公路隧道大管棚進洞施工技術(shù)分析

劉曉峰

(山西路杰工程咨詢有限公司，山西 太原 030006)

1 項目背景

此公路隧道工程項目的起訖樁號是：右線YK15+135～YK17+518，長度是2.383 km，其中V級圍巖長度為300 m；左線ZK15+110～ZK17+529，長度是2.419 km，其中V級圍巖長度為336 m。此隧道洞口處是黃土沖溝斜坡，最大埋深接近是38.2 m，圍巖屬于強風(fēng)化與中風(fēng)化泥灰?guī)r。結(jié)合項目現(xiàn)場地質(zhì)條件，隧道洞口V級圍巖段的主洞施工確定先支護后開挖，選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖方式，同時超前支護選擇的是大管棚結(jié)構(gòu)。

此公路隧道項目特點如下：(1)隧道洞口圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較差，屬于V級圍巖，同時黃土土質(zhì)不均，包含了15%姜石，泥灰?guī)r存在嚴(yán)重的風(fēng)化喜愛內(nèi)向，巖芯呈現(xiàn)破碎狀，所以開挖施工中受到擾動后容易發(fā)生塌方與冒頂?shù)劝踩鹿剩?2)隧道洞口段洞頂埋深相對偏淺，且拱頂受力不佳，無法自然成拱，所以必須采取合理的控制措施；(3)隧道洞口處圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體表現(xiàn)為破碎狀，同時局部包含石灰?guī)r與溶孔等，地下水較為發(fā)育，受多種要素的影響巖體結(jié)構(gòu)強度偏低，所以洞口邊坡容易出現(xiàn)失穩(wěn)。

2 施工技術(shù)

2.1 邊仰坡施工

從邊仰坡相距5 m的位置開挖截水溝，同時將下游出水口和路塹排水系統(tǒng)進行有效連接。根據(jù)設(shè)計圖紙坡度要求進行精準(zhǔn)測放，然后以挖掘機的方式進行開挖作業(yè)，順序是從上之下，并預(yù)留成洞核心土，將邊坡與仰坡的坡率控制是1∶0.5，而二級邊坡控制是1∶0.75[1]。爆破施工選擇密眼少藥松動爆破，以確保爆破施工效果的前提下，嚴(yán)格控制隧道洞口圍巖擾動。

在邊仰坡刷坡施工后，應(yīng)及時從邊仰坡上進行掛網(wǎng)噴射防護。選擇坡面合理位置插入錨桿(其直徑φ=22 m，長度是3 m)，確定的間隔距離是1.5 m，采用梅花型進行布設(shè)。然后鋪筑一層鋼筋網(wǎng)(其直徑φ=8 mm)，以焊接方式將鋼筋網(wǎng)和錨桿連為一體。最后噴射一層C20混凝土(其厚度控制為10 cm)，方法采用的是濕噴，同時保證鋼筋網(wǎng)的保護層≥2 cm。

2.2 套拱與超前管棚施工

此項目中套拱與超前管棚施工流程詳見圖1所示。

圖1 套拱與超前管棚施工流程

(1)套拱施作

此項目中導(dǎo)向墻選擇的是C30鋼混護拱(厚度為60 cm)，從其內(nèi)部設(shè)置I18工字鋼(數(shù)量是3榀)與長度為2 m的導(dǎo)向鋼管(其直徑φ=127 mm，數(shù)量是42根)，確定的環(huán)向間隔距離為40 cm，待安裝完成后將拱架與導(dǎo)向管以焊接方式連接，同時對導(dǎo)向管的傾斜角度進行仔細(xì)檢查，以確保其符合設(shè)計規(guī)定基本要求，最后實施混凝土澆筑。

(2)鉆孔

提前從孔壁中合理位置進行孔號標(biāo)記，然后根據(jù)標(biāo)記位置通過潛孔鉆機(其型號為XY-28-300)實施鉆孔，而在鉆孔施工階段必須保證其和隧道軸線之間的仰角控制為1°，慢速、有序進行鉆進作業(yè)，孔位的鉆進施工順序是由拱頂中央處先奇數(shù)后偶數(shù)朝向兩側(cè)進行。

鉆機施工初始階段，主要以低速低壓鉆進為主，當(dāng)鉆進深度≥50 cm同時無任何的異常情況，才能夠恢復(fù)正常鉆進施工速度，通常鉆進速度控制是5 m/h[2]。然后安排專業(yè)技術(shù)人員通過測斜儀器進行仔細(xì)檢查，結(jié)合檢查結(jié)果精準(zhǔn)判斷成孔效果，若是存在問題則必須停止鉆進，然后采取有效處治措施，恢復(fù)后才可以繼續(xù)施工。

(3)安裝管棚鋼管

此項目中管棚鋼管選擇的是有孔鋼花管，根據(jù)設(shè)計基本要求通過電鉆方式鉆設(shè)直徑為φ=8 mm的孔，確定的間隔距離為75 cm，以梅花型進行設(shè)置。管棚鋼管包含不同節(jié)段鋼花管，具體：長度3 m鋼花管與長度6 m鋼花管，接頭位置設(shè)置厚壁箍(長度控制為15 cm)，而且同一斷面中的接頭必須相互錯開。考慮到管棚頂進施工任務(wù)比較艱巨，所以頂進設(shè)備選擇挖掘機，以確保緩慢、勻速頂進，嚴(yán)格控制管棚破損，若是管棚頂進階段阻力相對偏大，則可以適當(dāng)?shù)倪M行旋轉(zhuǎn)頂進。

(4)注漿成孔

待鋼管安裝施工完成后緊接著就要進行壓漿試驗，以完成壓漿工藝各項參數(shù)的有效驗證。具體施工階段應(yīng)嚴(yán)格貫徹“安裝一孔”、“注漿一孔”的基本原則。隧道圍巖無水時采用的注漿液為“水泥、水玻璃”雙液漿，拌制過程中的體積比控制為1∶0.5。在注漿時應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，其中初始注漿壓力控制為0.5～1.0 MPa，然后有序增加注漿壓力，而終壓則控制為2 MPa，同時持壓3～5 min[3]。在注漿施工過程中必須要嚴(yán)格依照預(yù)先設(shè)計好的標(biāo)準(zhǔn)施工要求，對水泥砂漿材料進行充分?jǐn)嚢?，并且在材料的投放工作過程中，必須要向其中加入一定量的緩凝劑材料，但是也需要對水的使用量進行有效控制。當(dāng)達到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計工作要求之后，方可進行后續(xù)的深入攪拌處理，實際攪拌工作時間不能小于1 min，在注入水泥砂漿材料之后再進行后續(xù)的攪拌工作，攪拌持續(xù)時間不能少于3 min，充分保證材料攪拌的均勻性和穩(wěn)定性。緩凝劑的實際參數(shù)量大小需要保證在水泥含量的2%～3%之間，在注漿工作之前需要對管道內(nèi)部的沉積物進行徹底沖洗，同時需要在小導(dǎo)管的尾部位置和輸漿管之間進行連接。通過使用電動注漿施工技術(shù)方法，以自下而上的注漿順序來進行施工，為了有效防止出現(xiàn)漏漿問題需要在掌子面先噴射5～10 cm厚度的混凝土材料，同時在注漿施工當(dāng)中需要有效控制注漿施工壓力和實際注漿施工質(zhì)量，在完成注漿施工之后需要及時封堵鋼管的管口位置。

2.3 洞口開挖

此隧道項目中洞口主洞圍巖級別是V級，選擇的開挖方式是“單側(cè)壁導(dǎo)坑”+“臺階法”，將隧道輪廓線起拱線當(dāng)作界限，其中起拱線上部使用的是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，同時預(yù)留核心土，待上臺階支護施工結(jié)束之后，以左幅與右幅交錯方式進行下導(dǎo)坑與仰拱開挖作業(yè)[4]?？紤]到洞口位置比較薄弱，為了能夠確保安全性與穩(wěn)定性，圍巖預(yù)支護選擇30 cm長管棚。通過機械化實施掘進，主要采用風(fēng)鎬或者是挖掘機，若是需要爆破施工則必須嚴(yán)格貫徹弱爆破基本原則。分部開挖施工方法主要指的是在隧道工程項目正式開挖工作之前進行引導(dǎo)坑開挖的一種掘進工作方式。在開挖施工中首先需要使用引導(dǎo)坑結(jié)構(gòu)，對隧道某個環(huán)節(jié)展開提前性開挖，向其中挖出一段施工作業(yè)面，并且在此工作基礎(chǔ)之上展開必要的支護處理，完成該段支護工作之后再將剩余的部分進行拔除。相比而言，這種開挖工作方法更加安全有效，更加適用于一些特殊性的土層開挖作業(yè)工作當(dāng)中，整體而言，分部開挖工作實際上主要是將隧道工程項目的整個開挖工作環(huán)節(jié)分割成兩個組成部分：第一部分是提前施工，第二部分是后續(xù)施工。因為在第一個環(huán)節(jié)開挖工作結(jié)束之后采取必要的支護處理，以此可以有效保證后續(xù)開挖工作的安全性。

在施工階段需要注意下述幾項：(1)圍巖開挖是必須最大程度上控制爆破量，主要采用弱爆破；(2)開挖應(yīng)嚴(yán)格貫徹“短進尺”與“多循環(huán)”的基本原則；(3)嚴(yán)格實施監(jiān)控量測，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析圍巖和支護狀態(tài)，然后科學(xué)優(yōu)化支護參數(shù)與完善施工方法。由于這種開挖方式所涉及到的地層巖石條件穩(wěn)定性較低，同時巖石結(jié)構(gòu)的傳遞荷載量較低，如果開挖長度過大很容易形成比較嚴(yán)重的塌方事故。因此，為了有效保證隧道開挖工作的安全性和穩(wěn)定性，針對IV級以上的圍巖結(jié)構(gòu)，通常情況下需要使用短臺階開挖工作方法來進行開挖。在開挖工作中的掘進長度相對較小，通常情況下是以邊開挖邊支護的方式進行處理，不但可以保證開挖工作質(zhì)量，同時還可以進一步提高整個開挖工作的安全性和穩(wěn)定性，有效避免巖石產(chǎn)生坍塌等各種風(fēng)險問題。

2.4 支護施工

成功進洞之后，需要及時進行初期支護與掌子面施工，保證斷面一次澆筑成型，盡快封閉成環(huán)。此隧道項目初期支護基本包括I22a鋼拱架、縮腳錨桿、C25混凝土等。各拱架之間以φ=22 mm鋼筋進行連接，然后通過焊接的方式與系統(tǒng)錨桿相連[5]。從鋼拱架上緊密鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，同時將搭接長度控制在20 cm以上，從而形成一種承載結(jié)構(gòu)。采取措施有效處理拱架連接位置，通常設(shè)置縮腳錨桿并進行焊接，以增強拱架剛度。通過濕噴機(其型號是TK-961)進行混凝土噴射，確定的噴射距離是0.8～1.2 m，其中初次噴射厚度控制在3～4 cm，復(fù)噴控制為5～8cm，保證厚度符合設(shè)計規(guī)定基本要求?；炷羾娚涫┕ろ樞蚴菑纳现拢葔蠊?，需要立即進行檢查開挖斷面尺寸大小，然后需要對圍巖結(jié)構(gòu)進行初噴封閉處理，有效保證圍巖結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

(1)混凝土噴射支護施工

在混凝土噴射施工過程中，通常情況下使用的是濕噴機設(shè)備，該施工當(dāng)中保證施工區(qū)域不存在大量的地下水影響。在材料攪拌工作過程中需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作要求，向其中加入一定量的混凝土速凝劑，噴射距離范圍需要控制在0.8～1.2 m之間，同時還需要有效保證好與巖體表面的垂直程度。混凝土噴射工作過程中需要保證由下到上分段進行噴射處理，在噴射拱部位置過程中可以先使用臺階法，先噴射拱部的拱腳位置然后再噴射拱部的拱頂位置，實際噴射長度需要控制在4 m以下。在材料噴射過程當(dāng)中，如果發(fā)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)表面存在不規(guī)整情況，需要先噴射巖體結(jié)構(gòu)表面的凹陷位置，然后再噴射其他平整面位置。

(2)鋼筋網(wǎng)支護施工

在鋼筋網(wǎng)制作工作之前需要仔細(xì)檢查鋼筋材料的質(zhì)量情況，有效保證材料質(zhì)量符合項目工程施工要求和標(biāo)準(zhǔn)。在鋼筋網(wǎng)制作工作結(jié)束之后，需要對材料質(zhì)量進行全面檢查，有效保證鋼筋材料不會產(chǎn)生明顯的銹蝕問題，然后在鋼筋棚內(nèi)部對其進行充分綁扎。在鋼筋網(wǎng)支護工作過程中，相關(guān)工作人員需要預(yù)先將大片的鋼筋網(wǎng)進行加工與制作，同時在錨桿安裝工作結(jié)束之后進行鋪裝鋼筋網(wǎng)。在隧洞之外根據(jù)隨高就低的施工原則，對混凝土噴射完成之后的巖體表面進行鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，如果有支撐結(jié)構(gòu)可以將鋼筋網(wǎng)直接設(shè)置在外弧邊緣位置，同時對其進行焊接加固處理。如果存在鋼支撐結(jié)構(gòu)則需要通過沖擊孔位置進行打前孔，并且對膨脹螺栓進行埋設(shè)，然后將其直接固定在鋼筋網(wǎng)的膨脹螺栓上，保證鋼筋網(wǎng)僅僅貼合在巖體結(jié)構(gòu)表面，提高鋼筋網(wǎng)的支護工作效果。

3 監(jiān)控量測

結(jié)合隧道右洞監(jiān)控量測數(shù)據(jù)得出，初期爆破施工產(chǎn)生的擾動比較大，部分測點變形較為突出，其中最大沉降速率是15.2 mm/d。施工30 d后地表沉降速率明顯減小，而且趨于穩(wěn)定；施工初期隧道拱頂下沉速率是0.88 mm/d，施工30 d后拱頂沉降數(shù)值是0.18 mm。

根據(jù)隧道左洞監(jiān)控量測數(shù)據(jù)得出，施工初期隧道拱頂沉降變形比較大，其中最大沉降速度是0.36 mm/d，施工后30 d沉降數(shù)值是1.05 mm。

此隧道進洞開挖施工階段，地表沉降的最后數(shù)值是26.41 mm，經(jīng)過調(diào)查與優(yōu)化施工方法后，最后沉降數(shù)值控制為11.83 mm。隧道拱頂下沉的最大數(shù)值是1.52 mm，符合≤2 mm的規(guī)定基本要求。當(dāng)測值出現(xiàn)異常，并確認(rèn)為非人為異常后，應(yīng)采取應(yīng)急測試措施。

(4)觀測孔某部位的觀測值大于其標(biāo)準(zhǔn)值+2倍標(biāo)準(zhǔn)差時，該孔每天不少于三個測次，并增加相鄰觀測孔的監(jiān)測頻度。同時應(yīng)進行全面的目視檢查、統(tǒng)計有多少觀測孔出現(xiàn)異常、分析相鄰部位其它物理量的觀測結(jié)果，分析基礎(chǔ)的穩(wěn)定狀況。

(5)觀測孔某部位的觀測值大于標(biāo)準(zhǔn)值+3倍標(biāo)準(zhǔn)差時，或累計水平位移大于設(shè)計允許值，或根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，觀測值對應(yīng)的安全系數(shù)不能滿足設(shè)計要求時，除加強監(jiān)測外還需上報有關(guān)部門及時研究處理措施。

4 總 結(jié)

文章結(jié)合公路隧道工程項目實際情況，綜合研究了隧道大管棚進洞施工技術(shù)，主要包含了邊仰坡施工、套拱施工、超前管棚施工、洞口開挖以及支護施工等同時對隧道進洞施工進行了監(jiān)控量測。實踐表明，此大跨徑公路隧道采用的大管棚進洞施工技術(shù)合理、可行，保證了隧道施工質(zhì)量及安全，為類似項目施工提供了借鑒。