趙立財(cái)

（天津大學(xué)，天津300072）

淺埋大跨公路隧道穿越富水軟弱土層施工關(guān)鍵技術(shù)

趙立財(cái)

（天津大學(xué)，天津300072）

以廈漳公路（廈門段）東孚隧道施工為例，介紹了?229大管棚跟管鉆進(jìn)咬合相接加固技術(shù)+十字交叉隔壁后拆式開(kāi)挖技術(shù)在淺埋富水軟弱土層隧道開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)用；同時(shí)利用TGMIS動(dòng)態(tài)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工沉降狀況進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、分析及處理，使圍巖變形得到控制，順利通過(guò)了淺埋軟弱土層段掘進(jìn)施工。

淺埋；富水軟弱土；隧道；管棚；加固；十字交叉隔壁后拆式；開(kāi)挖

1 前言

在隧道新奧法施工中，大跨徑、淺埋段的超前支護(hù)和初期支護(hù)是施工安全的關(guān)鍵工序，支護(hù)的技術(shù)手段比較多，如初噴、錨桿、拱架、超前小導(dǎo)管等，但支護(hù)效果與適用范圍卻有很大差別[1]。東南沿海地區(qū)地下水位較高，對(duì)殘坡積層軟弱土體進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，由于富水軟弱土層注漿時(shí)普通漿液擴(kuò)散性能差，開(kāi)挖過(guò)程中易引起地應(yīng)力集中而沿開(kāi)挖面和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)坍塌事故，急需一種安全可靠的支護(hù)措施來(lái)解決此難題[3]。

本文以廈漳公路（廈門段）東孚隧道為例，重點(diǎn)研究大跨徑淺埋隧道穿越富水軟弱土層地段，以監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用?229大管棚跟管鉆進(jìn)咬合相接加固技術(shù)+十字交叉隔壁后拆式開(kāi)挖技術(shù)，安全順利地完成了整個(gè)工程的施工。

2 工程概況

廈漳公路東孚隧道為淺埋暗挖大跨徑單洞隧道，洞高14 m，洞寬16 m，洞身淺埋段長(zhǎng)62 m，其洞頂距離地表垂直距離為8～18.6 m。該隧道開(kāi)挖斷面大，圍巖軟弱，隧道拱部處在富水軟弱土層內(nèi)，整個(gè)隧道位于遇水易軟化的殘積土層中，圍巖類別為V級(jí)。在開(kāi)挖過(guò)程中如不采取有效措施對(duì)圍巖土體進(jìn)行加固，將無(wú)法保證隧道上部土體穩(wěn)定。

3 大跨徑淺埋公路隧道軟弱土層總體方案

針對(duì)地下水發(fā)育軟弱土層的特性，大跨徑隧道穿越富水軟弱土層施工控制的關(guān)鍵就在于避免圍巖失穩(wěn)坍塌、突水涌泥的事件發(fā)生[4]。在東孚隧道穿越富水軟弱土層時(shí)，本文所采用的施工措施為：洞內(nèi)設(shè)置泄水孔排水的同時(shí)運(yùn)用?229大管棚咬合相接注漿加固隧道頂部及兩側(cè)土層后，采用十字交叉隔壁后拆式技術(shù)進(jìn)行整個(gè)工作面開(kāi)挖，即“化大為小，步步成環(huán)，加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)”，以控制地表沉降，減弱對(duì)敏感土層的影響。富水軟弱土層施工工序流程如圖1所示。

圖1 富水軟弱土層施工工序流程圖Fig.1 Construction process diagram of rich water soft soil layer

4 大跨徑淺埋公路隧道軟弱土層施工技術(shù)

4.1 套拱施工

沿隧道開(kāi)挖輪廓線外設(shè)置臨時(shí)管棚套拱，套拱長(zhǎng)為2 m，厚為0.8 m，砼標(biāo)號(hào)為C20，前端和底部均嵌入地層。施工時(shí)，在每根管棚位置預(yù)埋一節(jié)內(nèi)徑比管棚外徑略大的鋼管（導(dǎo)向管），以精確定位每根管棚的口部位置。當(dāng)套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，按一定的間隔和順序沿導(dǎo)向管引導(dǎo)的方向往地層中進(jìn)行鉆孔，并進(jìn)行管棚跟管鉆進(jìn)的全程作業(yè)。

4.2 大管棚參數(shù)

大管棚選用40 m長(zhǎng)的?229無(wú)孔無(wú)縫鋼管，管節(jié)長(zhǎng)為10 m，縱向鋼管間用加工好的管節(jié)連接套絲扣連接，環(huán)向鋼管之間采用槽鋼和工字鋼套扣咬合連接。首先在洞身兩側(cè)先開(kāi)槽，在槽中澆筑C25混凝土，套拱落在側(cè)槽混凝土上施作。管棚沿拱部環(huán)向布置單排即可，鋼管前段呈錐形，管棚的環(huán)向布置間距為0.35 cm，每施工段布置30根，外插角為3o，在拱部140o范圍內(nèi)布置。管棚布設(shè)如圖2所示，環(huán)向管棚咬合連接見(jiàn)圖3。

4.3 大管棚施工

待套拱、導(dǎo)向管完成后，將?229鋼管與配套鉆具連接，鉆機(jī)帶動(dòng)鋼管旋轉(zhuǎn)頂進(jìn)至導(dǎo)向孔內(nèi)，開(kāi)始大管棚施工。在施工過(guò)程中管棚和水平鉆進(jìn)系統(tǒng)嚴(yán)格按導(dǎo)向管孔位由同一套頂進(jìn)系統(tǒng)同步跟管鉆進(jìn)。本隧道分段施作管棚，首先施作第一段管棚工作斷面，施作第一段管棚，跟管過(guò)程中及時(shí)跟蹤注漿。第一段管棚段開(kāi)挖37 m后，進(jìn)行第二段管棚工作斷面施工，縱向管棚搭接長(zhǎng)度為3 m，以此類推，完成管棚超前支護(hù)施工。整個(gè)跟管鉆進(jìn)施工如圖4所示。

圖2 管棚布置橫斷面圖Fig.2 Cross section diagram of pipe-roof layout

圖3 管棚咬合連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipe-roof occlusal connection

4.3.1 跟管鉆進(jìn)工藝原理

本隧道夯管鉆進(jìn)選用德國(guó)TT40水平導(dǎo)向鉆機(jī)，用管棚管代替鉆桿，其最前端加裝自行研制的鉆具，鉆具套接在加固環(huán)上，后續(xù)管之間采用管節(jié)絲扣連接，鉆機(jī)邊成孔、邊將管棚依次打入土體中。結(jié)合配套鉆具(見(jiàn)圖5)跟管鉆進(jìn)步驟如下。

在鉆進(jìn)的過(guò)程中帶動(dòng)?229管棚（2）一同進(jìn)入，管棚（2）的跟進(jìn)是通過(guò)潛孔錘（6）錘擊管棚（2）同步跟進(jìn)，外套管棚（2）不與折疊旋轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆頭（8）相聯(lián)，它自動(dòng)下沉至已鉆的孔或通過(guò)管靴（3）施壓進(jìn)入孔內(nèi)。穿孔作業(yè)原理為“回轉(zhuǎn)-沖擊模式”，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)潛孔錘（6）作業(yè)，沖擊能量來(lái)自潛孔錘（6）通過(guò)導(dǎo)引片傳到偏心折疊旋轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆頭（8）上，內(nèi)鉆管（8）和偏心折疊旋轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆頭（8）由安裝在鉆機(jī)鉆架上的旋轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣通過(guò)沖洗頭（1.4）上的沖洗環(huán)（1.2）及內(nèi)鉆管中空孔到潛孔錘（6），而后離開(kāi)偏心折疊旋轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆頭（8）并帶走廢碴，廢碴與沖洗介質(zhì)通過(guò)內(nèi)鉆管（4）與外套管棚（2）之間的縫隙經(jīng)沖洗頭排出。

圖4 水平鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)施工示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal drilling machine drilling construction

圖5 配套鉆具示意圖Fig.5 Schematic diagram of ancillary drill tool

4.3.2 管棚安裝

管棚安裝采用鉆進(jìn)同步跟進(jìn)的方法完成，當(dāng)?shù)谝桓摴芡七M(jìn)孔內(nèi)，孔外剩余40 cm時(shí)，人工持鏈鉗進(jìn)行鋼管連接，使兩節(jié)鋼管在聯(lián)接套處聯(lián)成一體，然后再低速推進(jìn)鋼管。在管棚跟進(jìn)的全過(guò)程中，鋼管與孔之間由鉆機(jī)上的高壓泥漿泵加壓，通過(guò)鉆桿，從鉆頭噴出泥漿起到潤(rùn)滑護(hù)壁的作用，最終完成管棚安裝。

4.3.3 大管棚跟蹤注漿施工

在管棚頂進(jìn)過(guò)程中，為了避免大管棚全部到位后引起地層擾動(dòng)范圍的擴(kuò)大而引起地層的較大沉降，在管棚施工過(guò)程中適時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿，補(bǔ)償?shù)貙拥乃缮⒆冃?，能夠更加有效地控制地層的擾動(dòng)變形。管外跟蹤注漿采用袖閥式注漿管，袖閥管分花管和實(shí)管兩部分，每根袖閥管長(zhǎng)度為4 m，管上每隔330 mm鉆一組8個(gè)?5 mm的射漿孔，每組射漿孔外部包裹一層橡膠套，每節(jié)管長(zhǎng)2 m，漿液采用水泥漿，注漿管通過(guò)鋼箍焊接固定在管棚鋼管上，管頭伸入焊接固定在鋼管上的一段封閉鋼套箍?jī)?nèi)，與管棚鋼管同步到位。管外注漿如圖6所示。為增加管棚自身的剛度，更好地起到承載作用，管內(nèi)注漿用微膨脹水泥砂漿填充管棚；利用自制的注漿套管與管棚用套絲連接，由閥門來(lái)控制開(kāi)關(guān)，管內(nèi)注漿如圖7所示。

圖6 管外注漿布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of pipe outside grouting

圖7 管內(nèi)注漿示意圖Fig.7 Schematic diagram of pipe internal grouting

4.4 洞頂排水降水

正洞大管棚施作完畢后，由套拱拱部外緣向大管棚固結(jié)圈外鉆設(shè)泄水孔，內(nèi)設(shè)導(dǎo)水管，環(huán)向間距為2 m，上傾角為5o，長(zhǎng)約60 m，有效降低了水壓力。同時(shí)監(jiān)測(cè)泄水孔中排水水量、水質(zhì)情況，并進(jìn)行記錄分析。所有排水孔口均設(shè)置堵水閥，視大管棚加固及開(kāi)挖施工情況，開(kāi)關(guān)堵水閥局部阻水或排水。掌子面排水孔布置如圖8所示。

圖8 掌子面排水孔布置圖Fig.8 Layout diagram of excavation face drainage hole

4.5 十字交叉隔壁后拆法開(kāi)挖

針對(duì)東孚隧道穿越富水軟弱土構(gòu)造地層特點(diǎn)，提出了十字交叉隔壁后拆式隧道施工方法，并與二層襯砌結(jié)構(gòu)、?229大管棚超前支護(hù)三者匹配使用，有效控制了圍巖變形，且每個(gè)導(dǎo)坑一次性開(kāi)挖進(jìn)尺可達(dá)15 m。工藝流程如圖9所示，具體施工步序如圖10所示。

圖9 十字交叉隔壁后拆式工藝流程圖Fig.9 Construction process diagram of cross-located right next door after disassembly type

圖10 十字交叉隔壁后拆式施工步序Fig.10 Construction steps of cross-located right next door after disassembly type

4.6 施工監(jiān)測(cè)

本工程采用自動(dòng)化與人工測(cè)量相結(jié)合技術(shù)，對(duì)隧道地表下沉、拱頂沉降、管棚應(yīng)力、圍巖水壓力進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)提供支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形、沉降與土層位移的數(shù)據(jù)，對(duì)隧道施工階段的受力變化特征進(jìn)行分析，及時(shí)反饋信息和指導(dǎo)施工。

4.6.1 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方法

以隧道拱頂上部地表與中心線為基準(zhǔn)每10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；對(duì)應(yīng)地表布置點(diǎn)在洞內(nèi)布置拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面。正洞測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試方法，如表1所示。

表1 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方法Table 1 Monitoring point of tunnel layout and test method

4.6.2 數(shù)據(jù)采集

本工程施工期采用TGMIS動(dòng)態(tài)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集和整理，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)要在施工時(shí)埋設(shè)相應(yīng)的傳感器與測(cè)試儀并讀取數(shù)據(jù)，據(jù)此來(lái)對(duì)隧道施工階段的受力變化特征進(jìn)行分析，待隧道竣工后將傳感器連接的預(yù)埋光纜以及光纖傳感器接入總光纜中，最終通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀，將其與數(shù)據(jù)管理主控室相互連接，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集示意圖Fig.11 Schematic diagram of monitoring data automatic collection

4.6.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至TGMIS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)后，便通過(guò)TGMIS監(jiān)測(cè)軟件處理程序?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理。本文取DK84+974斷面6 d的量測(cè)數(shù)據(jù)作為本次分析對(duì)象，其具體分析情況如下。

1）拱頂與地表下沉監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形曲線如圖12所示。

2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)。管棚應(yīng)力變化如圖13所示(圖中散點(diǎn)有重合)，管棚與圍巖水壓力變化如圖14所示。

圖12 DK84+974拱頂襯砌及地表監(jiān)測(cè)變形曲線Fig.12 Deformation curve of DK84+974 arch lining and surface monitoring

圖13 管棚應(yīng)力變化散點(diǎn)圖Fig.13 Stress change scatter diagram of pipe roof

圖14 管棚與圍巖水壓力變化散點(diǎn)圖Fig.14 Water pressure change scatter diagram of the pipe roof and the surrounding rock

4.6.4 監(jiān)測(cè)警戒值設(shè)置原則

本工程監(jiān)測(cè)中，每一測(cè)試項(xiàng)目都應(yīng)根據(jù)保護(hù)對(duì)象的實(shí)際情況，事先確定相應(yīng)的警戒值，以判定是否超出允許的范圍，判斷工程施工是否可靠，是否需調(diào)整施工部署和優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案。一般情況下，每個(gè)警戒值均由兩部分控制，即總允許變化量和單位時(shí)間內(nèi)允許的變化量。其警戒值設(shè)定原則為：a.滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，不可超出設(shè)計(jì)值；b.滿足測(cè)試對(duì)象的安全要求，達(dá)到保護(hù)目的；c.滿足各保護(hù)對(duì)象的主管部門提出的要求；d.滿足鐵路與公路現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范要求。

4.6.5 警戒值的確定

根據(jù)以上的原則，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求，對(duì)該工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提出了以下警戒值。

1）地表與拱頂沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)最大位移≤15 mm，監(jiān)測(cè)警戒值為10 mm。

2）管棚應(yīng)力控制值為50 MPa（設(shè)計(jì)值），監(jiān)測(cè)警戒值為0.7倍設(shè)計(jì)值。

3）初支、二襯間水壓力控制值為4.5 MPa（設(shè)計(jì)值），監(jiān)測(cè)警戒值為0.7倍設(shè)計(jì)值。

4.6.6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

1）拱頂與地表沉降。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形曲線圖12可知，DK84+974斷面6 d內(nèi)的地表A′與B′點(diǎn)地表下沉最大值均為1.2 mm，最大上浮值均為1.7 mm；DK84+974斷面6 d內(nèi)的拱頂下沉最大值出現(xiàn)在襯砌B點(diǎn)，其值為2 mm，最大上浮值出現(xiàn)在襯砌A點(diǎn)，其值為3 mm；地表與拱頂下沉與上浮之間存有小幅度波動(dòng)，但目前沉降值處在警戒值范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力影響不大，處于安全狀態(tài)。

2）圍巖水壓力。從圖14可知，DK84+974斷面管棚與圍巖間泄水孔水壓力在4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處最大，且只有3.1 MPa，在監(jiān)測(cè)的6 d內(nèi)，3#和5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值一直為零；其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)前5 d均處于遞減趨勢(shì)，在第6天水壓力均趨近于零，說(shuō)明管棚注漿加固后減小了軟弱土層的滲透系數(shù)，圍巖與管棚間局部存有少量滲水，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)影響，處于安全狀態(tài)。

3）管棚應(yīng)力。從圖13中可知，DK84+974斷面管棚最大應(yīng)力為15 MPa，6 d內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)未見(jiàn)波動(dòng)，全環(huán)管棚受力并未受到圍巖的擠壓影響，處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

東孚隧道穿越淺埋富水軟弱土層段施工中，用該項(xiàng)技術(shù)后可得出以下結(jié)論。

1）基于TGMIS自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)斷面的沉降量、水壓力及管棚應(yīng)力量測(cè)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析，正確地判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力等。

2)?229大管棚咬合相接支護(hù)條件下，DK84+ 974斷面6 d的拱頂最大下沉值為2 mm，上浮值為3 mm；地表最大下沉值為1.2 mm，最大上浮值為1.7 mm；圍巖水壓力最大值為3.1 MPa，管棚應(yīng)力最大值為15 MPa，均在監(jiān)測(cè)警戒值范圍內(nèi)，可推斷出圍巖及結(jié)構(gòu)體系處于安全可控狀態(tài)。

3）隧道穿越富水軟弱土構(gòu)造地層采用十字交叉隔壁后拆式開(kāi)挖方法，并與二層襯砌結(jié)構(gòu)、?229大管棚超前支護(hù)三者匹配使用，每個(gè)導(dǎo)坑一次性開(kāi)挖進(jìn)尺可達(dá)15 m，有效加快了整體施工進(jìn)度，確保了隧道施工安全。

4）結(jié)合應(yīng)力變化散點(diǎn)圖與沉降曲線圖可知，6 d內(nèi)所有沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化不大，管棚應(yīng)力6 d內(nèi)未見(jiàn)有波動(dòng)，在第6天水壓力值均趨近于零，說(shuō)明隧道開(kāi)挖過(guò)程中，處于安全狀態(tài)。

[1] 任 懿.黃土隧道軟弱土層施工技術(shù)[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：51-54.

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Keyconstructiontechnologyofshallowburied large span highway tunnel through rich water soft soil layer

Zhao Licai
（Tianjin University，Tianjin 300072，China）

This article takes Xia-Zhang highway(Xiamen section)Dongfu tunnel construction as an example.Introduces the application of ?299 big pipe follow with pipe drilling occlusal and linking reinforcement technology+cross-located right next door after disassembly type excavation technology in shallow-buried rich water soft soil stratum tunnel excavation process. While using TGMIS dynamic intelligent monitoring system of construction settlement conditions for data acquisition，analysis and processing，make the deformation of surrounding rock control，successfully passed the construction of shallow-buried soft soil excavation.

shallow buried；rich water soft soil；tunnel；pipe；reinforcement；cross-located right next door after disassembly type；excavation

U45

A

1009-1742（2015）01-0081-07

2013-11-23

趙立財(cái)，1985年出生，男，遼寧蓋州市人，博士研究生，工程師，主要從事能源與環(huán)保領(lǐng)域技術(shù)研究工作；E-mail：383202550@qq.com