浅埋暗挖在南水北调穿京石高速公路中的应用

张建强

(北京翔鲲水务建设有限公司，北京 100192)

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程为南水北调中线京石段应急供水工程北京段惠南庄—大宁段穿越京石高速路隧洞，工程完成后洞穿PCCP管。位置在京石高速公路出京方向长阳入口处，穿越处与京石高速公路斜交为79°接近正交，总长为69m。隧洞断面结构为两联单洞钢筋混凝土圆洞，开挖洞径 6.0m，一衬后洞径 5.4m，内穿 4m 的PCCP管，PCCP管道与一衬之间填充C15混凝土，厚度为42cm。两单洞平行布置，两管道中心间距10.85m，两洞结构净距为4.85m，结构顶至高速路面覆土厚度约5.2m，隧洞作为其穿越高速路的套管。

1.2 工程水文地质情况

暗挖隧道所处的地层比较简单，由上而下分别为:路面结构层0.8m，人工填土层1m左右，砂壤土层7.4～ 10.5m。砂壤土层以下为页岩砂岩互层，层底高程29.94～32.11m。隧道结构底板标高36.2m左右，隧道处于砂壤土中。地下水位较高，2006年春钻探水位为43.39m，冬季水位升高，年水位变幅2.0m左右，砂壤土具有弱透水性。

2 总体施工方案

鉴于穿越京石高速隧道在两端采用明开法施工，在穿越段的两端各做一个明挖放坡沟槽作为暗挖的工作坑，设马道通向地面作为施工通道。工作坑护坡采用土钉墙喷射混凝土护壁方式，马道坡度设置8%。

为了保证施工安全和控制路面沉降量，经专家论证采用单洞CD法对挖施工。先开挖左洞，贯通点设在高速路的中央隔离带位置，在对挖的两洞还剩1倍洞径贯通时，一侧的工作面停止开挖，封闭工作面，由另一侧开挖贯通。一衬结构完成后，在隧道内安装PCCP管道，然后回填C15混凝土。

3 进出口及大管棚施工

3.1 进出口洞脸施工方案

本工程浅埋暗挖工作基坑采取边坡支护措施，在洞口预埋格栅环梁，可有效地维护洞口的稳定性。在施工土钉墙时，将伸入隧道内的锚杆切断，并与格栅焊接。洞口采用土钉墙护壁，如图1所示。

3.2 大管棚施工

3.2.1 管棚作用

浅埋暗挖施工作业中大管棚有三个作用:

a.暗挖作业的超前支护措施。

图1 洞口布置示意图

b.由于其存在，洞口边坡更加稳定了，隧道跨度6m，两条隧道的管棚水平投影宽度在13m以上，相当于基坑总宽度的50%以上，对土体的下滑倾向产生了巨大的抵抗作用。

c.将大管棚与基坑防护土钉墙的钢筋网相连，可替代土钉，而且比土钉具有更大的抗拔力。

3.2.2 大管棚施工方法

本工程打管棚施工采用定向钻技术，保证管棚的走向精度。管棚单根长度69m，采用热轧钢管，外径φ108mm，壁厚6mm，环向间距300mm。为了确保管棚质量，采用有线导向仪，用楔板钻头，在钻头后面200mm的部位安装探棒，有线连接到操作台的显示屏上，可以随时监控孔内钢管的方位角和倾角。如有偏斜，可以采用楔板钻头顶进纠偏，终孔偏差可以控制在5‰以内。钻头示意图如图2所示。

图2 钻头示意图

长管棚从西侧向东一次打全长，为防止注浆时从另一侧漏浆，东侧基坑开挖深度至结构顶部1.5m位置(即高程44.213m处)，待管棚完成后再向下继续开挖，西侧洞脸开挖深度到7.23m(隧道半径180°范围)。

钻孔采用跳孔方式，隔二钻一，注浆时也用跳孔方式，防止串浆。大管棚注浆采用水泥水玻璃双浆液，注浆会对管内及管外环状间隙进行充填。当注浆压力增大，浆液注入量变小时，停止注浆。注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩后，进行第二次补浆，为使管棚填充密实，浆液可采用内掺外加剂的微膨胀浆液。

4 初衬施工方法及技术措施

4.1 浅埋暗挖施工方法

本隧道虽然开挖跨度较小，但为保证高速公路的绝对安全，采用CD法施工，每处暗挖面适合于台阶法施工，具体施工顺序如下表所示:

CD法施工方法及步骤表

4.2 小导管施工

超前小导管注浆施工内容主要包括封闭工作面、钻孔、安设小导管、注浆、效果检验等工序。

小导管采用φ32mm热轧无缝钢管，导管长2.25m，前端加工成锥形(25°～30°)，小导管中间部位钻φ6～8mm溢浆孔，每排4孔，交叉排列，孔间距10～20cm。小导管呈梅花形打设，间距30cm，端头花管0.5m，末端焊φ6环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管连接。

小导管仰角21°～23°，导管长2.25m，小导管注浆选用水泥水玻璃双浆液，胶凝时间0.5h，浆液扩散半径不应小于0.3m，在外轮廓线形成不小于0.8m的加固圈，注浆压力由现场试验确定，一般为 0.1～0.4MPa，超前小导管顶入钻孔长度不应小于管长的90%。

4.3 浆液配制

本工程小导管注浆及大管棚注浆材料均采用水泥水玻璃双浆液，其中单液水泥浆水灰比为1∶1，双浆浆液体积比为1∶1，浆液按以下方法配制:

水泥浆配制应在搅拌机内进行，其投料顺序为:在放水的同时将缓凝剂加入并搅拌，待水加至设计量后，继续搅拌1min，然后投入水泥再进行搅拌。配制1m3单液水泥浆(水灰比 1∶1)用水 0.75m3，水泥用量约750kg。

水玻璃的稀释:采用边加水边搅拌边用波美计测量的方法进行，亦可用计算方法，先算出加水量，然后加入水搅拌均匀。

式中 d原，d配——分别为原水玻璃和预配水玻璃的比重，水玻璃比重与波美度的关系为

V水、V配、V原——分别为加水、原水玻璃和预配水玻璃的体积。

例如:将水玻璃be'40稀释成be'35的浆液，根据以上公式稀释1m3水玻璃应加水165L，原水玻璃用量835L。浆液的配制根据现场开挖土质情况随时做相应的调整。

4.4 初期支护喷射混凝土

初期支护喷射混凝土在每步开挖后及时进行，缩短开挖面暴露时间，使其与工作面围岩密贴。喷射混凝土作业时，喷嘴与受喷面应垂直，根据风压的大小喷嘴与受喷面保持0.6～1.0m的距离。喷射混凝土应分段、分片、分层，从下向上顺序进行，按螺旋轨迹及时均匀分层喷射，后一层应在前一层终凝后进行，但不得超过1h。喷射混凝土采用潮喷工艺，要求满足《锚杆喷射混凝土支护技术规范》有关规定。

4.5 初衬背后回填注浆

因喷射混凝土施工工艺限制，初衬背后存在空洞和间隙，为减小地表沉降，需对初衬背后进行注浆充填。在喷射混凝土前预先在拱部埋设注浆导管，在喷射混凝土达到70%强度后开始回填灌浆，灌浆紧随开挖工作面向前推进。

初衬背后回填注浆浆液采用水泥浆，回填灌浆应跟随开挖工作面，并距开挖工作面5m的地方进行。注浆压力控制在0.2～0.3MPa，在达到规定的压力下，灌浆孔停止吸浆，延续灌注5min即可结束。注浆导管采用φ25无缝钢管，长度为700mm，外露200mm，环向间距2m呈梅花形布置。根据监控量测结果调整注浆间隔、次数及注浆压力。灌浆结束后，应对往外流浆或往上返浆的灌浆孔进行闭浆待凝，待凝时间不少于24h。灌浆时应密切监视衬砌混凝土的变形，必要时采取相应措施。

回填灌浆的浆液水灰比按施工图纸的要求确定，一序孔可灌注水灰比0.6(或0.5)∶1的水泥浆，二序孔可灌注1∶1和0.6(或0.5)∶1两个比级的水泥浆。孔隙大的部位应灌注水泥砂浆，但掺砂量不应大于水泥重量的200%，水泥标号为P.O42.5，砂子粒径不应大于2.5mm，浆液可采用内掺外加剂的水泥砂浆。

若回填灌浆因故中断时，应及早恢复灌浆，中断时间大于30min时，应设法清洗至原孔深后恢复灌浆，若此时灌浆孔仍不吸浆，则应重新就近钻孔进行灌浆。灌浆结束后，应排出钻孔内积水污水和污物，采用浓浆将全孔封堵密实和抹平，露出初衬混凝土表面的埋管应割除。

5 结语

本工程采用大管棚及小导管超前注浆施工，CD法暗挖施工减少开挖跨度，隧洞工程完工后京石高速路面沉降控制在13mm以内，满足京石高速路面的沉降量控制在20mm以内的设计要求。在确保京石高速公路安全畅通的前提下，使得隧洞施工顺利进行，保证了南水北调中线工程(北京段)如期通水试运行。实践证明，大管棚及小导管超前注浆在砂壤土质等恶劣和特殊条件下隧洞施工中的应用是成功的。随着隧洞工程在国内开展的增多，希望能进一步改进和完善施工技术，不断推动隧洞工程安全施工的发展。

王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.安徽:安徽教育出版社，2004.