高速公路隧道施工安全風險分析

青蘭通往鹿家縣高速公路的段是中華人民共和國交通部規(guī)劃的國家高速公路網(wǎng)“橫6”的重要組成部分。它也是河北省高速公路網(wǎng)“橫6”的重要路段。其中，鼓山隧道是一條大河和大嶺隧道。開挖準備工作廣泛，尤其是隧道圍巖的地質條件復雜，施工周期長，施工難度大，安全風險高。本文主要介紹鼓山隧道的施工技術。1隧道地質背景青蘭高速公路(邯鄲至涉縣段)鼓山隧道為標準分離式三車道,相鄰量測軸間距約45.0m,隧道最大寬開挖寬度為17.17m,開挖高度約11.86m,左線全長3890m,右線全長3905m,隧道埋深為2~264m,是大斷面扁平隧道,特別隧道出口位于鼓山西側山前沖洪積扇上,主要地質為:Ⅲ級圍巖為寒武系上統(tǒng)崮山組(C3g)灰色中厚層灰?guī)r,夾薄層泥質灰?guī)r,屬較堅硬巖。Ⅳ級圍巖為寒武系中統(tǒng)徐莊組黃綠色~紫紅色薄層鈣質頁巖,夾中厚層鮞狀灰?guī)r,巖體穩(wěn)定性較差~差。Ⅴ級圍巖巖性為紫紅~灰綠色頁巖,夾灰黃色中層泥灰?guī)r,屬軟巖。巖層間結合差,巖體較完整~破碎,巖體穩(wěn)定性較差。洞口Ⅴ級加強段圍巖上部為第四系沖洪積碎石及亞粘土,下部為強風化頁巖夾泥灰?guī)r,巖芯破碎,局部為斷層破碎帶。地質構造復雜,為不良地質區(qū)段,工程性質及穩(wěn)定性差。2施工方法2.1仰坡及邊坡坡度施工洞口施工前,先行施工排水溝,截除地面雨水。仰坡及邊坡坡度均按設計施工。明洞及洞頂邊仰坡開挖應自上而下進行,每下挖1~2m,對兩側邊坡進行錨噴防護。2.2超前支護施工方法洞口段Ⅴ級圍巖采用Φ108大管棚超前支護,其余段Ⅴ級圍巖采用Ф42小導管超前支護,Ⅳ級圍巖采用Φ22砂漿錨桿超前支護,具體施工方法如下:2.2.1大管棚套拱施工洞口段Ⅴ級圍巖為第四系沖洪積碎石及亞粘土,圍巖穩(wěn)定性差,為了確保施工安全,采用大管棚超前支護,大管棚采用Φ108、壁厚8mm無縫鋼管,管棚長度為30m,環(huán)向間距40cm。當成洞面邊仰坡刷坡完畢后,進行大管棚套拱施工,套拱長2m,采用4榀20b工字鋼并用Φ22螺紋鋼連接作為型鋼拱,并在鋼拱架頂以Φ127、壁厚8mm鋼管為管棚導向管,導向管環(huán)距為40cm焊接并用U型鋼筋固定。在套拱兩側墻位置預先拉槽滿足安裝模板的施工空間,一次性開挖至套拱基礎底部,使得套拱混凝土一次澆筑完成,套拱混凝土厚80cm,采用C25混凝土。采用MGJ-50錨桿鉆機鉆孔并頂進管棚鋼管,鋼管接頭采用四口連接,施工時沿隧道周邊以1°外插角打入圍巖,插入鋼筋籠,采用高壓注漿方式灌注M30水泥砂漿,注漿配合比同工注漿試驗確定配合比。2.2.2鋼管與襯砌綠化小導管采用外徑Ф50mm、壁厚5mm無縫鋼管,按設計要求制作,施工時鋼管與襯砌中線平行以12°仰角打入拱部圍巖,超前小導管保持1.0m以上的搭接長度,端部焊于拱架上。每打完一排鋼管注漿后,開挖拱部及初期支護。2.2.3砂漿船固定超前錨桿采用Φ25中空注漿錨桿,施工時根據(jù)巖體節(jié)理面產狀確定錨桿的最佳方向,且保持不小于1m的搭接長度,尾端焊接在系統(tǒng)錨桿的尾端。2.3洞挖法洞口段30m長的Ⅴ級圍巖采用建議性雙側壁導坑法開挖。其余段Ⅴ級圍巖采用建議性單側壁導坑法開挖,Ⅳ、Ⅲ級圍巖采用傳統(tǒng)臺階法開挖。2.3.1工字鋼臨時支護采用建議性雙側壁導坑法開挖(如圖1)。具體開挖順序如圖2所示。先開挖、支護左側導坑Ⅰ,待左側導坑進洞15m后,開挖、支護右側導坑Ⅱ。其中Ⅰ、Ⅱ號導坑永久初期支護采用Ⅰ20工字鋼,臨時支護采用Ⅰ16工字鋼,間距為50cm,臨時支護與永久支護采用法蘭盤和螺栓連。初期支護采用長度3.5m的砂漿錨桿和Ф10圓鋼、間距20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)片錨噴支,臨時支護采用長度1.2m砂漿錨桿和Ф6.5圓鋼、間距20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)片錨噴支。Ⅰ、Ⅱ號導坑進尺均為100cm,即兩榀鋼架間距。待Ⅰ、Ⅱ號導坑開挖支護完成,Ⅱ號導坑進洞20m后,再行開挖、支護中部Ⅲ號導坑。待中部Ⅲ號導坑開挖完成后,再行開挖Ⅳ部和拆除臨時支護,即上臺階部分開挖完成。上臺階部分開挖支護完成后再行開挖下臺階Ⅴ、Ⅵ部分,然后澆筑仰拱及仰拱填充混凝土和二次襯砌混凝土。2.3.2單側壁導坑開挖洞口30m長的Ⅴ級圍巖淺埋段開挖完成后,普通段Ⅴ級圍巖采用建議性單側壁導坑法開挖,如圖3所示,其開挖步驟如圖4所示。普通段Ⅴ級圍巖采用單側壁導坑開挖施工中,前后導坑間距為15~20m,可同時進行開挖,初期支護參數(shù)只是鋼架間距調整為75cm,其它參數(shù)與洞口段Ⅴ級圍巖一樣,因此開挖進尺為每循環(huán)150cm,即兩榀鋼架間距。臨時支護中,鋼架和錨桿不能不能焊接連接,以免在拆除鋼架時困難。2.3.3、圍巖段施工臺架的研究Ⅳ級圍巖段采用臺階法開挖(如圖5),上導坑開挖采用光面爆破進行,每個循環(huán)按3m控制。初期支護采用Ф25螺紋鋼制作的格柵鋼架配合錨噴網(wǎng),拱架間距為100cm,錨桿采用長度3m的Ф22砂漿錨桿,網(wǎng)片采用Ф8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距為20cm×20cm。每循環(huán)進尺控制在200cm。由于該隧道Ⅲ級圍巖長度短,若采用全斷面法開挖勢必造成掌子面施工臺架高度不夠,因此為了能使用Ⅴ、Ⅳ圍巖的施工臺架,也采用臺階法開挖,開挖進尺根據(jù)超欠挖情況進行調整。建議性雙側壁導坑法是在洞口Ⅴ級圍巖段,該段Ⅴ級圍巖地質情況為上部是第四系沖洪積碎石及亞粘土,圍巖穩(wěn)定性差,下部圍巖巖性為寒武系紫紅~灰綠色頁巖,承載力高,且是在拱部大管棚超前支護的保護下進行的,對施工安全上有保證。傳統(tǒng)的雙側壁導坑法和單側壁導坑法需要將中隔墻部分延伸到隧道斷面下部,工序繁瑣,建議性雙側壁導坑法和單側壁導坑法減少了施工工序,加快了施工進度,節(jié)省了施工成本。3隧道動態(tài)施工的特點根據(jù)隧道圍巖復雜,跨度大,施工難度高的特點,提出“動態(tài)施工”基本原則合理安排施工,隧道動態(tài)施工的最大特點就是把量測、觀察技術和方法引到施工中,并作為施工中一個重要而不可缺少的環(huán)節(jié)予以實施,根據(jù)觀察、量測等得到的資料對已開挖的區(qū)間和掌子面前方的圍巖情況進行預測,力求將量測得到的結果迅速的反饋到施工中去,力求提高施工的安全性和經(jīng)濟性。3.1精密水準儀和塔尺和卷尺的測量量測內容包括水平收斂和拱頂下沉,水平收斂采用收斂計,拱頂下沉采用精密水準儀和塔尺或卷尺,量測和收斂頻率按照規(guī)范要求執(zhí)行。觀察是在每循環(huán)開挖后及初期支護后,技術人員對地質和初期支護狀況觀察并做好記錄,主要觀察巖性和是否有支護裂隙等,記錄資料和照片等保存歸檔。3.2初支無變形放射線監(jiān)測在施工的過程中,及時監(jiān)控量測,并對量測結果進行分析,圍巖在開挖后未受到大的擾動及變形,量測數(shù)據(jù)均位于規(guī)范要求內,地表及洞內無變形及初支無開裂現(xiàn)象發(fā)生,圍巖相對穩(wěn)定,為繼續(xù)施工提供了科學依據(jù)。其中具有代表性的斷面量測數(shù)據(jù)為ZK117+950斷面,水平收斂值隨時間變化曲線如圖6所示,水平收斂速率隨時間變化曲線如圖7所示,拱頂下沉值隨時間變化曲線如圖8所示,拱頂下沉速率隨時間變化曲線如圖9所示。ZK117+950斷面圍巖基本穩(wěn)定,達到了《公路隧道施工技術規(guī)范》要求,可以進行下道工序施工。3.3地質構造方法、地質條件地質預報信息:TSP方法、超前鉆孔方法、掌子面地質雷達方法、數(shù)碼相機超前地質越策、掌子面圍巖級別判定等。監(jiān)控量測信息:隧道斷面激光測試儀、數(shù)碼相機斷面位移測試、空隙水壓計等。4從施工進度和施工過程中來抓施工(1)在大斷面淺埋隧道施工中,采用建議性雙側壁導坑法和建議性單側壁導坑法施工,將隧道拱部分成2~3部分開挖,使其拱部應力釋放分步進行,克服了隧道拱部平緩和易坍塌的缺陷,同時又減少了傳統(tǒng)的雙側壁導坑法和單側壁導坑法的繁瑣工序。通過施工監(jiān)測,此方法保證了施工安全和施工進度。(2)施工前應制定詳細可行的施工方案,做好工程應急預案,以應對各種可能出現(xiàn)的地質和施工突發(fā)事件,對保證施工安全極為重要。(3)施工過程中,嚴格遵循“