贺家庄隧道(进口)下穿张三公路施工技术

孙太石

1 工程概况

贺家庄隧道原设计在DK241+740～DK241+800范围内下穿三门峡市张三公路,该段围岩设计为Ⅴ级,Ⅴ级加强衬砌断面,全环设置Ⅰ25a型钢钢架,间距60 cm,超前支护采用φ 50小导管。围岩主要为褐黄色粘质黄土(Q2),呈硬塑～坚硬状,结构较紧密,直立性强,含水量约15%。

该公路是通往贺家庄隧道进出口、黄龙村隧道、富村隧道及黄龙村特大桥、张家湾1号、2号大桥的唯一通道,加之该处三门峡高速公路服务区正在扩建,所有运料的重型货车都必须从这里经过,行车比较密集。经现场实测,该公路与隧道中线夹角约34°,以深挖方形式在洞顶 DK241+754～DK241+784处通过,隧顶覆盖层厚度为12.5 m,公路路面宽度为 7.65 m,见图1。

2 施工方案

为确保公路运输及隧道施工安全,施工中对DK241+749～DK241+789段采用40 m长大管棚超前支护,弧形导坑预留核心土短台阶开挖。主要施工方案如下：

1)取消该段原设计的超前小导管,在拱部135°范围内采用φ 159双层大管棚超前加强支护,每层管棚环向间距0.4 m,层间距0.3 m,管棚长40 m,呈梅花形布置。

2)沿大管棚下轮廓线进行开挖(比设计开挖线大40 cm左右),采用双层钢拱架进行初期支护,施工时先在拱部架立Ⅰ20钢拱架,喷混凝土至设计轮廓开挖线,然后再按原设计要求进行初期支护。拱架间距仍采用原设计的0.6 m。

3)为控制沉降,施工中采取了增加锁脚锚杆、进一步扩大拱脚、加强初期支护、仰拱紧跟等措施。

3 施工方法

1)超前大管棚施工。

采用超前大管棚施工主要是为了保证隧道开挖的安全,利用隧道管棚机在隧道拱顶区域钻设水平孔,埋设超前支护钢管,并进行注浆固结土层,使隧道拱顶预先形成一伞状保护环的大管棚。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松弛的地层荷重,适时提供隧道开挖后,而支护尚未施作或发挥作用前这段时间所需的支撑力,使隧道开挖面得以稳定安全并同之后的支护和结构等形成一系统,达到三度空间支撑功能,可减少隧道开挖引起的地面沉降。

施工中采用了“导向跟管钻进法”进行洞内长管棚施工,该方法不需用在洞内预先设置管棚工作室,工效高,其主要原理为：

该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向,并根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异,利用能进行调节方向的钻头(一般为楔型钻头)改变钻头的钻进方向,从而按设计要求完成各种管线的铺设。钻头示意图见图2。

针对贺家庄隧道的特点和下穿公路的要求,制定了如下施工方案：DK241+749～DK241+789段采用φ 159 mm双层大管棚超前支护,管棚长40 m,布设在拱顶135°范围之内,每环46根,环向间距40 cm,层间距30 cm,梅花形布置。当掌子面开挖到DK241+735时,喷射混凝土封闭掌子面,开始上层管棚钻孔,初始外插角4°,钻至 8 m时开始往水平方向调节钢管打设角度,至14 m左右趋于水平;当掌子面开挖到DK241+739时,喷射混凝土封闭掌子面,开始下层管棚钻孔,初始外插角 4°,钻至4 m时开始往水平方向调节钢管打设角度,至10 m左右趋于水平;施工时,空钻调节范围不留设钢管,至DK241+749后开始施工管棚,此时管棚的下端距开挖线40 cm,满足设计要求。拱顶管棚布置示意图见图3。

2)短台阶开挖。

施工中采用短台阶法开挖,即先采用大管棚护顶,将隧道断面分为上、中、下三个台阶分步开挖,仰拱紧跟下台阶并及时闭合成环。采用该法施工时,在上、中、下各台阶形成一定的步距,而且同一台阶左右工作面相互错开后,即可在各工作面按每循环进尺进行平行流水作业。施工时每循环进尺0.5 m,各台阶步距控制在3 m,同一台阶左右工作面错开1 m。

短台阶施工的主要工序如下：a.上导施工。拱顶在大管棚的保护下,人工配合机械由上而下弧形开挖图4中的①部并预留核心土,开挖后立即初喷4 cm厚混凝土封闭作业面;然后架立Ⅰ20钢拱架,喷混凝土至设计轮廓开挖线;最后再按原设计要求架立Ⅰ25钢架,进行初期支护。拱架间距为 0.6 m,上下层相互对应。b.中、下导施工。首先开挖图4中的②部,然后再开挖图4中的③部,使同一台阶左右工作面错开一定的距离(一般控制在2榀钢架间距),严禁同一台阶侧墙对挖,使拱架悬空,最后再开挖图4中的④部核心土。下导的开挖与中导的施工相同。c.仰拱施工。仰拱开挖长度每3 m施作一次,距下台阶最大距离控制在15 m。为减少仰拱填充混凝土施工缝,其初支分次闭合,仰拱衬砌和填充混凝土分次整体浇筑,长度控制在一幅栈桥长度范围之内即可。

为了解决出碴、进料运输与仰拱施工之间的干扰问题,保证仰拱施工质量,加快施工进度,在施工过程中在已开挖仰拱上铺设栈桥,出碴运输车辆在栈桥上行驶,栈桥下进行仰拱以及仰拱填充施工。

4 监控量测

1)路面沉降观测：由于地形限制,在公路路面布设了2个观测断面,共14个测点,监测频率为1次/d,实测最大下沉量29 mm。2)拱顶下沉量测。洞内共布置了8个点,监测频率按1次/d进行,实测拱顶最大下沉量30 mm。3)围岩收敛情况。施工中共布置6个观测断面,每个断面设3条测线,监测频率为1次/d,实测最大收敛19.94 mm。4)仰拱下沉情况。施工中共布置2个测点,监测频率为1次/d,实测最大下沉量5 mm。

从量测资料看,公路路面及洞顶下沉量得到了较好的控制,路面未见明显病害出现。

5 确保施工质量及安全的保证措施

1)严格按变更设计方案进行施工,确保施工质量,进而保证施工安全。2)严格控制每循环进尺,上、中、下导严格按1榀钢架间距进行开挖,即每循环进尺0.6 m。3)隧道开挖后总的变形量值基本受控于各分部开挖闭合时间的长短,各分部施工必须尽快封闭,并尽早使仰拱初支闭合成环。4)严格控制拱顶下沉及围岩收敛,增加锁脚锚管和钢架纵向连接钢筋,扩大拱脚基础,增设支撑垫板等措施,使拱脚置于可靠的地基上,减小拱顶下沉。5)加强围岩监控量测,及时反馈信息、指导施工,特别是洞顶路面沉降观测。6)严格控制超欠挖及初喷混凝土平整度,确保钢架背后与围岩密贴。7)制定安全应急预案,储备应急物资。

6 结语

1)对于下穿公路、覆盖层较薄的隧道,采用超前大管棚超前支护通过是安全的、行之有效的。2)“导向跟管钻进法”进行洞内长管棚施工,不需在洞内预先设置管棚工作室,工效高,费用低,而且一次性可打设超过60 m的大管棚。3)施工中必须严格控制每循环进尺和台阶长度,仰拱紧跟下台阶施工,使仰拱初支尽早闭合成环,是控制地表和拱顶下沉、围岩收敛最有效的手段。4)短台阶法开挖较CRD法施工可以加快隧道开挖进度,缩短仰拱闭合时间,有利于控制下沉。

[1]JTG F60-2009,公路隧道施工技术规范[S].

[2]王东杰.公路隧道施工[M].北京：中国电力出版社,2010.[3]季常煦,王 凯,王信刚,等.长管棚超前支护技术在软弱围岩隧道施工中的应用研究[J].国外建材科技,2006(4)：18-19.