大斷面隧道下穿石油管線施工技術(shù)

蔡秉毅 （中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

淺埋隧道下穿建筑物的工程因素復(fù)雜，施工的核心是如何保證結(jié)構(gòu)物的安全[1]。國(guó)內(nèi)淺埋暗挖隧道主要施工技術(shù)包括臺(tái)階法、CD工法、CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法等工法，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。開挖技術(shù)主要為鉆爆法、機(jī)械開挖法、人工開挖法等方法，但是機(jī)械開挖和人工開挖法相比爆破法，減少了爆震對(duì)隧道附近建筑物影響，如武廣高鐵瀏陽河隧道、杭州市紫之隧道、蘭渝鐵路哈達(dá)鋪隧道、翔安海底隧道、鄭西客專潼洛川隧道等工程穿越軟巖或敏感建筑物時(shí)都采用了機(jī)械銑挖法開挖[3-7]，取得了很好的效果。本文以哈大客專陳家店隧道下穿石油管線為例，總結(jié)軟弱圍巖淺埋隧道下穿石油管線施工技術(shù)，為類似工程提供借鑒。

2 工程及地質(zhì)概況

哈大高鐵陳家店隧道位于大連市保稅區(qū)，全長(zhǎng)1500m，最大埋深約30m，工點(diǎn)區(qū)為丘陵地帶，地表多為第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）粗角礫土，沖溝發(fā)育，局部基巖裸露，主要成分為花崗巖、片麻巖。隧道于DK52+315～374段下穿2道石油管線，石油管線埋深1.5m，管徑分別為720mm和529mm，下穿石油管道段地表洪積層已開辟為耕地，基巖為片麻巖，風(fēng)化不均，巖體較破碎，局部地段存在地下水，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，不影響石油管線安全的情況下進(jìn)行隧道施工是本段施工的難點(diǎn)。

3 總體施工方案

陳家店隧道下穿的兩道石油管線最小垂直距離40m，而石油管線是資源運(yùn)輸?shù)纳€，基本是不間斷運(yùn)營(yíng)，借助動(dòng)力有限元軟件對(duì)隧道開挖進(jìn)行仿真分析，得出了采用爆破開挖時(shí)爆破源沿隧道方向的安全距離為43.97m，采用爆破開挖法不可行。綜合分析本隧道下穿石油管線段圍巖情況，參照國(guó)內(nèi)類似工程施工方法，提出管線采用支撐法加固，隧道采用短臺(tái)階銑挖法施工技術(shù)，控制地表沉降，降低施工擾動(dòng)。

圖1 陳家店隧道石油管線支撐防護(hù)示意

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 管線加固

隧道開挖會(huì)引起上覆層變形，進(jìn)而對(duì)管道影響，將管道開挖后，采用支墩+鋼桁架架空管道，見圖1所示。支墩位于隧道中心線兩側(cè)15m處，支墩為邊長(zhǎng)1m的矩形鋼筋混凝土柱，基礎(chǔ)位于微風(fēng)化巖層，鋼架采用321型貝雷架拼裝，長(zhǎng)度為32m，管道采用吊架與貝雷桁架連接。隧道開挖過程中監(jiān)測(cè)了管線及鋼筋混凝土支墩沉降變形，基礎(chǔ)最大沉降29mm，管線最大沉降8mm，沉降值滿足標(biāo)準(zhǔn)，下穿石油管線段隧道完成二次襯砌后，拆卸吊架與貝雷桁架，按規(guī)范要求[8]回填管線。

4.2 銑挖機(jī)選型

目前用于隧道開挖的銑挖設(shè)備大概有2種，一種是挖掘機(jī)安裝銑挖頭改裝的設(shè)備，另一種是整體式銑挖掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)本項(xiàng)目隧道所處的地質(zhì)環(huán)境、圍巖級(jí)別、斷面大小、操作空間、施工成本等因素，選用挖掘機(jī)+銑挖頭形式的改裝的銑挖機(jī)，挖掘機(jī)采用日立ZAXIS330型，銑挖頭為艾爾卡特ER1500-1S型橫向銑挖頭。

4.3 開挖施工

根據(jù)圍巖情況及選定的設(shè)備，采用短臺(tái)階法施工，施工步驟見圖3和圖4，銑挖法開挖圖中①部，每循環(huán)進(jìn)尺0.6m，環(huán)形開挖寬度為1.8m，臺(tái)階高度3m～4m，臺(tái)階長(zhǎng)度3m～10m，左右幅馬口寬度1.8m，上半斷面環(huán)形開挖，預(yù)留核心土穩(wěn)定掌子面，開挖后及時(shí)施做初期支護(hù)。下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在40m～60m，左右幅馬口寬度1.8m。仰拱開挖長(zhǎng)度6m～12m，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況調(diào)整開挖長(zhǎng)度。

圖中①部的初期支護(hù)完成后，清除②部核心土，然后用銑挖機(jī)對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行拉中槽，開挖斷面如下圖③部分，每循環(huán)進(jìn)尺0.6m，圖③部分開挖完成后，再用免爆頭、單鉤對(duì)下部左右側(cè)④、⑤部的巖層進(jìn)行清除，人工配合修整斷面輪廓，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后及時(shí)施做④、⑤周邊的初期支護(hù)。

待仰拱混凝土初凝后灌筑仰拱填充ⅹ部至設(shè)計(jì)高度。

4.4 初期支護(hù)施工

下穿石油管線段隧道圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)，為了最大限度限制開挖引起的圍巖變形，經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)等單位會(huì)勘后決定按照Ⅴ級(jí)加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，開挖前，先在拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)雙排Φ42超前小導(dǎo)管，導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.0m，外插角8°～10°；環(huán)形導(dǎo)坑、下臺(tái)階、仰拱部位開挖完成后，初噴混凝土，然后安裝I20a型鋼鋼架，縱向間距0.6m；將上下臺(tái)階鋼架接頭板部位鋼架采用Φ43鎖腳錨管鎖腳，每個(gè)接頭板部位安裝4根，長(zhǎng)度4.0m，管內(nèi)注砂漿；用Φ22鋼筋縱向連接相鄰鋼架，環(huán)向間距為1.0m，交錯(cuò)布置；安裝HPB300型Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼間距20×20cm；然后施做C30噴射混凝土，噴層厚度不小于25cm；最后安裝Φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)度3.5m，間距0.6×1.0m，安裝好錨桿墊板。

圖2 短臺(tái)階銑挖法開挖平面圖

圖3 短臺(tái)階銑挖法施工步驟側(cè)視圖

4.5 二次襯砌施工

初期支護(hù)完成后及時(shí)清理初期支護(hù)基面，然后進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。先完成仰拱及填充層混凝施工，待初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定后，在拱墻面安裝環(huán)、縱向透水盲管，然后鋪設(shè)土工布和塑料防水板。利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌筑Ⅺ部拱墻二次襯砌，并于拱頂預(yù)埋PVC注漿管，然后帶模灌漿。

4.6 監(jiān)控量測(cè)

對(duì)石油管線下方DK52+380處隧道斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括拱頂下沉、拱腰級(jí)跨中部位的收斂，地表管線的沉降，監(jiān)測(cè)斷面見圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)斷面示意圖

經(jīng)過對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，上臺(tái)階開挖后，拱頂累計(jì)下沉52mm后趨于穩(wěn)定，拱腰累計(jì)收斂29mm后趨于穩(wěn)定；下臺(tái)階開挖后，拱頂累計(jì)沉降達(dá)到84mm時(shí)趨于穩(wěn)定，拱腰累計(jì)收斂到47mm時(shí)趨于穩(wěn)定；仰拱開挖后，拱頂級(jí)邊墻幾乎沒有變形；地表石油管線在隧道開挖后累計(jì)下沉7mm，二次襯砌施工完成后再無變形。

5 結(jié)語

通過分析隧道所處的環(huán)境和圍巖情況，數(shù)值仿真計(jì)算了爆破開挖的影響深度和范圍，采用了地表管線加固和短臺(tái)階銑挖法開挖方法，順利完成了隧道施工，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用的施工方法和技術(shù)有效控制了地表管線的沉降和隧道圍巖的變形，達(dá)到了預(yù)期的效果，施工技術(shù)是成功的。