下穿高速公路安全施工技术研究

摘要：三南铁路温泉隧道下穿綦万高速公路,以此提出超浅埋隧道安全施工技术,即在隧道下穿施工前,采取大管棚超前支护，隧道下穿时洞身采用三台阶七步预留核心土弧形法机械开挖、利用满铺钢栈桥加强高速公路路面防护，同时根据路面下沉监测及洞内监控量测反馈信息指导施工，并采取限速、封闭施工区域行车道等交通管制措施，实现超浅埋隧道安全穿越既有高速公路。

关键词：下穿高速；机械开挖；大管棚支护；路面防护；下沉监测；交通管制

一、工程概况

三南铁路温泉隧道位于重庆市綦江区，全长1714m。隧道于DK17+928～+965段（长度37m）下穿綦万高速公路，对应高速公路里程为GK25+930～GK25+950段，两中线交角约86°。隧道拱顶至高速公路路面净距约为4m，高速公路路面单幅宽度为8m，纵坡约为20‰，横坡为4%，为双向四车道沥青路面。

二、工程难点分析

下穿高速段隧道埋深仅有4m，属超浅埋隧道，隧道施工中必须确保高速公路的正常运营安全，要求地表不得沉陷，这是施工中一大难点。洞身下穿段地质为〈12-1〉T1灰岩，岩层属W2弱风化，普通爆破开挖对隧道及高度公路路面安全影响较大，塌方风险较高，且爆破震动对路面车辆通行不利，如何选择开挖方案是施工中另一难点。

三、施工方案

1.总体施工方案。隧道超前支护利用Φ108大管棚，长40m，每环20根，环向间距40cm。采用预留核心土三台阶七步机械开挖。初期支护采用I20a工字钢及锚网喷；初喷后挂设Φ6钢筋网片，网片规格20×20cm。钢架纵向间距50cm，每榀钢架设置8根Φ22锁脚锚杆，长度3.5m；拱墙部位设置3m长Φ22系统锚杆，间距距0.8m×1m；喷混厚度25cm，采用C25耐腐蚀砼。为确保施工期间既有高速公路运营安全，对既有单幅公路满铺钢栈桥，并设置洞内及地表监测网，隧道开挖过程中加强监控量测，并采取必要的交通管制措施。同时合理安排施工时间，将开挖施工安排在凌晨车流量较少的时段进行。2.超前大管棚施工。第一，钻孔施工。钻孔施工时，以外插角1～3°进行钻孔，达到设计深度（比设计长0.5m）后，钻机退回原位，进行扫孔。第二，安装管棚钢管。管棚钢管采用φ108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管。长40m，节间用丝扣连接，接头在横断面上错开。单序孔最后一节4m，双序孔第一节4m，其余管节长均为6m。第三，注浆。钢管安装完毕后，对地层进行注浆，注浆前封闭掌子面及孔口，以防孔口冒浆。注浆采用分段注浆，浆液扩散半径不小于0.5m。压注水灰比为1：1的水泥砂浆，注浆压力控制在0.5～1Mpa左右。3.三台阶七步机械开挖（见图1）。下穿綦万高速公路（Ⅴ级围岩）段隧道采用三台阶七步法（弧形预留核心土）短台阶开挖施工，施工中严控循环进尺（最大不超1m），及时封闭掌子面，加强初期支护和施工量测，严控围岩变形。具体施工方法为：第一，上部弧形导坑开挖，开挖①部→施作①部周边初期支护（喷混、挂网、立架、钻锚杆）。第二，左、右中台阶开挖：在滞后于①一段距离后，开挖上台阶核心土⑥-1段及②、③部（左右台阶错开2～3m）→施作②、③部初期支护（喷混、立架、钻锚杆）。第三，左、右下台阶开挖：在滞后于②、③一段距离后，开挖中台阶核心土⑥-2段及④、⑤部（左右台阶错开2～3m）→施作④、⑤部边墙初期支护（喷混、立架、钻锚杆）。第四，下台阶预留核心土：待④、⑤部开挖一段距离后，开挖下台阶核心土⑥-3段。第五，隧底开挖：开挖⑦部，每循环进尺2m→及时施作⑦部仰拱初期支护（喷混、立架），使初期支护及时闭合成环。为控制围岩扰动及对行车影响，开挖采用机械开挖，严禁钻眼爆破。4.初期支护施工。根据新奥法施工原理，在隧道开挖后，适时地施作初期支护，以发挥围岩的自稳能力，本隧道采用锚杆+喷射砼+钢筋网+全环I20a钢架作为初期支护的措施及各项支护措施施工工艺。第一，采用φ22系统锚杆，梅花型布置。锚杆施工要点及注意事项：孔位应按设计布置，偏差小于15cm，孔深误差±5cm。锚垫板必须与基岩密贴并按要求注浆加固。第二，喷射混凝土施工，湿喷机先初喷后复喷。喷射作业分段、分片进行，从拱脚自下而上行，应避免上部喷射回弹料虚掩拱脚；先找平凹洼部分，后喷射凸出部分，保持初支面平整；喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离宜保持在1.0～2.0m，沿水平方向以螺旋形划圈移动。第三，钢筋网施工。钢筋网及时安设，网片间采用焊接搭接，搭接不小于1个网格。钢筋网随受喷面起伏铺设，其间隙不应大于3cm，钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4cm。第四，型钢钢架施工。DK17+928～+965段Ⅴ级围岩特殊衬砌设置1榀/0.5m的全环I20a型钢钢架加强支护。锁脚锚杆尾部通过U型钢筋与钢架焊接牢固，增强整体稳定性。5.下穿段高速路面防护。第一，铺设栈桥。为确保隧道施工的安全及既有公路的运营通畅，对既有单幅公路满铺栈桥，栈桥垂直铁路横向铺设Ⅰ25a型钢，铺设横向范围为隧道中线左右各10m，间距0.5m/榀，型钢表面采用25钢筋连接，间距50cm，钢筋上面铺设2cm厚钢板，钢板表面焊接22的螺纹钢筋，型钢与型钢之间采用剪刀撑加固，用25钢筋连接（长60cm），剪刀撑间距1m,型钢底依次满铺1cm厚的钢板和10mm厚的橡胶垫板厚,离隧道中线各4m的位置及栈桥两端加铺2cm厚的钢板，中间跨度8m，钢垫板沿既有高速中线横纵长度为8m*0.5m。（见图2）图2既有高速栈桥铺设示意图第二，交通组织。下穿段施工过程中，由于初支尚未封闭成环，全程对高速公路GK25+890～GK25+990段限速20km/h通过，采取封闭施工区域和满铺栈桥的交通组织方式，共分四步：（1）左线施工，封闭左线行车道和紧急停车道，只留左线超车道通行；（2）左线行车道和紧急停车道施工完，封闭左线超车道，开放左线行车道和紧急停车道通行；（3）左线超车道施工完后，拆除左线封闭区域；同时封闭右线超车道，留右线行车道和紧急停车道；（4）右线超车道施工完，封闭右线行车道和紧急停车道，开放右线超车道通行；待整个下穿施工完后，拆除全部交通管制，恢复路面正常通行。设置6名现场专职交通安全员，负责实行施工时段的交通维护，按照交通规定距来车醒目位置摆放标志牌，然后用反光标桶，将行车道和紧急停车道隔离，禁止车辆驶入封闭车道。交通安全员穿橘红色反光背心，用指挥旗进行指挥。6.监控量测。下穿高速公路段施工必须加强围岩监控量测，及时反馈信息，指导施工，特别是洞顶路面下沉监测。发现变形超出预警，立即停止开挖，研究部署工程措施，待隧道稳定后方可进行施工。第一，量测点布置。地表下沉量测点布置。隧道下穿高速公路段沿线路纵向布设3个地表下沉监测断面（断面与高速公路平行），分别为高速公路中间断面、靠近高速公路两边断面（与洞内水平收敛、拱顶下沉点布置在同一里程上）。每断面距隧道中心线两侧15m范围布点单侧5个，间距3m，15m外布点单侧6个，间距5m。地表钻孔，植入200～300mm长，Φ22钢筋，砂浆锚实（见图3）；（2）洞内测点布置。洞内监控量测每5m布设一个监测断面。每个断面布设1个拱顶下沉点、每台阶布设一条水平收敛基线。采用Φ20钢筋植入基岩，尾部焊接Φ6三角挂钩，上布反光贴。拱顶下沉和水平净空收敛观测标应在距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证在每次开挖后12h内必须观测（见图4）。第二，监控量测方案。高速公路地表下沉监测：精密水准观测，对测点连续两次观测，且高差之差小于1.0mm，取平均值。洞内拱顶下沉及水平收敛采用TCRA1201全站仪+反光片测定高差、距离来观察变化。洞内监控量测量测频率见表1。地表下沉量测频率应与拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。第三，量测管理标准值。量测管理标准值Uo即围岩变形预警值，结合本隧道的设计要求情况,本隧道的净空位移Uo取值65mm，拱顶下沉Uo取值40mm。同时根据实测值结合变形管理等级的规定，确定位移控制基准及位移管理等级，见表2、3，高速公路地表下沉值需控制在lcm以内，预警值为6mm。第四，监测资料分析及信息反馈。完成外业采集后，及时进行内业统计分析，对目前施工安全提出评价定级，并按管理等级提出加固措施。工程对策主要有：缩短进尺、超前支护、注浆预加固等。

四、结语

通过采取在施工过程中利用大管棚进行超前支护，满铺钢栈桥进行高速公路路面防护，三台阶七步预留核心土层机械开挖，严格按频次进行路面下沉监测和洞内拱顶下沉、水平收敛量测并及时分析数据反馈指导施工，限速及封闭施工区域行车道等措施相结合，确保了超浅埋隧道下穿高速公路段施工及行车安全，在类似隧道施工中具有很好的推广及参考意义。

参考文献：

[1]高文学，孙文龙，周文旭等．浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析[J]．施工技术，2011，40（2）.

[2]邓洪亮，杨玉杰，高文学等．隧道施工监控与预警系统应用研究[J]．施工技术，2011，40（2）．

[3]叶英，穆千祥，张成平．隧道施工多元信息预警与安全管理系统研究[J]．岩石力学与工程学报，2009，28（5）.

[4]关宝树．隧道工程施工要点集（第2版）[M]．北京：人民交通出版社，2011．

作者:张奇 单位:中铁十八局集团有限公司