浅埋隧道下穿高速初支变形控制施工技术

乔 东

(中铁三局集团第五工程有限公司，山西晋中 030600)

1 工程概况

1.1 工程介绍

阌乡隧道地处黄河二级阶地，全长770 m，洞口段60 m采用明挖法施工，下穿连霍高速公路段274 m采用双侧壁导坑法施工，其余436 m采用CRD法施工。隧道开挖断面积为174 m2，净空断面积为100 m2全隧位于第四系砂质黄土层中，均为Ⅴ级围岩。土质为灰黄色，疏松、孔隙率大，节理发育，土体间粘结力极差。

1.2 连霍高速公路通行情况

下穿连霍高速公路段洞顶覆盖层为10.3 m。路面宽度24.5 m，公路中线与隧道中线的交角为15°。连霍高速公路车流量大，重车多，交通繁忙。通行车辆最大的载重量为450 t，平均每天车流量为2 240次。

1.3 施工重难点分析

下穿段高速公路路面要求沉降量控制在5 cm之内，因此有效控制沉降是施工的重难点。

2 下穿连霍高速公路段施工方法

2.1 拱部超前预支护

阌乡隧道下穿段由于土层极其松散，采用湿式钻进成孔后安装管体的过程中塌孔现象严重。按照常规方法难以施作，为此采用跟管钻进法来施工大管棚。所谓跟管钻进法指的是边钻孔边安装导管。即管棚体分节制作，待钻进深度够一根导管长度后，就安装一节导管，然后接着钻进，每够一节导管长度后就安装一节，以免塌孔。采用跟管钻进法作业时由于要靠导管作为高压风管排渣，因此管壁上没有溢浆孔。

2.2 掌子面超前预支护

阌乡隧道前期施工时，通过监控量测我们发现，在离掌子面10多米远的地方地表即开始出现下沉，另外洞内掌子面有外移的现象。鉴于此设计上掌子面按等边三角形布设φ25纤维锚杆，以此一方面来控制掌子面的位移，另一方面通过对纤维锚杆杆体注浆来固结掌子面前方的土体。

纤维锚杆的施作工艺同中空注浆锚杆，即采用煤电钻成孔，插入杆体后注浆而成。

2.3 下穿段开挖方法

阌乡隧道下穿连霍高速公路段全部采用双侧壁导坑法施工。

2.3.1 与传统双侧壁法的区别

1)侧导洞的大小设置不同。阌乡隧道双侧壁法侧导坑设置的较小，中间导坑5号洞室较大。

2)侧导的初支仰拱封闭时间不同，阌乡隧道双侧壁法是在开挖中间导坑之前先封闭侧导初支仰拱，而后再行施作中间洞室，以此来控制沉降量。

3)大拱脚结构不同，传统的双侧壁法大拱脚为素混凝土结构，而阌乡隧道双侧壁法大拱脚内加设有型钢支撑。

4)临时支撑的弯制弧度不同，阌乡隧道临时支撑弯制的弧度更为圆顺，更有利于控制围岩变形。

2.3.2 阌乡隧道双侧壁法各洞室开挖顺序及步长关系

1)a.拱部及掌子面进行超前预加固。b.人工开挖①部。c.必要时喷5 cm厚混凝土封闭掌子面。d.施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4 cm厚混凝土，架立型钢钢架和Ⅰ25临时钢架，敷设钢筋网并设锁脚锚杆，安设Ⅰ25横撑。e.复喷混凝土至设计厚度。

2)a.在滞后于①部2 m～3 m后(①部由人工开挖，平台过长不利于出碴)，机械开挖②部，人工配合整修。b.必要时喷5 cm厚混凝土封闭掌子面。c.导坑周边初喷4 cm厚混凝土。d.接长型钢钢架和Ⅰ25临时钢架，敷设钢筋网并安装锁脚锚杆。e.复喷混凝土至设计厚度。

3)在滞后于②部1.5 m后(预留1.5 m主要是减小②部的一次开挖高度，防止②部坍塌)，对侧导小仰拱进行封闭。

4)在滞后于①部2 m后开挖③部，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同①部。

5)在滞后于③部2 m～3 m距离后，机械开挖④部，人工配合整修，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同②部。

6)在滞后于④部1.5 m后，对侧导小仰拱进行封闭。

7)a.在滞后于④部6 m后，机械开挖⑤部，人工配合整修。b.必要时喷5 cm厚混凝土封闭掌子面。c.导坑周边初喷4 cm厚混凝土，架立拱部型钢钢架，安装钢筋网及连接筋后复喷混凝土至设计厚度。

8)在滞后于⑤部2 m后，开始⑥部、⑦部的施作。

9)a.在滞后于⑦部满足一次仰拱模注长度后开始⑧部的施工，机械开挖，人工配合整修。b.隧底周边初喷4 cm厚混凝土。c.安设型钢钢架仰拱单元，并接长Ⅰ25临时钢架，复喷混凝土至设计厚度，使之封闭成环。

阌乡隧道双侧壁法各道工序具体作业流程与传统施工工艺相同(见图1，图2)。

图1 阌乡隧道双侧壁法立面布置示意图

图2 传统双侧壁法立面布置示意图

3 下穿段施工监控量测变形规律

3.1 地表沉降规律

地表监控量测点位的布设情况:纵向每隔5 m布设一量测断面，横向间隔5 m布设一个监控点位，每个里程断面共布设9个监控点位。

隧道地表监控量测资料表明:当隧道掌子面未开挖到该断面时，沿隧道开挖方向的地表各点已产生了沉降，开挖掌子面对前方土体的影响范围一般为0.5h～0.8h(其中:h为洞顶覆盖层厚度)，从布点至洞内掌子面到达地表观测点断面止一般下沉量为4 mm～10 mm。地表最终沉落量一般为洞内沉落量的110% ～140%，另外地表沉降时间主要取决于围岩情况，一般二衬施作完后75 d～100 d地表沉降趋于稳定。随着隧道的开挖，洞顶地表距隧道中线两侧0.5h～0.9h会出现一条贯通的裂缝，裂缝两侧会出现明显的错台，裂缝宽度为1 cm～2 cm。如果开挖暂停5 d以上，则对应掌子面的地表会出现一条细微的横向裂缝，与纵向裂缝连通成为怀抱式。地表的横向沉降曲线为一抛物线，距离隧道横向距离越大，沉降越小，在边缘处地表有隆起现象。

监控量测资料显示:开挖期间隧道内拱顶下沉趋势与地表下沉趋势基本一致。地表与洞内沉降时间差一般不超过2 h。

3.2 洞内拱顶下沉规律

洞内纵向布设点位与地表位于同一里程断面，横向3个洞室拱顶各布设一个监控点位。

隧道拱顶监控量测资料表明，侧导洞从掌子面开挖到侧导初支仰拱封闭期间，下沉量比较显著，平均3 mm/d～5 mm/d，之后下沉量逐渐减小，平均1 mm/d～2 mm/d。侧导洞下部2号，4号洞室落底及侧导初支仰拱封闭作业期间下沉量明显，平均为4 mm/d～6 mm/d。中间导坑5号洞室从开挖到施作大仰拱前下沉较为均匀，平均1 mm/d～2 mm/d，大仰拱开挖期间，下沉量比较明显，平均为4 mm/d～6 mm/d。仰拱施作完成后至中隔壁拆除期间，整个初支形成了封闭的受力结构，拱顶下沉趋于稳定，平均下沉量为0 mm/d～1 mm/d。中隔壁拆除后前3天下沉量比较明显，平均为2 mm/d，之后逐渐趋于稳定。整个开挖断面侧导下沉量比中间导坑下沉量大，中间导坑拱顶下沉量一般为侧导坑拱顶下沉量的64%～87%。

3.3 洞内收敛规律

洞内收敛观测点在侧导1号～4号洞室各布设一对量测点位。量测方法为全站仪无接触式量测。隧道监控量测资料表明，侧导的两个上部洞室收敛量较小，开累为5 mm～8 mm。开挖初期3 d～4 d内较为明显，随后每天的变化几乎都在1 mm以内。侧导2号，4号洞室施作后，布设的量测点位收敛量变化较为明显，2号，4号洞室从施作到侧导封闭前平均为3 mm/d～5 mm/d。施作侧导初支仰拱期间，收敛量最大，平均为6 mm/d～8 mm/d，其后逐渐趋于稳定。侧导下部洞室布设的收敛点开累收敛量为19 mm～33 mm。中隔壁拆除后整个断面收敛变形前3天较为明显，平均为2 mm/d，其后逐渐趋于稳定。

4 下穿段变形控制措施

4.1 控制开挖进尺及步长间距

根据围岩的稳定情况，下穿段1号～5号洞室开挖循环进尺均为一榀钢架间距即0.5 m。侧导初支仰拱开挖循环进尺严禁超过3榀钢架间距。仰拱的循环作业长度为5.2 m。通过监控量测数据表明:仰拱及时封闭是控制沉降的最有效手段。为此施工中应严控下列步距关系:

1)控制侧导初支仰拱的封闭，一般要求侧导初支仰拱距前方掌子面的距离小于5 m。

2)控制大仰拱的封闭时间，要求中间洞室大仰拱距5号洞室掌子面的距离小于17 m。

3)控制5号洞室距侧导初支仰拱的距离，一般要求封闭的侧导初支仰拱距5号洞室掌子面的距离为2 m～3 m，两者之间距离过小，势必导致侧导初支封闭期间下沉量增大，距离过大势必延长大仰拱的封闭时间。

4)控制二衬距最前方掌子面的距离，一般要求控制在45 m以内。

4.2 控制工序施工质量

建立隧道各工序的质量卡控表，使每道工序质量都处于受控状态，以质量保证隧道施工的安全和达到控制变形的目的。各道工序控制质量要求如下:

开挖:1号，3号，5号洞室掌子面核土面应尽可能的留大。1号，3号洞室底部临时横撑应采用掏槽法进行安装。

钢架安装:拱墙脚下垫槽钢纵向应连成一个整体，钢架应尽可能的贴紧掌子面的土体，钢架接头垫板应密贴，连接螺栓应上紧、数量足。同一榀钢架各单元拱架应位于同一里程断面内。1号，3号洞室底部临时横撑应紧跟核心土。

锁脚锚杆:

1)严控锁脚的下插角度，一般与水平面成45°角;

2)严控锁脚的施作长度和数量;

3)严控锁脚锚管的注浆饱满度;

4)锁脚与钢架的连接必须焊接牢固，锁脚锚杆施作质量的好坏对变形量影响较大。

喷射混凝土:

1)严控喷混凝土的密实度;

2)各洞室接头混凝土接槎部位的虚碴、浮土应清除干净;

3)临时钢架与主拱架的接点部位应加喷混凝土，该接点部位是应力较为集中的部位，也是施工最薄弱的地方，故而应通过喷射混凝土来补强。

临时支护:设计上主拱圈为双层支护，而临时隔墙为单层支护，通过前期的施工我们也发现，临时隔墙是引起变形的薄弱环节。因此施工中应严控临时隔墙的喷混凝土厚度。

加强对洞内施工用水的管理，严禁积水浸泡初期支护基础。

4.3 洞内初支补强

洞内初支补强采取的措施主要是:增加临时支撑的喷混凝土厚度;增加锁脚锚杆的数量;水平临时横撑满喷混凝土;加密钢拱架的间距;加打法向锚杆。

4.4 初支背后注浆

为了使地层与支护结构密贴，减小地层沉降变形，改善结构受力情况，在初期支护拱部背后进行压浆回填。第一层初期支护施工时拱部预埋φ42钢管，长0.5 m，环向间距3.0 m，纵向间距1.0 m，梅花形布置。注浆材料采用1∶1水泥砂浆，注浆压力为0.3 MPa～0.5 MPa，注浆孔喷射混凝土前应以编织袋封口，以免喷混凝土时堵塞注浆孔。初支背后回填灌浆应分期进行，第1期在开挖1号，2号洞室以后;第2期在3号，4号洞室完成后;第3期在5号～7号洞室完成后，第4期仰拱封闭成环完成以后，施作二次衬砌以前。

4.5 洞顶地表处理

隧道洞内施工前应对洞顶地表的冲沟、陷穴、人工洞穴、已探明的墓穴等及时进行夯填处理，并应完善地表的排水系统。另外施工过程中对于地表出现的裂缝应及时进行灌浆处理，防止雨水顺着裂缝下渗。

4.6 高速公路路面防护

路面防护主要是尽可能的减少车辆对初支结构的作用力。具体采取的措施:

1)对车辆进行限速，在隧道穿越高速公路轴线两侧500 m的位置设置减速及警示标语，现场安排高速交警24 h值班，进行强制限速;

2)对隧道穿越区段实行间断封闭半车道的方式通行车辆。

5 经验总结

1)小导管代替大管棚。大管棚施作时由于对围岩的多次扰动，导致控制沉降的实际作用不大，特别是采用跟管钻进法施工后管壁没有溢浆孔，导管四周存在空腔，虽然最后也要注浆，但由于塌孔等多种原因导致浆液注的饱满度较差。另外在开挖时大管棚只不过承受每榀开挖段(0.5 m～0.8 m)的荷载，两头都有围岩支撑，因此采用φ159 mm的大管棚也是不经济的。可以考虑采用小导管超前支护及其他辅助措施(如小导管背后背小木板)的综合应用以提高施工速度，降低造价，这样对工程来说才是最有益的。小导管开挖后可以立即施作，有效控制了沉降的应力变化，另外管棚施工周期长影响进度，增加了沉降的时间。

2)纤维锚杆的实际效果较差。纤维锚杆的作用本来是为了依靠注浆粘合开挖面土体，使锚杆和围岩粘结形成整体受力，但是在砂质黄土地层，注浆时浆液渗透效果极不理想，与土体粘结较差。相反纤维锚杆的打设扰动了土体，更容易造成塌方，而且拉长了工序的作业时间反而不利于控制沉降。

3)中隔壁喷混凝土35 cm后，拆除时较为困难，现场作业时可提前预留“弱点”以利于后续施工。可以在临时钢架与永久钢架连接处、竖撑与横撑连接处填塞空心砖，空心砖抗压强度大可以替代喷混凝土，拆除时用钢钎打碎即可，大大地加快了拆除速度。

4)临时支撑的加工弧度设计上与初支仰拱的拱架加工弧度不同，现场作业时，可将临时支撑的加工弧度调整为仰拱的拱架加工弧度，这样临时钢架拆下后可用于仰拱之中，便于临时钢架的回收利用。

5)合理划分各洞室的断面大小及钢架节点位置是加快施工进度的有效途径。1号，3号洞室由于作业空间的原因不能采用机械开挖，因此应尽量减小1号，3号洞室的开挖断面，适当增大2号，4号洞室的开挖断面，以利于加快施工进度。

6)设计上要求1号距3号的距离为10 m，3号距5号的距离为10 m，现场实际作业时，将1号与3号的距离拉近至2 m，步距调整后通过对量测数据进行分析，我们发现1号，3号步距拉近对地表的沉降影响极小，1号，3号步距拉近后，整个断面的成环时间可以提前8 d～10 d时间，反而大大地减小了最终沉落量。

[1] 杨建民.阌乡隧道施工图设计[Z].