水工隧洞下穿公路设计方案优化

2017-09-20范彩娟

山西水利 2017年8期

关键词：工字钢隧洞间距

范彩娟

（山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原 030002）

水工隧洞下穿公路设计方案优化

范彩娟

（山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原 030002）

受通行公路动载影响，为保证水工隧洞下穿公路施工安全，结合辛安泉供水改扩建工程长治支线隧洞下穿省道S225施工案例，经围岩压力计算及钢拱架受力验算，采用超前支护及加强初期支护对原设计方案进行了优化，确保了下穿公路隧洞施工安全。

钢拱架；锚杆；喷射混凝土；超前小导管

1 工程概况

辛安泉供水改扩建工程是山西省“十二五规划”大水网建设中的一项重要工程，辛安泉供水改扩建工程地处长治市，工程主要供水对象为黎城县、平顺县、潞城市、屯留县、长治市市区、长治市郊区、长治县和壶关县共8个县（市、区），供水任务为长治市8个县（市、区）提供城乡生活、工业用水和农业灌溉用水。工程年供水量1.58亿m3，设计流量5.0m3/s，工程等别为Ⅲ等。

辛安泉供水改扩建工程长治支线隧洞起始里程为CZ21+998.87—CZ28+583.34，总长6.58km。隧洞进口正交下穿省道S225，交叉处省道里程为6+430，隧洞下穿里程CZ22+058.7—CZ22+078，下穿长度为19.3m，拱顶距离路面埋深9.6m。

2 原设计方案

下穿省道S225里程CZ22+058.7～CZ22+078段位于隧洞进口土洞段，该段土质为低液限粉土，局部为级配不良砂、级配不良砾透镜体，结构松散，土质均匀。原设计支护参数为：喷射C20混凝土厚15cm，Φ8钢筋网，网格尺寸为150mm×150mm。围岩破碎时增设Φ42超前注浆小导管加I14工字钢架支护。衬砌为35cm厚C25钢筋混凝土，衬砌净空2500mm×3035mm。

3 优化方案

为保证隧洞安全顺利通过省道S225，对原设计支护参数进行优化，超前支护采用Φ42注浆小导管，初期支护采用I20a工字钢架（纵向间距0.5m）、Φ8钢筋网、Φ25砂浆锚杆及26cm厚喷射混凝土联合支护。并且在基底增设I20a水平横撑，26cm厚喷射混凝土基底固结。同时在保证衬砌厚度35cm不变的情况下，在CZ21+998.87—CZ22+085段增大隧洞净空断面至3000mm×3305.63mm。

按照优化后的方案进行隧洞初期支护受力验算。3.1 围岩压力计算

由于2B=9.0m＜9.6m（B表示隧洞宽度，m），且周围围岩压力为松散荷载，在验算过程中，其垂直均布压力和水平分布压力可按下列公式计算：

3.1.1 垂直均布压力计算

式中：q——垂直均布压力，kN/m2；

γ——围岩重度，kN/m3，取值18；

s——围岩级别；

ω——宽度影响系数，ω=1+i（B-5）。

i——B每增减1m时的围岩压力增减率，以B= 5m的围岩垂直分布压力为准，当B＜5m时，取i=0.2；经计算，垂直均布压力q为109.382kN/m2。

3.1.2 水平均布压力计算

因H/B=1.073＜1.7，无偏压，根据表1可得水平均布压力e为54.691kN/m2。

表1 围岩水平分布压力单位：kN/m2

3.2 钢拱架受力验算

本隧洞采用I20a工字钢，查表得工字钢相关参数，横截面积A=35.5cm2，抗剪强度fv=125N/mm2。按照均布压力进行验算，可将q对钢结构的作用力视作为垂直于钢拱架面进行验算。

钢结构的抗剪强度按照公式：F=fvA计算，取0.95的安全系数后，计算得F=421.56kN。

单位剪应力Q（每平米垂直均布压力）和E（每平米水平均布压力）均小于F。

3.3 结论

通过上述分析，钢拱架能够满足围岩应力要求，保证上方公路通行安全，再施做超前支护和挂网喷锚后，安全系数将进一步加大。

4 方案实施

4.1 超前支护

超前支护采用Φ42注浆小导管，壁厚4mm的无缝钢管。间距为40cm×200cm（环向×纵向），长度为3.5m。

注浆材料为纯水泥浆液，注浆参数经现场试验确定，小导管外插角度3°～5°,外露部分应与钢拱架焊接牢固。

4.2 开挖

采用人工手持洋镐、铁锹等工具配合小型挖掘机开挖，个别孤石采用弱爆破法处理。每次开挖距离不超过0.6m。开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设I20a工字钢，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，拱脚锚管和钢架牢固焊接，再复喷混凝土至设计厚度。

4.3 初期支护

钢筋网：钢筋网采用φ8钢筋混凝土制作，网眼大小为150mm×150mm。安装时应随高就低紧贴初喷面，搭接长度不小于200mm，钢筋网与钢拱架之间焊接牢固。

系统锚杆：系统锚杆采用Φ25砂浆锚杆，长3.0m，间距为100cm×50cm（环向×纵向）。锚杆尾端与钢拱架焊接牢固。

钢拱架：钢拱架采用I20a工字钢加工，纵向间距50cm。采用φ22钢筋连接，环向间距为1.0m，内外交错布置。安装好的钢支撑在拱脚处每侧各打2根3m长的φ25锁脚锚杆（每榀拱架共8根），将钢支撑固定牢固。底板采用I20a工字钢作为水平横向支撑。

喷射混凝土：隧洞拱部、边墙及底板喷射混凝土采用C20混凝土，厚26cm。

4.4 二次衬砌及铺底施工

开挖后根据监控量测数据及时进行二次衬砌施工。衬砌采用组装钢模、混凝土搅拌运输车运输、泵送混凝土灌注，振捣器捣固，混凝土浇筑要左右对称进行，防止偏移。铺底采用小型栈桥施工。

衬砌及铺底均采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度为35cm。衬砌主筋为Φ25钢筋，纵向间距20cm。

5 技术保证措施

一是隧洞开挖施工坚持“不爆破(弱爆破)、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。二是加强开挖测量放线作业，严格控制开挖超欠挖及开挖进尺。施工时设备操作人员相对固定，以利于开挖成型质量。三是架立钢拱架时，拱脚严禁置于虚渣上，高度不够时应用木板或钢板垫实；钢架与初喷混凝土之间尽量贴紧，如因开挖造成凹凸不平，并有较大间隙时，用Φ25钢筋支撑于岩面，严禁用片石和木材填塞；钢拱架架立尺寸横向及纵向误差不得超出±5cm，拱顶高程不得低于设计标高，垂直度误差不得超过±2°；两节拱架之间采用M22螺栓及螺母连接，螺母必须拧紧；相邻两榀拱架之间采用φ22钢筋连接，焊接牢固。拱架架立好后，立即在拱脚两侧打设锁脚锚管，固定钢拱架，每个拱脚处打设两根，与拱架焊接牢固。四是注浆小导管注浆饱满，确保土层固结良好，确保施工安全。五是施工过程中加强技术交底工作，严格落实交底方案施工，加强工序衔接，降低开挖后土层裸露时间，及时支护。及时跟进铺底，并根据监控量测数据及时施做二次衬砌。六是加强地质超前预报工作。采用地质超前探孔，及时了解开挖前方地质围岩状况，并随时作出开挖支护方案调整。