函谷关隧道下穿连霍高速公路施工技术

孟庆明;杨林浩

【摘 要】郑西客运专线函谷关隧道为大断面黄土隧道,隧道下穿连霍高速公路地段地质为砂质新黄土,施工过程中控制高速公路路面下沉保证行车安全是施工的难点.主要介绍函谷关隧道在下穿施工过程中,采用超长管棚超前加固地层技术,玻璃纤维锚杆加固工作面技术,初期支护背后注浆技术,通过优化支护参数,调整CRD法工序,缩短工序步长等措施,利用先进的监控量测技术对洞内外变形数据的分析反馈,顺利地完成隧道穿越连霍高速公路的施工. 【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2007(000)0z1 【总页数】4页(P126-129)

【关键词】郑西客运专线;大断面黄土隧道;下穿高速公路;超长管棚;监控量测 【作 者】孟庆明;杨林浩

【作者单位】中铁三局集团桥隧公司,河北邯郸,056036;中铁三局集团桥隧公司,河北邯郸,056036 【正文语种】中 文 【中图分类】U459.1

1 工程概况

郑西客运专线函谷关隧道起讫里程DK270+429～DK278+280，隧道全长7 851

m。是世界上最长的湿陷性黄土隧道。函谷关隧道DK270+600～DK270+750段为下穿连霍高速公路，公路路面距隧顶约40 m，高速公路与线路交角为35°，高速公路为填方路堤，路堤高10～15 m。如图1、图2所示： 图1 下穿高速平面示意

图2 下穿高速横断面示意(单位：cm) 1.1 地质情况(表1)

该段隧道上覆15～30 m厚〈2-2〉砂质黄土层，隧道洞身主要穿过〈2-3〉砂质黄土层(Q3eol+al)，范围内发育多层粉细砂(Q3eol+al)，呈水平透镜状，厚度2～4 m。分别位于隧道拱顶、拱腰、边墙部位。黄土结构疏松，具有中等～严重自重湿陷性。

〈2-2〉砂质黄土(Q3eol+al)：局部为黏质黄土，浅黄色，松散～稍密，稍湿～潮湿，大孔隙发育，含蜗牛壳化石，湿陷性轻微至中等，厚15～25 m，属Ⅱ级普通土。

〈2-3〉砂质黄土(Q3eol+al)：局部为黏质黄土，浅黄、灰黄、黄褐色，松散～稍密，稍湿～潮湿，大孔隙发育，含蜗牛壳化石，属Ⅱ级普通土。

〈2-4-1〉粉细砂(Q3eol+al)：褐黄、浅黄色，稍湿～潮湿，稍密～中密，呈透镜体状，厚0～4 m，属Ⅰ级松土。

表1 黄土地层物理力学指标地层序号时代岩性状态承载力/kPa天然快剪凝聚力/kPa内摩擦角/(°)天然密度/(g/cm3)含水量/%干密度/(g/cm3)孔隙率/%〈2-2〉Q3eol+al砂质黄土稍密15020261 588 71 4445 7〈2-3〉Q3eol+al砂质黄土中密19027271 7410 81 51 1〈2-4-1〉Q3eol+al粉细砂中密150—301 65——— 1.2 设计情况

函谷关隧道开挖面积163.87 m2，开挖跨度15.5 m，开挖高度13.48 m。下穿连

霍高速公路段隧道设计参数见表2。

表2 DK270+600～DK270+750段隧道支护参数超前支护初期支护二次衬砌大管棚ϕ喷混凝土钢筋网ϕ8锚杆钢架(全环)环向间距/cm设置部位厚度/cm网格间距(环×纵)/cm设置部位间距(环×纵)/m拱度/m边墙长度/m规格每榀间距/m拱墙/cm仰拱/cm40拱部拱部、仰拱/3520×20拱墙1 0×1 02 I25a0 56070

2 工程边界条件及相互作用关系分析 2.1 连霍高速公路路面环境复杂

连霍高速公路是贯穿我国东西向主要公路交通干线，车流量大，重型运输车辆多。在施工期间不能对隧道影响范围内路面进行封闭。

隧道上方路面为路堤，路面排水造成公路边坡出现多处冲沟陷坑。在隧道未施工前路面因路堤沉降有下沉，多处出现开裂，裂缝宽度达3～6 cm。 2.2 地质条件差

隧道下穿连霍高速地段地层为砂质新黄土层，结构松散，自稳能力差。该地层内发育多层粉细砂层，隧道开挖时易造成滑塌，引起地面沉降。 2.3 隧道施工工艺对公路安全不利，是造成地面沉降的主要原因

(1)隧道施工采用CRD法施工，施工步序多，造成对地层的多次扰动，如没有稳妥可靠的技术措施保证，各步工序引起变形叠加可能产生较大的沉降，导致路面沉降量过大。

(2)在开挖支护施工过程中土层应力释放，引起工作面的土体松动变形，导致环向土体发生位移，从而引起地面沉降。

(3)为摸清隧道通过高速公路后，地面沉降影响范围及大小，里程DK270+504处布设洞内一地表沉降监测横断面，监测结果得出：洞内拱顶下沉量15.2 cm，洞内收敛6.2 cm，洞内下沉收敛变形量主要集中在隧道开挖至初期支护封闭成环时间

内完成；地表沉降在距隧道中线0～8 m下沉量最大，达到9.5 cm，距隧道中线8～12 m存在纵向沉降裂缝，12～16 m沉降量趋于零。如图3所示。 图3 地表沉降曲线示意

由此可见，下穿高速地段隧道应采取较稳妥的技术措施，否则公路路面将产生较大沉降，从而对高速公路运输的安全造成较大危害。 3 施工技术措施

3.1 超长管棚超前加固底层技术

函谷关隧道DK270+600～DK270+750采取80+80 m长管棚超前加固隧道前方拱部土层，使其形成伞状固结体，保证开挖工作面的稳定性。采用长管棚方案，避免了隧道内施作管棚工作室的繁琐；减少了因管棚施工中隧道开挖支护的次数，缩短了下穿高速隧道施工进度；长管棚采用跟管导向法施工技术，保证了长管棚的施工质量。

(1)管棚材料采用φ mm，厚度δ=6 mm热轧无缝钢管分节制成，每段长度5 m，钢管周身布设梅花形出浆孔。钢管采用内套丝扣连接，管尾焊接法兰盘与注浆管尾端联接。环向间距40 cm。每环46根。导向跟管钻进法一次打设。 (2)预埋φ102 mm，长1.5 m的孔口管，锚固剂封闭孔口管周围土体缝隙，C20喷混凝土15 cm厚封闭工作面，并用纤维锚杆进行加固。

(3)钻机采用HTG200型管棚钻机，用φ mm×6 mm管做钻具，管棚前端安装楔形钢板导向钻头，管体内装有导向探头(含回取装置)，利用有线导向仪监控(方位、角度发生变化时，随时进行修正)。黄土地层中钻孔采用低压钻进。钻进采用一次成孔法，钢管采用内套管丝扣连接起来，钢管随进度连续接长，直到设计位置。钻进过程中，随时进行管棚前端的方位检查，发现偏差时，通过调整前端楔形钢板导向钻头，校正管棚钻进方向。

(4)注浆材料根据设计要求采用1∶0.5水泥浆，注浆采用后退式注浆。

3.2 工作面封闭加固

由于该段砂质黄土层自稳能力差，在隧道每部开挖后均采用喷混凝土封闭工作面，喷混凝土厚度8 cm。工作面采用5 m长纤维锚杆加固，锚杆间距1.5 m×1.5 m，搭接长度1 m。纤维锚杆可以起到与普通锚杆相同的作用，并且在隧道向前掘进时，切除方便。

3.3 采用水玻璃硫酸浆液固结粉砂层

隧道洞身范围内发育多层粉细砂，呈水平透镜状，厚度2～4 m。分别位于隧道拱顶、拱腰、边墙部位。施工时，隧道粉细砂地层采用小导管注水玻璃加稀硫酸进行加固，严防出现坍塌方事故。

通过现场试验，粉砂层注浆加固施工参数为：环向间距0.4 m，纵向2.0 m/环，φ42 mm小导管长3.5 m，搭接长度为1.5 m。注浆采用改性水玻璃浆液固结砂层，改性水玻璃参数为：稀硫酸(13%)加水玻璃(13 Be′)，pH值控制在3～4。注浆压力控制在0.1～0.3 MPa。 3.4 优化CRD法施工工艺

(1)优化CRD法开挖工序，缩短工序长度，提早封闭成环。

根据高速公路与隧道斜交情况，为缩短隧道施工对高速公路的影响距离，对CRD法各部开挖工序进行了调整：①部施工隧道右上部，②部施工隧道左上部，③部施工隧道右下部，④部施工隧道左下部。调整后隧道下穿高速时，同一时间受施工影响的公路路面宽度缩短4～6 m。

严格控制各部开挖距离：①部距②部3 m；②部距③部4 m。③部距④部3 m。仰拱施工距④部4 m。初期支护仰拱封闭成环距工作面距离严格控制在15 m以内。如图4所示。

图4 CRD法断面开挖工序示意(单位：m)

CRD法工作面在下穿高速期间，开挖施工人员增加至56人，小型挖掘机增加至4

台，湿喷混凝土6台，保证了各部施工平行作业，日平均进尺1.0 m，最快日进尺1.5 m，缩短了开挖支护封闭成环时间。

(2)加强初期支护与临时支护参数，提高隧道初期支护刚度，控制隧道开挖支护变形。

隧道初期支护I25a钢架间距由原来的0.6 m，缩短至0.5 m，在架立上台阶钢架时，拱脚设置4根φ42 mm锁脚锚管，并设置喷混凝土大拱脚，以减少上部初期支护的整体下沉。

原设计中隔壁及上下两道临时仰拱I18钢架改为I25a钢架，同时中隔壁及临时仰拱均采用喷混凝土25 cm进行封闭，中隔壁与临时仰拱连接处上下加设局部牛腿斜撑，并保证喷混凝土圆顺连接。 3.5 初支背后回填注浆

隧道初期支护自重下沉与地层之间产生空隙，为了避免由此产生地层变形、地面沉陷及应力集中等造成结构的破坏，必须及时进行初期支护背后回填注浆。 初支背后注浆分期进行，第1期在开挖①部②部完成以后；第2期在③部④部完成后；第3期在仰拱封闭成环完成以后，施作二次衬砌以前。在施工时可根据拱顶下沉情况增加注浆次数。

初期支护拱部钢架立时预先焊接注浆管，注浆管在设计初支厚度外露20 cm，纵向间距3 m，环向间距3 m，在拱部设置3排，梅花形布置。局部超挖、滑坍处可增设注浆孔。注浆孔喷射混凝土前应以编织袋封口，以免喷混凝土堵塞注浆孔。回填水泥浆液水灰比1∶0.6，终压控制在0.3 MPa。 3.6 其他技术措施

施工前对地面进行了调查，对公路路面裂缝进行了封闭处理，对公路路堤边坡的冲沟陷坑进行了夯填封闭。

施工期间，经过与公路管理部门协调，对个别特殊危险运输车辆进行了限速绕行等

措施，保证了公路行车安全。 4 监控量测技术

下穿高速公路施工过程中，对洞内和洞外地表进行了监控量测，监控量测主要内容包括：洞外观察、洞内地质素描与支护状态观察、地质素描、水平收敛、拱顶下沉以及地表下沉监测。洞外观察主要对高速公路路面及高速公路排水设施进行观察，及时评估地表对隧道施工的影响；地质素描包括地层岩性、产状、黄土含水量、天然密度、干密度等物理指标；洞内地质素描与初期支护每次开挖后进行，黄土物理指标每15 m做1次。 4.1 监控量测点布置

洞内水平收敛、拱顶下沉、隧底沉降以及地表下沉监测，每5 m一个断面。洞内监控量测布置如图5、图6所示。 图5 洞顶地表下沉量测断面布置(单位：m)

图6 CD、CRD法拱顶下沉、水平收敛及隧底沉降量测布置 4.2 量测方法

水平收敛采取全站仪进行无接触式量测模式。在穿越高速公路工程中采用坐标法观测，以确定左右侧不同的位移变化量。拱顶下沉、地表下沉采用高精度水平仪进行观测。

根据黄土隧道的变形特点，拱顶下沉、地表下沉的量测频率见表3。

表3 监控量测频率注：在每天超过5 mm时，停止各部室开挖，采取应急加固措施。位移速度/(mm/d)量测频率≥次/d2～52次/d0 5～21次/d0 2～0 51次/3d<0 21次/7d 4.3 变形等级管理

在施工过程中，当洞内外变形速率在2 mm/d以下时，可正常施工；当洞内外变形速率在2～5 mm/d时，在施工的同时，采取加强初期支护或加快仰拱封闭等措

施，控制变形速率；当洞内外变形速率超过5 mm/d时，应停止开挖施工，封闭作业面，缩短工序距离，快速封闭成环，施作初支背后注浆等措施，控制变形量的发展。

4.4 监测结果分析 (1)洞内监测结果分析

下穿公路地段隧道拱顶下沉平均5 cm，最大下沉量6.9 cm，净空收敛平均3 cm，最大收敛4 cm。与没有采取措施地段(一般地段平均拱顶下沉量15 cm，净空收敛6 cm)进行对比，下穿高速采取的技术措施和隧道施工工艺有效地控制了初期支护的变形和沉降。

通过监测数据看，洞内下沉收敛变形量主要集中在下部隧道与仰拱开挖期间、初期支护封闭成环前时间内完成。 (2)地表监测结果分析

公路路面下沉平均4 cm，最大下沉量5.9 cm，与没有采取措施地段(一般地段地表下沉量9.5 cm)进行对比，说明下穿高速采取的技术措施和隧道施工工艺有效地控制了路面沉降。路面沉降曲线如图7所示。 图7 路面沉降曲线示意

从地表沉降数据看，地表沉降滞后隧道工作面10 d开始沉降，至隧道仰拱封闭后1月内结束。路面沉降量与洞内拱顶下沉量关系上看，公路地段路面沉降比拱顶下沉量小1 cm左右，在一般地段，地表下沉量比拱顶下沉量小6 cm左右。这说明，汽车动载对路面沉降也是有影响的。

在DK270+700处距隧道左侧15 m左右路面下沉为9 cm，原公路路面裂缝在施工期间仍在发展，但是通过其他断面监测数据看，该处地表沉降主要由路堤沉降引起，和隧道施工关系不大。 5 结语

(1)函谷关隧道DK270+600～DK270+750段在下穿连霍高速公路施工中，在隧道跨度大，砂质黄土松散的情况下，采用超长管棚超前加固底层技术，玻璃纤维锚杆加固工作面技术，初期支护背后注浆技术，通过优化支护参数，调整CRD法工序，缩短工序步长等技术对策，利用先进的监控量测技术对洞内外变形数据的分析反馈并及时采取相应措施，顺利完成了隧道穿越连霍高速公路的施工，表明本工程施工是成功的。

(2)从监测结果看，隧道施工期间，汽车动载对路面沉降的影响也是比较大的，今后施工中，如果条件允许，尽量在隧道施工过程中，进行交通疏解。在下穿沉降要求更高的路面时，应考虑全部固结隧道与路面间地层，可以更好的控制路面沉降量。 参考文献：

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