郑绍元
攀钢集团工程技术有限公司特种工程分公司 四川省攀枝花市 617000
摘要 隧洞洞口上方是重载矿山公路，重型车辆流量大，且边坡是多年杂填土、砂土，施工时易造成边坡垮塌，地表开裂，公路塌陷，为有效防止偏压隧道开挖后，拱顶下沉急剧增大，隧洞净空收缩，掌子面失稳问题，采取管棚法+注浆+钢拱架联合支护，确保施工过程中无安全事故发生，加快施工进度，降低施工成本。
关键词 偏压；隧道；穿越；矿山公路
1.工程概况
接替库一期工程—隧洞工程，3号隧洞出口段属浅埋段，偏压，浅埋深度不足6米，公路上方有重载车辆通过，车流量较大，车辆重载运输，每台车辆载重80t，且运输车辆24小时不间断运行，对掘进施工造成较大风险。为确保施工安全和道路运行安全，对此段采取相应加固技术，确保隧道施工按期完成，降低成本。
2、大管棚环向间距选取
管棚法是沿开挖轮廓周线，钻设与隧洞（道）轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周边的围岩，并在预定的范围内形成棚架的支护体系。其主要作用是：提高管周围的抗剪强度，现行支护围岩，把因开挖引起的松弛控制在最小范围内，其效果主要有梁效应和加固围岩效果。它可以作为大断面隧洞（道）、隧洞（道）进出口的辅助方法。
（1）围岩基本情况
隧洞进口段岩体为松散堆积体，由多年填土区，填土为粗砂土、小块石组成，结构松散，自稳性较差且顶覆盖层较薄。
（2）荷载确定
由于管棚仅为隧洞超前支护，主要由钢拱架及C25钢筋混凝土衬砌承载，因此设计时考虑垂直土压力及重车载荷：
式中：重度γ=20kN/m3（浅埋）；内摩擦角φ=36°；隧洞宽度B=3.4m；隧洞高度H1=3.75m；隧洞埋深h=6～30m；粘聚力c=10kPa
经计算洞顶土压力：220KN/m2 (含汽车荷载）
计算管棚时竖向取覆土厚度（含汽车载荷）的1/3进行计算，q0=220KN.m/3=73KN.m选用。
（3）管棚设计计算
L=htan（45°-?φ/2）=3.75tan（45°-?36/2）=2m
M设计值=（1.2*0.9）*q0L2/8=（1.2*0.9）*73*2*2/8=39.42kn.m
每米4根，每根承担的弯矩:M1=M设计值/4=39.42/4kn.m=9.86kn.m
计算，符合Ф108×6性能要求。
因此，选用Ф108×6型号钢管，实际施工中间距可采用250mm。
3、钢拱架参数验算
（1）自然条件
经现场踏勘，隧洞出口位于多年填土区，填土为粗砂土，洞顶距山坡公路约6.5m。
隧洞开挖前，设计要求对隧洞四周土体进行注浆加固,注浆范围为隧洞宽度的3-5倍，隧洞左右两边注浆各15m左右，上部注至公路，隧洞底部注至基岩约13.5m长，10米深，隧洞外延箱涵方向注10m，宽度为4m。
（2）钢拱架几何参数：钢拱架高度3750mm,上部为三心拱，拱高1350mm,下部直墙段2400mm.钢拱架采用Ⅰ22b,材质Q235.
（3）计算简图：结构力学模型，工字钢强轴平行隧道轴线布置。
（4）计算工况：隧洞开挖过程中，洞顶公路有两台载重车辆同时经过，单车总重160吨。
（5）荷载计算：洞顶土压力：220KN/m2 (含汽车荷载），矩形分布。直墙土压力：80KN/m2（含汽车荷载），矩形分布。（粗砂￠=36°）
（6）钢拱架内力分析
按钢拱架间距250mm计算。计算结果如下图，M、N均为最大值。恒载分项系数1.2
三心拱 M=39KN.m N=192KN，直墙 M=36KN.m N=188KN
（7）钢拱架稳定性计算：
1）三心拱稳定计算参数：
h/l=1.35/3.6=0.375 L0=0.45×3.6=1.62m λ=l0/ix=162/8.78=18.5 ￠x=0.983
βmx=1 rx=1.05 A=46.50cm2 W1x=325.8cm3 (绕强轴x)
Nex=π2EA/(1.1λ)2=3.142×206×103×46.5×100/(1.1×18.52)=250×105N
N/Nex=0 N/(￠xA)+βmxMx/(rxW1x(1-0.8N/Nex))
=192×103/(0.983×46.50×100)+1×39×106/(1.05×325.8×1000)
=156N/mm2≤ 215N/mm2 (满足要求）
2）直墙段稳定计算参数
l0=2.4m λ=l0/ix=240/8.78=27 ￠x=0.968 βmx=1 rx=1.05
N/(￠xA)+βmxMx/(rxW1x(1-0.8N/Nex))
=188×103/(0.968×46.50×100)+1×36×106/(1.05×325.8×1000)=147N/mm2 ≤ 215N/mm2 (满足要求）
（8）平面外稳定性计算：设计要求钢拱架与管棚钢管焊接，钢拱架平面外稳定满足要求。
（9）验算结论：钢拱架强度及稳定性满足规范要求。
4、结论
偏压隧道穿越矿山公路施工技术，实施后取得了良好的效果。选择合适的管棚环向间距，成洞时安全可靠，成本最优；钢拱架受力分析，其强度、稳定性、刚度符合要求；注浆后改善土体性能，固结周边土体，达到成洞安全；有效保证掘进施工的安全，加快施工进度，工期提前15天。该技术成熟运用后，对今后此类施工提供了宝贵的理论和实践经验，可以在同行业之间可以相互借鉴、交流学习。
5、参考文献
（1）张伟宁;原有建筑物构筑物地基注浆加固[A];河南省土木建筑学会2010年学术大会论文集[C];2010年
（2）朱鹏军;高高;隧道钢拱架施工技术优化及质量控制研究[J];科技视界;2018年14期
作者简介 郑绍元，男，1978年9月，攀钢集团工程技术有限公司特种分公司，技术管理，高级工程师，矿业工程