四车道大跨度公路隧道施工工法

四车道大跨度公路隧道施工工法GGG(中企)D1139-2009中铁二十一局集团有限公司马建军 卫永毅 陈向军 陈德国 刘 涛1前言深圳市雅宝隧道是国内第一座分离式双向八车道、矢跨比最小（0.41850.4146）的公路隧道，隧道穿越、类围岩段153.5m，原设计采用双侧壁导坑法施工，设计工期9个月。雅宝隧道设计推荐的开挖施工方法是双侧壁法，但该工法工序复杂，对围岩扰动的次数多，施工速度慢，无法进行大型机械化施工，工期长，造价大。中铁二十一局集团针对四车道公路隧道施工进行了科技攻关，在、类围岩段采用台阶法施工，形成了“四车道大跨度公路隧道施工技术”科技成果，于2008年5月通过了甘肃省科技成果鉴定，达到国内领先水平，并获得了2008年度中国铁道建筑总公司科技成果三等奖。该项技术经进一步完善总结形成本工法。 2工法特点2.1隧道作业空间大，工序可平行作业，施工干扰小，便于大型机械化联合施工，施工速度快。2.2类（级）软弱围岩段采用I20b工字钢进行竖向临时支撑，施工安全、简便，同时材料可周转使用。3适用范围本工法适用于类（级）及以下围岩条件下四车道公路、铁路隧道等地下结构工程施工。4工艺原理施工充分利用新奥法施工原理，应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，以监控量测为手段，通过对工程地质资料的详细分析，在、类（级、级）围岩段采用分部台阶法工艺施工，辅助措施采用型钢竖向支撑加固，重点通过对围岩和支护的监控量测结果来指导隧道工程施工，确保施工安全。 5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工准备洞口浅埋段施工进洞上台阶开挖、支护监控量测下台阶交错开挖、支护仰拱开挖、支护衬砌结构防排水施工明洞及衬砌钢筋混凝土施工。5.2操作要点5.2.1洞口浅埋段施工1、完善洞口施工防排水系统。施工前做好地表情况调查，完善施工范围内地表防排水系统，特别是对顶部及两侧的冲沟进行疏导引流，减少地表水对隧道周边岩体的侵蚀。2、洞口边、仰坡防护洞口端一般存在浅埋、堆积、偏压等不良地质，施工前进行清理、锚喷网防护、管棚超前支护。3、洞口浅埋段施工在洞口类围岩段进洞施工时采用505mm小导管超前支护；在土质或全、强风化的类围岩段进洞施工时采用1278mm大管棚超前支护，管棚内安装钢筋笼，增加管棚刚度。 4、施工套拱及进洞施工。施工套拱作用是预防洞顶落石，确保进洞安全，套拱施工长度2m。在套拱的防护下进行隧道洞身开挖施工。5.2.2洞身开挖及支护隧道洞身采用台阶法开挖进洞，首先通过超前地质预报进行掌子面前方岩体的施工性能进行判别，及时调整实施超前支护方案。因为开挖断面宽度大，对施工安全监测要求高。1、超前地质预报根据超前地质预报起作用的时间和控制隧道的长度，分为长远期、中近期和临近期。 在施工期间必须熟悉和掌握前期地质工作的成果，包括地质报告、试验数据、地质剖面图等，采用多种方法综合判断验证。如在隧道围岩变化较大、出现异常或地质情况不是很明确的地段施工超前地质钻孔取样，钻深1030m，以探明围岩变化，使工程措施紧跟地质变化；在临近开挖面前一两个循环内的地质情况，采用超前炮孔（每一断面510个）工程地质综合分析法，推测前方35m范围内的地质情况，简单有效，不需另外增加投入，费时短。大跨度隧道超前地质预报的内容主要考虑有：1）对照勘测阶段的地质资料，预报地质条件的变化情况对施工的影响程度。2）可能出现塌方、滑动影响时，预报其部位、形式、规模以及发展趋势，提出处理措施。3）隧道穿越不稳定地层、断层时，需采取应急措施的预报。4）预报可能存在的突然涌水地点、涌水量大小、地下水中泥沙含量以及对施工的影响。5）岩体突然开裂或原有裂缝逐渐加宽时，预报其危害程度。6）在洞口可能出现的滑坡、坠石情况的预报。7）隧道浅埋段地面出现下沉或裂缝时，预报其对隧道稳定性和施工的影响程度。8）根据围岩地质特性，推断开挖施工面前方一定范围内的地质特征，进行地质预报，防范不良地质或产生地质突变。9）在隧道开挖后根据隧道围岩状况填写围岩地质记录，并对围岩岩性、岩体结构和完整程度进行判定，推测施工面前方围岩稳定性。 2、超前支护开挖放样后，利用钢架进行超前导管定向。沿开挖轮廓线外缘进行超前导管支护，导管的尾部与钢架焊接牢固。采用注浆机进行导管超前预注浆固结。3、洞身上台阶开挖根据测量放样，在对隧道周边围岩超前加固后，进行隧道上台阶开挖。上台阶开挖高度控制在7m左右，一是便于工人支护施工操作，二是便于大型机械化出碴作业施工。类围岩段循环进尺控制在2.53.5m，类围岩段开挖循环进尺控制在1.52.0m，类围岩段采用弱爆破与挖掘机相结合的开挖方式开挖（浅埋段必要时预留核心土），人工风镐修整开挖轮廓面，循环进尺控制在0.51.2m。机械钻孔，光面爆破。为减小爆破对围岩的振动，使周边眼爆破时有较好的临空面，掏槽眼、辅助掏槽眼、底眼、辅助周边眼、周边眼导爆管采用跳段或加大雷管段别的方法，即采用1段5段9段13段17段或2段6段10段14段18段的布设方式。开挖后及时进行型钢架、超前导管、锚杆、钢筋网、喷射混凝土等联合支护。4、洞身下台阶开挖当上台阶开挖超前30m并且支护稳定以后，再进行下台阶开挖施工。下台阶开挖长度根据围岩类别类控制在35m之间，类控制在23m之间；开挖宽度根据施工调整一般取710m。在类围岩段下导开挖时上台阶支护底脚边墙处预留宽度不小于1m；进行超前支护后采用挖掘机配合人工修整至设计位置，要避免单侧5榀以上钢架同时悬空，钢架及时接至底脚，施工锚杆、钢筋网，及时进行喷射混凝土支护。下导坑左右交错开挖施工长度可根据施工情况具体调整，一般可控制在1520m之间。5、隧道支护隧道初期支护是由中空锚杆、钢筋网片、型钢架和喷射混凝土支护等联合组成的一种受力结构。在洞口加强段辅助1278mm大管棚超前支护、505mm管棚超前支护以加强围岩受力，确保隧道洞室开挖稳定。在隧道断面开挖后，及时进行通风、排危和断面超欠挖检查处理。围岩支护参数见表5.2.2-14，工艺流程图见图5.2.2-1。表5.2.2-1 类围岩支护参数R25中空注浆锚杆钢筋网225锁角药卷锚杆喷射混凝土位置规格间距位置间距位置规格间距拱墙长3m100x100cm，每环28/29根局部设置2020cm两侧底脚对称布设长4m50cm，每处3根喷射C25钢纤维混凝土，钢纤维掺量40kg/m3表5.2.2-2 类围岩支护参数R25中空注浆锚杆工字钢超前小导管喷射混凝土位置规格间距位置规格间距位置规格间距拱墙长3.5m100x100cm，每环28/29根拱墙I20b0.75m/榀拱墙50,壁厚5mm环距40cm喷射C25钢纤维混凝土，钢纤维掺量40kg/m3表5.2.2-3 类围岩支护参数R25中空注浆锚杆钢筋网工字钢超前小导管喷射混凝土位置规格间距位置间距位置规格间距位置规格间距拱墙长4m80x80cm，每环39/40根局部设置2020cm拱墙I20b0.75m/榀拱墙50,壁厚5mm环距35cm喷射C25钢纤维混凝土，钢纤维掺量40kg/m3图5.2.2-1隧道支护施工工艺流程图 合格 合格不合格不合格 合格超前支护施工准备接通风、水、电，机具检修、就位，安全检查测放点位铺挂钢筋网锁脚定位锚杆拱架加工分层复喷砼至设计厚度下一循环初喷3-5cm砼断面超欠挖检测，岩面清理修整钻 孔检 孔中空锚杆检验压 浆安装中空锚杆钢筋网加工立设支承拱架喷射砼厚度检查不合格清 孔表5.2.2-4 洞口加强段支护参数表R25中空注浆锚杆钢筋网工字钢超前大管棚喷射混凝土位置规格间距位置间距位置规格间距位置规格间距拱墙长5m80x80cm，每环39/40根局部设置2020cm拱墙I20b0.5m/榀拱墙127,壁厚8mm环距40cm喷射C25钢纤维混凝土，钢纤维掺量40kg/m31）初期支护紧跟开挖面，使围岩与锚喷网及时联合成受力体系，共同受力。2）锚杆钻孔本身应成直线，不应弯曲。方向沿隧道周边径向，并根据岩层节理、产状予以调整，不能平行于岩面。3)小导管架立钻孔时应精确核定孔位，保证钻机钻杆线与导管设计线吻合，钻机在钻孔时不能产生偏移和倾斜。导管的尾部与钢架焊接牢固。4)钢筋网按照设计和规范要求进行预制加工（100cm100m、200cm200m）、现场安装，并使钢筋网紧贴初次喷射混凝土面（岩面）。钢筋网的交接点采用梅花形间隔点焊，利用外露中空锚杆进行固定，个别部位采用架设适当的25钢筋头（锚固剂锚固）固定牢固，使钢筋网在喷射混凝土时不至于晃动。5)安设前进行断面尺寸检查，及时处理欠挖侵入净空部分，保证钢架正确安设，钢架外侧有不小于5cm的喷射混凝土。安设拱脚或墙脚前，清除垫板下的虚碴，将钢架置于原状岩石上。在软弱地段，采用拱脚下垫钢板的方法。钢架与封闭混凝土之间紧贴，在安设过程中，当钢架与围岩之间有较大间隙时安设垫块，垫块数量大于10个，两排钢架间沿环向每隔1m用22的纵向钢筋焊接，形成纵向连接系。拱脚高度不够高设置钢板调整，拱脚高度低于上半断面底线以下10cm。拱脚每边打两根25长1.5m的锁脚锚杆，利于下部开挖时初期支护的稳定。6）喷射混凝土前对原材料、机械设备进行检查，检查受喷岩面，清除危岩浮土和欠挖部位，冲洗吹扫岩面，埋设厚度标志。边墙部分为自下而上，从左到右或从右到左，分段分片进行，并注意呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按顺序进行，旋转半径一般为15cm，每次蛇行长度为34m。在拱部拱脚至拱腰处，自下而上，拱腰至拱顶由里向外喷射砼。当岩层松软易坍方时，喷射作业应紧跟作业面，初喷应先拱后墙，复喷应先墙后拱，喷射砼时，其喷射砼速度不宜太慢或太快，适时加以调整。钢架与围岩之间的间隙采用由两侧拱脚向上喷射密实。6、仰拱支护根据设计要求，隧道型衬砌段仰拱支护采用钢纤维喷射混凝土环向封闭支护，型衬砌段仰拱支护采用钢架（与拱墙部分设置要求相同）、钢纤维喷射混凝土联合支护，以加强围岩整体受力。因此，在完成拱墙初期支护后，及时采用左右交错的方式进行仰拱开挖、安装钢架、喷射钢纤维支护，使初期支护封闭成环，以尽早发挥围岩的自承能力，构成稳固的初期支护体系，缩短二次应力重分部的时间。施工仰拱混凝土后，为洞内施工运输创造良好的作业环境。7、临时支护在类软弱围岩段，当初期支护施工结束后围岩变形接近规定值但仍无减缓趋势或混凝土表面已有明显开裂时，必须进行临时支护。临时支护采用I20b工字钢竖向支撑。工字钢纵向间距1.5m，采用角钢连接，形成一面受力的墙体，以承受围岩变形压力。工字钢底部采用纵梁支垫，以增大支撑体系的受力效果。由于断面大，可以根据现场情况采用中间支撑或两侧拱腰支撑。同时在围岩变化部位进行小导管注浆固结，并检查注浆效果。注浆导管深度与支护锚杆一致。待围岩稳定后再撤去临时支撑。具体施工图5.2.2-2所示：B图5.2.2-2 临时支护BI20b临时钢支撑下台阶下台阶5.2.3施工监控量测在施工中通过围岩变形量测、三维弹塑性有限元模拟分析，对隧道变形进行系统研究验证，适时调整支护措施，保证施工安全。1、三维弹塑性有限元模拟分析根据相似模型和三维弹塑性有限元分析，预测各种施工方法的下隧道变形和受力状态分析，优化施工参数，及时采取相应的施工措施。2、围岩应力应变测试包括在初期支护与围岩之间径向接触压力（钢架与岩面之间设置）、围岩内部应力测试。类围岩段1处，类围岩段2处，每断面五个测试点。3、围岩变形监测量测包括拱顶下沉量测、围岩周边收敛量测、地表沉降量测、支护结构观察和掌子面地质素描等。详见表5.2.3。 表5.2.3 隧道监控量测汇总表监控量测项目监 控 量 测 内 容监控量测仪器洞内观察对隧道开挖面的围岩状况和地质变化情况观察并绘示意图地质罗盘地表下沉量测对洞口地表情况、地表沉陷、边、仰坡稳定、地表水的渗透观察精密水平仪、钢尺洞外观察净空水平收敛量测主要测量施工过程中支护结构位移变形情况收敛计拱顶下沉量测水准尺、钢尺围岩部力应力掌握施工过程中围岩压力、接触压力大小情况应变计、频率接受仪初期支护与围岩间接触压力压力盒、频率接受仪1）净空变化量测点布置由于四车道隧道开挖断面大，净空变化量测断面布设间距除按规范要求的数值减半外，还需具体结合围岩类别、埋置深度等具体情况确定。在雅宝隧道施工中采取的参数为：类围岩段每20m设置一个断面；类围岩段每10m设置一个断面；类围岩段每5m设置一个断面。一般围岩地段每一台阶一条测线，每断面设2条测线；软岩地段上台阶设置三条测线，下台阶设置一条测线。 2）拱顶下沉量测拱顶下沉量测与净空收敛量测在同一断面内进行，测点设于拱顶顶部，用精密水准仪、悬挂铟钢尺测定其下沉量。当测点下沉量较大或存在较大偏差时，可在拱腰增设测点，作为辅助控制量测。水准点设在稳固的基岩上。3）地表下沉量测地表沉降点布设在隧道轴线上方的地表中，原则上尽量与净空变化和拱顶下沉量测的测点布置在同一断面内，同时在主测点横向上也布设必要的测点。水准基点应布设在隧道施工影响范围以外且不易扰动的地方，并且便于观测使用。 地表下沉量测点横向间隔取210m。在一个量测断面内设711个测点，测点布置时洞身中线附近较密，两侧渐稀。测点用长2030cm的钢筋制成，埋设钢筋外露端头刻画十字，钢筋周围以砼包裹，布设牢固、不移位，且易于识别。表5.2.4 地表下降量测断面间距埋置深度地表下沉量测断面的间距(m)H2051020H401020H4020504）现场观察在每一开挖施工循环结束后，及时进行现场观察并做以详细记录，预报其对隧道稳定性和施工的影响程度。 5）量测频率和量测时间净空变化量测和拱顶下沉量测的测试频率，主要根据位移和测点距开挖面的距离进行确定，一般按表5.2.5选定。即元件埋设的初期测试频率每天观测12次，随着围岩逐渐趋于稳定，量测次数可以减少；当出现围岩不稳定征兆时，要加大量测次数。表5.2.5 净空变化量测和拱顶下沉量测的量测频率序号位移速度距工作面距离量测频率备注110mm/日以上0B12次/日B为隧道开挖宽度2105mm/日B2B1次/日351mm/日2B5B1次/2日41mm/日以下5B以上1次/周在由位移速度决定的量测频率和由距工作面距离决定的量测频率中，原则上采用两次频率之中较高者。当位移趋于一定值时，可不采用以上参数。 量测开始时间：一般要能够保证在爆破后24小时内、下一次爆破前测读初次读数。以获得位移开挖初始阶段的变形动态数据。量测结束时间：当位移达到基本稳定后，以3日一次的频率测量2周，若无明显变形，则可以结束量测。6）数据分析与反馈数据处理：根据现场观察和监控量测结果，绘制净空收敛、拱顶下沉时间位移曲线，分析判断围岩压力变化趋势。 信息反馈：在施工监控过程中，及时对所得数据分析、处理，以判断支护结构的稳定性和施工过程的安全性，并将所得的结果及时反馈于施工过程中，达到指导施工的目的。5.2.4结构防排水施工结构防排水系统主要包括单壁打孔波纹管、防水板及无纺布防水层、衬砌施工缝（沉降缝）止水带以及隧道二次衬砌自防水等。在上下导坑施工结束后，防水板采用环向整体一次无钉铺设成型，确保施工质量。6材料与设备6.1本工法无特别需要说明的材料。6.2机具设备见表6.2 。表6.2 机具设备表序号设备名称规格型号单位数量备注1挖掘机PC220台1按单口隧道工作面配置2装载机ZL50C台23自卸汽车东风自卸车，15t台54电动空压机20m3/min台25内燃空压机10m3/min台16气腿式凿岩钻机YT28台157通风机255KW台18注浆机BW250套19风镐台410泥浆泵200QW350-25台211简易开挖台架自制台1自制12地质钻机MGJ-50台1大管棚施工13混凝土湿喷机台214电焊机ZXG-500台415钢筋切断机CJ4-1台216万能弯筋机CW40-1台117卷扬机台118混凝土输送泵HB-60台119自行式爬焊机台220砼运输车5m3台3商品混凝土21强制式混凝土搅拌机套1商品混凝土22整体式衬砌台车全液压台123变压器10KVA台124发电机200KW台17质量控制7.1工程质量控制标准隧道施工质量执行公路隧道施工技术规范、钢筋混凝土施工及验收规范、公路隧道工程质量验收评定标准(JTGF80/1-2004)。7.2质量保证措施7.2.1实施GB/T19001-2000ISO9001：2000标准质量管理体系，建立健全质量保证体系和全面质量管理体系。严格奖惩制度管理。7.2.2强化技术管理、大力开展科技攻关，优化方案，对重点关键性工艺组织开展QC小组活动，进行专项技术攻关。7.2.3加强施工过程的质量监控，严格“三检”制度，把好材料进场关、检验关、使用关，把好工序质量关。7.2.4严格控制欠挖。当石质坚硬完整，并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别凸出部分（1m2不大于0.1 m2）突入衬砌断面，锚喷支护时突入不大于3cm，衬砌时不大于5cm，拱脚、墙脚以上1m内严禁欠挖。开挖轮廓圆顺，开挖断面的中线高程符合设计要求。7.2.5严格控制钢纤维喷射混凝土的原材料质量，拌制时严格按照配合比计量，均匀掺放，缩短存放时间，随拌随用。 7.2.6当钢纤维喷射混凝土有表面有裂缝、脱落、露筋、渗漏水等情况时，应及时修补凿除喷层重新喷射或进行整治。7.2.7上台阶钢架支护安装锁脚锚杆必须设置牢固；在开挖下台阶时，严格控制开挖进尺，避免多榀钢架底脚同时悬空或同一榀钢架两侧底脚同时悬空。7.2.8根据量测数据及时调整预留变形量和设置临时支护。一个量测断面的量测信息结果只适用于该断面前后不大于5m范围同类围岩地段的施工指导。长段落进行设计参数修正时，必须以不少于三个断面的量测信息为依据。7.2.9严格按设计要求无钉铺设防水板，并在安装衬砌钢筋时，加强对已施工验收防水层的有效防护，避免焊碴烧伤防水板。7.2.10衬砌钢筋混凝土采用整体式衬砌台车一次浇注成型，混凝土采用插入式结合附着式震捣密实。7.2.11上下分离式隧道同时施工时，考虑到左右线爆破振动叠加影响，当一侧开挖支护进洞2D（D为隧道设计最大开挖宽度）后再进行另一个洞口施工。8安全措施8.1管理措施8.1.1实施GB/T28001-2001职业健康安全管理体系规范，建立健全安全保证体系，制定切实可行的施工安全保障措施制度。8.1.2隧道施工各班组间，建立完善的交接班制度。8.2技术措施8.2.1分项工程开工前做出详细的施工方案和实施措施，上报相关部门批准，并向施工人员进行详细安全技术交底。8.2.2在交接班时，交班人应将本班组的施工情况及有关安全事宜及措施向接班人详细交待，并记录在交接班记录本上，工地值班负责人(领工员)应认真检查交接班情况。每班开工前未认真检查工作面安全状况，不得施工。8.2.3施工期间,现场施工负责人应会同有关人员对支护各部定期进行检查。在不良地质地段每班应设专人随时检查，当发现支护变形或损坏时，应立即整修和加固；当支护变形或损坏情况严重时，应先将施工人员撤离现场，再行加固。8.2.4对不良地质段隧道施工，采取“弱爆破、短开挖、强支护、快衬砌”，必要时留核心土，加强支护措施。8.2.5对自稳程度很差的围岩，采用预注浆，超前锚杆、挂网和钢架支撑喷砼的办法进行临时支护，以免造成塌方。8.2.6隧道开挖作业前，先检查工作面的安全状态，如有松动的岩石应立即加以支护和清除，同时要加强隧道内照明，施工照明采用防爆灯具。8.2.7当发现测量数据有变化异常、洞内或地表位移量测值大于允许位移值、出现裂缝或以及喷层出现异常裂缝时，均应视为危险信号，必须立即通知作业人员撤离现场，待制定处理措施后才能继续施工。8.2.8在洞口或适当场所，设置急救材料储备库，所储备的各项机械设备、器材应保证数量和质量，不得随意挪用，使用后随即补足数量。8.2.9隧道衬砌作业时，模板台车作业地段距开挖面要保持一定的安全距离，台车下的净空应能保证车辆顺利通行，并悬挂明显的缓行标志。8.2.10合理布设洞内“设三管一线”，即风管、水管（进、出）、施工用电线路。用电线路布设时，高压线路在上，低压线路在下，不同回路、电压的交流导线不得穿在同一根管内。照明线路电压在施工区域内不高于36V。8.2.11闸刀、配电箱以及其他电力设备警示标志明确，有防雨水措施，且需有专人经常性检查维护。9环保措施9.1严格执行国家有关环保法规及工程所在地政府对环保的有关规定，严格执行合同中的环保条款，开工前对全体职工进行培训教育,认真学习法律法规，增强全体施工人员的环保意识，提高认识，明确环保责任，形成全员全过程环保局面。9.2搞好环保调查，了解当地环保内容与要求，严格执行建设单位与当地环保部门签订的有关协议，建立环保检查制度，把环保措施层层落实，做到责任到人，奖罚分明。9.3在编制实施性施工组织设计时，施工方案与环保问题同时考虑，对易污染环境的施工项目如弃土、施工垃圾、扬尘、燃料、污水、化学物质等制定具体防护措施，从施工安排上全力落实。不多占用土地，少破坏植被，不污染河流，不随意堆放垃圾，减少施工扬尘。9.4在布置施工场地时，对钢筋加工、砼拌和、构件预制等设施尽量远离居民区，以减少视觉和噪音污染。9.5生产施工废水及生活污水经收集并采用二级生化或化粪池、过滤、沉淀等措施进行净化处理，经检查符合标准后按当地环保部门的规定要求排放。施工机械的废油废水采用隔油池处理，未经处理的废水、废油，不得直接排放。9.6生产及生活垃圾分可降解、不可降解分类集中收集，可降解的垃圾就地降解处理，不可降解的垃圾运至环保部门指定的地点按规定处理。9.7及时清理并保持生产、生活区环境卫生，严格禁止随意倾倒垃圾，同时认真搞好周围环境的绿化工作。9.8配备专用洒水车，对施工现场和运输便道经常进行洒水湿润，防止扬尘，并对施工便道进行植被绿化。9.9对使用的工程机械和运输车辆加强维修保养，提高尾气排放标准，降低运行噪音。9.10严格按土方调配方案取、弃土，并按设计要求及时实施工程防护，严禁向设计范围外场地弃土。9.11工点完工后，及时进行现场清理，恢复植被绿化，建筑垃圾运至环保部门指定地点。9.12经常征求当地环保部门及