中部引黄工程引水隧洞下穿高速公路超前大管棚施工方案研究

赵经纬

（山西省中部引黄工程建设管理局 山西太原 030000）

0 引言

中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设重要骨干工程之一，是山西省水资源合理配置和高效利用的基础性工程，是水利部“河湖连通”治水思路在山西的具体实践。工程主要由水源工程和隧洞输水工程两部分组成，规模为大（2）型，年引水量6.02亿m3，设计取水流量23.55 m3/s，泵站扬程200 m、总装机容量96 000 kW。中部引黄工程某隧洞在开挖过程中遇到与高速公路交叉的情况，需下穿忻保高速，如按常规钻爆法开挖方式施工，不可控因素多，易造成塌方、或对高速公路造成影响，存在极大安全隐患及风险，一旦出现问题，所造成的损失巨大，且难以弥补，因此，制定合理的开挖支护方案成为该段施工的难点。本文以山西省中部引黄工程该隧洞下穿忻保高速为例，简述了该隧洞与忻保高速的位置关系、分析并提出大管棚机械开挖施工方案，经现场施工证明，该方案安全可行，也可为同类工程提供相应的施工经验。

1 工程概况

1.1 隧洞与忻保高速公路位置关系

下穿忻保高速段为中部引黄工程某总干隧洞的起始端，该隧洞全长28.44 km。

1.1.1 平面布置

本工程输水总干线由北向南布置，忻保高速为两条平行的东西走向的公路。中部引黄工程该隧洞自忻保高速公路官地坪2#隧道进口与公路排水暗涵 (排水暗涵为南北方向)之间穿越。

中部引黄工程该隧洞设计为城门式洞型，与忻保高速公路右线交叉角为84.42°；与左线交叉角为79.28°，交叉段大管棚超前支护长约95m。如图1所示：

图1 隧洞下穿忻保高速公路段平面布置图

1.1.2 竖向布置

隧洞从忻保高速公路的下部穿越。隧洞洞顶在高速公路左线交叉段平均埋深为7.17 m，与高速公路右线交叉段平均埋深为7.35 m。

1.1.3 交叉断面设计

隧洞穿越段岩石洞段，采用城门洞形断面。衬砌后洞净宽5 m，净高5.5 m，直墙段高3.0 m，设计水深3.52 m，顶拱中心角180°，半径2.5 m，衬砌厚度0.4 m。

1.2 交叉段地质情况

隧洞穿越段覆盖层厚度6～10.3 m，从钻孔资料分析，基岩面上覆盖1～2 m厚第四系洪冲积卵石混合土，其余段全部为人工堆积物。下伏奥陶系中统上马家沟组中厚层灰岩，强风化厚度2～3 m。洞顶埋深5.52～11.12 m。该段引水隧洞围岩主要为奥陶系上马家沟组上段灰岩。隧洞洞顶处于强风化灰岩层中，局部也可能为覆盖层，成洞条件差。

1.3 水文地质条件

钻孔揭露存在层间水，终孔层间水水位埋深14.4 m，低于隧洞洞底。

1.4 交通状况

忻保高速公路正在通行运营中，行车流量大。

2 施工方案

依据设计和高速公路管理局等单位的要求，为减小隧洞开挖对山体边坡和既有路基的影响，施工总体方案如下：

1）根据设计要求，穿越忻保高速公路段隧洞段已经对高速公路路基进行了固结灌浆处理，经检测合格。

2）穿越段施工期间在隧洞与高速公路交叉处沿高速公路方向两端各1 km范围内设置警示牌，警示牌设置及管理由忻保高速公路路政大队负责。

3）穿越段隧洞施工时采用双层超前管棚支护配合机械开挖的施工工艺，坚持“管超前，短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则。

4）本文仅对超前大管棚施工进行探讨，其他措施做简单介绍。

2.1 大管棚设计

设计参数：

1）管棚规格：管棚为双层管棚钢管外径159 mm、壁厚8 mm，共72根，其中管棚外层37根，内层35根，总长度105 m，分三次施打，每次35 m，每次搭接5 m，两次搭接共计10 m。搭接形式如图2所示：

图2 管棚搭接示意图

因管棚打设设备需要工作面，每次施打管棚时需要对隧洞断面进行扩大扩宽，原隧洞开挖尺寸为宽5.24 m，高6.02 m，直墙段高3.4 m，顶拱中心角180°，半径2.62m，根据现场需要，将原隧洞开挖外扩1.32m，扩挖后洞宽7.88 m，高7.34 m，直墙段高3.4 m，顶拱中心角180°，半径3.94 m，开挖完成后，对扩挖段进行初期支护。首次扩大断面距离为7m；洞身施工为23m；第二次扩大断面为7 m，洞身施工为：23 m；第三次扩大断面为：7 m，洞身施工为35 m。

2）管棚连接方式：制作管棚的钢管进场时，尺寸为10～12 m，因隧洞掌子面操作空间狭窄，在管棚钻进过程中为方便施工将钢管加工成3 m，4 m不同规格进行连接，连接方式为在连接处的管棚内插入Φ140 mm、长度40 cm的钢管，并将接头处外圈焊接牢固，相邻管棚接头至少错开1 m。

3）提前在钢管上面布设注浆孔，孔径15～20 mm，孔间距环向15～17 cm、纵向间距30～60 cm，呈梅花型布置，管棚末端留不小于1 m的范围不打孔作为止浆段。

4）管距：环向间距31.1 cm；排距30.8 cm。

5）外插角：外插角 1°～5°。

6）注浆材料：水泥浆。

7）设置范围：拱部180°范围（起拱线以上部分），超前大管棚采用先成孔后装管施工方法。

2.2 大管棚施工

2.2.1 施作导向墙

1）大管棚的导向墙位于扩挖段前端，开挖时采用分段法开挖，先开挖起拱线以上部分，预留下部原状岩石。导向墙内埋设3榀I20a工字钢钢拱架支撑，纵向间距0.5 m，拱架底脚焊接22 cm×24 cm钢板作为平面支撑，增强拱架的支撑力，底脚设置Φ42、单根长2.5 m注浆锁脚小导管锚固，钢拱架之间用Φ20、环向间距1 m的纵向连接筋连接，保证导向墙的稳定性。导向墙位置在开挖轮廓线以外，断面尺寸为长×厚（1.0 m×0.84 m），导向墙内预埋 72根 Φ220×6 mm 导向管，导向管牢固焊接在钢架上下两侧，环向间距31.1 cm，内层导向管中心距开挖结构外轮廓25 cm，导向管预埋完毕后，对每根导向管进行编号，导向管外层挂设Φ8、150 mm×150 mm的钢筋网片，然后喷射C20混凝土至密实。

2）采用Φ220×6 mm钢管作为管棚的导向管，采用全站仪在工字钢架上定出其平面位置和外插角，导向管牢固焊接在工字钢上下两侧，防止喷射混凝土时产生偏移，焊接过程中控制外插角在1°～5°范围。导向墙加套管断面图见图3。

2.2.2 设置钻孔平台安装钻机

1）钻机采用履带式管棚钻机，钻机平台采用预留核心土结合碎石渣回填铺设至平台所需高度。

图3 导向墙加套管断面图 单位：mm

2）钻机施工平台铺好后，将钻机移至操作平台上，钻机要求与已设定好的导向管方向平行，精确核定钻机位置，反复调整，确保钻机钻杆轴线与导向管轴线相吻合。

2.2.3 导向钻进

管棚打设采取每间隔1个孔位跳打。施工前，技术人员对已预埋的导向管管位、角度进行认真复测，误差超限则进行调整；开孔定位，调试角度由专人负责，确保无误；钻孔设备采用履带式管棚钻机，钻杆从导向管中穿过，钻孔前，精确测定孔的平面位置、方向和仰角，并对每个孔进行编号，管棚分三次钻进，每次钻进35 m，共计105 m，每次搭接5 m，共两次搭接，共计搭接10 m。

2.2.4 方向控制与纠偏

水平钻进受钻具自重影响，钻具前端易下垂，为了减少纠偏的工作量，控制环状间隙的扩大，开孔定位时，内层管棚中心距隧道结构开挖外轮廓250 mm，保证棚管位置满足设计要求。钻进时保证钻机的横向稳定。

2.2.5 钻孔注浆

本下穿段钻孔注浆具体施工过程如下：

钻孔注浆分双层进行，按照先内后外的顺序进行。内外层间隔分序（外层奇数孔为1序，偶数孔为2序；内层偶数孔为1序，奇数孔为2序），层中分4段（第一段10 m，第二段10 m，第三段10 m，第四段5 m，第一段为开挖方向最前端）进行孔内阻塞循环渐进灌注施工。

灌浆压力技术指标见表1：

表1 灌浆压力技术指标

分段注浆采用孔内阻塞循环式对需灌孔进行灌注，每段间安装止浆塞，灌浆时进浆管管口与孔底距离不大于 50 cm，浆液水灰比采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四个比级的纯水泥浆灌注，开灌水灰比为3∶1。

灌浆压力和浆液浓度调整原则：

1）当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不应改变水灰比。

2）当某级浆液注入量已达300 L以上时，或灌浆时间已达30 min时，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比。

3）当注入率大于30 L/min时，可根据具体情况越级变浓。灌浆过程中灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因采取相应措施处理。

2.2.6 顶进钢管

钻孔成孔注浆完成后，用管棚钻机重新开孔，即把原孔内残余浆液清理干净，随后将钢管封闭，并随之安装Φ30的导浆管进行管内灌浆。

3 开挖支护与衬砌

大管棚施工结束后，开始洞身段机械开挖，开挖方式为上下台阶法。采用挖掘机配合液压岩石破碎锤开挖洞身，人工利用风镐进行周边轮廓修整。

支护方式采用I20a工字钢、间距30 cm、锁脚小导管为Φ42热轧钢管每榀拱架8根、钢筋网片采用Φ8钢筋，网格间距150 mm×150 mm，单层设置，喷射C20混凝土20 cm。

衬砌设计采用40 cm厚全断面C25钢筋混凝土衬砌。由于下穿段埋深较浅，穿越段衬砌混凝土紧跟初期支护，每循环5 m。

4 结语

中部引黄该隧洞下穿忻保高速洞段已顺利通过，监测数据显示该隧洞及高速公路路面未发生明显变形及沉降，公路运行未受影响，运用文中所述方法对隧洞进行超前大管棚施工，机械开挖、衬砌紧跟一次支护的施工方式，能够减少对上部结构扰动，尽可能减少对高速公路路基以及公路运行的影响，该方案的成功实施对其他同类工程具有一定的参考价值。