范彩娟

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030002）

水工隧洞下穿公路設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

范彩娟

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030002）

受通行公路動(dòng)載影響，為保證水工隧洞下穿公路施工安全，結(jié)合辛安泉供水改擴(kuò)建工程長(zhǎng)治支線隧洞下穿省道S225施工案例，經(jīng)圍巖壓力計(jì)算及鋼拱架受力驗(yàn)算，采用超前支護(hù)及加強(qiáng)初期支護(hù)對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，確保了下穿公路隧洞施工安全。

鋼拱架；錨桿；噴射混凝土；超前小導(dǎo)管

1 工程概況

辛安泉供水改擴(kuò)建工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程，辛安泉供水改擴(kuò)建工程地處長(zhǎng)治市，工程主要供水對(duì)象為黎城縣、平順縣、潞城市、屯留縣、長(zhǎng)治市市區(qū)、長(zhǎng)治市郊區(qū)、長(zhǎng)治縣和壺關(guān)縣共8個(gè)縣（市、區(qū)），供水任務(wù)為長(zhǎng)治市8個(gè)縣（市、區(qū)）提供城鄉(xiāng)生活、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。工程年供水量1.58億m3，設(shè)計(jì)流量5.0m3/s，工程等別為Ⅲ等。

辛安泉供水改擴(kuò)建工程長(zhǎng)治支線隧洞起始里程為CZ21+998.87—CZ28+583.34，總長(zhǎng)6.58km。隧洞進(jìn)口正交下穿省道S225，交叉處省道里程為6+430，隧洞下穿里程CZ22+058.7—CZ22+078，下穿長(zhǎng)度為19.3m，拱頂距離路面埋深9.6m。

2 原設(shè)計(jì)方案

下穿省道S225里程CZ22+058.7～CZ22+078段位于隧洞進(jìn)口土洞段，該段土質(zhì)為低液限粉土，局部為級(jí)配不良砂、級(jí)配不良礫透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)均勻。原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為：噴射C20混凝土厚15cm，Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為150mm×150mm。圍巖破碎時(shí)增設(shè)Φ42超前注漿小導(dǎo)管加I14工字鋼架支護(hù)。襯砌為35cm厚C25鋼筋混凝土，襯砌凈空2500mm×3035mm。

3 優(yōu)化方案

為保證隧洞安全順利通過(guò)省道S225，對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，超前支護(hù)采用Φ42注漿小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用I20a工字鋼架（縱向間距0.5m）、Φ8鋼筋網(wǎng)、Φ25砂漿錨桿及26cm厚噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。并且在基底增設(shè)I20a水平橫撐，26cm厚噴射混凝土基底固結(jié)。同時(shí)在保證襯砌厚度35cm不變的情況下，在CZ21+998.87—CZ22+085段增大隧洞凈空斷面至3000mm×3305.63mm。

按照優(yōu)化后的方案進(jìn)行隧洞初期支護(hù)受力驗(yàn)算。3.1 圍巖壓力計(jì)算

由于2B=9.0m＜9.6m（B表示隧洞寬度，m），且周?chē)鷩鷰r壓力為松散荷載，在驗(yàn)算過(guò)程中，其垂直均布?jí)毫退椒植級(jí)毫砂聪铝泄接?jì)算：

3.1.1 垂直均布?jí)毫τ?jì)算

式中：q——垂直均布?jí)毫Γ琸N/m2；

γ——圍巖重度，kN/m3，取值18；

s——圍巖級(jí)別；

ω——寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5）。

i——B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，以B= 5m的圍巖垂直分布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B＜5m時(shí)，取i=0.2；經(jīng)計(jì)算，垂直均布?jí)毫為109.382kN/m2。

3.1.2 水平均布?jí)毫τ?jì)算

因H/B=1.073＜1.7，無(wú)偏壓，根據(jù)表1可得水平均布?jí)毫為54.691kN/m2。

表1 圍巖水平分布?jí)毫?單位：kN/m2

3.2 鋼拱架受力驗(yàn)算

本隧洞采用I20a工字鋼，查表得工字鋼相關(guān)參數(shù)，橫截面積A=35.5cm2，抗剪強(qiáng)度f(wàn)v=125N/mm2。按照均布?jí)毫M(jìn)行驗(yàn)算，可將q對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的作用力視作為垂直于鋼拱架面進(jìn)行驗(yàn)算。

鋼結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度按照公式：F=fvA計(jì)算，取0.95的安全系數(shù)后，計(jì)算得F=421.56kN。

單位剪應(yīng)力Q（每平米垂直均布?jí)毫Γ┖虴（每平米水平均布?jí)毫Γ┚∮贔。

3.3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，鋼拱架能夠滿足圍巖應(yīng)力要求，保證上方公路通行安全，再施做超前支護(hù)和掛網(wǎng)噴錨后，安全系數(shù)將進(jìn)一步加大。

4 方案實(shí)施

4.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)采用Φ42注漿小導(dǎo)管，壁厚4mm的無(wú)縫鋼管。間距為40cm×200cm（環(huán)向×縱向），長(zhǎng)度為3.5m。

注漿材料為純水泥漿液，注漿參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，小導(dǎo)管外插角度3°～5°,外露部分應(yīng)與鋼拱架焊接牢固。

4.2 開(kāi)挖

采用人工手持洋鎬、鐵鍬等工具配合小型挖掘機(jī)開(kāi)挖，個(gè)別孤石采用弱爆破法處理。每次開(kāi)挖距離不超過(guò)0.6m。開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，架設(shè)I20a工字鋼，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設(shè)鎖腳錨桿，拱腳錨管和鋼架牢固焊接，再?gòu)?fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

4.3 初期支護(hù)

鋼筋網(wǎng)：鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋混凝土制作，網(wǎng)眼大小為150mm×150mm。安裝時(shí)應(yīng)隨高就低緊貼初噴面，搭接長(zhǎng)度不小于200mm，鋼筋網(wǎng)與鋼拱架之間焊接牢固。

系統(tǒng)錨桿：系統(tǒng)錨桿采用Φ25砂漿錨桿，長(zhǎng)3.0m，間距為100cm×50cm（環(huán)向×縱向）。錨桿尾端與鋼拱架焊接牢固。

鋼拱架：鋼拱架采用I20a工字鋼加工，縱向間距50cm。采用φ22鋼筋連接，環(huán)向間距為1.0m，內(nèi)外交錯(cuò)布置。安裝好的鋼支撐在拱腳處每側(cè)各打2根3m長(zhǎng)的φ25鎖腳錨桿（每榀拱架共8根），將鋼支撐固定牢固。底板采用I20a工字鋼作為水平橫向支撐。

噴射混凝土：隧洞拱部、邊墻及底板噴射混凝土采用C20混凝土，厚26cm。

4.4 二次襯砌及鋪底施工

開(kāi)挖后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工。襯砌采用組裝鋼模、混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸、泵送混凝土灌注，振搗器搗固，混凝土澆筑要左右對(duì)稱進(jìn)行，防止偏移。鋪底采用小型棧橋施工。

襯砌及鋪底均采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度為35cm。襯砌主筋為Φ25鋼筋，縱向間距20cm。

5 技術(shù)保證措施

一是隧洞開(kāi)挖施工堅(jiān)持“不爆破(弱爆破)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。二是加強(qiáng)開(kāi)挖測(cè)量放線作業(yè)，嚴(yán)格控制開(kāi)挖超欠挖及開(kāi)挖進(jìn)尺。施工時(shí)設(shè)備操作人員相對(duì)固定，以利于開(kāi)挖成型質(zhì)量。三是架立鋼拱架時(shí)，拱腳嚴(yán)禁置于虛渣上，高度不夠時(shí)應(yīng)用木板或鋼板墊實(shí)；鋼架與初噴混凝土之間盡量貼緊，如因開(kāi)挖造成凹凸不平，并有較大間隙時(shí)，用Φ25鋼筋支撐于巖面，嚴(yán)禁用片石和木材填塞；鋼拱架架立尺寸橫向及縱向誤差不得超出±5cm，拱頂高程不得低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，垂直度誤差不得超過(guò)±2°；兩節(jié)拱架之間采用M22螺栓及螺母連接，螺母必須擰緊；相鄰兩榀拱架之間采用φ22鋼筋連接，焊接牢固。拱架架立好后，立即在拱腳兩側(cè)打設(shè)鎖腳錨管，固定鋼拱架，每個(gè)拱腳處打設(shè)兩根，與拱架焊接牢固。四是注漿小導(dǎo)管注漿飽滿，確保土層固結(jié)良好，確保施工安全。五是施工過(guò)程中加強(qiáng)技術(shù)交底工作，嚴(yán)格落實(shí)交底方案施工，加強(qiáng)工序銜接，降低開(kāi)挖后土層裸露時(shí)間，及時(shí)支護(hù)。及時(shí)跟進(jìn)鋪底，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)施做二次襯砌。六是加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。采用地質(zhì)超前探孔，及時(shí)了解開(kāi)挖前方地質(zhì)圍巖狀況，并隨時(shí)作出開(kāi)挖支護(hù)方案調(diào)整。

6 監(jiān)控量測(cè)

第一，路面地表沉降監(jiān)測(cè)：在下穿省道前，在省道上路面上埋設(shè)沉降監(jiān)控點(diǎn)，在CZ22+058.7～CZ22+ 078段沿隧洞軸向每隔5～10m布設(shè)。同時(shí)在橫斷面方向在隧洞中心及兩側(cè)間距2～5m處設(shè)地表下沉測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面設(shè)3～5點(diǎn)，監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)在隧洞開(kāi)挖影響范圍以外。

第二，隧洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)：CZ22+058.7～CZ22+078設(shè)計(jì)為土洞圍巖段，拱頂下沉及收斂量測(cè)斷面間距5～10m。每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)點(diǎn)，布設(shè)于隧洞拱頂和兩側(cè)邊墻。

第三，施工監(jiān)控測(cè)量要緊跟開(kāi)挖、支護(hù)作業(yè)。按設(shè)計(jì)規(guī)范要求設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)具體情況及時(shí)調(diào)整或增加量測(cè)的內(nèi)容。量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理、動(dòng)態(tài)施工。

第四，地表下沉的量測(cè)與洞內(nèi)凈空變化和拱頂下沉量測(cè)在同一橫斷面內(nèi)。

第五，地表下沉量測(cè)應(yīng)在開(kāi)挖工作面前方，隧洞埋深與隧洞開(kāi)挖高度之和處開(kāi)始量測(cè)點(diǎn)距，直到襯砌結(jié)構(gòu)封閉、下沉基本停止時(shí)為止。

TV554

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1004-7042（2017）08-0026-02

范彩娟（1978－），女，1997年畢業(yè)于山西省水利學(xué)校水利經(jīng)濟(jì)專業(yè)，工程師。

2017-06-05；

2017-07-14