臨臨高速魯山隧道施工組織與支護設計思考

楊洪振,蘇子龍

(山東省路橋集團有限公司,山東青島266000)

0 引言

近些年來,中國已成為世界上隧道工程建設規模最大、數量最多和難度最高的國家,這不僅體現在隧道長度、埋深和斷面尺寸的增長上,建設難度和技術創新也達到了空前的高度,各種新材料、新工藝等不斷涌現。

在隧道的施工方法中要符合隧道的特點和地質條件以及綠色施工的理念[1]。鉆爆施工、盾構機施工和TBM機施工具有各自的優勢,均有大量的應用。在隧道錨桿支護理論研究上,直至今日,已獲得大多數研究學者認可的4種錨桿加固理論[2]:懸吊理論、增強理論、閉合拱理論和內壓理論。對于一些地質條件沒有那么好的巖體,錨桿可以與其它支護材料配合對圍巖進行初期支護。在支護設計上,近年來,我國的研究正在轉向應用新型材料的噴射混凝土的研究上,并對于在極差施工環境下使用噴射混凝土支護技術的研究取得了不錯的成果。

1 隧道工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標段魯山隧道工程位于淄博市博山區池上鎮店子村東南側約1 200 m處,該隧道為分離式隧道,隧道左線軸線起止樁號為ZK76+423～ZK79+870,長3 447.0 m,隧道右線軸線起止樁號為K76+441～K79+883,長3 442.0 m,擬建隧道屬雙向六車道特長隧道(圖1、圖2)。

圖1 魯山隧道地質平面(一)

圖2 魯山隧道地質平面(二)

2 隧道施工方案

2.1 開挖方式

隧道開挖需要結合工程實際環境,選擇合適的圍巖施工方式以及開挖方式[3]。根據本工程項目的情況,公路隧道長度超3 400 m,按照規定屬特長公路隧道。目前擬采用分離式(單洞)隧道的施工開挖方式。根據巖體的穩定性、隧道跨度等條件,分離式隧道(單洞)的開挖方法可采用全斷面法、臺階法和分布開挖法3種方法,以及由它們變化衍生的開挖方法。根據魯山隧道圍巖分級情況顯示,圍巖級別全部為Ⅲ～Ⅴ級,雙向六車道,單洞三車道,可以采用單側壁導坑法(CD法)進行隧道施工開挖。該方案應具有較大的適應性,且必須與支護和襯砌施工相協調。

2.2 隧道斷面設計

2.2.1 橫斷面設計

隧道主洞:隧道建筑限界凈空寬度:15.25 m=1.00 m(左側通道)+0.75 m(左側寬度)+3×3.75 m(車道)+1.25 m(右側寬度)+1.0 m(右側通道);

限界凈高:行車道凈空高度5.0 m,檢修道凈空高度2.5 m(圖3)。

圖3 單向行車公路隧道建筑限界(單位:m)

2.2.2 襯砌內輪廓設計

隧道內輪廓需要按照相關JTG D70-2004《公路隧道設計規范》和JTG B01-2004《公路工程技術標準》規定的建筑凈空要求。考慮到照明、通訊、防排水、裝飾等其他設施所需的空間,各種設備不得侵入建筑凈空界限。襯砌內輪廓的形狀和尺寸應考慮圍巖的類型、結構的受力特點和施工的方便性。設計輪廓采用三心圓內輪廓。

2.2.3 隧道洞門設計

公路隧道洞口根據地形地質條件、自然環境和人文特征進行設計[4]。在洞門形式的選擇方面,入口地形陡峭,橫斷面地形復雜,采用端墻門式設計;出口處地勢平緩、山體穩定,采用明洞式洞門中的削竹式洞門設計(圖4、圖5)。在施工過程中注意避免巖爆傷人和砸壞施工設備,必要時將人機撤離到安全地點[5]。

圖4 端墻式洞門設計(單位:mm)

圖5 隧道路面設計

3 圍巖壓力及襯砌結構計算

以Ⅴ級圍巖襯砌設計為例

(1)首先進行襯砌內力計算,第一步確定了其荷載,包括圍巖水平均布壓力、全部豎向均布壓力、計算襯砌自重、圍巖豎向壓力。V級襯砌圍巖壓力應承擔60%～80%,這是一個安全儲備[6]。

(2)分析襯砌幾何要素(表1)。

表1 各接縫中心幾何要素

隧道高度h=內輪廓線高度+襯砌厚度+預留變形

隧道跨度b=內輪廓寬度+襯砌厚度+預留變形

(3)計算位移,包括了單位位移、載位移——主動荷載在基本結構中引起的位移、載位移——單位彈性抗力及相應摩擦力引起的位移、墻底(彈性地基上的剛性梁)位移、墻底(彈性地基上的剛性梁)位移。

(4)解力法方程。計算力法方程的系數為:

上面將單位抗力及相應摩擦力產生的位移乘以σh,可以得到被動荷載的載位移[7]。

(5)主動荷載和被動荷載分別產生的襯砌內力。

(6)計算最大抗力值。計算最大抗力方向內的位移(表2)。

表2 最大抗力位移修正計算

(7)計算襯砌總內力。襯砌總內力按下式計算:

根據初砌總內力的計算結果,畫出其內力如圖6所示。

圖6 V級圍巖襯砌內力

4 隧道防排水設計

4.1 防水設計

由于魯山隧道使用的是復合式襯砌,在使用復合式襯砌時,采用防水板和無紡布作為一個防水隔層,并設置系統盲管(溝)。防水板和無紡布應沿隧道全長鋪設,并覆蓋在側壁基礎上。無紡布單位面積質量大于300 g/m2。防水板采用寬且易焊接的聚合物柔性防水卷材,厚度1.5 mm,接縫搭接長度100 mm。在圍巖破碎、涌水易塌的圍巖中漿。對于淤泥和細砂地層,水泥灌漿不應用于防水[8]。

4.2 排水設計

4.2.1 襯砌排水設計

隧道沿線縱向排水盲管(溝)設置在襯砌兩側邊墻后的底部,設置排水盲管環向,環向盲管和垂直盲管與側壁底部的縱向排水盲管相通,圍巖裂隙水排水采用盲溝,采用軟透水管,每隔10 m設置一條,為了便于管道清淤機定期對排水管進行清淤,在二次襯砌的轉角處,以100 m的縱向間距對稱布置檢查和維護孔。豎直排水盲管與水平導水管相接。用無紡布包裹環向盲管、豎直盲管和縱向盲管(圖7)。

圖7 隧道排水系統設計

4.2.2 洞內路面排水設計

在路面單側設置縱向排水溝,側邊排水溝采用鋼筋混凝土結構,水溝的側面需要設置足量的泄水孔。隧道縱向排水坡度與隧道相同。隧道兩側的排水溝設置排水檢查孔。設置中心排水管排出地下水,采用鋼筋混凝土管,溝邊留足夠的排水孔。在隧道底部側排水溝與中心排水管之間設置橫向導水管(圖8)。

圖8 中心排水管設計

5 施工組織設計

5.1 施工準備

魯山隧道屬于特長隧道,施工工程量較大。在開始施工之前,有必要熟悉設計文件,做好檢查現場勘測圖和圖紙的工作,并為施工組織準備要實施的項目,以完成技術準備和實施。根據地形和場地要求,應提供施工場地、員工住房、配電室、空氣壓縮機、混凝土站、鋼筋車間等。為施工方便應盡量選擇在距離施工洞口不遠處,注意方便運輸、環境保護(圖9)。

圖9 魯山隧道施工現場

5.2 開挖與輔助施工方法

本工程主要以鉆爆法開挖,根據爆破器材情況,選擇使用導爆管雷管孔內延時起爆法,并根據相關爆破參數施工[9-10]。在魯山隧道的施工區段內,大多數是IV級、V級圍巖,所以為了保證開挖過程中圍巖的穩定,需要在開挖面的拱部打入錨桿。通過錨桿的對圍巖的加固作用,在工作面形成一個穩定的區域,這個穩定的區域就是圍巖加固棚。圍巖加固棚可以在一定程度上保證開挖掌子面的穩定。超前小導管注漿屬于滲透注漿,其注漿加固效果優于管棚法(圖10、圖11)。而對于監測項目的選擇需要根據圍巖條件、隧道斷面尺寸、隧道全線長度、施工開挖的方法以及采取的支護種類來判斷,但是應注意監控量測中必須檢測的項目[11-12].

圖10 超前錨桿布置

圖11 超前小導管布置

5.3 支護與襯砌

5.3.1 初期支護

隧道初期支護采用錨桿、鋼網、噴射混凝土等支護方式。在初期支護施工時,先在剛開挖的斷面及斷面周圍噴射厚5 cm左右的混凝土。當混凝土達到強度要求后,鉆孔安裝錨桿。之后施作鋼筋網,然后施作噴射混凝土進行初期支護[10]。

噴射混凝土施工:選用普通硅酸鹽水泥,配以粒徑5～12 mm的級配連續的砂石,將其與水拌合配制。噴射混凝土水灰比0.5。拌合制備混凝土時,按照規范要求,需要進行多次混凝土質量的檢查。

錨桿施工:根據設計要求,檢查錨具的材料、型號、規格、質量和性能是否符合標準。如果符合要求,按設計截取錨桿體,拉直除銹。鉆孔前,必須按設計要求確定孔的位置并做好標記。砂漿配合比取水泥∶砂=1∶1,水灰比為1∶0.5。在使用時要將砂漿拌合均勻,并且在初凝前全部用完。

鋼筋網施工:隧道鋼筋網提前完成加工成型。鋼筋類型和網格間距應根據設計要求而定。鋼筋表面應整潔,不能存在粗糙的接口以及銹蝕現象。安裝采用焊接進行連接。施工的鋼筋網需要與錨桿等其它固定裝置牢固相連[12]。

5.3.2 二次襯砌

5.3.2.1 拱墻襯砌混凝土施工

魯山隧道襯砌采用混凝土輸送泵泵送,自下至上,先澆筑側墻再澆筑襯砌拱。混凝土運輸采用混凝土罐車輸送。混凝土澆筑前,做好鋼筋布置工作,加強四角振搗,完成防水層的鋪設和各種預埋件、預留孔洞、溝槽、溝槽、管道的布置。為了保證初期支護和二次襯砌緊密接觸,在初期支護完成后,需要對初期支護后進行勘測。鉆孔經地質雷達探測后,應及時進行灌漿和回填。

5.3.2.2 仰拱施工

為保證施工的安全,仰拱混凝土的施工要快,這樣可以使支護在短時間內形成一個閉合的圓環,使其能整體承受荷載,發揮其整體穩定性。仰拱需要整體澆筑,以解決仰拱混凝土的壓載、材料和施工機具運輸等問題。施工前,要清除隧道底部的雜物、泥漿、積水。超挖部分回填采用同牌號混凝土;仰拱施工需提前拱墻二次襯砌施工。

6 結論與討論

魯山隧道隧址水文條件較為復雜,采取多種設計方式應對。

(1)在水文條件較簡單的區域提高施工效率;在一些滲透系數較大的區域,加強防水、排水設計,提高相應的防水要求。

(2)在設計時應根據隧道的埋深以及巖層,地質條件選擇合適的施工方式與隧道斷面形式。可以使用相關軟件結合數值模擬分析的方法確定該隧道的支護方式。

(3)本工程采用新奧法的開挖方式,采用分離式隧道的施工方式。

(4)臨淄至臨沂高速公路項目通車后,可以使全省路網布局更加合理,可以強化山東和京津冀及長江地區的交通聯系,可以促進沿線地區經濟的發展。