楊洪振,蘇子龍

(山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東青島266000)

0 引言

近些年來(lái),中國(guó)已成為世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多和難度最高的國(guó)家,這不僅體現(xiàn)在隧道長(zhǎng)度、埋深和斷面尺寸的增長(zhǎng)上,建設(shè)難度和技術(shù)創(chuàng)新也達(dá)到了空前的高度,各種新材料、新工藝等不斷涌現(xiàn)。

在隧道的施工方法中要符合隧道的特點(diǎn)和地質(zhì)條件以及綠色施工的理念[1]。鉆爆施工、盾構(gòu)機(jī)施工和TBM機(jī)施工具有各自的優(yōu)勢(shì),均有大量的應(yīng)用。在隧道錨桿支護(hù)理論研究上,直至今日,已獲得大多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)可的4種錨桿加固理論[2]:懸吊理論、增強(qiáng)理論、閉合拱理論和內(nèi)壓理論。對(duì)于一些地質(zhì)條件沒(méi)有那么好的巖體,錨桿可以與其它支護(hù)材料配合對(duì)圍巖進(jìn)行初期支護(hù)。在支護(hù)設(shè)計(jì)上,近年來(lái),我國(guó)的研究正在轉(zhuǎn)向應(yīng)用新型材料的噴射混凝土的研究上,并對(duì)于在極差施工環(huán)境下使用噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的研究取得了不錯(cuò)的成果。

1 隧道工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標(biāo)段魯山隧道工程位于淄博市博山區(qū)池上鎮(zhèn)店子村東南側(cè)約1 200 m處,該隧道為分離式隧道,隧道左線軸線起止樁號(hào)為ZK76+423～ZK79+870,長(zhǎng)3 447.0 m,隧道右線軸線起止樁號(hào)為K76+441～K79+883,長(zhǎng)3 442.0 m,擬建隧道屬雙向六車(chē)道特長(zhǎng)隧道(圖1、圖2)。

圖1 魯山隧道地質(zhì)平面(一)

圖2 魯山隧道地質(zhì)平面(二)

2 隧道施工方案

2.1 開(kāi)挖方式

隧道開(kāi)挖需要結(jié)合工程實(shí)際環(huán)境,選擇合適的圍巖施工方式以及開(kāi)挖方式[3]。根據(jù)本工程項(xiàng)目的情況,公路隧道長(zhǎng)度超3 400 m,按照規(guī)定屬特長(zhǎng)公路隧道。目前擬采用分離式(單洞)隧道的施工開(kāi)挖方式。根據(jù)巖體的穩(wěn)定性、隧道跨度等條件,分離式隧道(單洞)的開(kāi)挖方法可采用全斷面法、臺(tái)階法和分布開(kāi)挖法3種方法,以及由它們變化衍生的開(kāi)挖方法。根據(jù)魯山隧道圍巖分級(jí)情況顯示,圍巖級(jí)別全部為Ⅲ～Ⅴ級(jí),雙向六車(chē)道,單洞三車(chē)道,可以采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD法)進(jìn)行隧道施工開(kāi)挖。該方案應(yīng)具有較大的適應(yīng)性,且必須與支護(hù)和襯砌施工相協(xié)調(diào)。

2.2 隧道斷面設(shè)計(jì)

2.2.1 橫斷面設(shè)計(jì)

隧道主洞:隧道建筑限界凈空寬度:15.25 m=1.00 m(左側(cè)通道)+0.75 m(左側(cè)寬度)+3×3.75 m(車(chē)道)+1.25 m(右側(cè)寬度)+1.0 m(右側(cè)通道);

限界凈高:行車(chē)道凈空高度5.0 m,檢修道凈空高度2.5 m(圖3)。

圖3 單向行車(chē)公路隧道建筑限界(單位:m)

2.2.2 襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)輪廓需要按照相關(guān)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTG B01-2004《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的建筑凈空要求?？紤]到照明、通訊、防排水、裝飾等其他設(shè)施所需的空間,各種設(shè)備不得侵入建筑凈空界限。襯砌內(nèi)輪廓的形狀和尺寸應(yīng)考慮圍巖的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和施工的方便性。設(shè)計(jì)輪廓采用三心圓內(nèi)輪廓。

2.2.3 隧道洞門(mén)設(shè)計(jì)

公路隧道洞口根據(jù)地形地質(zhì)條件、自然環(huán)境和人文特征進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。在洞門(mén)形式的選擇方面,入口地形陡峭,橫斷面地形復(fù)雜,采用端墻門(mén)式設(shè)計(jì);出口處地勢(shì)平緩、山體穩(wěn)定,采用明洞式洞門(mén)中的削竹式洞門(mén)設(shè)計(jì)(圖4、圖5)。在施工過(guò)程中注意避免巖爆傷人和砸壞施工設(shè)備,必要時(shí)將人機(jī)撤離到安全地點(diǎn)[5]。

圖4 端墻式洞門(mén)設(shè)計(jì)(單位:mm)

圖5 隧道路面設(shè)計(jì)

3 圍巖壓力及襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

以Ⅴ級(jí)圍巖襯砌設(shè)計(jì)為例

(1)首先進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算,第一步確定了其荷載,包括圍巖水平均布?jí)毫?、全部豎向均布?jí)毫?、?jì)算襯砌自重、圍巖豎向壓力。V級(jí)襯砌圍巖壓力應(yīng)承擔(dān)60%～80%,這是一個(gè)安全儲(chǔ)備[6]。

(2)分析襯砌幾何要素(表1)。

表1 各接縫中心幾何要素

隧道高度h=內(nèi)輪廓線高度+襯砌厚度+預(yù)留變形

隧道跨度b=內(nèi)輪廓寬度+襯砌厚度+預(yù)留變形

(3)計(jì)算位移,包括了單位位移、載位移——主動(dòng)荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移、載位移——單位彈性抗力及相應(yīng)摩擦力引起的位移、墻底(彈性地基上的剛性梁)位移、墻底(彈性地基上的剛性梁)位移。

(4)解力法方程。計(jì)算力法方程的系數(shù)為:

上面將單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移乘以σh,可以得到被動(dòng)荷載的載位移[7]。

(5)主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力。

(6)計(jì)算最大抗力值。計(jì)算最大抗力方向內(nèi)的位移(表2)。

表2 最大抗力位移修正計(jì)算

(7)計(jì)算襯砌總內(nèi)力。襯砌總內(nèi)力按下式計(jì)算:

根據(jù)初砌總內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果,畫(huà)出其內(nèi)力如圖6所示。

圖6 V級(jí)圍巖襯砌內(nèi)力

4 隧道防排水設(shè)計(jì)

4.1 防水設(shè)計(jì)

由于魯山隧道使用的是復(fù)合式襯砌,在使用復(fù)合式襯砌時(shí),采用防水板和無(wú)紡布作為一個(gè)防水隔層,并設(shè)置系統(tǒng)盲管(溝)。防水板和無(wú)紡布應(yīng)沿隧道全長(zhǎng)鋪設(shè),并覆蓋在側(cè)壁基礎(chǔ)上。無(wú)紡布單位面積質(zhì)量大于300 g/m2。防水板采用寬且易焊接的聚合物柔性防水卷材,厚度1.5 mm,接縫搭接長(zhǎng)度100 mm。在圍巖破碎、涌水易塌的圍巖中漿。對(duì)于淤泥和細(xì)砂地層,水泥灌漿不應(yīng)用于防水[8]。

4.2 排水設(shè)計(jì)

4.2.1 襯砌排水設(shè)計(jì)

隧道沿線縱向排水盲管(溝)設(shè)置在襯砌兩側(cè)邊墻后的底部,設(shè)置排水盲管環(huán)向,環(huán)向盲管和垂直盲管與側(cè)壁底部的縱向排水盲管相通,圍巖裂隙水排水采用盲溝,采用軟透水管,每隔10 m設(shè)置一條,為了便于管道清淤機(jī)定期對(duì)排水管進(jìn)行清淤,在二次襯砌的轉(zhuǎn)角處,以100 m的縱向間距對(duì)稱(chēng)布置檢查和維護(hù)孔。豎直排水盲管與水平導(dǎo)水管相接。用無(wú)紡布包裹環(huán)向盲管、豎直盲管和縱向盲管(圖7)。

圖7 隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.2 洞內(nèi)路面排水設(shè)計(jì)

在路面單側(cè)設(shè)置縱向排水溝,側(cè)邊排水溝采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),水溝的側(cè)面需要設(shè)置足量的泄水孔。隧道縱向排水坡度與隧道相同。隧道兩側(cè)的排水溝設(shè)置排水檢查孔。設(shè)置中心排水管排出地下水,采用鋼筋混凝土管,溝邊留足夠的排水孔。在隧道底部側(cè)排水溝與中心排水管之間設(shè)置橫向?qū)?圖8)。

圖8 中心排水管設(shè)計(jì)

5 施工組織設(shè)計(jì)

5.1 施工準(zhǔn)備

魯山隧道屬于特長(zhǎng)隧道,施工工程量較大。在開(kāi)始施工之前,有必要熟悉設(shè)計(jì)文件,做好檢查現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)圖和圖紙的工作,并為施工組織準(zhǔn)備要實(shí)施的項(xiàng)目,以完成技術(shù)準(zhǔn)備和實(shí)施。根據(jù)地形和場(chǎng)地要求,應(yīng)提供施工場(chǎng)地、員工住房、配電室、空氣壓縮機(jī)、混凝土站、鋼筋車(chē)間等。為施工方便應(yīng)盡量選擇在距離施工洞口不遠(yuǎn)處,注意方便運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)(圖9)。

圖9 魯山隧道施工現(xiàn)場(chǎng)

5.2 開(kāi)挖與輔助施工方法

本工程主要以鉆爆法開(kāi)挖,根據(jù)爆破器材情況,選擇使用導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延時(shí)起爆法,并根據(jù)相關(guān)爆破參數(shù)施工[9-10]。在魯山隧道的施工區(qū)段內(nèi),大多數(shù)是IV級(jí)、V級(jí)圍巖,所以為了保證開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定,需要在開(kāi)挖面的拱部打入錨桿。通過(guò)錨桿的對(duì)圍巖的加固作用,在工作面形成一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)域,這個(gè)穩(wěn)定的區(qū)域就是圍巖加固棚。圍巖加固棚可以在一定程度上保證開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定。超前小導(dǎo)管注漿屬于滲透注漿,其注漿加固效果優(yōu)于管棚法(圖10、圖11)。而對(duì)于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇需要根據(jù)圍巖條件、隧道斷面尺寸、隧道全線長(zhǎng)度、施工開(kāi)挖的方法以及采取的支護(hù)種類(lèi)來(lái)判斷,但是應(yīng)注意監(jiān)控量測(cè)中必須檢測(cè)的項(xiàng)目[11-12].

圖10 超前錨桿布置

圖11 超前小導(dǎo)管布置

5.3 支護(hù)與襯砌

5.3.1 初期支護(hù)

隧道初期支護(hù)采用錨桿、鋼網(wǎng)、噴射混凝土等支護(hù)方式。在初期支護(hù)施工時(shí),先在剛開(kāi)挖的斷面及斷面周?chē)鷩娚浜? cm左右的混凝土。當(dāng)混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后,鉆孔安裝錨桿。之后施作鋼筋網(wǎng),然后施作噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)[10]。

噴射混凝土施工:選用普通硅酸鹽水泥,配以粒徑5～12 mm的級(jí)配連續(xù)的砂石,將其與水拌合配制。噴射混凝土水灰比0.5。拌合制備混凝土?xí)r,按照規(guī)范要求,需要進(jìn)行多次混凝土質(zhì)量的檢查。

錨桿施工:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,檢查錨具的材料、型號(hào)、規(guī)格、質(zhì)量和性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果符合要求,按設(shè)計(jì)截取錨桿體,拉直除銹。鉆孔前,必須按設(shè)計(jì)要求確定孔的位置并做好標(biāo)記。砂漿配合比取水泥∶砂=1∶1,水灰比為1∶0.5。在使用時(shí)要將砂漿拌合均勻,并且在初凝前全部用完。

鋼筋網(wǎng)施工:隧道鋼筋網(wǎng)提前完成加工成型。鋼筋類(lèi)型和網(wǎng)格間距應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求而定。鋼筋表面應(yīng)整潔,不能存在粗糙的接口以及銹蝕現(xiàn)象。安裝采用焊接進(jìn)行連接。施工的鋼筋網(wǎng)需要與錨桿等其它固定裝置牢固相連[12]。

5.3.2 二次襯砌

5.3.2.1 拱墻襯砌混凝土施工

魯山隧道襯砌采用混凝土輸送泵泵送,自下至上,先澆筑側(cè)墻再澆筑襯砌拱?；炷吝\(yùn)輸采用混凝土罐車(chē)輸送?；炷翝仓?做好鋼筋布置工作,加強(qiáng)四角振搗,完成防水層的鋪設(shè)和各種預(yù)埋件、預(yù)留孔洞、溝槽、溝槽、管道的布置。為了保證初期支護(hù)和二次襯砌緊密接觸,在初期支護(hù)完成后,需要對(duì)初期支護(hù)后進(jìn)行勘測(cè)。鉆孔經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)后,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灌漿和回填。

5.3.2.2 仰拱施工

為保證施工的安全,仰拱混凝土的施工要快,這樣可以使支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)閉合的圓環(huán),使其能整體承受荷載,發(fā)揮其整體穩(wěn)定性。仰拱需要整體澆筑,以解決仰拱混凝土的壓載、材料和施工機(jī)具運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題。施工前,要清除隧道底部的雜物、泥漿、積水。超挖部分回填采用同牌號(hào)混凝土;仰拱施工需提前拱墻二次襯砌施工。

6 結(jié)論與討論

魯山隧道隧址水文條件較為復(fù)雜,采取多種設(shè)計(jì)方式應(yīng)對(duì)。

(1)在水文條件較簡(jiǎn)單的區(qū)域提高施工效率;在一些滲透系數(shù)較大的區(qū)域,加強(qiáng)防水、排水設(shè)計(jì),提高相應(yīng)的防水要求。

(2)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)隧道的埋深以及巖層,地質(zhì)條件選擇合適的施工方式與隧道斷面形式?？梢允褂孟嚓P(guān)軟件結(jié)合數(shù)值模擬分析的方法確定該隧道的支護(hù)方式。

(3)本工程采用新奧法的開(kāi)挖方式,采用分離式隧道的施工方式。

(4)臨淄至臨沂高速公路項(xiàng)目通車(chē)后,可以使全省路網(wǎng)布局更加合理,可以強(qiáng)化山東和京津冀及長(zhǎng)江地區(qū)的交通聯(lián)系,可以促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。