鄂北地区水资源配置工程穿公路段浅埋隧洞开挖与支护施工技术要点

熊萍 包喆 黄震宇

摘要：为研究水利工程中浅埋段隧洞结构的稳定性，以鄂北地区水资源配置工程为例，探讨了大管棚支护方式在浅埋段隧洞施工中的应用，并对其施工技术要点和施工工艺进行了介绍。该技术在浅埋隧洞开挖支护、二衬施工等方面均起到较好的保护作用，保证了运行过程中洞室稳定性，也避免了塌方、冒顶等不良地质现象的发生。相关技术成果可为今后类似工程提供施工经验参考。

关键词：穿公路段浅埋隧洞;大管棚支护;隧洞开挖;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.006

Abstract： In order to study the stability of shallow buried tunnel structure in water conservancy project， taking the North Hubei Water Transfer Project as an example， the application of large pipe shed in the shallow buried tunnel is discussed，and the technological points and construction technology are also introduced. The application results showed that the construction technology played better role in protecting the stability of the tunnel in the processes of excavation support， secondary lining construction and operation， and avoided the occurrence of adverse geological phenomena such as collapse and roof fall. The corresponding research results can provide valuable construction experience for similar projects in the future.

Key words： shallow tunnel passing through highway section;big pipe shed support ;tunnel excavation; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）从湖北省丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，以解决鄂北地区干旱缺水问题。工程主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽、节制闸、分水闸、检修闸、退水闸、放空闸阀、排洪建筑物及王家冲水库等组成，工程规模为Ⅱ等大（2）型，主要建筑物级别为2级或3级，次要建筑物为3级或4级。

鄂北工程线路总长269.67 km，沿线建筑物类型较多，且有多处建筑物与其他建筑物（诸如公路、水塘等）交叉。以2016年8标歪寨隧洞为例，隧洞全长6 140 m，其中桩号184+640～184+790段长150 m，属于V类围岩，该段隧洞下穿S49省级公路和稻田冲沟，穿省道处洞顶埋深15 m，省道边还有一口深14 m的水井在隧洞施工范围内;穿稻田冲沟处洞顶埋深仅8 m，且距隧洞轴线150 m范围内还有6户民房。在多项限制条件下，如何既保证洞内施工安全，又保证洞外交通和民房安全，成为此隧洞在开挖与支护过程中需要着重考虑的问题。歪寨隧洞184+640～184+790穿公路浅埋段示意见图1。

2 地质条件

歪寨隧洞184+640～184+790段属于V类围岩，极不稳定。围岩为绢云钠长片岩，呈强风化～弱风化状，上覆盖岩体厚2～10 m。岩体微透水，洞身有断层通过，岩石强度为软岩，岩体完整性差，结构面状态平直粗糙，裂隙宽度1～5 mm，有渗水或滴水现象。

3 加固措施

184+640～184+790段拱顶120°范围内做150 m超前大管棚，分成6×30 m节施工。每节套拱采用C25混凝土浇筑，套拱长2 m，宽6.59 m，预埋Φ133导向管，导向管参数为：δ=6 mm，L=2.0 m，环向间距0.4 m;每节管棚采用Φ108钢花管，δ=6 mm，环向间距0.4 m，仰角1°，L=30 m，搭接长度5 m。每节套拱浇筑完成后，在套拱前2 m范围内拱顶适当扩挖50 cm作为钻机架设和工作空间。

184+640～184+790段系统锚杆采用Φ22，L=3.0 m的锚杆，间排距1.0 m，呈梅花形布置，喷射20 cm厚C25混凝土，挂Φ6.5钢筋网片，钢筋网间距15 cm，洞身采用I18钢拱架，拱架间距0.5 m，每榀拱架左右底脚各布置1根Φ22，L=4.5 m锁脚锚杆，与钢拱架焊接牢固;底部仰拱布置I18钢拱架，间距0.5 m，喷20 cm厚C25仰拱混凝土。套拱前2 m范围内拱顶扩挖部分采用C25喷射混凝土补平。 支护横剖面及纵剖面见图2～3。

4 施工过程控制

歪寨隧洞184+640～184+790段按照“套拱扩挖→钢拱架→导向管→套拱结构钢筋→套拱混凝土浇筑→钻孔→安装钢管→管棚注浆→管口封堵→超前支护→钻爆开挖→钢拱架→锚喷支护→下一循环管棚施工”的顺序组织施工。

4.1 管棚施工

管棚施工是目前下穿地面建筑物隧道施工中常用的一种方法。在管棚施工前将洞内开挖面扩挖、排险，除去揭露的破碎岩石，在开挖面套拱下环向预留核心土做钻机平台，并稳固前方开挖体。

4.1.1 管棚参数

（1）导向管。导向管参数为Φ133 mm×6 mm，长度2 m，环向间距0.4 m，倾角1°，每环17个。

（2）管棚钢管。热轧无缝钢管Φ108 mm×6 mm，环向间距0.4 m，仰角1°，总长150 m（每环有效长度6×25 m，搭接长度为5 m）。

（3）隧洞纵向每一横断面的钢管接头数不大于50%，相邻钢管接头错开。

4.1.2 管棚加工制作

管棚采用3 m和6 m两种长度，用15 cm长丝扣直接对口连接。钢管管壁加工注浆花孔，孔径Φ8 mm，排距按10 cm设置，每排2孔，呈梅花形排列。前段做成15 cm的尖锥形，尾端3 m不做钻孔。第一节钢管交替采用3 m和6 m两种长度钢花管，其余节数均采用6 m钢花管。

4.1.3 套拱施工

混凝土套拱作为长管棚的导向墙，在开挖廓线以外拱部120°范围内施作，套拱内埋设5榀I18钢拱架（间距0.5 m）进行支撑，钢拱架与每环的17个导向管焊接成一个整体，套拱长度为2 m，以保证其基础稳定牢固。

套拱内预埋Φ133钢管作为管棚的导向管，安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚质量。用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置;用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角;用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，以防浇筑混凝土时产生位移。

套拱采用C25混凝土进行浇筑，模板安装和浇筑过程严格按照规范执行，做好导向管防护工作，避免混凝土侵入堵塞管道，混凝土浇筑并养护一定时间后再进行下道工序。

4.1.4 钻孔施工

钻机平台充分使用未挖出岩石为基础，增加适量脚手架来搭设钻机平台，钻孔由1～2台钻机以高孔位向低孔位进行。平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止钻机在施钻时产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。要求钻机与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

钻机开钻时，应低速低压，待成孔3 m后可根据地质情况逐渐调整钻速及水压。钻进过程中，经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的狀态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的偏差。钻进过程中，须确保扶正器、合金钻头按同心圆钻进;认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，用于指导洞身后续开挖。用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。用高压风从孔底向孔口清理钻渣。

4.1.5 管棚钢管安装施工

棚管顶钻进采用装载机和管棚机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔（Φ127 mm），然后用千斤顶配合人工操作顶进钢管。接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1 m。

4.1.6 管棚注浆施工

根据实际施工地质条件，管棚施工时采用一次全钻孔注浆，当岩石破碎裂隙发育时采用前进式注浆，即钻孔一段注浆一段，一直循环至注浆中孔。岩石裂隙不够发育，岩层稍好可采用后退式注浆，即一次钻孔到注浆孔深，再从孔底利用止浆塞分段压浆后退至孔口。注浆材料为纯水泥浆液，水灰比为1∶1 。

注浆前先进行注浆现场试验，通过试验确定具体注浆参数。采用注浆机将浆液注入管棚钢管内，初压0.5～1.0 MPa，终压2 MPa，浆液扩散半径不小于0.5 m，持压3～5 min后停止注浆，注浆结束后立即清除管内浆液，并用水泥砂浆紧密充填，以增强管棚的刚度和强度。管棚注浆要分I、II序孔间隔注浆，保证注浆质量，以更好地固结岩石。注浆量应满足设计要求，一般为钻孔圆柱体体积的1.5倍;若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。

4.2 洞挖施工

歪寨隧洞184+640～184+790段洞挖遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，采取上、下半洞台阶式开挖，循环进尺控制在1 m以内，在开挖过程中严格按照“一掘一支护”的原则组织施工，开挖后及时进行初期支护。

根据实际地质条件，开挖断面、开挖循环进尺等要求，采用光面爆破和预留光爆层爆破技术相结合的开挖方式，达到减少爆破振动、降低噪音、使围岩成形圆顺的目的[1]。

4.3 锚杆施工

钻工在支护工作台架上，用气腿钻造孔，钻孔方向应垂直结构面或与设计要求的角度一致，钻头直径大于锚杆直径15 mm以上。成孔后采用高压风清孔，对于部分孔内粉泥，宜用高压水冲洗，再用高压风冲洗孔内的水。

用钢筋切割机将锚杆加工成需要的长度。锚杆杆体必须调直无缺损、无锈、无杂物，所有锚杆均应设钢垫板。

锚杆安装允许偏差应符合以下规定：？①锚杆孔的孔径应符合设计要求;②锚杆孔的深度应比锚杆长度大10 cm;③锚杆孔距允许偏差为±15 cm;④锚杆插入长度不得小于设计长度的95%。

4.4 钢拱架施工

钢拱架的施工程序为：岩面清理→锁脚锚杆施工→钢拱架安装→钢楔紧固→钢筋网片安装[2]。

钢拱架安装应在洞挖施工前，按照施工方案预定的规格、数量加工制作备用，其联结钢板、螺栓螺帽、钢楔等亦准备到位。在岩石破碎地带使用钢拱架时，先要对围岩进行随机锚杆和初喷射混凝土支护，以保证钢拱架安装作业人员的安全。

（1）钢拱架安装前，应处理岩面欠挖，清理岩面浮石及墙脚堆积物。

（2）采用气腿钻打锁脚锚杆孔，锚杆孔位置按钢拱架的间距及分段长度确定。锁脚锚杆由人工安装，药卷锚固。

（3） 钢拱架安装在装载机的配合下由人工进行，钢拱架分段间采用联结钢板螺栓连接牢固。钢拱架与围岩间空隙采用钢楔楔紧，应使其基本与围岩密贴。钢拱架与锁脚锚杆和钢楔等焊接，要求焊接牢固，钢拱架不移位，焊接完成后，每榀钢拱架间用连接钢筋焊接成整体。

（4）钢拱架安装完成后，立即在顶拱钢支撑上焊接细钢筋网片，防止顶拱掉块，同时进行超前锚杆施工。

（5）钢拱架安装后，尽快进行喷混凝土作业，并全部覆盖。喷射混凝土时，先从拱脚或墙处向上喷射，以防上部喷射料虚掩拱脚（墙脚）不密实，造成强度不够，拱脚（墙脚）失稳。

4.5 喷射混凝土施工

洞内喷射混凝土施工均采用湿喷法作业。喷射施工前应清理受喷面，清除开挖面浮石、石渣或堆积物，挖除欠挖部分，用高压风水枪冲洗受喷面，对于潮湿的泥化岩石，采用高压风清扫岩面。对土质边坡，则将边坡整平、压实。 受喷面验收合格后，在锚杆上设立喷厚标志，对受喷面渗水部位，可采用埋设导管、盲管或截水圈作排水处理[3]。

喷射混凝土采取分段分片从下至上进行，喷射时，喷头要与受喷面垂直，距离不大于1.0 m，呈“S”形运动。混凝土喷射厚10 cm以上的部位，喷射施工分层进行，每层喷射厚3～5 cm。混凝土终凝到下一循环放炮时间控制不小于3 h。喷射混凝土终凝2 h后开始洒水养护，7 d内使喷射混凝土表面处于湿润状态。通过预埋钢筋作喷混凝土厚度标志或钻孔检查，由肉眼检查评价外观质量。

4.6 小導管施工

小导管沿开挖轮廓线单排布置。孔距为50 cm，外插角10°，每排17根，搭接长度不小于100 cm，每2榀钢拱架施作一循环。小导管由管外径Φ 42 mm、壁厚4 mm的热扎无缝钢管加工制成，前部钻注浆孔，孔径Φ 6 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置4排。前端加工成锥形，尾部长度50 cm。将加工好的小导管插入已钻好的眼孔，为充分发挥小导管的支护作用，将小导管尾部焊接在已架好的型钢支撑上。

注浆采用水泥-水玻璃双液注浆，水灰比为1∶1（重量比），注浆压力初始为0.5 MPa，在注浆压力达到1 MPa时结束注浆。注浆采取从低孔向高孔位，根据设计的注浆参数，从注浆压力、注浆量和注浆时间上来判断是否结束注浆。具体可分以下几种情况：①当注浆压力接近或达到终压（0.5～1.0 MPa）时，结束注浆;②当注浆压力超过或达到终压的80%时，出现较大跑浆，经间歇注浆后也可结束注浆;③当注浆量达到或超过设计注浆量，孔口管出现冒浆现象时可以结束。水泥净浆注浆完成且注浆压力稳定后，以1∶1的水泥砂浆将小管棚灌注并捣实，其尾端必须与钢架焊接，以保证超前支护能够更好地发挥作用。

5 结 语

通过在歪寨隧洞穿公路浅埋段施工中采取上述加强措施，整个开挖支护过程顺利，无塌方、冒顶等现象发生，安全高效地完成了该段的开挖支护施工。隧洞开挖过程中，洞内安排收敛变形、沉降变形观测，洞外安排公路、冲沟沉降观测，监测数据显示洞内洞外基本无异常，状况良好。目前，该段已全面完成混凝土二期衬砌。

歪寨隧洞浅埋段采用大管棚支护方式，对隧洞结构稳定起到一定积极作用，保证了该段隧洞开挖支护及二衬过程的顺利进行，也可为类似浅埋段或穿越建筑物隧洞施工提供参考。

参考文献：

[1] 吕广进. 浅析高速公路隧道开挖中爆破技术的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版），2014（29）：1169-1170.

[2] 储成洲，徐冉. 浅议水利工程水坝混凝土施工技术[J]. 建筑工程技术与设计，2016（11）：399.

[3] 郭太雷. 锚喷砼加固水库边坡的施工[J]. 农业科技与信息，2013（15）：59-60，61.

（编辑：唐湘茜）