浅埋深引水隧洞下穿高速公路施工技术

□赵弟明

山西省中部引黄引水隧洞下穿忻保高速且埋深较浅，既要保证高速公路安全运行，又要保证输水隧洞安全开挖，在施工过程中坚持“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”原则，取得了较好的效果，现将实施情况逐一介绍，与类似工程建设进行交流探讨。

1.工程概况

山西省中部引黄工程是十二五规划大水网建设中一项重要工程，工程分为取水工程和输水工程，取水工程是从保德县天桥水电站库区取水。设计取水流量23.55m3/ s；水泵设计扬程200.00m；装机总容量9.60 万kW·h；输水线路总长384.50km，分为总干线，东干线和西干线，输水工程按取水工程自流向沿途各市县输送水源；工程规模为大（Ⅱ）型，等级为Ⅱ等。工程输水总干线由北向南布置，忻保高速公路为东西向。中部引黄工程总干2＃输水隧洞自忻保高速公路官地坪2#交通隧道进口与公路连接处排水暗涵之间穿越。

忻保高速为两条平行的道路，右线路宽12.25m，左线路宽12.25m，左、右两条道路中心间距约58.00m。左洞与暗涵中心之间距离19.41m，右洞与暗涵中心之间距离26.25m，暗涵宽3.80m 。

中部引黄工程2#输水隧洞设计为城门式洞型，中部引黄工程总干2#输水隧洞轴线距官地坪右线2#交通隧道进口最小距离为10.70m；中部引黄工程总干2#输水隧洞轴线距官地坪左线2#交通隧道进口最小距离7.70m；前后各考虑10.0m 的保护范围，交叉段桩号范围为总16+765.46（改）～总16+854.64（改），长约89.18m。见图1。

2.穿越段水文地质结构情况

中部引黄工程2#隧洞从忻保高速公路的下部穿越。忻保高速公路路面高程1032m 左右，穿越段输水隧洞洞顶埋深为6.00～11.60m，输水隧洞洞顶与高速公路左线最浅埋深为7.17m，与高速公路右线最浅埋深为7.35m。从前期路面钻孔资料分析，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；钻孔揭露存在层间水，终孔层间水水位埋深14.40m，低于2#引水隧洞洞底。

图1 下穿段简图

图2 开挖衬砌断面图

图3 高速观测点布置简图

图4 洞内观测点布置简图

3.具体施工方案

由于输水隧洞穿越段洞顶埋深较浅，主要覆盖层为忻保高速交通隧洞开挖石方弃渣，及原有的地面覆土层、风化表层，从前期就接触高速公路管理局的相关部门，在2012 年冬天未正式通车之前就进行了路面固结灌浆，虽经过高速通车后约4 年多的重车碾压，基本处于结构稳定平衡期，但由于要在其下面穿越，破坏其原有的稳定结构，所以安全风险极高。一旦破坏掉原有结构后，会造成随时塌方，造成交通中断，给高速公路造成无可估量的损失。

根据工程进度安排，穿越段实际于2016 年7 月开始正式穿越，并采取如下具体措施：

3.1 路基固结灌浆

提前对输水隧洞总干2#隧洞的总16+765.46（改）～总16+854.64（改）穿越忻保高速公路段高速公路路基进行地面钻孔固结灌浆处理施工，灌浆施工完成后采用地质雷达法对该段灌浆效果进行检测，检测结果显示路面以下岩体均较密实，判定结果为注浆效果较好，方可进行下一步隧道下穿工序。

3.2 双层大管棚超前支护

根据施工需要结合机械作业面等因素，在管棚施工时需要对断面进行扩宽，每次扩挖段长 度 为 7.00m， 宽9.38m。超前大管棚采用先成孔后装管再注浆的施工方法。具体施工工艺如下：

管棚规格：外径Φ159mm，壁厚8mm，长度105m，分3 次施打，每次35 m，每次搭接5m；管棚环向间距31.1cm，管棚环向排距30.8cm；外插角3°。设置范围：拱部180°范围（起拱线以上部分）。

导向墙施工。为保证管棚的施工角度及精度我们先期施做了管棚导向墙，在开挖轮廓线以外施作导向墙，断面尺寸为长×厚（1.0m×0.8m），导向墙要保证其基础稳定性，导向墙内预埋Φ 180 × 6mm 套 管，套 管 环 向 间 距31.10cm，导向管牢固焊接在工字钢上，最后用喷射混凝土回填。

管棚钻进。钻机采用履带式棚管钻机，钻机要求与已设定好的导向管方向平行。打设顺序由1 台钻机由里往外分段施工，采取每间隔1 个孔位跳打。

管棚安装。钻孔成孔完成后，随后装管入孔，并随之安装导浆管。

管棚注浆。安设孔口密封装置，开始注浆。浆液采用普通泥浆泵灌注。外层管棚选择体积比为1:1～1:0.8 的水泥—水玻璃双液浆，内层管棚选择1:1的M20 水泥浆，水泥选用P042.5 普通硅酸盐水泥。注浆压力控制在0.3～0.5MPa。

3.3 下穿段的开挖以及支护

由于下穿段埋深浅，结合高速管理部门相关意见，经过综合考虑下穿段采用机械破碎开挖加人工风镐修整施工工艺，严禁使用炸药。具体工艺如下：

洞身开挖。穿越段以齐拱线为界采用上下分层台阶法进行开挖。开挖时，上台阶首次掘进2m 后停止掘进，随后使用4cm 厚C20 混凝土封闭掌子面。在完成支护后，开始挖下台阶，先左后右法，每0.3 米一支护，如此往复。

初期支护。钢拱架的安装：在初喷混凝土终凝后进行钢拱架安装，采用20a 工字钢，钢拱架间距0.3m。为了增强钢拱架的支撑能力，钢拱架底部加设仰拱使拱架闭合成环，拱架弦高0.6 m，仰拱与两侧直墙段螺栓连接，仰拱内浇筑C25 素混凝土；锁脚锚杆的安装：锁脚锚杆加固钢拱架拱脚处，避免开挖时造成钢拱架失稳及影响岩体完整性，锁脚锚杆用Φ42mm、长2.5m 注浆锁脚小导管代替，安设角度为斜向下45°，每榀8 根；钢筋网的安装：采用Φ8钢筋，网格间距150×150mm，单层设置，网片搭接长度不少于1 个网格。安装网片在初喷混凝土终凝后进行；喷射混凝土：C20 喷射混凝土厚度为20 cm（即满喷包裹钢拱架）。先初喷混凝土厚度5cm，分段，分片，分层，由下而上进行，分段长度不大于4m。初喷在开挖后及时进行，为提高混凝土的附着力，可先喷一层水泥砂浆，待终凝后在喷射混凝土。

3.4 混凝土衬砌

按中部引黄输水隧洞设计要求，采用40cm 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5m，即在开挖及初期支护完成5m 后，立即做衬砌混凝土，待本段衬砌混凝土施工完成达到终凝强度后拆模，然后继续向前开挖。见图2。

衬砌混凝土采用小块组合拼装钢模板+满堂支架体系进行施工。

4.安全防护措施

穿越工程既要安全顺利实施，又要保证忻保高速正常运营，工程中做了以下防护措施：一是在总干2#输水隧洞与高速公路交叉处延高速公路方向两端各1km 范围内每隔100m 设置安全反光警示牌；提醒行车速度不大于20km/h。二是24 小时派专人值守，如发现沉降或路面开裂立即停止施工。三是地表沉降变形观测。在交叉段两条高速公路路面及中央隔离带分别布置地表变形观测点，每日定时观测，如有变化及时停止施工。最终根据观测记录查看，均无沉降变形。

观测路基变形情况。地表变形观测点埋设，见图3。

洞内收敛与沉降观测。总干2#输水隧洞在下穿忻保高速段属于Ⅴ级围岩，断面纵向间距采用5m，测点布置见图4。根据观测记录查看，基本洞内在前期收敛变形不大，约为1～2mm，后期混凝土紧跟后无变化。

5.施工控制要点

一是管棚施工时严格控制施设角度，同时注浆浆液必须充满钢管及周围的空隙并密实。

二是开挖过程中严格按照审核通过的机械开挖施工工艺，减小对高速公路路基的扰动。

三是严格控制进尺，每开挖一循环并尽快施作初期支护。做到“管超前、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”。

四是加强监控量测，及时总结围岩收敛情况，以便及时做出调整，确保施工安全。

五是二次衬砌的施工，必须严格按照实施方案及时跟进，不得让中间支护段大于5m。

6.结语

基于“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的施工原则，以中部引黄工程穿越忻保高速段为实际案例，验证了此项浅埋深引水隧洞下穿高速公路施工工艺的优越性、可靠性。施工结果表明：通过采用该工艺，此次输水隧洞下穿高速公路施工项目，在保障高速公路安全运行的前提下，尽可能地实现了减少工期、节约成本、各项指标符合标准等预期设计要求。该工艺具有经济、安全、高效、普适以等特点，除了可以为山西引黄工程项目的顺利实施提供的技术支撑外，还可为其他相关工程项目提供有益的借鉴和参考。□