临临高速鲁山隧道施工组织与支护设计思考

杨洪振,苏子龙

(山东省路桥集团有限公司,山东青岛266000)

0 引言

近些年来,中国已成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多和难度最高的国家,这不仅体现在隧道长度、埋深和断面尺寸的增长上,建设难度和技术创新也达到了空前的高度,各种新材料、新工艺等不断涌现。

在隧道的施工方法中要符合隧道的特点和地质条件以及绿色施工的理念[1]。钻爆施工、盾构机施工和TBM机施工具有各自的优势,均有大量的应用。在隧道锚杆支护理论研究上,直至今日,已获得大多数研究学者认可的4种锚杆加固理论[2]:悬吊理论、增强理论、闭合拱理论和内压理论。对于一些地质条件没有那么好的岩体,锚杆可以与其它支护材料配合对围岩进行初期支护。在支护设计上,近年来,我国的研究正在转向应用新型材料的喷射混凝土的研究上,并对于在极差施工环境下使用喷射混凝土支护技术的研究取得了不错的成果。

1 隧道工程概况

临淄至临沂高速公路工程LLKCSJ-1标段鲁山隧道工程位于淄博市博山区池上镇店子村东南侧约1 200 m处,该隧道为分离式隧道,隧道左线轴线起止桩号为ZK76+423～ZK79+870,长3 447.0 m,隧道右线轴线起止桩号为K76+441～K79+883,长3 442.0 m,拟建隧道属双向六车道特长隧道(图1、图2)。

图1 鲁山隧道地质平面(一)

图2 鲁山隧道地质平面(二)

2 隧道施工方案

2.1 开挖方式

隧道开挖需要结合工程实际环境,选择合适的围岩施工方式以及开挖方式[3]。根据本工程项目的情况,公路隧道长度超3 400 m,按照规定属特长公路隧道。目前拟采用分离式(单洞)隧道的施工开挖方式。根据岩体的稳定性、隧道跨度等条件,分离式隧道(单洞)的开挖方法可采用全断面法、台阶法和分布开挖法3种方法,以及由它们变化衍生的开挖方法。根据鲁山隧道围岩分级情况显示,围岩级别全部为Ⅲ～Ⅴ级,双向六车道,单洞三车道,可以采用单侧壁导坑法(CD法)进行隧道施工开挖。该方案应具有较大的适应性,且必须与支护和衬砌施工相协调。

2.2 隧道断面设计

2.2.1 横断面设计

隧道主洞:隧道建筑限界净空宽度:15.25 m=1.00 m(左侧通道)+0.75 m(左侧宽度)+3×3.75 m(车道)+1.25 m(右侧宽度)+1.0 m(右侧通道);

限界净高:行车道净空高度5.0 m,检修道净空高度2.5 m(图3)。

图3 单向行车公路隧道建筑限界(单位:m)

2.2.2 衬砌内轮廓设计

隧道内轮廓需要按照相关JTG D70-2004《公路隧道设计规范》和JTG B01-2004《公路工程技术标准》规定的建筑净空要求。考虑到照明、通讯、防排水、装饰等其他设施所需的空间,各种设备不得侵入建筑净空界限。衬砌内轮廓的形状和尺寸应考虑围岩的类型、结构的受力特点和施工的方便性。设计轮廓采用三心圆内轮廓。

2.2.3 隧道洞门设计

公路隧道洞口根据地形地质条件、自然环境和人文特征进行设计[4]。在洞门形式的选择方面,入口地形陡峭,横断面地形复杂,采用端墙门式设计;出口处地势平缓、山体稳定,采用明洞式洞门中的削竹式洞门设计(图4、图5)。在施工过程中注意避免岩爆伤人和砸坏施工设备,必要时将人机撤离到安全地点[5]。

图4 端墙式洞门设计(单位:mm)

图5 隧道路面设计

3 围岩压力及衬砌结构计算

以Ⅴ级围岩衬砌设计为例

(1)首先进行衬砌内力计算,第一步确定了其荷载,包括围岩水平均布压力、全部竖向均布压力、计算衬砌自重、围岩竖向压力。V级衬砌围岩压力应承担60%～80%,这是一个安全储备[6]。

(2)分析衬砌几何要素(表1)。

表1 各接缝中心几何要素

隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形

隧道跨度b=内轮廓宽度+衬砌厚度+预留变形

(3)计算位移,包括了单位位移、载位移——主动荷载在基本结构中引起的位移、载位移——单位弹性抗力及相应摩擦力引起的位移、墙底(弹性地基上的刚性梁)位移、墙底(弹性地基上的刚性梁)位移。

(4)解力法方程。计算力法方程的系数为:

上面将单位抗力及相应摩擦力产生的位移乘以σh,可以得到被动荷载的载位移[7]。

(5)主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力。

(6)计算最大抗力值。计算最大抗力方向内的位移(表2)。

表2 最大抗力位移修正计算

(7)计算衬砌总内力。衬砌总内力按下式计算:

根据初砌总内力的计算结果,画出其内力如图6所示。

图6 V级围岩衬砌内力

4 隧道防排水设计

4.1 防水设计

由于鲁山隧道使用的是复合式衬砌,在使用复合式衬砌时,采用防水板和无纺布作为一个防水隔层,并设置系统盲管(沟)。防水板和无纺布应沿隧道全长铺设,并覆盖在侧壁基础上。无纺布单位面积质量大于300 g/m2。防水板采用宽且易焊接的聚合物柔性防水卷材,厚度1.5 mm,接缝搭接长度100 mm。在围岩破碎、涌水易塌的围岩中浆。对于淤泥和细砂地层,水泥灌浆不应用于防水[8]。

4.2 排水设计

4.2.1 衬砌排水设计

隧道沿线纵向排水盲管(沟)设置在衬砌两侧边墙后的底部,设置排水盲管环向,环向盲管和垂直盲管与侧壁底部的纵向排水盲管相通,围岩裂隙水排水采用盲沟,采用软透水管,每隔10 m设置一条,为了便于管道清淤机定期对排水管进行清淤,在二次衬砌的转角处,以100 m的纵向间距对称布置检查和维护孔。竖直排水盲管与水平导水管相接。用无纺布包裹环向盲管、竖直盲管和纵向盲管(图7)。

图7 隧道排水系统设计

4.2.2 洞内路面排水设计

在路面单侧设置纵向排水沟,侧边排水沟采用钢筋混凝土结构,水沟的侧面需要设置足量的泄水孔。隧道纵向排水坡度与隧道相同。隧道两侧的排水沟设置排水检查孔。设置中心排水管排出地下水,采用钢筋混凝土管,沟边留足够的排水孔。在隧道底部侧排水沟与中心排水管之间设置横向导水管(图8)。

图8 中心排水管设计

5 施工组织设计

5.1 施工准备

鲁山隧道属于特长隧道,施工工程量较大。在开始施工之前,有必要熟悉设计文件,做好检查现场勘测图和图纸的工作,并为施工组织准备要实施的项目,以完成技术准备和实施。根据地形和场地要求,应提供施工场地、员工住房、配电室、空气压缩机、混凝土站、钢筋车间等。为施工方便应尽量选择在距离施工洞口不远处,注意方便运输、环境保护(图9)。

图9 鲁山隧道施工现场

5.2 开挖与辅助施工方法

本工程主要以钻爆法开挖,根据爆破器材情况,选择使用导爆管雷管孔内延时起爆法,并根据相关爆破参数施工[9-10]。在鲁山隧道的施工区段内,大多数是IV级、V级围岩,所以为了保证开挖过程中围岩的稳定,需要在开挖面的拱部打入锚杆。通过锚杆的对围岩的加固作用,在工作面形成一个稳定的区域,这个稳定的区域就是围岩加固棚。围岩加固棚可以在一定程度上保证开挖掌子面的稳定。超前小导管注浆属于渗透注浆,其注浆加固效果优于管棚法(图10、图11)。而对于监测项目的选择需要根据围岩条件、隧道断面尺寸、隧道全线长度、施工开挖的方法以及采取的支护种类来判断,但是应注意监控量测中必须检测的项目[11-12].

图10 超前锚杆布置

图11 超前小导管布置

5.3 支护与衬砌

5.3.1 初期支护

隧道初期支护采用锚杆、钢网、喷射混凝土等支护方式。在初期支护施工时,先在刚开挖的断面及断面周围喷射厚5 cm左右的混凝土。当混凝土达到强度要求后,钻孔安装锚杆。之后施作钢筋网,然后施作喷射混凝土进行初期支护[10]。

喷射混凝土施工:选用普通硅酸盐水泥,配以粒径5～12 mm的级配连续的砂石,将其与水拌合配制。喷射混凝土水灰比0.5。拌合制备混凝土时,按照规范要求,需要进行多次混凝土质量的检查。

锚杆施工:根据设计要求,检查锚具的材料、型号、规格、质量和性能是否符合标准。如果符合要求,按设计截取锚杆体,拉直除锈。钻孔前,必须按设计要求确定孔的位置并做好标记。砂浆配合比取水泥∶砂=1∶1,水灰比为1∶0.5。在使用时要将砂浆拌合均匀,并且在初凝前全部用完。

钢筋网施工:隧道钢筋网提前完成加工成型。钢筋类型和网格间距应根据设计要求而定。钢筋表面应整洁,不能存在粗糙的接口以及锈蚀现象。安装采用焊接进行连接。施工的钢筋网需要与锚杆等其它固定装置牢固相连[12]。

5.3.2 二次衬砌

5.3.2.1 拱墙衬砌混凝土施工

鲁山隧道衬砌采用混凝土输送泵泵送,自下至上,先浇筑侧墙再浇筑衬砌拱。混凝土运输采用混凝土罐车输送。混凝土浇筑前,做好钢筋布置工作,加强四角振捣,完成防水层的铺设和各种预埋件、预留孔洞、沟槽、沟槽、管道的布置。为了保证初期支护和二次衬砌紧密接触,在初期支护完成后,需要对初期支护后进行勘测。钻孔经地质雷达探测后,应及时进行灌浆和回填。

5.3.2.2 仰拱施工

为保证施工的安全,仰拱混凝土的施工要快,这样可以使支护在短时间内形成一个闭合的圆环,使其能整体承受荷载,发挥其整体稳定性。仰拱需要整体浇筑,以解决仰拱混凝土的压载、材料和施工机具运输等问题。施工前,要清除隧道底部的杂物、泥浆、积水。超挖部分回填采用同牌号混凝土;仰拱施工需提前拱墙二次衬砌施工。

6 结论与讨论

鲁山隧道隧址水文条件较为复杂,采取多种设计方式应对。

(1)在水文条件较简单的区域提高施工效率;在一些渗透系数较大的区域,加强防水、排水设计,提高相应的防水要求。

(2)在设计时应根据隧道的埋深以及岩层,地质条件选择合适的施工方式与隧道断面形式。可以使用相关软件结合数值模拟分析的方法确定该隧道的支护方式。

(3)本工程采用新奥法的开挖方式,采用分离式隧道的施工方式。

(4)临淄至临沂高速公路项目通车后,可以使全省路网布局更加合理,可以强化山东和京津冀及长江地区的交通联系,可以促进沿线地区经济的发展。