大断面隧道浅埋下穿高速公路洞内长管棚设计与施工

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1、大断面隧道浅埋下穿高速公路洞内长管棚设计与施工张弛（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津，300251）【摘要】沈丹客专大顶山隧道浅埋下穿沈丹高速公路，下穿段隧道埋深浅，开挖断面大，且围岩破碎，控制路面沉降困难。文章介绍了下穿段洞内超前长管棚的设计及施工要点，尤其是管棚工作室的布设与施工步序，通过选择合理的管棚设计参数及施工方案，因地制宜的施工方法，充分发挥了管棚的控制沉降作用，达到了确保隧道施工与高速公路运营的“双安全”的目的。【关键词】浅埋下穿；洞内大管棚；控制沉降1工程概况沈丹客运专线大顶山隧道位于辽宁省木溪市境内，穿越辽东中低山区，沿线起伏较大。隧道在DK77+660

2、〜DK77+760段下穿沈丹高速公路，隧道开挖面积约为17m×13m，拱顶距公路路面的最小覆土厚度约13m，与其平面夹角约67°。下穿段隧道表层覆盖粉质粘土，碎石土，洞身穿越全〜强风化页岩，岩体呈碎石角砾状散体结构，节理发育，岩体破碎，极易发生坍塌甚至冒顶。沈丹高速公路车流密集，车速较快；下穿段大顶山隧道埋深浅、地质条件差，因此采取稳妥可靠的超前预支护措施，严格控制隧道和地表沉降，是确保隧道施工安全及公路运营安全的关键。2隧道和地表沉降主要原因分析2.1隧道开挖破坏原有应力平衡状态隧道开挖导致原有的地层平衡状态受到破坏，引起应力集中，软弱、破碎、节理裂隙发

3、育的围岩无法抵抗周边压力。同时，隧道爆破歼挖，使洞室周边一定范围的岩体受到扰动，从而产生向内的变形运动，而后对隧道支护结构施加压力，引起隧道沉降。2.2浅埋软弱破碎围岩“成拱效应”差浅埋软弱破碎围岩自稳能力差，隧道开挖后易形成持续掉块、坍塌，无法形成“自然拱”，支护措施不利造成隧道沉降。同时，由于埋深浅，坍塌容易延伸至洞顶，造成地表沉降。2.3初期支护问题如果初支钢架与围岩之间存在空洞，喷混凝土不能够形成连续构件约束围岩变形和阻止围岩松动；初支钢架的纵向连接不牢固以及钢架底脚的不稳定都将引起支护结构的受力不均，增大钢架受力，造成隧道及地表沉降。3控制沉降措施隧道和地表沉降主要

4、原因分析表明隧道浅埋暗挖安全施工的关键就是冇效控制围岩变形。大量研宄表明超前支护对地面沉降有30%〜35%的抑制效果，对隧道拱顶沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地层对抑制地面沉降冇非常重要的作用。超前支护技术作为加固地层、稳定拱顶及掌子面、减少地表沉降的辅助施工工法，己经在地下工程施工中得到了广泛地应用。苏主要方法包括：管棚法，水平旋喷注浆法，超前小导管法，超前锚杆法、冻结法等等，根据人顶山隧道下穿高速公路段的地层条件、埋置深度、沉降控制标准以及施工难度、工程造价等因素，选用“大管棚注浆+小导管补充注浆”超前支护措施。3.1管棚的作用机理管棚支护的工作原理可总结

5、为：预先构建的管棚，以掌子面套拱（钢支撑）和后方围岩支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，以有效抑制围岩松动和垮塌。通过管棚注浆，在拱顶预先形成固结的保护拱壳,固结层起到承载拱的作用，承受了拱上部的地面荷载和岩层重量，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造了理想的开挖条件。同吋，通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给钢支撑拱架，由于钢支撑拱架间纵向的相互连接，形成整体支护，有效地保证了后期掘进施工和支护的安全。3.2管棚参数设计超前管棚注浆支护的设计参数主要包括：管棚设置范围、钢管型号、管棚长度、管棚配置间距、管棚仰角、管棚水平搭接长

6、度及注浆参数等。管棚设计参数的选取按理论计算与工程类比相结合的方法拟定，根据大顶山隧道下穿段地层岩性、覆土厚度及地表环境敏感程度，综合考虑管棚的施工性和经济性，初步拟定的管棚设计参数为：管棚直径选用外径φ159mm,壁厚8mm的热轧无缝钢管；设计为“半圆形双排配置”，即由隧道拱顶环向延伸至两侧边墙最大跨度位置布设；支护长度100m；管棚环向间距40cm，双层交错布置；管棚仰角l°〜3°，配合小导管注浆加固管棚与开挖轮廓间隙破碎岩体;注浆压力一般控制在0.5〜2.0Mpa。4管棚施工4.1管棚施工方法的比选管棚通常采用的施工方法有：引孔顶入法与跟管钻进法

7、。大顶山隧道下穿段覆土仅13m，若采用普通的引孔顶入法施工，极可能产生钻孔收缩引起的路面沉降，因此采用跟管钻进法施工。目前，跟管钻进法主要分为水平定向钻进法和潜孔冲击跟管钻进法，根据不同的地层、地质条件及打设长度要求，采取相应的施作工艺，两种工法的特点及适用条件见表1:显然，管棚一次性支护长度越长，越能节省辅助时间，提高施工效率，但是由于受到钻孔机具、钻进技术和钢管柔性弯曲等条件限制，如果管棚支护长度过长，就很难确保管棚的水平角度和排列整齐，从而影响施工质量。借鉴国内同类工程施工经验及在岩石隧道洞内打设