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【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本溪市境内，穿越辽东中低山区，沿线起伏较大。隧道在DK77+660～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、节理裂隙发育的围岩无法抵抗周边压力。同时，隧道爆破开挖，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原因分析表明隧道浅埋暗挖安全施工的关键就是有效控制围岩变形。大量研究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有非常重要的作用。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。其主要方法包括：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，根据大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。同时，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1°～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。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大管棚的专业设备技术，为保证钻孔精度和控制路面沉降，针对大顶山隧道下穿段的复杂地质情况，选用潜孔锤跟管钻进法管棚施工技术，一次最大打设长度60m。
4.2 管棚工作室
4.1.1管棚工作室尺寸
管棚工作室宽度主要由隧道开挖断面尺寸、钻机尺寸及施做空间的大小确定；长度主要取决于管节长度、钻机及钻杆接长所需的最大长度，同时还要满足对钢管进行纠偏的操作空间，根据以上要求，拟定的管棚工作室的尺寸为：1.2m（外扩）×8.0m（纵向）。
4.1.2工作室位置确定
由于大顶山隧道下穿段仅安排大里程端独头施工，且穿越段长度为100m，若按一次最大打设长度60m考虑，则需要设置2环，且管棚工作室恰好位于高速公路路面下方，工程风险较大。因此，本着“避开路面，一次支护”的原则，于公路边坡下方，DK77+768～DK77+760、DK77+744～DK77+736、DK77+694～DK77+686段设置三处管棚工作室。
4.1.3管棚设计参数修正
原拟定的100m管棚支护长度，分三环打设，长度分别为30m、55m、25m，纵向每环搭接长度5m。为减小施工对拱顶岩体的扰动，提高管棚支护整体性，更好得控制公路路面沉降，第二环长管棚一次性打设55m，一环穿越高速公路路面；同时，为避免第一环管棚对DK77+744处管棚工作室开挖造成影响，将第一环管棚仰角调整为6°，第二、三环管棚仰角分别为3°。
管棚导向墙采用C25喷射砼，厚度为60cm。导向墙内设置双层两榀I18a工字钢，钢架纵向间距设置为30cm。下穿段三环管棚设置纵断面如图1所示：
4.1.4 管棚工作室施工
由于管棚工作室衬砌断面在标准段隧道断面的基础上扩挖了1.2m，整个断面开挖面积达到了208m2，并且为更有效的控制地表沉降，下穿段隧道采用双侧壁导坑法开挖。因此，为确保施工安全，同时使工作室前后隧道施工方法便于衔接，第一环管棚工作室采用三台阶临时仰拱法施工，第二、三环工作室同样采用双侧壁导坑法施工。
5 下穿段监测结果
为保证施工期间高速公路行车安全，下穿段隧道在施工时必须加强地表的监控量测工作。由于施工时高速公路未实施封道，故在路肩两侧以及中隔带处布设监控量测点，现场采用全站仪进行地表沉降观测，选取DK77+730﹑DK77+710﹑DK77+690三个监测断面，每断面布设7个监测点。地表沉降监测布置见图2所示：
地表沉降的主要原因归结为：开挖步骤较多，围岩多次被扰动；且受分部开挖施工受条件影响，支护结构不能及时封闭。
6 结论
大顶山隧道下穿高速公路段通过采用洞内双层Φ159长管棚超前支护，结合小导管注浆加固地层；双层钢架加强初期支护以及双侧壁导坑开挖方法等主要措施，施工效果显著。达到了控制开挖变形、保证高速公路正常运营、确保隧道施工安全的目的。
参考文献：
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论文作者:张弛
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：隧道论文; 围岩论文; 地表论文; 长度论文; 高速公路论文; 工作室论文; 断面论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;