下穿明长城浅埋隧道开挖技术研究_王波.pdf

运输经理世界隧道与桥梁工程1工程概况1.1 工程及设计概况呼北国家高速公路山西省朔城至神池段项目起点位于朔州市朔城区张蔡庄乡黄儿庄东，与已经建成的朔州环线西南段高速公路的张蔡庄枢纽相接，路线经张家堡村、九圪塔村、窑子头乡趄坡村后，进入忻州市神池县境内，经丁庄窝村、柴家墕、九姑村、段笏咀西至终点东湖乡西北，与神池至河曲高速公路的神池东湖枢纽相接。该工程段位于明长城保护区重叠范围，起 点 为 K16+240，终 点 为 K16+905，路 线 全 长665m。主 要 工 程 量 包 括 路 基 土 石 方：路 基 挖 土 方20964m3，挖石方 26692m3，利用土方 43199m3，利用石方110532m3。1.2 工程地质及水文条件该项目路线区域总体属北温带半干旱大陆性季风气候，主要的气候特征是冬季寒冷干燥，夏季炎热，春秋短暂，冬春风沙，四季分明，昼夜温差大。降水量集中在 6 月8 月，占全年降水量的 63%以上。日照时 间 长，空 气 干 燥，风 大，历 年 平 均 蒸 发 量 为1921.1mm，年平均相对湿度 57%。隧址区位于管山东南侧余脉，地貌单元为黄土覆盖基岩低山中地貌区，区内地形起伏较大，冲沟发育，隧道与山体走向大体上垂直。隧道洞顶地形起伏较大，两端洞口均为基岩陡坡。隧址最高点地面标高约为 1501m，对应的里程桩号为 K16+260 附近，整个隧道地表海拔高程介于14451501m，相对高差为 56m。隧址区地层结构较简单。结合 山西省区域地质志 和 华北地区区域地层表，依据地质调查及钻探显示，隧址区出露的地层主要是第四纪更新世的地质时期，属于 Q 系列的 1*01黄土和奥陶系中统上马家沟组（02s）薄-中厚层状石灰岩夹薄层灰黄色泥灰岩1。第一，Q 系列的 1*01 黄土，黄褐色，稍湿，稍密中密，局部夹薄层碎石。该层黄土具有 I 级非自重湿陷性，湿陷深度 8.7m。主要分布在洞体标高 10m 以下的坡麓地段，隧道围岩没有该地层。第二，02s 薄-中厚层状石灰岩夹薄层灰黄色泥灰岩，其中灰岩为灰黄色灰白色，强中风化，强风化层厚度 812m，岩体节理裂隙发育，呈碎裂结构碎裂镶嵌结构；薄层灰黄色泥灰岩夹在灰岩层面之间，厚度 110cm，强风化，强度低，属于软岩。2下穿隧道开挖施工技术2.1 洞身开挖要点该 工 程 隧 洞 的 开 挖 断 面 为 半 径 为 5.7m、1.2m、17.5m 的三圆合成断面，并且由于隧道工程所处位置的地质条件较好，岩石主要是中风化灰岩夹薄层泥灰岩所组成，围岩等级为类，并且地下水对隧道施工的影响较小。所以在隧道开挖施工的过程中对级围岩采用水磨钻钻孔+静力爆破剂+液压或冲击劈裂机劈岩法施工，对级围岩采用悬臂掘进机开挖法进行施工。2.2 水磨钻钻孔+静力爆破剂+液压或冲击劈裂机劈岩法施工要点开挖施工之前要做好准备工作。首先，需要根据水文地质条件、开挖及支护方式来确定相应的施工流程。流程如图 1 所示。其次，根据隧道的开挖断面以及掏挖区的大小来对非爆破开挖断面进行确定。再次，通过测量人员根据隧道内控制导线精准测量来得到开挖断面的圆心位置。最后，根据施工要求来进行简易台架的搭设，确保台架面距离隧洞顶部 80cm，同时宽度按照隧洞内卡瓦净空距两侧掌子面 50cm 左右进行控制。首先，进行第一段钻孔开挖施工。第一段孔开挖施工的过程中要满足能通过倒链将水磨钻悬吊在作下穿明长城浅埋隧道开挖技术研究王波（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）摘 要：为保护重要建筑，以呼北高速公路朔城至神池段穿越古长城保护区项家沟隧道为例，对该段项目的工程地质、水文条件、下穿隧道开挖施工技术及施工要点做重点分析，从而保证项目质量，完成项目目标。关键词：隧道工程；下穿浅埋隧道；隧道开挖技术中图分类号：U455文献标识码：A120运输经理世界隧道与桥梁工程业台架上，同时进行可调节水磨钻横向位置的支撑架的安装。完成之后调整水磨钻位置来检查水磨钻是否能够完全到位。第一段孔开挖的布孔位置如图 2 所示。确定水磨钻能够正常运行之后，通过人工手持水磨钻的方式在二环线上采用相切割的方式进行水平方向的施钻取芯施工，从而形成连续槽道临空面，将岩心与围岩进行分开2。在这过程中水磨钻钻孔的孔径为 100mm，孔距为 70mm，相邻的两个钻孔相隔为70mm，钻孔深度控制为 1000mm。然后通过 YT28 凿岩机在一环线上进行钻劈裂孔，孔径控制为 42mm，钻孔深度为 1000mm，孔距为 70mm。然后通过比钻孔直径略小的高强度纤维纸袋往孔内加入静力爆破剂，静力爆破剂需要用水浸泡 3050s，直到药卷充分湿润，并不产生气泡后，将静力爆破剂放入钻孔中，并捅紧处理，然后孔口位置预留 5cm 并用黄泥进行封堵，保证水和药剂都不会流出。然后通过 380V 的电压对药剂进行加热处理，时间为 515min。等到岩石破裂后，经 过 采 用 人 工 配 合 的 方 式 将 破 裂 的 岩 石 进 行清理。图 1 施工工艺流程图其次，进行第二段钻孔开挖。进行第二孔段开挖的过程中，在开挖圆轴线上采用 YT28 凿岩机进行钻孔。钻 孔 孔 径 为 42mm，孔 深 为 1000mm，孔 距 为400mm，排距为 400mm，然后以掏心孔所形成的临空面，通过静力爆破剂的方式来对临空面方向进行分裂开挖岩体。在这过程中根据孔深来决定静力爆破剂的用量，静力爆破剂的添加深度为孔深的 0.6 倍，剩余的部分则通过黄土填满，然后通过 380V 的电压来进行岩体的加热处理，并通过人工配合液压劈岩机的方式对碎裂的岩石进行清理。最后，进行第三段钻孔开挖。完成第二段钻孔开挖之后，对开挖圆轴线用水磨钻机进行钻孔。钻孔孔径 为 42mm，孔 深 为 1000mm，孔 间 距 为 300mm，排 距为 300mm，完成钻孔之后通过静力爆破剂向第二段孔开挖后所形成的临空面进行分裂开挖岩体3。这里在进行岩体清理的过程中选择劈裂的方式进行处理。在这过程中为了保证台架、液压劈裂机管线等的安全，劈裂机将岩体分裂后，需要通过人工的方式将劈裂出的岩石搬运至距离掌子面 10m 范围以外进行临时堆放。图 2 第一段孔开挖钻孔布置图（单位：mm）2.3 悬臂式隧道掘进机施工要点该工程中对于级围岩采用的是悬臂式隧道掘进机施工的方案。悬臂掘进机就位后，首先需要从掌子面的底部开始水平割出一条槽，然后向前移动掘进机再一次就位，割头通过自上而下，左右循环的方式进行切削。同时在切削的过程中通过铲板底部的耙爪将切削下来的渣装入第一运输机，然后运送到第二运输机再运送出洞外。通过这样的开挖方式从底部开挖到拱顶后完成，然后再通过二次修正的方式来精确到设计断面4。在工程开挖的过程中，如果遇到局部硬岩的情况（100MPa）可以将硬岩周边的软岩掘进，然后使硬岩自动掉落，掉落的岩石通过改炮方式进行处理，这样能够有效降低掘进机掘进的难度以及降低截齿的消耗量。在悬臂掘进机开挖的过程中，掘进机的切割方式是从底部开始进行切割，然后按照 S 形或者 Z 形左右循环向上的切割路线进行逐级切割。在切割的过程中需要针对不同硬度和质地的岩石来制定不同的截齿，同时截齿呈螺纹排布，能够更好地保证掘进机的掘削能力。同时这样的方式使掘进机的截齿也具有一定的清洁能力。3过长城段施工要点分析该工程实施过程中要充分考虑长城底部下沉情况，所以在隧洞开挖施工的过程中采用单侧壁导坑法进行施工。在进行单侧壁导坑法施工之前需要做好相应的超前支护工作，通过这样的方式能够减少一次开挖的面积，从而对结构的受力情况进行优化。单侧121运输经理世界隧道与桥梁工程导洞完成初期的支护工作后，就可以开始向前开挖。先行导洞的掌子面与另一侧导洞的掌子面的距离需要控制在大于 2 倍洞室宽度（23m）的范围内，这样能够有效地减少两侧壁导坑之间的相互影响，施工流程如图 3 所示。在进行单侧壁开挖施工的过程中需要做好对施工工艺的控制5。首先需要做好左侧上导坑开挖与初期支护的施工工艺控制。在进行超前支护的过 程 中 超 前 小 导 管 需 要 采 用 直 径 为2mm，壁 厚4mm，长 4.5m 的热轧无缝钢管，以 10的角度进行插入，环向距离控制为 40cm，纵向距离控制为 320cm。完成超前支护后进行左侧上导坑的开挖，开挖的过程中采用人工和机械相互配合的方式进行，在这过程中需要将开挖的进尺控制在 1.6m 左右。然后是对导坑的初支，该隧道在进行初期支护的过程中采用锚杆（22mm 砂浆锚杆，长 3.0m）、喷射混凝土（C25 混凝土）、钢拱架支护（I16）。隧道喷射混凝土分两次完成，初喷 13cm，安设拱部钢架，钢架间距为 80cm，再复喷至厚度 50cm，中隔壁采用 I14 工字钢，喷射 C25混凝土。其次，左侧下导坑开挖与初期支护施工，等到上导坑施工完成 510m 的长度后，开始进行下导坑的开挖施工。具体施工方式和上导坑的施工方式相同。待到下导坑完成 510m 的施工后才能够进行右侧上导坑的开挖施工，最后进行右侧下导坑的开挖施工。通过这样的方式完成两侧导坑的施工，等到各个部位位移稳定后进行中隔墙的拆除，这里需要保证中隔墙的拆除应该在全断面成环6。上部测量单侧下部支护先行导坑上部挖机结合破碎缝隙开挖后行导洞上部挖机结构会破碎锤开挖下部支护单侧上部支护仰拱操作出渣单位上部支护出渣下部测量下部挖机结合破碎缝开挖出渣图 3 单侧壁导坑施工流程图4结语为保护留存下来的遗址，全文对呼北国家高速公路山西省朔城至神池端穿越古长城保护区项家沟隧道工程中下穿浅埋隧道开挖施工的周边地质环境进行全方位探测，对开挖施工技术进行分析，对过长城段的施工要点进行了分析。最后开挖项目顺利完成，既保证了下穿浅埋隧道的开挖施工质量，又能够有效避免山体沉降变形，实现了对古建筑的有效保护。参考文献：1李强.高速铁路隧道超浅埋下穿高速公路盖挖法修建技术研究J.现代隧道技术，2020（3）：161-166.2朱正国，方智淳，马超义，等.浅埋偏压连拱隧道穿越古建筑施工控制研究J.铁道工程学报，2021（5）：71-76+108.3叶建忠，李永明，应础斌.浅埋大断面小净距隧道下穿古建筑物变形控制研究C/中国土木工程学会隧道及地下工程分会.2014 中国隧道与地下工程大会（CTUC）暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会论文集.现代隧道技术 编辑部，2014：305-311.4车彦鹏.下穿国道浅埋铁路隧道开挖技术有限元分析及应用J.广东水利电力职业技术学院学报，2022（3）：38-42.5曹成勇，施成华，彭立敏，等.下穿高速公路的浅埋大跨隧道开挖力学行为分析J.现代隧道技术，2017（5）：122-129+154.6陈文.长距离下穿建筑群段的地铁浅埋暗挖隧道 开 挖 施 工 技 术 J.城 市 建 设 理 论 研 究，2015（3）：100-101.作者简介：王波（1983-），男，汉族，四川渠县人，本科，工程师，研究方向：工程技术122