风积沙地区公路隧道施工方案研究 15页

风积沙地区公路隧道施工方案研究第31卷第2期2011年4月隧道建设TunnelConstructionVol_31No.2Apr.201t风积沙地区公路隧道施工方案研究董长松,黄俊文,肖均(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安710075;2.陕西榆林榆神高速公路有限公司,陕西榆林719000)摘要:为积累风积沙地区公路隧道施工经验,以榆神高速神木1号隧道工程为依托,对该隧道在风积沙段施工中采用的3种施工方案进行了详细介绍,并采用数值模拟和监控量测手段,同时结合现场施工情况,对3种方案的沉降控制效果,施工技术难度和施工周期等进行了对比研究.总结出了其各自的适用条件:小导管+上下台阶临时仰拱法适用于工期紧张,需要快速施工且对地表沉降没有严格控制要求或允许较大地表沉降的场合;水平旋喷桩十三台阶临时仰拱法适用于对地表沉降有严格控制要求的场合;大管棚+上下台阶临时仰拱法在介于上述情况之间时适用.关键词:风积沙;隧道工程;小导管;大管棚;水平旋喷桩;临时仰拱;沉降控制中图分类号:U455文献标志码:B文章编号:1672—741x(2011)02—0202—06StudyonConstructionProgramsofHighwayTunnelsinAeolianSandAreasDONGChangsong,HUANGJunwen,XIAOJun(1.CCCCFirstHighwayConsultantCo.,Ltd.,Xi"an710075,China;2.ShaanxiYulinYulin—ShenmuExpresswayCo.,Ltd.,Yulin719000,Shaanxi,China) Abstract:ThreeconstructionprogramsadoptedintheconstructionofNo.1ShenmuTunnelonYulin—Shenmuexpresswayarepresentedindetmlinordertoaccumulateexperiencesintheconstructionoftunnelsinaeoliansandareas.Thesettlementcon-trolresults,thedifficultiesintheconstructiontechnologiesandtheconstructionperiodsarecomparativelystudiedbymeansofnumericalsimulationsandmonitoring.Conclusionsdrawnareasfollows:1)"smallduct+topheading/bench+temporaryinvert"methodisalbplicableforcasesinwhichrapidconstructionisneededduetothetightconstructionschedulesandtherearenostrictrequirementsonthesettlementcontrol;2)"horizontaljetgroutingpile+topheading/twobenches+temporaryinvert"methodis印plicableforcasesinwhichtherearestrictrequirementsonthesettlementcontrol;3)"largepiperoofsupport+topheading/bench+temporaryinvert"methodisapplicableforcasesinbetween.Keywords:aeoliansand;tunneling;smallduct;largepipe;horizontaljetgroutingpile;temporaryinvert;settlementcontrol0引言风积沙是沙被风沙流搬移到冲积平原地区形成沙丘而产生的,系指在风成沙性质上发育起来的土J,其结构松散,级配不良,强度低,颗粒细,给隧道施工带来极大困难.目前,我国风积沙地区隧道工程实例少,施工经验不足,施工技术和方法还不完善,没有成型的,系统的,可供运用的施工模式.文献[2]对国道306线经棚隧道施工中采用的超前大管棚结合侧壁导坑法施工技术进行了详细介绍;文献[3—4]分别对水平旋喷桩在神朔复线新杏树峁隧道和神延铁路沙哈拉峁隧道风积沙段的应用情况进行了介绍;文献[5]对神朔复线新杏树峁隧道风积沙段采用的密排超前小导 管注浆技术进行了介绍;文献[6]对包西铁路新响沙湾隧道洞口段风积沙地层采用的超前长管棚加小导管注浆技术进行了介绍;文献[7]对新包神铁路活沙兔隧道风积沙段采用的超前小导管注浆结合台阶法施工方案进行了介绍.本文主要针对神木l号隧道风积沙段采用的小导管+上下台阶临时仰拱法,大管棚+上下台阶临时仰拱法以及水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法3种施工方案进行详细介绍和对比研究.1工程概况.榆神高速神木1号隧道左线长490m,右线长455m,设计时速80km/h,双向4车道,开挖跨度l4.25m,是榆林至神木高速公路的关键控制工程.隧道地貌单收稿日期:2010—12—22;修回日期:2011—03—22作者简介:董长松(1982一),男,陕西乾县人,2010年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业,硕士研究生,助理工程师,从事隧道与地下工程领域的研究工作.第2期董长松,等:风积沙地区公路隧道施工方案研究元以沙漠浅丘为主,沙丘起伏不平,局部有弃土堆.左,右线隧道进口洞身段约有200mVI级风积沙围岩,隧道埋深浅,洞顶覆盖层薄,开挖跨度大,施工风险高,难度大;同时,隧道与神锦大街在此区段相交,地表沉降要求严格,给施工提出了更高的要求,增加了施工难度.2施工方案神木l号隧道在风积沙段分别采用了小导管+上下台阶临时仰拱法,大管棚+上下台阶临时仰拱法以及水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法3种方案进行施工,穿越了风积沙段,积累了宝贵经验.2.1小导管+上下台阶临时仰拱法 2.1.1小导管超前预支护小导管超前预支护是在工作面周边按一定角度将小导管打入地层中,借助注浆泵的压力,使浆液通过小导管渗透,扩散到地层孔隙或裂隙中,以改善岩土体物理力学性能,在工作面周围形成一个具有较好抗压,抗弯性能的承载壳,同时管体又可起到超前锚杆的作用,从而达到提高开挖面地层白稳能力,限制地层松弛变形的目的.具体预支护方案:在隧道开挖轮廓密排打人长6m的直径42mm小导管,环向间距30cm,加固范围为上半断面150..小导管每2m设置1环,每环搭接长度约3.9m.小导管+上下台阶临时仰拱法布置见图1.42密排小导管(b)图1小导管+上下台阶临时仰拱法布置图(单位:cm)Fig.1Sketchoftunnelingby""smallduct+topheading/bench+temporaryinvert"method(C/l1)2.1.2上下台阶临时仰拱法上下台阶临时仰拱法是将全断面划分为上下台阶,结合拱部弧形导坑,在超前小导管的保护下开挖,并在上台阶底部设临时仰拱,形成临时封闭环,以控制围岩变形;同时,在上,下台阶开挖时预留核心土,可增加掌子面的稳定性.2.1.2.1施工工艺1)上台阶施工.上台阶高度为4—4.5m,采用拱部弧形掏槽预留核心土法施工.开挖时切忌大面积开挖,应沿开挖线掏槽,塞入钢支撑,喷射混凝土,完成初期支护后再开挖核心.在满足施工工作面前提下,开挖宽度尽可能窄,以0.8～1m为宜.开挖进尺保持不 超过1榀拱架间距(50cm).每开挖1个循环,立即素喷5cIn厚C25早强混凝土,封闭开挖面.初期支护完成后施作直径89mm锁脚锚管,每侧拱脚设2根锁脚锚管,长度不小于6m.掌子面进尺3131左右后开始消除核心土并施作临时仰拱和竖向临时支撑,与核心土之间距离始终保持在3m左右.2)下台阶施工.下台阶分左侧导洞,中间核心土,右侧导洞3部分,左,右侧导洞分3层错开施工,等临时仰拱施作4～5m后,开挖下台阶左侧导洞.沿开挖线掏槽,预留核心土,封闭开挖面后迅速施作钢架,注浆小导管等初期支护.每层施工3～5m后封闭掌子面转入下层施工,各层施工方法一致.第3层施工3～5I11后,开始施工左侧导洞仰拱,包括仰拱初期支护,仰拱浇筑及仰拱回填.左侧导洞施工2～31TI后,开始施工右侧导洞,施工步骤和左侧导洞一致.3)二次衬砌施工.风积沙地层松散围岩压力较大,初期支护不足以承担全部围岩压力,必须尽早施作二次衬砌,防止初期支护发生过大变形.等左,右侧导洞仰拱施工3～5133后,开始拆除仰拱上部的临时支护,铺设防水层,绑扎钢筋,浇筑衬砌.二次衬砌一次施作5m左右,虽增加了施工缝道数,但极大地缩短了施工体系转换的时问,可有效地控制洞室变形.衬砌施工时,台阶下部核心土先保留,等二次衬砌混凝土拆模后再挖除.4)台阶下部核心土挖除及剩余仰拱施工.二次衬砌混凝土拆模后,挖除核心土,施工剩余仰拱,完成一个循环段施工.2.1.2.2施工要点 1)风积沙隧道施工必须遵循"快开挖,快支护,早封闭,紧衬砌"的原则.2)加强施工过程中的监控量测和跟踪变形趋势.一旦监测数据异常,应立即采取措施加强支护,停止施工,封闭掌子面,衬砌跟进,防止塌方.3)开挖停止时必须封闭掌子面,可采用喷射混凝隧道建谨第3l卷土加钢筋网片.如果开挖停止时间较短或在紧急情况下,可采用堆码砂包封闭,施工现场必须配备足够的砂包或编织袋做应急之用.4)由于小导管呈向外辐射状,随着开挖的进行,外露面会随之加大,沙层易在两钢管间坍塌,可能会因连锁反应造成大面积漏沙,淹没整个掌子面,此时须配以钢板,铁皮等立即进行封堵.5)风积沙地层松散围岩压力较大,初期支护不足以承担全部围岩压力,必须尽早施作二次衬砌,防止初期支护发生过大变形.2.2大管棚+上下台阶临时仰拱法2.2.1大管棚超前预支护大管棚超前预支护的原理与小导管相似,是钢管与浆液固结体共同作用的结果].具体预支护方案:在隧道开挖线外30cm弧线上设置直径127mm超前大管棚,加固范围为上半断面150..大管棚环向间距30OITI,长度25m,每环搭接长5ITI,形成一层空间超前支护壳.根据施工场地要求,前一循环施工结束后,应预留出工作室,工作室长7ITI,开挖轮廓尺寸比标准断面加大80O131.大管棚施工应按一定角度施工,结合隧道坡度(一2.500%)及施 工工艺要求,其上仰角为0.5%,外插角从底部(3%)向拱部逐渐变为0,前后相邻2个循环相互搭接5m.大管棚+上下台阶临时仰拱法布置见图2.西l27超前大管棚图2大管棚+上下台阶临时仰拱法布置图(单位:em)Fig.2Sketchoftunnelingby"largepiperoofsupport+topheading/bench+temporaryinvert"method(cm)2.2.2上下台阶临时仰拱法参见2.1.2部分.2.3水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法2.3.1水平旋喷桩超前预支护水平旋喷桩预支护是通过高压喷射流对土体的破坏,搅拌和浆液与土体之间的固化,形成一定直径的旋喷柱体,环向相邻柱体之间相互咬合,在开挖面上方形成整体性较好的旋喷拱,具有较好的抗压,抗弯性能;同时,由于挤密和固结作用,旋喷桩体周围砂层的物理力学性能也会有不同程度改善.开挖后预支护拱就会立即发挥作用,抑制围岩变形,承担地层压力,保证开挖后洞室稳定,防止漏沙,坍塌.具体预支护方案:在隧道开挖线外30cm弧线上布置单层水平旋喷桩,加固范围为上半断面180..旋喷桩环向间距35c:m,长30m,互相搭接咬合20cm,形成一层空间超前支护壳.根据施工场地要求,前一循环施工结束后,应预留出工作室,工作室要求开挖线外扩50cm,加初期支护30c:m,共需外扩80cm.水平旋喷桩应按一定角度施工,结合隧道坡度(一2.500%)及施工工艺要求,其设计上仰角为0.5%,外插角从底部(3%)向拱部逐渐变为0,前后相邻2个循环旋喷桩相互搭接5.0m.水平施喷桩+三台阶临时仰拱法布置见图3. 50水平旋喷桩(b)图3水平旋喷桩十三台阶临时仰拱法施工布置图(单位:cm)Fig.3Sketchoftunnelingby"horizontaljetgroutingpile+topheading/twobenches+temporaryinvert"method(em)第2期董长松,等:风积沙地区公路隧道施工方案研究2.3.2三台阶临时仰拱法三台阶临时仰拱法是将全断面划分为3个台阶进行开挖,并在中台阶底部设置临时仰拱,形成临时封闭环,防止因开挖跨度大而造成的拱顶沉降过大和初期支护破坏;同时,在中,下台阶预留核心土,以增加掌子面的稳定性.2.3.2.1上台阶施工上台阶开挖高度为2.5in,人工配合小型机械开挖.每2榀钢拱架问采用直径22n"lm纵向连接钢筋连成整体,环向间距1In.开挖长度应穿过掌子面潜在滑移面,控制在5～10m.2.3.2.2中台阶施工先开挖两侧土体,预留中间核心土,两侧始终错开,保证同一断面钢拱架交错落底.等核心土留置3～5In长时逐步清除,设置I18临时仰拱,纵向间距50CB,两端与主洞钢拱架焊接牢靠,并应根据监控量测结果及时增设竖撑,控制围岩变形.根据现场监测资料显示:中台阶开挖过程中,初期支护拱顶沉降量会迅速增大,主要原因为上级台阶拱脚出现临时悬空;为此,在上下级台阶的接头部位,每2环钢拱架之间增加I25a槽钢,作为纵向托梁,以增加型钢拱架的受力面积,增强其受力的整体性.2.3.2.3下台阶施工 中台阶进尺5In后,停止开挖,封闭掌子面,采用掏槽法开挖下台阶土体,迅速施作钢架,注浆小导管等初期支护.钢拱架落底时,应增设槽钢或混凝土垫块,必要时加固底部沙土,提高地基承载力,防止拱架整体下沉.2.3.2.4仰拱施工侧墙初期支护施工完成后,要及时左右错位跳挖仰拱使初期支护尽早闭合成环,形成稳定的结构体系.每次循环进尺1In,施工2榀钢拱架.2.3.2.5二次衬砌施工根据初期支护收敛变形情况,一次拆除临时仰拱5～6in,模筑二次衬砌5in左右.3沉降控制效果分析沉降控制效果分析常用的2种手段是数值模拟和现场监控量测.针对神木1号隧道施工方案特点,在数值模拟方面,对同一断面处3种不同施工方案的施工过程进行模拟,对比相同条件下3种方案的沉降控制效果;在现场监控量测方面,于各方案施工区段内布设监测元件,获取沉降数值.3.1数值模拟分析采用FLAC3D程序进行数值模拟,围岩和二次衬砌分别采用Mohr—Coulomb模型和弹性模型,用实体单元进行模拟,初期支护采用结构单元中的壳体结构单元模拟.模型和计算参数分别如图4,表1所示.(b)(c)图43种施工方案数值模型Fig.4Numericalmodesof3constructionprograms表1数值模拟计算参数表Table1Parametersfornumericalsimulations 碰莲l建设第3l卷对数值模拟结果进行统计,具体见表2.表2沉降量统计表Table2Settlementresults施工方案拱顶沉降/ram地表沉降/mm由表2可知:水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法引起沉降量最小,其余2方案沉降量相差不大,约为前者的1.52倍(拱顶沉降)和1.11倍(地表沉降).在相同条件下,水平旋喷桩十三台阶临时仰拱法在沉降控制方面有明显优势.3.2现场监测结果分析3个监测断面处除施工方案及埋深不同外,其他因素基本相同.监测断面概况见表3,现场监测结果见图5,表4(监测数据仅包含拱顶沉降数据).表3监测断面概况表Table3Overviewofmonitoringcross—sections一小导管t大管棚一水平旋喷桩累计沉降时间/d图5拱顶沉降历时曲线图Fig.5Time—dependentcurvesoftunnelcrownsettlement表4拱顶沉降量对比表Table4Comparisonandcontrastamongdifferentconstructionprogramsintermsoftunnelcrownsettlement现场监测结果分析表明:水平旋喷桩十三台阶临时仰拱法在拱顶沉降控制方面效果最好,与其他2种方案相比优势明显.分析其原因主要为:小导管与大管棚均是以注浆加固地层的方式控制围岩变形,但实 际风积沙颗粒细密,普通水泥浆液难以注入,扩散半径小,仅有几C1TI,难以充分发挥超前支护的作用,易出现漏沙现象,致使沉降增大.将监测数据与数值模拟结果进行对比可以发现:两者在大体规律上基本吻合,但数值上存在较大差异,主要原因为数值模拟是建立在各种理想化的假设之上,同时计算参数也与实际有一定出入,从而难以精确模拟复杂的隧道开挖和围岩位移变化过程.4各方案特点与适用条件4.1超前支护特点分析4.1.1超前小导管1)超前小导管注浆法是一种近距离超前支护的方法,施工工艺简单,技术难度低;2)不需要工作室,施工设备简单,施工精度容易保证;3)施工周期短,进度快,每环需要7h(搭接长度为4m时,完成25m需要4d);4)控制地表沉降的效果一般;5)刚度小,造价较低;6)支护长度小,循环次数增加,工序交换频繁,施工干扰较大;7)在像风积沙这种自稳能力极差的围岩中,小导管前端仍在滑移面内,难以起到超前支撑保护的作用,易造成工作面失稳,存在较大的安全隐患.4.1.2超前大管棚1)超前大管棚是一种长距离超前支护方法,施工工艺复杂,技术难度高;2)要建立工作室,操作占用空问较大,用偏心钻机跟管钻进,钻孔出渣较难,管棚施工角度不容易保证;3)施工周期长,每环需要15d(长度为25m);4)控制地表沉降的效果一般;5)刚度大,造价高.4.1.3水平旋喷桩1)水平旋喷桩作为一种长距离超前支护方法,施 工工艺复杂,施工技术控制参数多,技术难度很高;2)要建立工作室,操作占用空间大,需要水平钻机,高压注浆泵等一整套设备;3)施工过程要连续,不能间断;4)施工控制不好就容易出现断桩,缩颈等质量问题;5)施工周期长,每环需要25d(长度为25m);6)可有效控制地表沉降;7)刚度大,造价高;8)在地层颗粒细密时,在保证钻进方位准确的前提下,各桩体之间便能够紧密咬合,能有效防止漏沙,保证施工安全.4.2施工方法特点分析上下台阶和三台阶临时仰拱法与普通的台阶法相比,在台阶底部设置了临时仰拱,形成临时封闭环,能够改善初期支护的受力状况,防止初期支护破坏,并能有效控制拱顶和地表沉降;与双侧壁法和CRD法相比,具有施工技术难度低,工序简单,干扰少,施工效率高,二次衬砌及时等特点.上下台阶临时仰拱法与三台阶临时仰拱法相比,台阶数量少,施工干扰少,周期短,进度快;另外,上下台阶临时仰拱法在初期支护没有封闭的条件下施作上部二次衬砌,能及时控制围岩变形,但不利于结构受力.三台阶I临时仰拱法则是在初期支护封闭成环,变形趋缓后施作二次衬砌,系统整体受力条件好,对结构有利.第2期董长松,等:风积沙地区公路隧道施工方案研究4.3各方案特点和适用条件综上所述,在风积沙隧道施工中,小导管+上下台阶临时仰拱法的主要特点是施工周期短,进度快,但地表沉降控制效果差;水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法在沉降控制方面优势明显,但施工技术难度高,不易掌握;大管棚+上下台阶临时仰拱法的施工技术难度,进 度和沉降控制效果则介于两者之间.因此,小导管+上下台阶临时仰拱法适用于工期紧张,需要快速施工,且对地表沉降没有严格控制要求或允许较大地表沉降的场合;水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法适用于对地表沉降有严格控制要求的场合;大管棚+上下台阶临时仰拱法在介于上述情况之间时适用.5结论和讨论结合神木1号隧道风积沙段工程实践,对小导管+上下台阶临时仰拱法,大管棚+上下台阶临时仰拱法以及水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法3种施工方案进行了详细介绍和对比研究,总结了3种方案的特点和适用条件,为风积沙地区隧道施工方案选择提供了借鉴和参考.水平旋喷桩在风积沙隧道施工中有着独特的优势,但也存在施工工艺复杂,施工周期较长等问题,建议在后续研究中对其进行优化和改良.参考文献(References):[2]牟献友,谷攀.国内风积沙工程特性研究综述[J].内蒙古农业大学:自然科学版,2010,31(1):315—318.(MOUXianyou,GUPan.Reviewonengineeringcharacteris—ticsofwindblownsand[J].JournalofInnerMongoliaAgri—culturalUniversity:NaturalScienceEdition,2010,31(1):315—318.(inChinese))班培菊,李桂英,周雁,等.公路大断面风积沙隧道施工技术[J].内蒙古公路与运输,2002(4):26～28.(BANPeijn,LIGuiying,ZHOUYan,eta1.Atechniqueforconstructionoftunnelinthelargesectionwindlaidsand[J].High—ways&TransportationinInnerMongolia,2002(4):26—28.(inChinese)) 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