三车道大跨隧道浅埋土质地层段综合项目施工关键技术.doc

三车道大跨隧道浅埋土质地层段施工技术摘要：结合重庆外环高速公路北段施家梁隧道工程实际情况浅述大跨隧道洞口浅埋土质段施工。隧道最大开挖宽度17.82m，施工采取超前大管棚、地表注浆、台阶法、短进尺、弱爆破等具体方法，确保施工安全、质量同时，快速掘进。关键词：施家梁隧道 大跨度 浅埋土质段 管棚施工 台阶法施工 0 引言 施家梁隧道在北碚区施家梁镇境内，是重庆外环高速公路北段项目标关键控制性工程之一，也是中国在建最长三车道大跨隧道。本文结合施家梁隧道进口端施工过程中采取部分施工方法和技术参数来浅谈大跨度隧道在洞口浅埋土质地层段施工技术方法。 1 工程概况及特点 施家梁隧道属专长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线（LK43+107LK47+410）全长4303m，右线（LK43+103LK47+370.5）全长4267.5m。隧道地质结构复杂，围岩破碎，、级围岩占67.5%；进口浅埋段地层表面覆盖第四系全新统崩坡积层、残坡积层粘土，下伏岩层关键为泥岩、粉砂质泥岩。隧址区因为地下水接收补给起源单一，关键为大气降水，故地下水动态改变同大气降水亲密相关，随降雨量改变而改变。左右线之间有一冲沟，每当暴雨发生，地表排水通畅，山洪暴发时消涨亦快。隧道最大开挖宽度17.82m，最大开挖高度12.47m（含仰拱），最大开挖断面177.1m2。 设计荷载为公路级， 计算 行车速度100km/h；建筑限界宽14.5m，高5.0m。隧道衬砌内轮廓为三心圆曲墙结构，内净空面积100.69m2。隧道衬砌支护采取复合式衬砌，早期支护以锚、网、喷为主，并辅以超前小导管/超前锚杆及钢支撑支护，二次衬砌为模筑混凝土（钢筋混凝土）。左线设计路堑式明洞70m，右线18m。暗洞施工时首先采取50m127mm超前大管棚预支护作为施工辅助方法。 2 浅埋土质地层段施工方案 2.1 基础标准 2.1.1 短进尺掘进：在隧道进口浅埋软弱地段，人工配合挖掘机严格按短进尺开挖，局部坚石采取弱爆破掘进。 2.1.2 早期支护紧跟：尤其在软弱围岩段，地压增加快，自稳时间短。锚、网、喷及钢支撑架设工作在爆破、排险后立即施作，基础和出碴同时或交错进行，尤其在地层破碎或结构带地段更要紧跟，以确保围岩稳定。 2.1.3 为维护开挖周围稳定，开挖必需形成平顺开挖轮廓，不仅对维护围岩稳定有利，也为后续工序发明良好条件，同时有效地控制超欠挖，也是提升 企业 经济 效益有效路径。 2.1.4 仰拱紧跟：依据本隧道地质情况，拱、墙部早期支护形成以后要尽早施设仰拱，以使早期支护立即形成封闭受力结构，并为二衬施工模板台车轨道铺设提供条件，同时仰拱及早铺设也为洞内运输提供便利。通常仰拱和正面下部开挖面保持距离为4050m左右，以确保开挖、装碴机具活动场地。 2.1.5 立即施作二次衬砌：二衬不能紧跟早期支护。早期支护设置后，仍需对围岩及早期支护变形进行不间断量测。如围岩及早期支护变形仍在急剧增加，则需补强早期支护，不能用加厚二衬措施作为结构加强手段；直到围岩及早期支护变形基础稳定时（收敛小于0.10.2mm/d及拱顶下沉小于0.070.15mm/d时）则可施作二衬。但在级围岩段，当变形得不到有效控制情况下，应快速施做二次衬砌，然后再进行长久检测、观察。 2.2 施工方案简述 施家梁隧道明洞段在拉槽开挖同时对边仰坡进行支护，暗洞段在超前大管棚支护下短进尺掘进。隧道进洞采取上下台阶法，上台阶预留关键土施工，开挖后立即进行早期支护封闭岩面。开挖支护过程中关键进行隧道周围位移、拱顶下沉等量侧项目标工作，依据量测数据，立即调整施工方案，必需时上半断面设临时仰拱。上半断面开挖约1015m后，开挖下部。在施工过程中隧道防坍塌问题是本工程在洞口段最大施工控制关键。 3 关键施工技术 3.1 洞口土石方施工 首先施工洞口边仰坡顶截水沟，开挖过程避开雨天进行。采取挖掘机开挖，孤石和挖掘机挖不动岩石，采取小型控制爆破，装载机或挖掘机装碴，自卸汽车运输。洞口段边仰坡开挖严格按设计控制坡度，松软地层开挖时从上至下，随挖随防护，随时监测、检验山坡稳定情况。边仰坡上浮石、危石要清除，坡面凹凸不平处给予修整平顺。 明洞段依据洞口地形地质条件分为明挖段和暗挖段。明挖段采取拉槽开挖，临时边坡随挖随支护，支护参数为：一般砂浆锚杆长3.5m，按1.5×;1.5m间距梅花型部署，6.5钢筋网网孔间距0.25m，C20喷射混凝土厚8cm。开挖到暗挖段时要求预留关键土体，待洞口超前支护、暗挖段附加套拱施工完成后再开挖进洞。 3.2 超前大管棚施工 超前大管棚作为洞口浅埋加强段辅助施工方法，它经过管棚和注浆来稳固地层，预防隧道开挖爆破时造成拱部坍塌。 施家梁隧道超前大管棚支护一环长50m，采取外径127 mm，壁厚4.5mm热轧无缝钢管，钢管前段呈锥形，尾部焊接10mm加劲箍，管壁四面钻2排20mm压浆孔。管棚环向部署间距为35cm，共部署55根，外插角12度，在拱部120度范围内部署。 3.2.1 混凝土套拱施工 套拱即导拱，关键是起到管棚支撑及导向作用。套拱由五榀钢拱架、55根2m长150×4mm导向钢管及厚80cm、长2m C25混凝土护拱组成。管棚导向管安装时，考虑到隧道圆曲线半径及50m长度，外插角控制在1.5°。每根导向管安装时均采取水平尺及仪器测量检测，以确保钻机钻孔时不侵入隧道开挖净空，并能很好地起到超前支护作用。架立钢拱架，在钢拱架背部焊接2m长150×4mm导向钢管后，安装模板，浇注C25混凝土护拱。 3.2.2 管棚钻孔及钢管施工 钻孔：在套拱完成并养护3天后开始钻孔，采取两台MGJ-50水平地质钻机从套拱两侧底部开始施钻，并把每孔标号，方便施工时统计每孔成孔时间、顶管时间及注浆量，以确保超前管棚施工质量。在钻孔施工时为了确保钻杆接头有足够强度、刚度和韧性，钻杆联接套应和钻杆同材质，两端加工成内螺扣（钻杆首尾端外螺扣），联接套最小壁厚10mm。预防钻杆在推力和振动力双重作用下，上下颤动，造成钻孔不直，钻孔时，把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移；钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。第一节钻杆钻入岩层尾部剩下20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。换钻杆时，要注意检验钻杆是否弯曲，有没有损伤，中心水孔是否通畅等，不符合要求应更换以确保正常作业。钻孔达成要求深度后，按一样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。同时具体统计前方地质岩层情况。 顶管：利用改装后钻机冲击和推力，将安有工作管头棚管沿引导孔钻进，接长棚管，直至孔底。管棚采取127mm无缝钢管，管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好孔内，再逐根联接。事先加工好管节联接套，要预先焊接在每节钢管两端，便于联接。第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂。相邻管接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。将钢管安放在大臂上后，凿岩机要对已钻好导向孔，低速推进钢管，其冲击压力控制在1822Mpa，推进压力控制在4.06.0Mpa。当第一根钢管推进孔内，孔外剩下30-40cm时，开动凿岩机反转，使顶进联接套和钢管脱离，凿岩机退回原位，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，凿岩机缓慢低速前进对准第一节钢管端部（严格控制角度），人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。 顶进钢管后即可安设加工好钢筋笼，起到管棚补强作用。 3.2.3 管棚注浆 钢管及钢筋笼安装后即封堵管口，留注浆孔、止回阀及止浆塞，即可进行注浆。依据地质条件、围岩特征及注浆目标不一样，注浆材料通常分为两类：第一类为注水泥砂浆，其关键作用为增强钢管强度；第二类为注水泥浆或水泥-水玻璃双液浆等化学浆液，其关键作用为：浆液通常超前压注到岩体裂隙中经过物力化学作用，即能将破碎围岩或松散颗粒在短时间内胶结成整体，起到超前预支护作用，为隧道开挖施工安全提供保障，又能增强围岩整体稳定性；浆液填充岩体空隙，凝结固化后，阻隔了地下水或雨水向隧道内渗透，起到了堵水防水作用。 注浆前对管棚套拱周围地表进行810cm厚喷射混凝土封闭，预防浆液从岩面裂隙中反渗。浆液经过过滤网用HVF-50注浆机进行注浆，首先从无渗水孔进行，然后再注有渗水孔。严格控制注浆压力，既要有足够注浆压力来克服岩（土）内天然水压力和地层裂隙阻力才能使浆液充足扩散填充，达成加固堵水作用；也不能压力太大而压裂开挖面。配制浆液要在要求时间内用完，同时严格统计注浆机吸管头容器内原有浆液体积、中间加入浆液体积、剩下浆液体积，把握总体注浆量。 3.3 地表注浆 注浆法是利用压力将能固化浆液经过钻孔注入岩土孔隙或建筑物裂隙中，使其物理力学性能得到改善一个方法。注浆法出现于19世纪初法国，中国注浆技术研究起步较晚，20世纪50年代以前所做工作极少，50年代开始初步掌握注浆技术。在隧道工程中，地表注浆关键应用于围岩地质条件差、偏压、洞口及浅埋层土体固结、加固洞周围岩，来维护土体在施工过程稳定，改善隧道成洞条件。 施家梁隧道右线进口处于土层中，且右侧边坡处于一崩坡积层滑坡体上，开挖跨度大，成洞困难，为预防隧道拱部上方出现拉应力而坍塌，多方研究决定采取地表预注浆技术对隧道周围地层进行加固，以确保施工安全。 隧道开挖轮廓线以外注浆管采取外径108mm，壁厚4.5mm热轧无缝钢管加工制成，开挖轮廓线以内注浆管采取外径42mm壁厚4.5mm热轧无缝钢管制成，前端加工成锥形，垂直打入地层。水泥浆液采取P.O32.5水泥制作，水灰比采取W/C=1.0，注浆压力控制在0.71.0MPa之间；经过钢管周围20mm注浆孔扩散至围岩层；注浆工艺同大管棚注浆施工。 3.4 暗洞开挖及支护 在超前大管棚及地表注浆达成设计强度后进行暗洞段开挖、支护。在无较大结构影响通常地段，依据超前地质预报确定前方围岩软弱破碎程度，施工中立即调整开挖断面及支护方法。在进口浅埋段均为级围岩土质地段，为适应钻孔台车掘进需要并缩短作业循环时间，采取大半断面短台阶并预留关键土法施工掘进方法，取得良好效果。 3.4.1 开挖方法 在软弱围岩条件下，采取台阶法开挖。洞身拱部超前1015m，以满足施工工作平台需要，以后进行洞身下半部爆破开挖，洞身开挖后，立即进行喷锚支护。围岩很破碎情况下采取侧壁导坑法施工，先开挖中夹岩侧导坑上台阶，支护完成后开挖中夹岩侧导坑下台阶及仰拱，并立即做好支护。导坑侧壁安装临时钢拱架支撑，确保隧道施工安全。其次开挖另侧导坑上、下台阶及仰拱，立即支护，形成全断面封闭支护环。仰拱开挖后立即进行仰拱、填充和边墙基础砼施工，和拱墙早期支护封闭成环。 施家梁隧道进口段地层极为软弱，地层松散。因为开挖跨度大，开挖后洞体轻易变形，周围稳定性较差，拱部极易坍塌。所以采取人工开挖，工人手持风镐、铁锹配合挖掘机进行开挖，同时控制开挖进尺，开挖后立即进行早期支护。在人工无法开挖，确须爆破施工时，关键控制装药量，采取松动爆破，降低对周围围岩扰动。隧道开挖时，要求施工浅孔爆破分部开挖，400m范围内安全震动速度控制在1.2cm/s，相当于级以下地震烈度。 3.4.2 喷射混凝土施工 喷射机安装调试后先注水后通风，清通机筒及管路投料。连续喂料，常常保持料斗内料满，料斗上设12mm孔径筛网一道，避免超径骨料进入机内，造成堵管。喷射时，先注水（注意喷嘴要朝下，避免水流入输料管），后送风，然后上料，依据受喷面和喷出拌和物情况调整注水量，以喷后易粘着，回弹小和表面呈湿润光泽为度。 喷射次序：采取分段、分块，先墙后拱，自下布上次序，进行喷射作业。喷射时，喷嘴做缓慢螺旋形运动，使喷射料束运动轨迹呈环形螺旋式移动，旋转直径约2030cm，自喷射面下部开始，水平旋转喷射，喷料要一圈压半圈，喷至段尾时上移返回，同时要求一排压排，如此往复喷射。 为确保喷射砼密实度，降低回弹量，对于风压、水压及喷头喷射距离、喷射角度全部应合理调整。喷嘴至受喷面距离以0.61.0m为宜，料束以垂直于喷射面为佳。 喷射料束放置速度及一次喷射厚度，以每2秒左右转动一圈为宜，一次喷厚以不回落时临界厚度或达成设计要求厚度时向前移动，每次喷射厚度通常大于5cm。若喷射要求厚度较大，一次不能达成时，第二次喷射应在第一层砼终凝1小时后进行。两次喷射注意找平岩面，方便于铺设防水层。 3.4.3 锚杆施工 开挖后优异行第一层喷射砼施工，待该层砼终凝并形成一定强度后，按设计要求部署锚杆，用红油漆标示清楚位置后利用开挖台架进行锚杆钻孔。钻孔完成后将制作好锚杆插入孔内至设计深度，安好垫板及螺帽，并安装止浆塞。注浆采取水泥砂浆，注浆压力控制在0.51.0MPa，并随时排除孔中空气，确保锚杆砂浆饱满。 3.4.4 钢筋网施工 按设计要求加工钢筋网，随受喷面起伏铺设，并将钢筋网同定位锚杆固定牢靠，钢筋网和受喷面间隙以3cm左右为宜，砼保护层厚度应大于2cm。 3.4.5 钢支撑施工 按测量给定中线，水平标高，标准间距垂直架立，支撑钢架应和围岩尽可能靠近，留23cm间隙做保护层，当钢架和围岩间隙较大时，安设鞍形砼垫块，确保岩面和拱架密贴。控制钢拱架受力情况微弱步骤在于节点联结螺栓，定位锚杆及纵向连结筋，所以，全部螺栓要上齐，旋紧、拧好，按设计焊连定位锚杆和纵向连接筋，确保安装质量。 钢架架设应由专员按要求信号进行指挥，随时观察围岩动态或喷射砼情况，预防落石，坍塌引发伤人事故。 当紧固顶部连接螺栓，楔紧钢架时，作业人员应以正确姿势站在平稳，牢靠脚手架上，并配带安全防护用具预防发生坠落事故。 3.4.6 隧道监控量测 监控量测项目关键依据隧道工程地质条件、围岩类别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合确定。而且，在隧道工程中进行量测，绝不是单纯地为了获取信息，而是把它作为施工管理一个主动有效手段，所以量测信息应能确切地预报破坏和变形等未来动态，对设计参数和施工步骤加以监控，方便立即掌握围岩动态而采取合适方法。结合施家梁隧道实际情况，将地质和早期支护观察、水平净空收敛量测、拱顶下沉量测作为施工监控量测项目。 4 结束语 现在三车道公路长大隧道正在建设不少，并逐步积累了丰富经验。本文结合施家梁隧道设计，对大断面单洞三车道公路隧道洞口浅埋土质段结构支护参数、施工开挖方案进行了浅讨，为以后大断面公路隧道施工积累了经验。但对这么大断面隧道，施工中尚存在很多技术问题有待研究，比如隧道断面形状优化、支护参数合理确定、开挖方法正确选择和新技术、新材料应用等，还需要深入系统研究。隧道施工过程中，必需认真进行现场监控量测，尤其是围岩压力、洞周位移、拱顶下沉、首次衬砌应力、临时支护变形等应该作为监控量测关键，经过现场量测立即掌握围岩和支护结构动态，以实现结构支护参数和施工方案动态优化。 参考 文件 ：1JTJ 042-94.公路隧道施工规范S.2工程爆破常见数据手册M.北京.人民 交通 出版社.3薛继连.长梁山隧道软弱围岩施工方法.岩石力学和工程学报.z1期.