长城岭大跨超浅埋隧道设计与施工.pdf

第 20 卷第 4 期 湖 南 工 程 学 院 学 报 Vo1.20.No.4 2010 年 12 月 Journal of H unan Institute of Engineering Dec.2010 收稿日期:2010-05-10作者简介:王 刚(1973-),男,工程硕士,高级工程师,研究方向:公路工程1长城岭大跨超浅埋隧道设计与施工王 刚,刘 军(吉林省公路勘测设计院,长春 130021)摘 要:大跨度、超浅埋的隧道工程,只要通过科学严谨的设计、合理的施工控制、动态设计及施工相结合,辅以准确的地质超前预报和监控量测资料,就能够保证顺利建成通车.本文通过已建成的长城岭隧道工程为背景,介绍了长城岭隧道工程的设计参数、施工控制技术、设计变更动态进行调整的情况,为今后类似大跨度、浅埋、围岩破碎的隧道工程提供了一个可借鉴的实践依据.关键词:大跨度;超浅埋;隧道;设计与施工中图分类号:U452、2+5 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2010)04-0083-06 0 引 言济南至莱芜高速公路是国道主干线北京至上海公路、北京至福州公路山东境内重合段的重要辅线,是济南至青岛之间的第二条高速公路通道中的一段,路线全长 75.493 km.长城岭隧道位于该路济南市与莱芜市的分界处,下穿古齐长城,为了保护齐长城遗址,选择了隧道穿越方案.隧道建设标准为设计速度 100 km/h、双向 6 车道的山岭高速公路,采用上、下行分离式断面,左幅 LK40+420 LK41+298,长 878 m;右幅 RK40+496 RK41+290,长794 m,属中长隧道.左、右幅隧道间的净平距济南端为 51 m,莱芜端为 61 m;两幅隧道底板高差济南端为 616 m,莱芜端为 15 13 m.古齐长城位于隧址左幅 LK40+753 14、右幅RK40+75416 处,长城岭隧道通过地段海拔高程在315 1 3 362 13 m,相对高差为 47 m.隧道洞顶最大埋深仅为 3312 m,特别是过齐长城后的左幅 LK40+845 LK40+910、右幅 RK40+815 LK40+880低洼鞍部段,地表覆盖层为人工梯田,埋深仅在 510 m 之间,整座隧道 6117%的段落均为浅埋,为一座大跨度超浅埋的隧道.1 工程地质及水文地质条件长城岭隧道位于低山丘陵区,山间沟谷及冲沟发育,丘陵呈浑圆形.山体岩性单一,以奥陶系灰岩为主,岩体完整性较差,并且发育有溶蚀裂隙,裂隙内填充粘性土,近地表处节理发育.隧道围岩类别以、级为主.地层呈北西走向、北东倾向的单斜构造.山体鞍部局部由第四系全新统亚粘土层覆盖,厚度小于 5 1 0 m.隧址地表植被稀疏,绝大部分基岩裸露,沟坡拦蓄雨水的能力很弱.大气降水大部分以地表径流的形式顺斜坡运动,汇入大小沟谷,最后流入汇河,少部分沿灰岩浅部的风化裂隙及节理带由地表沿着伸向深部的贯穿节理裂隙渗入地下.地下水径流深度一般在地下数十米范围内.隧道区水文地质条件简单,地下水类型以碳酸盐夹碎屑岩岩溶裂隙水为主.2 设计概况2.1 净空标准隧道的建设标准为设计行车速度 100 km/h 六车道高速公路标准,为上、下行分离式断面,单洞的行车道宽度 3 3 175=11 125 m,左、右侧侧向宽度分别为 0 1 5 m 和 1 10 m,两侧各设 0 1 75 m 的检修道.根据5公路隧道设计规范6(JT G D70-2004)第4.4.1 条的规定,隧道的建筑限界净高为 5 10 m,考虑路拱横坡的影响,右侧检修道底宽为 018 m.因此,本设计隧道的有效净宽为 14 1 30 m,有效净高为5 1 0 m.为了满足上述净空限界标准,考虑通风、照明、电缆槽的设置等对空间的需求及衬砌结构受力的合理性和开挖面积最小等因素,经过对各种衬砌内轮廓形式和参数的优化,选择了净宽 14 130 m,净高 7190 m 的三心圆弧拱形式,见图 1.图 1 隧道建筑限界与内轮廓图(尺寸单位:cm)2.2 隧道衬砌结构设计长城岭隧道除洞口段设置较短明洞以外,其余按/新奥法0原理进行设计,衬砌形式为:以锚喷混凝土作为初期支护,内层用模注防水混凝土作为二次衬砌的复合式衬砌结构,两层衬砌之间设置防水层,对于软弱围岩及断层破碎带采取适当的超前支护措施,保证围岩的稳定和初期支护的施作.根据长城岭隧道的工程地质及水文地质条件,采用工程类比的方法拟定了各类围岩的衬砌参数,同时根据各类围岩的物理力学指标,对部分围岩衬砌结构进行验算,并根据计算结果修正初拟的衬砌参数,最后确定了隧道各类围岩的衬砌参数,如表1 所示.表 1 隧道衬砌参数表衬砌类型初期支护二次衬砌锚杆类型锚杆长度(cm)锚杆间距(cm)喷层位置厚度(cm)支护措施模注混凝土厚度(cm)仰拱厚度(cm)超前支护措施MD(明洞)边墙 15钢筋混凝土 80钢筋混凝土 80JQ5(加强级)D25 中空注浆锚杆40080 80拱、墙 25型钢钢架钢筋混凝土 65钢筋混凝土 65小导管注浆JQ5-1(加强级-1)D25 中空注浆锚杆40080 80拱、墙 30型钢钢架钢筋混凝土 80钢筋混凝土 80小导管注浆PY5(偏压级)D25 中空注浆锚杆40080 80拱、墙 25型钢钢架钢筋混凝土65-8 5钢筋混凝土 65小导管注浆JQ4(加强级)D25 中空注浆锚杆40080 100拱、墙 25型钢钢架钢筋混凝土 60钢筋混凝土 60小导管注浆SM5(深埋级)D25 中空注浆锚杆40080 80拱、墙 25格栅钢架钢筋混凝土 60钢筋混凝土 60小导管注浆SM4(深埋级)普通砂浆锚杆350100 100拱、墙 22格栅钢架钢筋混凝土 50钢筋混凝土 50超前锚杆SM3(深埋级)普通砂浆锚杆300120 120拱、墙 15钢筋混凝土 45 在隧道进出口加强段、断层破碎带等软弱围岩段,根据围岩类别、破碎程度及地下水情况分别采用不同形式的超前支护措施,使浅埋和破碎带围岩在隧道开挖后及时形成压力拱,确保开挖后的裸洞具有一定的自稳时间以利初期支护的施作,同时具有止水作用.其中:暗挖起点处:为保证暗挖起点处仰坡的稳定,在下仰坡设置了小导管注浆和 6 cm 厚锚喷混凝土,小导管沿浅埋段衬砌的外侧环向布置,设置一至二层,小导管采用长 4 11 m,直径 42 mm 无缝钢管,小导管环向设置间距 4112 cm,采用水泥浆液;在上仰坡设置了锚杆,锚杆采用全长粘结型普通水泥砂浆锚杆,22 钢筋,布置间距 1 m.进出口浅埋 级围岩:采用型钢钢架配合小导84 湖南工程学院学报 2010年管注浆,型钢钢架设置间距 0 175 m,小导管采用长4 11 m、直径 42 mm 无缝钢管,小导管环向设置间距为 41 12 cm,采用水泥单浆液.深埋 级围岩:采用格栅钢架配合超前锚杆,格栅钢架设置间距 1 m.超前锚杆长410 cm,采用早强水泥砂浆锚杆.长城岭隧道左幅出口段隧道上方有改道通过,并有少量民房,为加强支护,加厚了锚喷层和二次衬砌厚度,并加密了钢拱架,采用 015 m 间距.右幅出口段地形向左倾斜,采用偏压衬砌结构,衬砌厚度65 85 cm.隧道通过长城段,LK40+746 LK70+766、RK40+746 RK70+766,采用加强型衬砌结构,并加密了钢拱架,采用 015 m 间距.2.3 洞口及洞门设计隧道洞口位置的选择充分结合了隧道进出口的地形、地物及地质条件,长城岭隧道两端均设端墙式洞门,端墙采用 M10 浆砌片石,仿古齐长城砖镶面,衬托出长城岭的历史人文景观.根据典型示范工程的设计理念,洞口外的仰坡自然填土绿化,两幅之间简单采取直立或台阶形开挖处理,与周围人工梯田地貌相吻合,稳定的大块岩石自然裸露,并采用藤、灌植物绿化,与周围环境更加融合.3 施工控制技术3.1 洞身开挖(1)施工方案本隧道为三车道隧道,开挖断面大,大部分为浅埋路段,围岩以灰岩、页岩、及灰岩页岩互层为主,节理裂隙发育,不稳定,易坍塌.根据实际的围岩情况,从安全性和经济性上综合考虑,确定洞口段和 级围岩段落采用单侧壁导坑法施工;其他地段采用台阶法施工,分断面开挖的基础上,再分部进行开挖.(2)单侧壁导坑法施工洞口段和 级围岩段在超前小导管支护下,采用单侧壁导坑法开挖,如图 2 所示.按照施工顺序分上、中、下三层台阶实施分部开挖,上台阶高度 2 18m,中台阶高度 3 15 m,下台阶直接开挖至仰拱底部.第一步:首先开挖右侧壁导坑上台阶,开挖高度2 1 8 m,宽度 7122 m,开挖掘进进尺 1 m,开挖完成后立即初喷 4 cm 厚 C20 混凝土,然后架立工字钢拱架,钢拱架间距 0 15 m 或 0175 m,再施工 D25 注浆锚杆,并安装钢筋网,复喷砼至设计厚度.导坑左侧壁紧贴围岩设置临时钢拱支撑,工字钢拱架及临时钢拱支撑拱脚处设置锁脚锚杆,临时钢拱支撑喷射 C20 砼将其包裹,防止爆破掘进时将其破坏.第二步:开挖右侧壁导坑中台阶,中台阶开挖距上台阶开挖面 4 m.开挖掘进进尺 1 m,开挖后立即施作初期支护,其施工步骤同上.钢拱支撑及临时钢支撑与上台阶钢支撑连接成一个整体,拱脚落在稳定基岩上.第三步:左侧壁上台阶开挖距右侧中台阶开挖面 5 m,开挖掘进进尺控制在 1 m 以内.开挖后立即施工初期支护,将左侧钢支撑与既有右侧钢支撑连接成一个整体,钢支撑拱脚安设锁脚锚杆,其初期支护施工步骤同前.第四步:左侧壁中台阶开挖距左侧壁上台阶开挖面 4 m,开挖掘进进尺 1 m.开挖后立即施工初期支护,钢支撑与上台阶钢支撑连接成一个整体,拱脚落在稳定基岩上.第五步:右侧壁下台阶开挖距左侧壁中台阶开挖面 8 m,直接开挖至仰拱底,开挖掘进进尺 1 m.开挖后立即施工初期支护,其施工步骤同前.钢拱支撑及临时钢支撑与上台阶钢支撑连接成一个整体,拱脚落在稳定基岩上.85第4 期 王 刚等:长城岭大跨超浅埋隧道设计与施工图 2 单侧壁导坑开挖方法示意图第六步:左侧壁下台阶开挖距右侧壁下台阶开挖面 8 m,直接开挖至仰拱底,开挖掘进进尺 1 m.开挖后立即施工初期支护,其施工步骤同前.钢支撑与上台阶钢支撑连接成一个整体,拱脚落在稳定基岩上.第七步:在隧道初期支护封闭成环后,开始拆除临时钢支撑.(3)开挖爆破控制技术 重视开挖方式:洞口段和 级围岩段采用单侧壁导坑开挖,其他地段采用台阶法分断面开挖的基础上,再分部进行开挖.分部开挖后,爆破所需药量较少,上断面开挖后为下半断面爆破形成了有利临空面,进一步减少炸药用量,对减小振动非常有利.在穿越齐古长城前,地表量测发现爆破时候对地表振动很大,虽地表沉降不大,但部分土体有松动迹象,遂采取了预留核心土,先开挖周边眼,支护后再进行核心土开挖,减小了一次爆破量,循环进尺极限时已经缩小至 0 1 5 m.根据长城岭隧道的围岩特点,隧道在炮眼布置上突破了传统的拱形布置,为减少拱形起爆对外抵抗力大的缺点,在拱顶处均未严格按照开挖弧形布眼,而是部分降低药眼位置,炮眼布置线水平降低10 15cm,对开挖线以外的岩石扰动最小,充分利用破碎围岩的自重作用,找顶去除浮石后,能够达到设计要求开挖断面.即保证了开挖轮廓线的准确,又避免造成对拱顶巨大冲击及超挖.临时支撑的拆除在监控量测信息指导下进行,以确保拆除临时支撑洞身结构的稳定,并结合施工现场条件及需要提前准备衬砌工序的施工.施工测量放样及架立钢架定位准确,架立的钢架支撑必须满足连接圆顺、不产生扭曲变形,同时确保钢架在同一断面内.中隔壁临时支撑与永久钢架间的连接采用螺栓联接,以便拆除及结构受力均匀.在施工中尽量缩短进尺,增加循环次数,减少人为钻孔时角度偏差引起的超挖.采用弱爆破,开挖后及时施做初期支护.导坑掘进时进行详细的地质素描及施工过程中特殊地质段围岩记录,以便为后续导坑开挖施工提供详细的地质资料,为安全、顺利、快速通过浅埋地段施工打下良好的基础.选择合理的炸药品种,理论和实践证明炸药爆速对爆破振动有直接影响,爆速越高,爆破产生的振动越大,本隧道开挖使用乳化炸药这一低爆速炸药.选择合理的起爆时差:实践证明爆破振动速度的大小与同时起爆的炸药量有关,设计中只要使每段雷管的起爆时差足够大,使爆破振动波形不叠加,只与最大段装药量有关,但起爆时差过大,会影响爆破效果,故应选择合理的起爆时差.3.2 超前支护和初期支护长城岭隧道作为大跨度超浅埋隧道,设计时给予了充分的考虑,保证了施工的安全性,主要结构为超前小导管、超前锚杆、I20 或 I18 钢拱架、格栅拱架、系统锚杆及网喷支护.在施工过程中,初期支护完毕后,结构基本稳定,拱部变形收敛,充分发挥围岩的自承能力.发生过的几次小规模拱顶局部掉块或块石滑落现象,全部出现在除渣结束后人工找顶前,此类围岩的应力极限释放时间和变形最大化发生在开挖后 2 3 h,此时的支护形式仅有超前支护,如何保证施工安全及质量要求,是本隧道施工的重要控制环节.(1)局部围岩坍塌原因分析长城岭隧道围岩以灰岩、页岩、及灰岩页岩互层为主,因地质沉积时间不长,围岩厚度在 20 50 cm之间,呈平层结构.围岩长期受地表水侵蚀和自然风化作用,节理裂隙十分发育,裂隙由土或破碎石块填充;偶尔存在大块孤石被土包裹的情况.围岩在开挖前属三向平衡状态,但在开挖完成后,岩层结构被破坏,围岩自动重新分布应力,由于底层岩石与上部岩体黏结能力很小,在自重的作用下及上部压力共同86 湖南工程学院学报 2010年作用下于隧道拱腰处形成剪力,拱顶形成压力,造成掉块与超挖,严重的形成局部坍塌.(2)超前支护应用长城岭隧道存在大量浅埋段落,设计时从环保角度出发,摒弃了地表注浆等洞外辅助措施,均采用洞内加固措施,为确保浅埋和破碎带围岩在开挖后的裸洞具有一定的自稳时间,并且尽量限制超挖,在开挖前施作超前支护,超前支护主要为超前小导管和超前锚杆,施工过程中根据地质状况进行了一定的调整.超前小导管设计参数为:U42 无缝钢管,L=4 11 m,环向间距 41 1 2 cm,纵向 3 m 一环,外插角度7 b.长城岭隧道岩层近于水平,呈层状结构,层间错动明显,按照图纸钻孔后,导管顺层面楔入围岩,扩大了部分裂隙,使该层面较薄弱,甚至剥离下部岩体,注浆后效果不明显,在开挖振动后,该层面以下会全部掉落,于是调整钻孔角度,实际情况中外插角25b效果较好.在局部地段,地质条件很差,几乎全为泥夹石,还存在重达十余吨的孤石处于拱顶地段,因此采取增加拱圈超前支护,环向间距缩小为 30 cm,纵向搭接增加到 2 m,使超前支护形成/连续梁0作用,抑制上部围岩变形.长城岭隧道由于是超浅埋隧道,拱部以上风化破碎严重,受地表下渗水影响较大,部分超前支护采用注双液浆止水.注浆按照常规施工方法,自下而上,从两侧到中间的顺序连续施作.超前锚杆设计参数为:U22 砂浆锚杆,L=4 11 m,环向间距 4112 cm,纵向 3 m 一环,插角度10b.长城岭隧道拱顶围岩节理发育地段,为提高整体刚度和插板效果,调整为 25 砂浆锚杆,L=511m,环向间距 30 cm,纵向 3 m 一环间距不变.可以说,超前支护对防止隧道坍塌,安全渡过古齐长城和低洼段起到了良好的作用,同时在控制超挖,抑制掉块方面也起到了应有的作用.(3)系统锚杆系统锚杆紧跟开挖面及时安装,并确保锚杆全长注浆饱满,与岩石连成整体,充分发挥锚杆对围岩的支护作用.系统锚杆在大体上按照开挖轮廓线径向布置的基础上,强调锚杆与岩石结构面、层面大角度安装,发挥其应有的作用.在进出口段,覆盖层厚度不足 4 m,系统锚杆如果径向布设,在拱顶处常常会穿透地表,根据实际情况,同时为了加强对前方围岩的加固作用,在施工过程中超浅埋段的系统锚杆部分采用了径向大角度偏移,形成类似超前支护的结构.(4)喷射混凝土对局部破碎围岩及时进行初喷,保证施工安全,施工拱架等支护结构后,再喷至设计厚度,但因地应力作用产生变形和混凝土部分掉落,需要再次进行复喷至圆滑、光洁,杜绝产生肋骨形.积极调整混凝土施工配合比,减小回弹.(5)钢筋网钢筋网按照常规施工方法进行施工,钢筋网的有效布设,除与拱架,锚杆等形成联合支护以外,能有效减小混凝土回弹,有效避免由于围岩应力加大与围岩节理发育、破碎而发生的喷射混凝土开裂剥落并随同岩块掉落的现象,保证了施工安全.4 设计变更长城岭隧道作为大跨浅埋隧道,围岩受水侵蚀和自然风化的比较严重,最大特点就是开挖断面地质复杂多变,往往是同一开挖断面,部分岩石坚硬完整,部分风化破碎严重,并且规律性不强,有时为横向上、下差异较大,有时为竖向左、右差异大,也有破碎带呈倾斜走向的,往往贯穿整个断面,形成不均匀性.(1)原设计为 级围岩的段落,衬砌采用 SM3型支护方式,断面开挖后由于断面围岩的不均匀,增加了 SM3J 型支护方式,增加格栅钢架,开挖轮廓线相应扩大,并视下半断面围岩的具体情况确定是否设置仰拱.(2)由于隧道围岩的不均匀性,施工时对锚杆类型也根据现场情况,在监理工程师的指导下灵活选用,坚硬、完整岩石采用 22 普通砂浆锚杆,风化破碎岩石采用 D25中空注浆锚杆,锚杆间距也可根据实际按规范和图纸给定数量调整.(3)增设锁脚锚杆,以保证下部端面开挖时上部钢架的稳定.对局部不稳定岩块增设长度较大的局部锚杆.(4)灰岩地区熔蚀现象严重,经常在开挖断面的不同部位出现大小溶洞,处理方式是加强支护快速通过后,视规模大小预留几处100 或 140 钢管,泵送 20 号混凝土进行封闭填塞.87第4 期 王 刚等:长城岭大跨超浅埋隧道设计与施工6 结束语(1)长城岭隧道在施工过程中,通过设计与施工的相互结合验证,加上辅以准确的地质超前预报和监控量测资料,动态、合理地调整了支护参数和施工方案,为长城岭隧道的顺利贯通担供了有力保障,也为以后类似浅埋、大跨、围岩破碎的隧道提供了一个可借鉴的实践依据.(2)本文仅仅针对长城岭隧道大跨、超浅埋的特点,对土建工程中的开挖和支护进行了重点介绍,考虑到篇幅问题,对隧道二次衬砌、防排水及路面工程未进行介绍.参 考 文 献1 王毅材.隧道工程 M.西安:西安公路交通大学,1993:115-120.2 王梦恕,等.浅埋隧道暗挖法设计)施工问题新探 J.北京:隧道建设,1992(2):60-68.3 齐景岳,等.隧道爆破现代技术M.北京:中国铁道出版社,1995:145-152.4 黄成光,于敦荣.公路隧道施工技术 M.北京:人民交通出版社,2001,(5):182-190.Design and Construction of Big-span and Super ShallowTunnel in the Great Wall MountainWANG Gang,LIU Jun(Jilin Provincial Highway Survey and Design Institute,Changchun 130021,China)Abstract:By means of scientific and strict design,rational control in construction,combingat on of dynamicdesign and construction,and accurate advanced forecast of geology and monitoring data,the special projectof big-span,super shallow tunnel can be completed smoothly.According to the technical summary of pro-ject design and construction in the Great Wall tunnel,design parameters,control technology and integratedsituation among design and construction are introduced which provides referential experience for the projectbig-span and super shallow tunnel.Key words:big-span;super shallow;tunnel project;design;construction88 湖南工程学院学报 2010年