惠龍高速紅花頂隧道施工組織設(shè)計優(yōu)化策略

張華濤 吳漢超

為了保證隧道的安全性與施工進(jìn)度，對惠龍高速紅花頂隧道進(jìn)行襯砌設(shè)計，包括初期支護(hù)與二次襯砌。按照新奧法施工要求，對其進(jìn)行支護(hù)與施工組織設(shè)計，即確定施工方案與施工工序，完成勞動組織和設(shè)備配置，采取防排水技術(shù)措施，對施工準(zhǔn)備階段和施工過程進(jìn)行風(fēng)險控制保證隧道設(shè)計的技術(shù)安全性，制定隧道施工通風(fēng)方案確保施工人員安全。然后制定施工全過程的監(jiān)測方案，通過對圍巖與支護(hù)的觀察和動態(tài)量測，達(dá)到合理安排施工程序、確保施工安全、修正設(shè)計參數(shù)、進(jìn)行日常施工管理與積累資料的目的。

施工組織設(shè)計； 襯砌設(shè)計； 風(fēng)險控制； 監(jiān)測

U455.2 A

［定稿日期］2022-02-28

［作者簡介］張華濤（1989—），男，本科，工程師，從事高速公路建設(shè)管理工作；吳漢超（1988—），男，本科，工程師，從事高速公路建設(shè)管理工作。

近些年，隧道工程在設(shè)計方面逐步呈現(xiàn)出長大、特長的特點，具有隱蔽性與危險性，且隧道工程的施工空間狹窄，施工環(huán)境惡劣，直接導(dǎo)致了施工難度的增加。為了保證隧道的質(zhì)量和施工進(jìn)度，施工組織設(shè)計與施工管理成為了隧道工程建設(shè)的重點和難點。在豐富施工組織設(shè)計的內(nèi)容方面，鮮國［1］在成蘭鐵路躍龍門隧道建設(shè)中提出了動態(tài)施工組織管理；李術(shù)才等［2］總結(jié)出隧道施工過程超前地質(zhì)預(yù)報，在傳統(tǒng)TSP、地質(zhì)雷達(dá)等基礎(chǔ)上發(fā)展可實現(xiàn)含水構(gòu)造定位定量預(yù)報的復(fù)合式激發(fā)極化和全空間瞬變電磁技術(shù)，汲取地質(zhì)素描、物探鉆探動態(tài)信息。

本文以惠龍高速紅花頂隧道為依托，秉持著“安全、實用、經(jīng)濟(jì)合理”的原則進(jìn)行開挖。在隧道施工過程中，進(jìn)行動態(tài)設(shè)計與信息化施工，及時對開挖面進(jìn)行地質(zhì)核對。由于地質(zhì)條件復(fù)雜所以進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)相關(guān)信息對相地段的圍巖分級、施工開挖方法以及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對已完成開挖的地段進(jìn)行監(jiān)控量測，以確保施工安全，為隧道動態(tài)設(shè)計提供支撐。

1 工程概況

擬建紅花頂隧道為分離式隧道，洞室凈空（寬×高）15.59 m×8.0 m，起訖樁號左線 ZK50+250～ZK51+346，左線長度為1 096 m；右線 K50+260～K51+364，長度為1 104 m；對于進(jìn)出洞口標(biāo)高進(jìn)行分別設(shè)置，左線進(jìn)洞口設(shè)計標(biāo)高為87.72 m，出洞口設(shè)計標(biāo)高設(shè)置為80.32 m；右線進(jìn)洞口設(shè)計標(biāo)高為87.57 m，出洞口設(shè)計標(biāo)高設(shè)置為80.28 m。隧道左線最大埋深為142.95 m、隧道右線最大埋深為144.26 m，紅花頂隧道屬于長隧道。隧道進(jìn)出口的坡腳均可由鄉(xiāng)村道路抵達(dá)，隧道周邊的交通狀況一般。

2 隧道襯砌設(shè)計方案

該隧道的支護(hù)方式為：初期支護(hù)是噴錨支護(hù)方式，二次襯砌支護(hù)是現(xiàn)澆模筑混凝土的方式。參照隧道縱斷面圖，可以得到圍巖分布情況，如表1所示。其中復(fù)合襯砌按照圍巖級別分別進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。

2.1 初期支護(hù)

錨噴支護(hù)主要由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組成，結(jié)合隧道自身的地質(zhì)條件進(jìn)行不同的組合。采用的錨桿為全長粘結(jié)錨桿，根據(jù)規(guī)范，紅花頂隧道初期支護(hù)的噴射混凝土采用的是C25級混凝土。對比超前支護(hù)，Ⅳ級圍巖采用22 mm超前錨桿支護(hù)，長度為4.0 m，環(huán)向間距為0.4 m，而Ⅴ級圍巖采用50 mm超前小導(dǎo)管支護(hù)，長度為4.5 m，環(huán)向間距為0.4 m。初期支護(hù)參數(shù)取值見表2。

2.2 二次襯砌

二次襯砌支護(hù)對于不同的圍巖等級，噴射混凝土的厚度存在一定的差別。IV級圍巖現(xiàn)澆混凝土厚度為50 cm，對于圍巖狀況差的V級圍巖，現(xiàn)澆混凝土厚度為55 cm。

3 隧道施工組織設(shè)計

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報的設(shè)置是為了施工的安全性與穩(wěn)定性，根據(jù)初勘物探解譯結(jié)果，區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為富水區(qū)及裂隙發(fā)育帶，因此應(yīng)該將超前地質(zhì)預(yù)報納入隧道施工的正常工序，保證施工安全［6］。本隧道設(shè)計主要對洞內(nèi)涌突水等不良地質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)測。

3.1.1 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報

每隔150 m左右探測一次，初步查明前方不良地質(zhì)體的位置。該探測手段探測距離較長，且洞內(nèi)操作不干擾施工。

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)每隔20～30 m 探測一次，該種探測手段對軟弱圍巖夾層、空洞較為敏感，結(jié)果較準(zhǔn)確。

3.1.3 超前地質(zhì)鉆孔

當(dāng)通過物探手段初步推斷前方富水或斷層破碎帶時，采用超前鉆孔核實。鉆孔長度20～30 m，保護(hù)段長度不小10 m，根據(jù)探孔探測和出水情況，確定處理措施。

3.1.4 瞬變電磁儀法探測

在富水區(qū)域采用瞬變電磁儀法每隔30～50 m 探測一次，該種探測手段對地下水較為敏感，結(jié)果較為準(zhǔn)確。輔助配合紅外探測法，用紅外線探水。在隧道中，圍巖向外部發(fā)射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，場有密度、能量、方向等信息，巖層在向外部發(fā)射紅外輻射的同時，必然會把內(nèi)部的地質(zhì)信息傳遞出來。干燥無水的地層和含水地層發(fā)射強(qiáng)度不同的紅外輻射，紅外線探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。 對正洞各涌突水點的水溫、水量、水壓、水質(zhì)與同位素化學(xué)、位置、地層巖性、裂隙與巖溶發(fā)育特征等進(jìn)行實時監(jiān)測。對正洞各涌突水點的地質(zhì)檔案、空間分布、涌水量及其動態(tài)特征進(jìn)行監(jiān)測，指導(dǎo)施工。

3.2 施工內(nèi)容

3.2.1 施工方案

惠龍高速紅花頂隧道Ⅳ級圍巖采用正臺階法（短臺階法），Ⅴ級圍巖采用三臺階七步開挖法，爆破方法為光面爆破，初期支護(hù)采取鋼筋網(wǎng)聯(lián)合噴錨支護(hù)，二次襯砌為C30現(xiàn)澆模筑混凝土混凝土。

3.2.1.1 Ⅳ級圍巖施工方案

圖1為Ⅳ級圍巖施工方案。圖2為臺階法施工流程。

3.2.1.2 Ⅴ級圍巖施工方案

圖3為V級圍巖施工方案。圖4為三臺階七步法施工流程。

3.2.2 施工工序

惠龍高速紅花頂隧道進(jìn)口洞口施工工序為：清除洞口危石—施作截水溝—臨時邊仰坡開挖支護(hù)—洞門結(jié)構(gòu)施工—洞口排水工程。

隧道出口洞口施工工序為：清除洞口危石—施作截水溝—臨時邊仰坡開挖支護(hù)—管棚套拱施工—超前大管棚施作—洞門結(jié)構(gòu)施工—暗洞開挖。

3.3 隧道勞動組織和設(shè)備配置

3.3.1 隧道施工勞動力組織

如表3所示，為工班任務(wù)分配及勞動力配置。

3.3.2 隧道施工機(jī)械設(shè)備

通過靈活組合大、中、小型機(jī)械設(shè)備，形成配套的機(jī)械施工方案，達(dá)到機(jī)動靈活機(jī)械化施工的目的。結(jié)合紅花頂隧道實際情況，采取以機(jī)械施工為主，同時配備一小部分人力為輔進(jìn)行科學(xué)施工。見表4，為擬投入的主要施工機(jī)械設(shè)備。

4 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是新奧法三大核心內(nèi)容之一，根據(jù)JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，選擇洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉4個必測項目為量測項目。各測試項目的測點盡可能布置在同一橫斷面上，以便于對各測試項目測試結(jié)果進(jìn)行對比分析（表5）。

4.1 量測斷面間距與測點數(shù)量

根據(jù)紅花頂隧道具體情況，分為Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖，初步擬定必測項目量測斷面間距及每斷面測點數(shù)量見表6。

4.2 量測斷面布置

隧道每個量測斷面各布置一個拱頂下沉測點和2條水平凈空收斂量測基線，根據(jù)圍巖情況不同各自設(shè)計。量測斷面測點布置見圖5與圖6，IV級圍巖臺階法開挖地段取2條水平測線，采用圖5；V級圍巖三臺階七步法開挖地段取3條水平測線，采用圖6。

4.3 量測頻率

洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和支護(hù)表面狀況觀察2部分。開挖工作面觀察在每次開挖后進(jìn)行，地質(zhì)情況基本無變化時，可每天進(jìn)行一次。對支護(hù)的觀察每天至少進(jìn)行一次，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的表面外觀狀況等。洞外觀察包括邊仰坡穩(wěn)定、地表水滲透等觀察。

凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測采用相同的量測頻率。量測頻率見表7，實際量測頻率從表中根據(jù)變形速度和距開挖工作面距離選擇較高的一個量測頻率。

4.4 監(jiān)測方法

監(jiān)測方法與要求見表8，在隧道拱頂下沉和水平收斂量

測中采用水平儀、收斂計或目前比較先進(jìn)的無尺量測技術(shù)。

4.5 監(jiān)測資料整理、數(shù)據(jù)分析及反饋

每次量測后應(yīng)及時進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)分析，并繪制量測數(shù)據(jù)時態(tài)曲線和距開挖面距離圖；應(yīng)繪制地表下沉值沿隧道縱向和橫向的變化量與變化速率曲線。

5 結(jié)論與討論

惠龍高速紅花頂隧道采用復(fù)合式襯砌，由錨噴支護(hù)和模筑混凝土襯砌2部分組成，解決了在設(shè)計、施工方面的問題，為公路隧道的設(shè)計工作提供設(shè)計參數(shù)和理論依據(jù)。

（1）初期支護(hù)是噴錨支護(hù)方式，二期襯砌支護(hù)是現(xiàn)澆模筑混凝土。

（2）施工組織設(shè)計保證了隧道的質(zhì)量與施工進(jìn)度。

（3）通過現(xiàn)場量測獲得圍巖力學(xué)動態(tài)和支護(hù)工作狀態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計和力學(xué)分析，來判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和工作狀態(tài)，選擇和修正支護(hù)參數(shù)指導(dǎo)施工。

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