時分析原因并相應調整工法和加強襯砌結構，確保隧道工程及施工安全。

2.5 初期支護

2.5.1 格柵拱架安裝

拱架施工：格柵鋼架主筋采用HRB400φ25@125/250，鋼架厚度50cm，每榀鋼架寬度25cm 加工成型，連接墊板采用數控機床自動切割，采用打孔機打孔，人工焊接于拱架端頭。人工安裝鋼支撐、縱向連接鋼筋，拱腳置于牢固的基礎上，拱架間距0.5m。鋼架背后間隙用砼墊塊楔緊。

鋼拱架安裝前，需在開挖面噴射一層混凝土，厚度為40mm，初凝后再安裝鋼拱架，每榀鋼拱架之間需用工字鋼進行焊接連接成一個整體以增加穩定性。

2.5.2 鋼筋網的掛設

鋼筋網片可在鋼筋場預制加工成型，鋼筋型號及網片規格必須符合設計要求。盤圓鋼筋調直后需去除鋼筋表面的油污等污漬。Φ8 鋼筋網格間距20×20cm，網片安裝時搭接長度為20～40cm，采用焊接。鋼筋網的鋪設要與初噴后的混凝土表面進行鋪設，鋼筋網片與混凝土面間距小于30mm，并符合設計要求的保護層。與鋼架連接牢固，模筑砼時不產生晃動。

2.5.3 仰拱及填充

仰拱成型采用仰拱棧橋浮放模板，仰拱超前拱墻二次襯砌。隧道基底清理完畢，經檢查符合設計要求后，施作初期支護，綁扎鋼筋或安設鋼架，立模、安裝中埋式止水帶，最后整體灌注仰拱混凝土。

施工前將隧道底部開挖面的渣塊、雜物、垃圾等清理干凈，用清水洗凈后采用空壓機吹干吹凈。對于超挖區域需采用與巖層等強度的混凝土進行回填。仰拱混凝土澆筑后必須及時養護，在強度未達到5MPa 之前禁止人員踩踏，混凝土強度達到100%后方可允許車輛通行。仰拱開挖后及時施作仰拱，必要時安裝水泵抽排仰拱基坑內的水，以防止被水浸泡軟化及早形成閉合環。

2.5.4 二次襯砌

作業面配備1 臺全斷面液壓襯砌臺車，混凝土運輸車運送至灌注地點，由地泵泵送至澆筑區域，然后采用振搗器人工搗鼓密實。混凝土澆筑時需從新舊接茬處進行澆筑，最后在拱頂中央位置采用地泵泵送壓注密室，待臺車端頭擋板處的混凝土注滿時需持壓幾分鐘已保證充盈。

二襯砼施工質量保證措施：①為使得二襯混凝土的密實性、和易性、耐久性等個性指標符合有關要求，必須對混凝土的配合比進行試驗。對原材料的強度、含水量、磨度系數等仔細檢測，施工配合比要每天更新保證滿足施工需求。②混凝土的澆筑應分區、分層進行，現場塌落度應滿足要求，不得加水或是指私自添加外加劑。兩側對稱澆筑時混凝土高差不得超過0.5m 已免造成臺車受力不均衡。使用插入式振搗棒時應“快插慢拔”，振搗時應已混凝土無下沉無氣泡冒出時為準，不得使用振搗棒攤鋪混凝土。冬季施工時最好保溫措施，澆筑后的混凝土應及時采用保溫材料進行養護。

3 質量保證措施

①管棚鋼管焊接采用變頻直流焊接技術，焊接前需將鋼管管口打坡口，焊接后的焊縫必須均勻飽滿，無燒傷及焊瘤等問題，試驗人員需定時取樣對焊接質量進行檢測。

②管棚鉆孔時要嚴格按設計位置進行鉆孔，孔位誤差不得超過2cm；入孔左右水平偏差小于20mm。

③施工時需采用探棒對鉆孔深度及角度實時檢測，開始鉆進時每隔3m 檢測一次，后續檢測長度可適當延長。對于地質變化較多地段需增加檢測頻率和次數，根據檢測的結果及時調整鉆進的參數以便滿足施工要求。

④初噴混凝土時需提前做好配合比試驗，調配合格后方可進行作業，不得邊加水邊加灰。

4 安全保證措施

①進入施工現場必須佩帶安全帽并系好帽帶，必須穿戴反光標識服；②嚴禁打赤膊、穿拖鞋進入施工現場，特種作業必須穿戴有效防護勞保用品；③高空作業必須有安全保護，2m 以上高空作業必須系安全帶，安全帶高掛低用；④鉆機高處施工平臺必須安裝防護欄桿，張拉安全網，登高采用專用扶梯；⑤特種作業人員必須持證上崗，普通操作人員必須經過培訓合格后方可上崗；⑥遵守現場施工紀律，嚴禁現場嬉戲打鬧；⑦嚴格遵守吊裝作業規程，專人指揮，禁止野蠻作業；⑧嚴禁上下拋擲工具、材料，現場環境整潔，應急通道暢通；⑨保證夜間施工照明，夜間施工配備值班管理人員；⑩做好冬季防寒保溫工作和應急藥品，施工人員經體檢合格后方可上崗。

5 結束語

通過對下穿高速公路段隧道的施工工藝進行優化，從而很好的解決了低等級圍巖隧道在下穿高速公路等交通設施時所產生的造成的高風險難題。通過現場實踐證明，改進后的隧道工藝不但降低了施工措施費用，而且也提高了隧道施工安全性以及高速公路通車的安全性，此方法為后續類似施工提供了借鑒和參考。