公路工程中隧道施工關鍵技術及措施研究

楊基

摘 要：該文以作者參與某高速公路隧道工程為研究對象，該隧道穿越溝谷淺埋段實際施工為例，論文首先探討了施工方案的選擇，進而分析了淺埋地段隧道的施工工藝及關鍵施工工序，最后做了施工總結，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：隧道 穿越 淺埋 施工技術

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0055-02

某隧道全長4928m，起訖里程DK140+198～DK145+126，為單線隧道，設計時速160km/h。

DK144+433～DK144+502段為溝谷淺埋段，覆蓋層厚5～7m，溝內常年流水，水量較大，溝水流量一般在13 000～15 000m3/d。地表有公路通過，居民房屋集中。見圖1淺埋段縱斷面圖。該段地層巖性主要為粗圓礫土，松散且膠結性差。洞身受地表水的補給，地下水發育，為中等富水區。原設計地表采用φ70鉆孔進行注漿加固，洞身采用φ60中管棚超前支護，預注水泥-水玻璃雙液漿，全環設置工16型鋼鋼架，間距0.8m/榀。

1 施工方案選擇

DK144+433～DK144+502淺埋段原設計要求在隧道開挖前對地表進行注漿加固并防水，注漿范圍為線路左右側各15m，深度達到土石分界下1m，注漿完畢后采用M10水泥砂漿封孔，并恢復原地貌。但實際施工中，由于地表居民阻撓，地表加固方案無法實施。在此情況下，經建設四方對現場踏勘并多次經濟技術方案比選論證后，確定通過加強隧道支護參數來實現隧道的安全施工。

（1）開挖至DK144+507里程前，通過與地表居民協商，對其臨時搬遷補償，并對地表及村民房屋實施監測。（2）通過結構計算，將原設計φ60中管棚變更為φ108大管棚，并加密鋼架間距為0.6m/榀。

2 技術措施

2.1 結構受力分析檢算

（1）荷載計算。

該段為淺埋隧道，地面基本水平，所受的荷載具有對稱性，垂直壓力按①式計算，水平壓力按②式計算：

式中：B-隧道跨度（m）；

γ-圍巖重度（kN/m3）

θ-頂板土柱兩側摩擦角（°）

h-洞頂地面高度（m）

λ-側壓力系數

φ-圍巖計算摩擦角（°）

β-產生最大推力時的破裂角（°）

ei=γhiλ ②

式中：hi-內外側任一點至地面的距離（m）

（2）結構計算。

結構受力分析采用荷載-結構模型、平面桿系有限元位移法，根據圍巖級別、地形地質條件，以破損階段理論為基礎進行結構計算，并結合工程類比與施工條件的因素，綜合分析確定設計參數。

2.2 洞內大管棚、小導管施作

洞身拱部設φ108大管棚，環向間距40cm，L=30m，打設角度向上傾斜3°～5°，縱向搭接3～5m，每環20根。為便于洞內大管棚施作，提前擴挖洞內大管棚工作室，如圖1。開挖前在加工廠提前制作好I16型鋼鋼架，鋼架比正常斷面擴大60～70cm，洞室縱向長度6～8m。洞室施工完畢后安裝正常斷面的鋼拱架，并焊接導向管。由于淺埋段圍巖為砂礫石、卵石，施工中采用偏心錨桿鉆機跟管施作φ108（外徑）×6mm（壁厚）大管棚，解決了一般的管棚鉆機打好孔后再插入鋼管時塌孔難以插入的難題。大管棚施做完畢后，相鄰兩管之間由于局部注漿不密實，出現掉塊現象時，在大管棚相鄰兩管之間增加φ42超前小導管，L=4m，打設角度向上傾斜3°～5°，縱向搭接1.2m，同時注水泥-水玻璃雙液漿加固地層。

2.3 四臺階九步開挖法

四臺階九步開挖法是以三臺階七步開挖法為基本模式，將三臺階七步開挖法中的上臺階再分為兩個臺階，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的施工方法。即先采用大管棚（超前小導管）護頂，將隧道斷面分為四個臺階分步開挖，仰拱緊跟下臺階并及時閉合成環。采用該法施工時，在各臺階形成一定的步距，而且同一臺階左右工作面形成相互錯開后，即可在各工作面按每循環進尺進行平行流水作業。施工時每循環進尺按1榀鋼架間距控制，各臺階步距控制在3m～5m，同一臺階左右工作面錯開不少于2榀鋼架。四臺階九步開挖法施工工序見圖2。

施工控制要點：①加強對技術及施工人員的培訓，提高全體參建人員的安全、質量意識，堅持“短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則，確保施工安全。②隧道開挖中，應在每次開挖后及時觀察、描述圍巖裂隙結構狀況、巖體軟硬程度、出水量大小，核對設計情況，判斷圍巖的穩定性。根據地質情況及時調整施工方法、開挖進尺，杜絕盲目冒進。③開挖作業時，應根據巖體穩定狀態合理確定中部拉槽長度及寬度，防止邊墻位移，引發塌方事故。在圍巖穩定性較好時，應及時取消核心土，以便提高上導光爆效果，減少超欠挖，加快施工進度。④邊墻馬口嚴禁對稱開挖，一般錯開距離不宜小于2榀鋼架間距。⑤控制好各臺階長度，各臺階步距一般以3～5m為宜，便于機械操作，尤其是節省上臺階挖掘機的扒碴時間，進而加快施工進度。⑥每循環進行測量放樣檢查，及時調整爆破參數，嚴格控制超欠挖，要求平均線性超挖不大于10cm，最大超挖不大于15cm。⑦在挖掘機扒碴過程中注意不得碰撞已施工好的初期支護，防止引發塌方事故。⑧注意各工序均衡生產，緊跟仰拱和二襯。

2.4 規范監控量測

現場監控量測是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導施工，預報險情，確保安全，而且通過現場監測獲得圍巖動態的信息（數據），為修正和確定初期支護參數，混凝土襯砌支護時間提供信息依據，為完善設計與指導施工提供可靠的足夠的數據。針對廟子溝淺埋段地質及地表情況，監控量測采用地表量測與洞內量測相結合的方式進行。

（1）洞內外觀察。

①洞內外觀察分開挖工作面觀察和已施工區段觀察兩部分，開挖工作面觀察在每次開挖后進行，觀察內容包括節理裂隙發育情況、工作面穩定狀態、涌水情況等，當地質情況基本無變化時，可每天進行一次，觀察后及時記錄填寫開挖面地質描述。②在觀察過程中如發現地質條件惡化，初期支護發生異常，應立即采取相應應急措施，并進行不間斷觀察。③對已經施工區段的觀察，每天至少進行一次，觀察內容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的狀況，以及施工質量是否符合規定要求。④洞外觀察包括洞口地表情況、地表沉陷、邊仰坡的穩定、地表水滲透觀察等內容。

（2）拱頂下沉及周邊收斂量測。

拱頂下沉及周邊收斂量測在同一斷面進行，并采用相同的量測頻率，具體斷面布置間距見表1，量測頻率從表2中根據變形速度和距開挖工作面距離選擇較高的一個量測頻率。

（3）地表下沉量測。

地表測點與洞內水平凈空變化和拱頂下沉在同一橫斷面位置布設觀測點，進行地表下沉監控量測，量測斷面的間距按下表10m布置。橫斷面方向地表下沉量測的測點間隔取2～5m，隧道中線附近測點適當加密，隧道中線兩側量測范圍不小于H+B。地表下沉量測應在開挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）處開始，直到襯砌結構封閉，下沉基本停止為止。地表下沉量測的頻率和拱頂下沉和水平相對凈空變化的量測頻率相同。

（4）測點布置。

凈空變化，拱頂下沉和地表下沉設置在同一斷面。洞內周邊收斂量測、拱部下沉根據淺埋段開挖方法設置4條水平測線。

（5）監測資料整理、數據分析及反饋。

現場量測所取得的原始數據，不可避免的會具有一定的離散性，其中包含著測量誤差。因此，應對所測數據進行一定的數學處理。數學處理的目的是：將同一量測斷面的各種量測數據進行分析對比、相互印證，以確定量測數據的可靠性；探求圍巖變形或支護系統的受力隨時間變化的規律，判定圍巖和初期支護系統穩定狀態。在取得監測數據后，及時由專業監測人員整理分析監測數據。結合圍巖、支護受力及變形情況，進行分析判斷，將實測值與允許值進行比較，及時繪制各種變形或應力～時間關系曲線，預測變形發展趨向及圍巖和隧道結構的安全狀況，并將結果反饋給現場施工人員。

2.5 防排水施工

在二次襯砌前，對初支面殘留水進行處理，降低地下水對二次襯砌的壓力和侵蝕。由于地表水及地下水發育，初期支護完成后噴射混凝土面有大量滲水、流水、股狀水射出，在鋪掛防水材料前，先將集中出水點用鐵皮制作的半圓管引流到設計盲管出口位置，再用砂漿抹平。針對該段出水量較大，環向盲管間距較設計6m一環加密為2m一環。防水板采用熱熔墊圈焊接鋪掛，搭接不得少于15cm，雙焊縫，每條焊縫不小于15mm。嚴格保證防水板無焦焊、假焊、焊穿等現象，施做二襯鋼筋時要嚴防鋼筋頭刺穿防水板。中埋式橡膠止水帶要嚴格按設計施作，采用鋼筋卡固定牢固。二襯混凝土嚴格按配合比施工，加強振搗，確保起到防水作用。

3 施工總結

通過以上的施工技術措施，該隧道安全穿越了DK144+433～DK144+502溝谷淺埋段。

（1）通過方案優化，取消了原設計地表加固措施，克服了外部環境對施工的影響，達到了35m/月的施工進度。（2）采用先進的管棚鉆進工藝，兩臺鉆機同時工作，每天可完成60m管棚施工任務。（3）針對該段地層較為破碎的特點，施工中將三臺階七步法改為四臺階九步法開挖，確保了施工安全。（4）由于溝谷段地表水下滲，要求管棚注漿及防排水施工質量要嚴格按設計施工，該段二襯施工后未出現明顯的滲漏水現象，取得了較好的效果。（5）通過嚴密的監測及對地表房屋的監控，地表房屋未見開裂下沉現象，為今后類似工程施工提供了思路和參考。

參考文獻

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