王 剛,劉 軍

(吉林省公路勘測設計院,長春 130021)

長城嶺大跨超淺埋隧道設計與施工

王 剛,劉 軍

(吉林省公路勘測設計院,長春 130021)

大跨度、超淺埋的隧道工程,只要通過科學嚴謹?shù)脑O計、合理的施工控制、動態(tài)設計及施工相結(jié)合,輔以準確的地質(zhì)超前預報和監(jiān)控量測資料,就能夠保證順利建成通車.本文通過已建成的長城嶺隧道工程為背景,介紹了長城嶺隧道工程的設計參數(shù)、施工控制技術、設計變更動態(tài)進行調(diào)整的情況,為今后類似大跨度、淺埋、圍巖破碎的隧道工程提供了一個可借鑒的實踐依據(jù).

大跨度;超淺埋;隧道;設計與施工

0 引 言

濟南至萊蕪高速公路是國道主干線北京至上海公路、北京至福州公路山東境內(nèi)重合段的重要輔線,是濟南至青島之間的第二條高速公路通道中的一段,路線全長75.493 km.長城嶺隧道位于該路濟南市與萊蕪市的分界處,下穿古齊長城,為了保護齊長城遺址,選擇了隧道穿越方案.隧道建設標準為設計速度100 km/h、雙向6車道的山嶺高速公路,采用上、下行分離式斷面,左幅 LK40+420～LK41+298,長878 m;右幅 RK40+496 ～ RK41+290,長794 m,屬中長隧道.左、右幅隧道間的凈平距濟南端為51 m,萊蕪端為61 m;兩幅隧道底板高差濟南端為6.6 m,萊蕪端為15.3 m.

古齊長城位于隧址左幅 LK40+753.4、右幅RK40+754.6處,長城嶺隧道通過地段海拔高程在315.3～362.3 m,相對高差為47 m.隧道洞頂最大埋深僅為33.2 m,特別是過齊長城后的左幅LK40+845～LK40+910、右幅 RK40+815～LK40+880低洼鞍部段,地表覆蓋層為人工梯田,埋深僅在5～10 m之間,整座隧道61.7%的段落均為淺埋,為一座大跨度超淺埋的隧道.

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

長城嶺隧道位于低山丘陵區(qū),山間溝谷及沖溝發(fā)育,丘陵呈渾圓形.山體巖性單一,以奧陶系灰?guī)r為主,巖體完整性較差,并且發(fā)育有溶蝕裂隙,裂隙內(nèi)填充粘性土,近地表處節(jié)理發(fā)育.隧道圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ級為主.地層呈北西走向、北東傾向的單斜構(gòu)造.山體鞍部局部由第四系全新統(tǒng)亞粘土層覆蓋,厚度小于5.0 m.隧址地表植被稀疏,絕大部分基巖裸露,溝坡攔蓄雨水的能力很弱.大氣降水大部分以地表徑流的形式順斜坡運動,匯入大小溝谷,最后流入?yún)R河,少部分沿灰?guī)r淺部的風化裂隙及節(jié)理帶由地表沿著伸向深部的貫穿節(jié)理裂隙滲入地下.地下水徑流深度一般在地下數(shù)十米范圍內(nèi).隧道區(qū)水文地質(zhì)條件簡單,地下水類型以碳酸鹽夾碎屑巖巖溶裂隙水為主.

2 設計概況

2.1 凈空標準

隧道的建設標準為設計行車速度100 km/h六車道高速公路標準,為上、下行分離式斷面,單洞的行車道寬度3×3.75=11.25 m,左、右側(cè)側(cè)向?qū)挾确謩e為0.5 m和1.0 m,兩側(cè)各設0.75 m的檢修道.根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)第4.4.1條的規(guī)定,隧道的建筑限界凈高為5.0 m,考慮路拱橫坡的影響,右側(cè)檢修道底寬為0.8 m.因此,本設計隧道的有效凈寬為14.30 m,有效凈高為5.0 m.為了滿足上述凈空限界標準,考慮通風、照明、電纜槽的設置等對空間的需求及襯砌結(jié)構(gòu)受力的合理性和開挖面積最小等因素,經(jīng)過對各種襯砌內(nèi)輪廓形式和參數(shù)的優(yōu)化,選擇了凈寬14.30 m,凈高7.90 m的三心圓弧拱形式,見圖1.

圖1 隧道建筑限界與內(nèi)輪廓圖(尺寸單位:cm)

2.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計

長城嶺隧道除洞口段設置較短明洞以外,其余按“新奧法”原理進行設計,襯砌形式為:以錨噴混凝土作為初期支護,內(nèi)層用模注防水混凝土作為二次襯砌的復合式襯砌結(jié)構(gòu),兩層襯砌之間設置防水層,對于軟弱圍巖及斷層破碎帶采取適當?shù)某爸ёo措施,保證圍巖的穩(wěn)定和初期支護的施作.

根據(jù)長城嶺隧道的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,采用工程類比的方法擬定了各類圍巖的襯砌參數(shù),同時根據(jù)各類圍巖的物理力學指標,對部分圍巖襯砌結(jié)構(gòu)進行驗算,并根據(jù)計算結(jié)果修正初擬的襯砌參數(shù),最后確定了隧道各類圍巖的襯砌參數(shù),如表1所示.

表1 隧道襯砌參數(shù)表

在隧道進出口加強段、斷層破碎帶等軟弱圍巖段,根據(jù)圍巖類別、破碎程度及地下水情況分別采用不同形式的超前支護措施,使淺埋和破碎帶圍巖在隧道開挖后及時形成壓力拱,確保開挖后的裸洞具有一定的自穩(wěn)時間以利初期支護的施作,同時具有止水作用.其中:

暗挖起點處:為保證暗挖起點處仰坡的穩(wěn)定,在下仰坡設置了小導管注漿和6cm厚錨噴混凝土,小導管沿淺埋段襯砌的外側(cè)環(huán)向布置,設置一至二層,小導管采用長4.1 m,直徑42mm無縫鋼管,小導管環(huán)向設置間距41.2cm,采用水泥漿液;在上仰坡設置了錨桿,錨桿采用全長粘結(jié)型普通水泥砂漿錨桿,Ф 22鋼筋,布置間距1 m.

進出口淺埋Ⅴ級圍巖:采用型鋼鋼架配合小導管注漿,型鋼鋼架設置間距0.75 m,小導管采用長4.1 m、直徑42mm無縫鋼管,小導管環(huán)向設置間距為41.2cm,采用水泥單漿液.

深埋Ⅳ級圍巖:采用格柵鋼架配合超前錨桿,格柵鋼架設置間距1 m.超前錨桿長410cm,采用早強水泥砂漿錨桿.

長城嶺隧道左幅出口段隧道上方有改道通過,并有少量民房,為加強支護,加厚了錨噴層和二次襯砌厚度,并加密了鋼拱架,采用0.5 m間距.右幅出口段地形向左傾斜,采用偏壓襯砌結(jié)構(gòu),襯砌厚度65～85cm.隧道通過長城段,LK40+746～LK70+766、RK40+746～RK70+766,采用加強型襯砌結(jié)構(gòu),并加密了鋼拱架,采用0.5 m間距.

2.3 洞口及洞門設計

隧道洞口位置的選擇充分結(jié)合了隧道進出口的地形、地物及地質(zhì)條件,長城嶺隧道兩端均設端墻式洞門,端墻采用M10漿砌片石,仿古齊長城磚鑲面,襯托出長城嶺的歷史人文景觀.根據(jù)典型示范工程的設計理念,洞口外的仰坡自然填土綠化,兩幅之間簡單采取直立或臺階形開挖處理,與周圍人工梯田地貌相吻合,穩(wěn)定的大塊巖石自然裸露,并采用藤、灌植物綠化,與周圍環(huán)境更加融合.

3 施工控制技術

3.1 洞身開挖

(1)施工方案

本隧道為三車道隧道,開挖斷面大,大部分為淺埋路段,圍巖以灰?guī)r、頁巖、及灰?guī)r頁巖互層為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,不穩(wěn)定,易坍塌.根據(jù)實際的圍巖情況,從安全性和經(jīng)濟性上綜合考慮,確定洞口段和Ⅴ級圍巖段落采用單側(cè)壁導坑法施工;其他地段采用臺階法施工,分斷面開挖的基礎上,再分部進行開挖.

(2)單側(cè)壁導坑法施工

洞口段和Ⅴ級圍巖段在超前小導管支護下,采用單側(cè)壁導坑法開挖,如圖2所示.按照施工順序分上、中、下三層臺階實施分部開挖,上臺階高度2.8 m,中臺階高度3.5 m,下臺階直接開挖至仰拱底部.

第一步:首先開挖右側(cè)壁導坑上臺階,開挖高度2.8 m,寬度7.22 m,開挖掘進進尺1 m,開挖完成后立即初噴4cm厚C20混凝土,然后架立工字鋼拱架,鋼拱架間距0.5 m或0.75 m,再施工D25注漿錨桿,并安裝鋼筋網(wǎng),復噴砼至設計厚度.導坑左側(cè)壁緊貼圍巖設置臨時鋼拱支撐,工字鋼拱架及臨時鋼拱支撐拱腳處設置鎖腳錨桿,臨時鋼拱支撐噴射C20砼將其包裹,防止爆破掘進時將其破壞.

第二步:開挖右側(cè)壁導坑中臺階,中臺階開挖距上臺階開挖面4 m.開挖掘進進尺1 m,開挖后立即施作初期支護,其施工步驟同上.鋼拱支撐及臨時鋼支撐與上臺階鋼支撐連接成一個整體,拱腳落在穩(wěn)定基巖上.

第三步:左側(cè)壁上臺階開挖距右側(cè)中臺階開挖面5 m,開挖掘進進尺控制在1 m以內(nèi).開挖后立即施工初期支護,將左側(cè)鋼支撐與既有右側(cè)鋼支撐連接成一個整體,鋼支撐拱腳安設鎖腳錨桿,其初期支護施工步驟同前.

第四步:左側(cè)壁中臺階開挖距左側(cè)壁上臺階開挖面4 m,開挖掘進進尺1 m.開挖后立即施工初期支護,鋼支撐與上臺階鋼支撐連接成一個整體,拱腳落在穩(wěn)定基巖上.

第五步:右側(cè)壁下臺階開挖距左側(cè)壁中臺階開挖面8 m,直接開挖至仰拱底,開挖掘進進尺1 m.開挖后立即施工初期支護,其施工步驟同前.鋼拱支撐及臨時鋼支撐與上臺階鋼支撐連接成一個整體,拱腳落在穩(wěn)定基巖上.

圖2 單側(cè)壁導坑開挖方法示意圖

第六步:左側(cè)壁下臺階開挖距右側(cè)壁下臺階開挖面8 m,直接開挖至仰拱底,開挖掘進進尺1 m.開挖后立即施工初期支護,其施工步驟同前.鋼支撐與上臺階鋼支撐連接成一個整體,拱腳落在穩(wěn)定基巖上.

第七步:在隧道初期支護封閉成環(huán)后,開始拆除臨時鋼支撐.

(3)開挖爆破控制技術

①重視開挖方式:洞口段和Ⅴ級圍巖段采用單側(cè)壁導坑開挖,其他地段采用臺階法分斷面開挖的基礎上,再分部進行開挖.分部開挖后,爆破所需藥量較少,上斷面開挖后為下半斷面爆破形成了有利臨空面,進一步減少炸藥用量,對減小振動非常有利.

②在穿越齊古長城前,地表量測發(fā)現(xiàn)爆破時候?qū)Φ乇碚駝雍艽?雖地表沉降不大,但部分土體有松動跡象,遂采取了預留核心土,先開挖周邊眼,支護后再進行核心土開挖,減小了一次爆破量,循環(huán)進尺極限時已經(jīng)縮小至0.5 m.

③根據(jù)長城嶺隧道的圍巖特點,隧道在炮眼布置上突破了傳統(tǒng)的拱形布置,為減少拱形起爆對外抵抗力大的缺點,在拱頂處均未嚴格按照開挖弧形布眼,而是部分降低藥眼位置,炮眼布置線水平降低10～15cm,對開挖線以外的巖石擾動最小,充分利用破碎圍巖的自重作用,找頂去除浮石后,能夠達到設計要求開挖斷面.即保證了開挖輪廓線的準確,又避免造成對拱頂巨大沖擊及超挖.

④臨時支撐的拆除在監(jiān)控量測信息指導下進行,以確保拆除臨時支撐洞身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,并結(jié)合施工現(xiàn)場條件及需要提前準備襯砌工序的施工.施工測量放樣及架立鋼架定位準確,架立的鋼架支撐必須滿足連接圓順、不產(chǎn)生扭曲變形,同時確保鋼架在同一斷面內(nèi).中隔壁臨時支撐與永久鋼架間的連接采用螺栓聯(lián)接,以便拆除及結(jié)構(gòu)受力均勻.

⑤在施工中盡量縮短進尺,增加循環(huán)次數(shù),減少人為鉆孔時角度偏差引起的超挖.采用弱爆破,開挖后及時施做初期支護.導坑掘進時進行詳細的地質(zhì)素描及施工過程中特殊地質(zhì)段圍巖記錄,以便為后續(xù)導坑開挖施工提供詳細的地質(zhì)資料,為安全、順利、快速通過淺埋地段施工打下良好的基礎.

⑥選擇合理的炸藥品種,理論和實踐證明炸藥爆速對爆破振動有直接影響,爆速越高,爆破產(chǎn)生的振動越大,本隧道開挖使用乳化炸藥這一低爆速炸藥.

⑦選擇合理的起爆時差:實踐證明爆破振動速度的大小與同時起爆的炸藥量有關,設計中只要使每段雷管的起爆時差足夠大,使爆破振動波形不疊加,只與最大段裝藥量有關,但起爆時差過大,會影響爆破效果,故應選擇合理的起爆時差.

3.2 超前支護和初期支護

長城嶺隧道作為大跨度超淺埋隧道,設計時給予了充分的考慮,保證了施工的安全性,主要結(jié)構(gòu)為超前小導管、超前錨桿、I20或I18鋼拱架、格柵拱架、系統(tǒng)錨桿及網(wǎng)噴支護.在施工過程中,初期支護完畢后,結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定,拱部變形收斂,充分發(fā)揮圍巖的自承能力.發(fā)生過的幾次小規(guī)模拱頂局部掉塊或塊石滑落現(xiàn)象,全部出現(xiàn)在除渣結(jié)束后人工找頂前,此類圍巖的應力極限釋放時間和變形最大化發(fā)生在開挖后2～3 h,此時的支護形式僅有超前支護,如何保證施工安全及質(zhì)量要求,是本隧道施工的重要控制環(huán)節(jié).

(1)局部圍巖坍塌原因分析

長城嶺隧道圍巖以灰?guī)r、頁巖、及灰?guī)r頁巖互層為主,因地質(zhì)沉積時間不長,圍巖厚度在20～50cm之間,呈平層結(jié)構(gòu).圍巖長期受地表水侵蝕和自然風化作用,節(jié)理裂隙十分發(fā)育,裂隙由土或破碎石塊填充;偶爾存在大塊孤石被土包裹的情況.圍巖在開挖前屬三向平衡狀態(tài),但在開挖完成后,巖層結(jié)構(gòu)被破壞,圍巖自動重新分布應力,由于底層巖石與上部巖體黏結(jié)能力很小,在自重的作用下及上部壓力共同作用下于隧道拱腰處形成剪力,拱頂形成壓力,造成掉塊與超挖,嚴重的形成局部坍塌.

(2)超前支護應用

長城嶺隧道存在大量淺埋段落,設計時從環(huán)保角度出發(fā),摒棄了地表注漿等洞外輔助措施,均采用洞內(nèi)加固措施,為確保淺埋和破碎帶圍巖在開挖后的裸洞具有一定的自穩(wěn)時間,并且盡量限制超挖,在開挖前施作超前支護,超前支護主要為超前小導管和超前錨桿,施工過程中根據(jù)地質(zhì)狀況進行了一定的調(diào)整.

①超前小導管設計參數(shù)為:φ 42無縫鋼管,L=4.1 m,環(huán)向間距41.2cm,縱向3 m一環(huán),外插角度7°.長城嶺隧道巖層近于水平,呈層狀結(jié)構(gòu),層間錯動明顯,按照圖紙鉆孔后,導管順層面楔入圍巖,擴大了部分裂隙,使該層面較薄弱,甚至剝離下部巖體,注漿后效果不明顯,在開挖振動后,該層面以下會全部掉落,于是調(diào)整鉆孔角度,實際情況中外插角25°效果較好.

②在局部地段,地質(zhì)條件很差,幾乎全為泥夾石,還存在重達十余噸的孤石處于拱頂?shù)囟?因此采取增加拱圈超前支護,環(huán)向間距縮小為30cm,縱向搭接增加到2 m,使超前支護形成“連續(xù)梁”作用,抑制上部圍巖變形.

③長城嶺隧道由于是超淺埋隧道,拱部以上風化破碎嚴重,受地表下滲水影響較大,部分超前支護采用注雙液漿止水.注漿按照常規(guī)施工方法,自下而上,從兩側(cè)到中間的順序連續(xù)施作.

④超前錨桿設計參數(shù)為:φ 22砂漿錨桿,L=4.1 m,環(huán)向間距41.2cm,縱向3 m一環(huán),插角度10°.長城嶺隧道拱頂圍巖節(jié)理發(fā)育地段,為提高整體剛度和插板效果,調(diào)整為φ 25砂漿錨桿,L=5.1 m,環(huán)向間距30cm,縱向3 m一環(huán)間距不變.

可以說,超前支護對防止隧道坍塌,安全渡過古齊長城和低洼段起到了良好的作用,同時在控制超挖,抑制掉塊方面也起到了應有的作用.

(3)系統(tǒng)錨桿

系統(tǒng)錨桿緊跟開挖面及時安裝,并確保錨桿全長注漿飽滿,與巖石連成整體,充分發(fā)揮錨桿對圍巖的支護作用.系統(tǒng)錨桿在大體上按照開挖輪廓線徑向布置的基礎上,強調(diào)錨桿與巖石結(jié)構(gòu)面、層面大角度安裝,發(fā)揮其應有的作用.

在進出口段,覆蓋層厚度不足4 m,系統(tǒng)錨桿如果徑向布設,在拱頂處常常會穿透地表,根據(jù)實際情況,同時為了加強對前方圍巖的加固作用,在施工過程中超淺埋段的系統(tǒng)錨桿部分采用了徑向大角度偏移,形成類似超前支護的結(jié)構(gòu).

(4)噴射混凝土

對局部破碎圍巖及時進行初噴,保證施工安全,施工拱架等支護結(jié)構(gòu)后,再噴至設計厚度,但因地應力作用產(chǎn)生變形和混凝土部分掉落,需要再次進行復噴至圓滑、光潔,杜絕產(chǎn)生"肋骨形".積極調(diào)整混凝土施工配合比,減小回彈.

(5)鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)按照常規(guī)施工方法進行施工,鋼筋網(wǎng)的有效布設,除與拱架,錨桿等形成聯(lián)合支護以外,能有效減小混凝土回彈,有效避免由于圍巖應力加大與圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎而發(fā)生的噴射混凝土開裂剝落并隨同巖塊掉落的現(xiàn)象,保證了施工安全.

4 設計變更

長城嶺隧道作為大跨淺埋隧道,圍巖受水侵蝕和自然風化的比較嚴重,最大特點就是開挖斷面地質(zhì)復雜多變,往往是同一開挖斷面,部分巖石堅硬完整,部分風化破碎嚴重,并且規(guī)律性不強,有時為橫向上、下差異較大,有時為豎向左、右差異大,也有破碎帶呈傾斜走向的,往往貫穿整個斷面,形成不均勻性.

(1)原設計為Ⅲ級圍巖的段落,襯砌采用SM3型支護方式,斷面開挖后由于斷面圍巖的不均勻,增加了SM3J型支護方式,增加格柵鋼架,開挖輪廓線相應擴大,并視下半斷面圍巖的具體情況確定是否設置仰拱.

(2)由于隧道圍巖的不均勻性,施工時對錨桿類型也根據(jù)現(xiàn)場情況,在監(jiān)理工程師的指導下靈活選用,堅硬、完整巖石采用 φ 22普通砂漿錨桿,風化破碎巖石采用D25中空注漿錨桿,錨桿間距也可根據(jù)實際按規(guī)范和圖紙給定數(shù)量調(diào)整.

(3)增設鎖腳錨桿,以保證下部端面開挖時上部鋼架的穩(wěn)定.對局部不穩(wěn)定巖塊增設長度較大的局部錨桿.

(4)灰?guī)r地區(qū)熔蝕現(xiàn)象嚴重,經(jīng)常在開挖斷面的不同部位出現(xiàn)大小溶洞,處理方式是加強支護快速通過后,視規(guī)模大小預留幾處φ 100或φ 140鋼管,泵送20號混凝土進行封閉填塞.

6 結(jié)束語

(1)長城嶺隧道在施工過程中,通過設計與施工的相互結(jié)合驗證,加上輔以準確的地質(zhì)超前預報和監(jiān)控量測資料,動態(tài)、合理地調(diào)整了支護參數(shù)和施工方案,為長城嶺隧道的順利貫通擔供了有力保障,也為以后類似淺埋、大跨、圍巖破碎的隧道提供了一個可借鑒的實踐依據(jù).

(2)本文僅僅針對長城嶺隧道大跨、超淺埋的特點,對土建工程中的開挖和支護進行了重點介紹,考慮到篇幅問題,對隧道二次襯砌、防排水及路面工程未進行介紹.

[1]王毅材.隧道工程[M].西安:西安公路交通大學,1993:115-120..

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[4]黃成光,于敦榮.公路隧道施工技術[M].北京:人民交通出版社,2001,(5):182-190.

Design and Construction of Big-span and Super Shallow Tunnel in the Great Wall Mountain

WANG Gang,LIU Jun
(Jilin Provincial Highway Survey and Design Institute,Changchun 130021,China)

By means of scientific and strict design,rational control in construction,combingat on of dynamic design and construction,and accurate advanced forecast of geology and monitoring data,the special project of big-span,super shallow tunnel can be completed smoothly.According to the technical summary of project design and construction in the Great Wall tunnel,design parameters,control technology and integrated situation among design and construction are introduced which provides referential experience for the project big-span and super shallow tunnel.

big-span;super shallow;tunnel project;design;construction

U452、2+5

A

1671-119X(2010)04-0083-06

2010-05-10

王 剛(1973-),男,工程碩士,高級工程師,研究方向:公路工程.