2.高速公路单幅柱式棚洞施工工法

中铁十二局集团有限公司 中铁十二局集团第一工程有限公司

杨华 1.前言

目前，我国高速公路建设向山区不断延伸，山区高速公路受地形限制，路线常在崇山峻岭中傍山而行，路基边坡地质复杂且高陡，石质高陡边坡挖方路堑施工设备、机械难以就位，施工难度较大；山高坡陡，地表岩体较为破碎，溶蚀发育，如发生落石现象，将对运营期间的行车安全造成非常大的隐患。

富龙高速公路K15+620-K15+820段路线原设计以路堑形式通过，地形较陡，地面自然横坡达60度；此段路堑最高设6级边坡，坡率设计为1:0.25和1:0.33。该地段为卡斯特地貌山区，地势险要，施工机械（挖机、钻机）难以进入坡顶，且上部开挖面较窄，设备无工作平台，难以进行施工作业；路堑边坡下方为进场道路和农田，峭壁石方爆破后无法控制落石走向，道路下方为部分旱地、水稻田和河道，爆破后滚落石渣对下部农田、河道破坏污染严重。如何安全快速的组织施工，是石质路堑高陡边坡开挖所面临的难题。中铁十二局集团有限公司结合项目实际情况，采用单幅柱式棚洞形式通过，减小了边坡的开挖高度，明显减少对山体的破坏，从而保护了山体上的植被；另外棚洞对高边坡除具有支挡作用，同时还具有公路隧道的功能，其结构与自然景观融为一体，不仅节约了投资，而且一劳永逸的消除了高陡边坡顶部危岩、浮石危及公路安全，以保证公路建设与运营的安全；并降低了施工难度，加快了施工速度，可为今后类似棚洞的施工提供借鉴，经总结、整理形成工法。

2．工法特点

2.1石质高陡边坡下路堑采用单幅柱式棚洞防护，减少了高边坡路堑开挖，消除了石方爆破对进场道路的干扰，有效保证了施工及运营期间的安全。

2.2在棚洞顶部增设横向钢管桩注浆加固措施，确保施工期间棚洞半明半暗开挖对高陡边坡造成失稳。

2.3优化的柱式棚洞施工方案，使用改装后的隧道用衬砌台车同时施工洞身、顶板及柱顶托梁混凝土，将原设计的洞顶施工缝改留至柱顶，提高了洞身的结构整体受力情况，减少了施工缝对洞身防排水质量的影响，与传统的支架现浇方法相比，降低了施工难度，加快了施工速度。

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2.4棚洞模板利用的是隧道施工用的二衬台车改装而成，安装灵活、经济方便等特点，提高了大型模板的利用率，有效的减低了成本。

2.5棚洞结构轻巧，解决了高陡石质边坡开挖难的问题，消除了运营期间的落石隐患，降低了柱式棚洞的施工难度，加快了施工进度。棚洞完成后顶部植草绿化后，其自身即能成为一道亮丽的景观，为山区高速公路工程增加了新的看点。

3．适用范围

本工法适用于山区高速公路及铁路深路堑高陡石质路堑边坡的处置施工。

4.工艺原理

将棚洞范围内顶部左侧进行边坡开挖及钢管桩加固，棚洞范围右幅路基石方控制爆破施工，左幅棚洞洞身开挖及初期支护施工后进行棚洞立柱底桩基础、底板及中立柱基础钢筋混凝土施工，然后采用改装的衬砌台车一次性施工棚洞立柱、立柱托梁、洞身及顶板钢筋混凝土，紧接着进行棚洞内路面及水沟电缆槽等附属工程施工，最后进行棚洞顶柔性回填反压、洞顶排水沟及绿化工程施工。棚洞优化施工图理见下图4。

图4.1 单幅柱式棚洞防护石质边坡原理图

5．施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

①施工准备→②对棚洞顶部边坡钢管桩加固等防护施工→③棚洞范围右幅路基石方控制爆破施工→④左幅棚洞洞身开挖及初期支护施工→⑤棚洞立柱底桩基础、底板及中立柱基础

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钢筋混凝土施工→⑥采用改装的衬砌台车一次性施工棚洞立柱、立柱托梁、洞身及顶板钢筋混凝土→⑦棚洞内路面及水沟电缆槽等附属工程施工→⑧棚洞顶防排水施工→⑨棚洞顶柔性回填反压、洞顶排水沟施工→⑨绿化工程施工。施工工艺流程见图5.1。

棚洞顶部边坡横向钢管桩注浆加固 施工测量 施工准备 棚洞顶缓冲层反压回填施工 棚洞顶防排水施工 棚洞中立柱、洞身及顶板施工 左幅棚洞洞身开挖及初期支护 棚洞台车改装 棚洞范围右幅路基石方开挖 棚洞底板及立柱底基础施工 棚洞内路面及附属工程施工

棚洞绿化工程施工 监控测量 图5.1 棚洞施工流程图

5.2操作要点 5.2.1 施工准备

首先，对棚洞顶部自上而下分台清理刷坡松散岩体及坡面，严禁大面积开挖扰动边坡的稳定性，对开挖后的洞顶边坡进行钢管桩加固和挂网喷浆防护，确保棚洞施工期间的安全；其次，按设计的棚洞轮廓改装隧道用的一部10.5m液压衬砌台车，及时拼装调试完善，具备施工条件；再次，做好快速施工的一切后续保障工作。

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5.2.2 施工测量

施工测量前认真进行对图纸的审核、测量定位依据点的交接与校核、测量仪器的检定与校核，测量方案的编制与数据准备。根据图纸和工程结构特征确定控制网形式，采用一级控制网测设。为保证工程施工的竖向精度，棚洞布设3个高程控制点组成高程控制网，采用绝对高程控制，高程控制点布置在距施工现场20.0米左右的埋置砼上。高程从控制点引测，待柱修好后引测至柱上并做出明显标记，为后面的施工创造条件。施工放样数据在室内计算好并充分复核无误方可进行施工。

5.2.3棚洞顶部边坡横向钢管桩注浆加固 1.横向钢管桩施工流程

测量定位→钻孔机就位钻孔→安装下放注浆钢管→封孔→下放钢筋→注浆机安装→安装注浆导管→拌制水泥浆→注水泥浆→二次加压注浆。

2.横向钢管桩控制要点

1）测量定位：根据设计的孔洞间距、排距等用50m钢尺测量放线，用红漆标明每个桩孔的位置；孔位误差纵向不得大于15cm，相邻钢管之间横向不大于10cm。

2）安装下放注浆钢花管：钻孔前按要求将钢管接长至设计长度，每节钢管长4-6m以丝扣连接而成，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%；钢花管上钻注浆孔，孔径12mm，孔间距15cm，呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段250cm。

3）注浆：采用水泥浆液(水灰比=0.5：1)注浆，注浆压力：初始压力0.5～1.0MPa，终止压力2.0MPa；注浆结束后用M20水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度；为加强钢管桩整体受力，采用C25钢筋混凝土盖梁将钢管桩固结形成整体。棚洞顶部钢管桩注浆加固示意见图5。2.3。

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图5.2.3 棚洞顶部横向钢管桩注浆加固

5.2.4 单幅柱式棚洞施工用液压台车改装

棚洞台车由隧道二衬台车改装而成，台车长度为10.5m。单幅柱式棚洞施工用液压台车改装见图5.2.4。

图5.2.4 单幅柱式棚洞液压台车改装示意图

衬砌台车门架净空高度和宽度能保证运车辆通行，由于本棚洞的特殊性，为满足单幅柱式棚洞的整体成型（即中立柱、立柱托梁、洞身及顶板一次成型），因此本台车共分两部分：①整机行走采用电机+机械驱动，模板采用全液压操作，利用液压缸支（收）模机械锁定。②右外侧模板采用大块钢模板，整体拼装成型，丝顶，木撑加固。总之在保证足够的刚度和强度的前提下尽量使结构简单化以减轻重量，在重要的钢结构方面，采用专用工装模具，确保产品加工质量，产品性能良好，结构合理，衬砌质量高。

5.2.5路基及棚洞开挖

棚洞及右幅路基均采用控制爆破开挖，严格控制施钻角度和深度及装药量，确保飞石的走向，控制爆破时严格按爆破方案布孔和及时调整爆破参数，确保围岩的自稳能力和开挖轮廓线满足设计要求，爆破后残孔率达到90%以上。爆破采用钻爆简易台架或钻孔台车为主，辅以人工风动凿

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岩机钻眼，非电毫秒雷管微差起爆。左幅棚洞及右幅路基石方控制爆破炮眼布置示意见图5.2.5。

图5.2.5 左幅棚洞及右幅路基石方控制爆破炮眼布置示意图

5.2.6 棚洞洞身及中立柱混凝土施工 1.准备工作

首先全面检查中线、高程，各项指标已经全部满足设计要求，防排水材料充足，施工用的砼输送泵、振动器、液压衬砌模板台车等已经进行了试运转，设备正常。

2.模板施工

采用10.5m液压衬砌台车,结构稳定，尺寸准确且结构简单，装拆移位方便，模板表面光滑，接缝严密，施工缝端头模板安装垂直、牢固。模板台车测量定位准确，将台车移至衬砌部位，调好标高，按隧洞衬砌内轮廓线尺寸调整好模板支撑杆臂。

3.砼拌合运输

砼在洞外的拌合站集中拌合，砼输送车运输，输送泵灌注施工。 5.2.7 防排水施工控制要点 1.排水盲管

本棚洞排水盲管包括DN110HDPE横向排水盲管、DN110HDPE纵向排水盲管，横向排水盲管沿棚洞靠山侧，纵向间距每10m设置一道，连接外裹土工布的纵向碎石排水盲沟与棚洞内排水沟，纵向排水盲管在靠山侧通长布置，形成完整的排水系统。

2.防水层布置

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防水层在洞身混凝土外面采用分离式防水层。设置防水层是保证棚洞防水功能的重要措施，防水层采用分离式防水层，由防水板加土工布组成。防水板采用EVA防水板，厚度不小于1.5mm；土工布密度不小于400g/m²。

5.2.8 洞顶反压回填控制要点

洞身混凝土强度达到设计强度的75%方可拆模。混凝土强度达到设计的100%时才能进行洞顶回填。回填时采用机械和人工相结合的方式。洞顶反压回填采用机械回填，机械回填时载重量不得超过20吨。靠山侧边坡坡脚与洞身间狭窄部位采用片石混凝土回填。

5.2.9 监控测量

在洞顶边坡布设变形观测桩，监控必测项目为边坡位移及沉降、初期支护拱顶沉降及位移、施工过程中洞内围岩地质及支护状态观察、洞身与中立柱连接处结构内力等，每天需对观测点进行观测并记录成册，通过测量数据反映边坡的位移、沉降情况，及时预报险情，随时掌握边坡动态，确定施工对策和措施，防止事故的发生，确保施工安全及结构的长期稳定。

5.3 施工注意事项

1)因为棚洞边坡高且陡，表层风化破碎，棚洞施工前应对边坡由上至下清理，即使对坡面进行钢管桩加固和锚喷临时防护，确保施工质量。

2)棚洞洞身开挖为半明半暗方式开挖，严格控制开挖进尺不大于1.5m，及时施做半弧钢支撑及锚喷支护；底板及基础开挖严格控制开挖进尺，一次性开挖长度不应大于5m，及时施做基础的钢筋及混凝土。

3)为减少施工时石方爆破对进场道路干扰及爆破后如果不控制落石走向，爆破后滚落石渣对下部农田、河道严重破坏和污染，路基石方爆破前做好进场道路的安全防护后，采用纵向台阶法水平钻孔法控制爆破；洞身部分采用上下台阶法水平钻孔控制爆破法施工。

4)棚洞基础地基承载力要求不小于250KPa，基底虚方清理干净，基坑不得积水软化基础。 5)棚洞洞身施工缝应与仰拱及中墙施工缝设置在同一里程，避免棚洞受力不均时拉裂洞身混凝土。

6)棚洞洞身混凝土达到设计强度后及时进行洞顶防水层及反压回填，回填土应对称、分层夯填密实。

7)棚洞先浇筑立柱混凝土，然后接着浇筑洞身、立柱托梁及顶板混凝土，需对称、分层浇筑，分层高度不大于1m，确保衬砌台车及内外侧模板受力均匀且稳定。

8)在该段路堑边坡顶岩体和坡面均匀布设变形观测桩，监控必测项目为边坡稳定性和支护状

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况观察、坡面沉降和变形位移监测，棚洞施工期间必须每天对观测点进行观测并记录成册，通过测量数据反映边坡的稳定情况，随时掌握边坡动态；安排有经验且责任心强的专职安全员巡视检查坡面的稳定性，如发现险情，立即撤离施工人员，建立完善的施工风险预控机制，确保施工期间的一切安全。

6．材料与设备

6.1施工材料

棚洞需原材料包括：混凝土用原材料、注浆原材料、钢筋、排水管、防水板、土工布、止水带等。

6.2机具设备

主要施工设备见下 表6.2

设备名称 装载机 履带式挖掘机 重型自卸车 自卸车 砂浆搅拌机 气腿式钻机 电动空压机 砼喷射机 钢筋调直机 钢筋切断机 钢筋弯曲机 潜水泵 万能木工圆盘锯 混凝土输送泵 发电机 油罐 软轴振动棒 混凝土搅拌站 台车 型号及 规格 ZL50 CAT320D ND3310W284NJ 5T JW180 YT28 L-20/3.5 TK--961 GJ-6-4/8 GJ40 GW40 GQ-40 MJ225 HBT60C 50kw EQ1090 HLD1200 数量 1 1 6 3 2 2 2 1 1 1 1 10 1 1 1 1 20 1 1 购置 年份 2008 2008 2010 2010 2011 2009 2009 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2011 2011 2012 2014 2014 2014 额定功率（kW） 162 103 90 3生产能力 3m 1.2m 15t 20m/min 33备注 7．质量控制

7.1钢管桩孔洞间距、排距等用50m钢尺测量放线，用红漆标明每个桩孔的位置；孔位误差纵向不得大于15cm，相邻钢管之间横向不大于10cm。

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7.2钢筋定位措施:由φ20钢筋制作内控定位筋，间距误差±3mm。

7.3钢筋保护层控制:采取混凝土垫块控制保护层厚度。根据不同钢筋直径采用工厂化生产，可以保证控制在保护层允许偏差范围内。

7.4混凝土浇筑前必须保证钢筋工程隐蔽验收合格，模板工程验收合格。

7.5洞身混凝土强度达到设计强度的75%方可拆模。混凝土强度达到设计的100%时才能进行洞顶回填。

8．安全措施

8.1开挖边坡上部不稳定岩体、松动岩块，直接影响下部作业安全，应进行清除或加固支护处理。

8.2施工区内起重设施、施工机械、移动式电焊机及工具房、空压机房、电工值班房等布置应符合安全、卫生、环境保护要求。大型施工机械与车辆停放场的布置应与施工生产相适应，要求场地平整、排水畅通、基础稳固，并满足消防安全要求。

8.3在覆盖层施工前应按照设计要求清理完边坡的风化岩块、堆积物、残积物和滑坡体，并在适当位置修筑拦渣坎，保证下部施工安全。覆盖层开挖应按设计边坡坡比自上而下分层进行，坡面按设计要求做成一定的坡势，以利排水。

8.4钻孔作业人员应经过专业技术培训，经考核合格，持证后方可单独操作。钻机的工作地面应平整，在倾斜地面作业时，履带板下方应用楔形木块塞紧。不得在斜坡上横向钻孔作业。应采用湿式凿岩，或装有能够达到国家工业卫生标准的干式捕尘装置。作业人员宜佩戴口罩、面罩、耳塞等劳动防护用品。

8.5爆破作业人员必须经过专业培训，掌握操作技能，并经公安部门考核合格，取得相应类别、级别的资格证后，方可从事爆破作业。爆破方案必须经有关部门审批，按审批后的爆破方案作业。

8.6棚洞施工洞内设专人指挥调度，三管两线设专人管理，保证照明、通风、排水设施良好，道路平顺畅通、灯光明亮。设置好运输线路安全信号标志，确保洞内运输安全;专职安全人员上岗必须佩戴安全检查袖标，凡进洞人员必须戴安全帽;重视洞口的稳定和排水，做好截水沟及排水沟，经常检查洞顶边坡的稳定情况。高压电线及风管通过衬砌台车时，设置绝缘活动装置和风管分节安装，防止挂断电缆和弄坏风管;爆破工必须进行岗前培训，持证上岗。火工品实行专人管理、集中管理，建立严格的规章制度，建立完善的火工品台帐，配备完善的消防器材；油库专人管理，设置明显的警戒标志，油库内设灭火砂及消防器材。

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9．环保措施

9.1坚持环境保护设计、施工、使用统筹规划、同步运行。

9.2 加强对管理人员及生产工人环境保护教育，在生产过程中严格遵守有关环境保护方面的法律、法规和有关规定。

9.3 生产过程中产生的废弃物、建筑垃圾禁止随意乱丢污染环境，进行统一管理，集中堆放，再运至环保部门制定地点填埋处理。

9.4 棚洞、砼搅拌站设排污处理池，对施工废水等进行沉淀、过滤等措施处理达到排污标准后方可向外排出。

9.5 施工剩余混凝土不得随意弃倒，需排放至指定场所。

9.6 清洗模板废水费油等集中回收统一处理，不得排放到河流，污染水体。

10．效益分析

本工法石质高陡边坡下的单幅柱式棚洞，提高了安全系数，加快了施工搭建速度，节约工期3个月，对比业主下达的节点目标，提前2个月完成了施工任务，快速有效的解决了石质高陡边坡的处置难度和速度，减少了高陡边坡的处置费用，与常规的处置石质高陡边坡的方式对比，可节约工程费用约122万元，详见下表10。

石质高陡边坡常规处置与增设单幅棚洞的经济对比表 表10 常规防护 序号 项目名称 1 2 3 4 合计 工期对比 土石方开挖 边坡防护 征地 路基混凝土工程 ∕ 8个月 金额（万元） 420 242 240 35 937 项目名称 土石方开挖及支护 边坡防护 征地 棚洞混凝土工程 ∕ 5个月 金额（万元） 108 93 65 549 815 单幅棚洞 11．工程实例

11.1项目棚洞范围路基边坡概况

云南省富龙高速公路K15+660-K15+810段路线以路堑形式通过，全长150m，地形较陡，地面自然横坡达60度；此段路堑最高设6级边坡，边坡分台高8m，第6级边坡一坡到顶，最大坡高为70.54m（K15+720）；该段路堑1～3级边坡坡率为1:0.25，4～6级边坡坡率为1:0.33，碎落

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平台宽度为1m，上设平台截水沟。该段地质情况为：边坡上覆薄层粉质黏土，下为较完整灰色、灰白色中～弱风化石灰岩，中-厚层状构造，部分含白云岩质，岩体较破碎，溶蚀发育，岩质坚硬，地形自然山坡高陡，植被较为茂盛。坡面防护形式均为主动防护网。路基高陡石质边坡原设计断面及地貌见图11.1-1，坡面防护形式均为主动防护网，示意图见图11.1-2。

图11.1-1 K15+720-K15+760路基边坡原设计断面及地貌图

图11.1-2 K15+720原设计典型断面及防护形式

11.2项目单幅柱式棚洞实施概况

1）该处山高坡陡，地表岩体较为破碎，溶蚀发育，如发生落石现象，将对运营期间的行车

安全造成非常大的隐患；该路堑边坡下方为我部施工的进场道路，施工期间车流量非常大，石方爆破对进场道路干扰非常大。建设指挥部再次组织交通厅等专家现场查勘后确定了施工方案，即：确定了在该高陡石质路堑段落左幅增加柱式棚洞通过，在棚洞顶部增设对边坡的加固钢管桩。

2）柱式棚洞设置范围为线路左幅K15+664.15-K15+806.15，单幅柱式棚洞，全长142m，按

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设计速度80km/h、公路-Ⅰ级、路面设计标准轴载BZZ-100设计，棚洞建筑限界净宽为0.75+0.75+2*3.75+0.5+0.25=9.75，净高5.0m。棚洞起点至K15+776.214位于R=919.6m、Ls=150m的左转缓和曲线上，K15+776.214至止点位于位于R=813.64m、Ls=150m的右转缓和曲线上,棚洞所在路段纵坡为+3.25%。

路基左幅棚洞平面布置见图11.2-1，单幅柱式棚洞正面图见图11.2-2。

图11.2-1 路基左幅棚洞方案的平面布置图

图11.2-2 单幅柱式棚洞正面图

11.3实施效果

中铁十二局集团有限公司承建的云南省富龙高速公路项目部K15+664.15-K15+806.15段高陡石质边坡路堑采用单幅柱式棚洞安全顺利通过，经我部采用本工法优化后的施工方案，大大降低了棚洞施工的难度，具有安全可靠、快速简单的施工特点，对比业主下达的节点目标，提前2个月完成了施工任务，快速有效的解决了高陡石质边坡开挖难的状况，减少了高陡边坡开挖对自然

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生态破坏的范围，棚洞回填后恢复了生态，美化了高速公路，保证了高速公路建设及运营的安全，取得了交通厅及建设指挥部的一致好评，建议在以后的在山区高速公路及铁路建设类似施工中推广使用。

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