双联拱隧道施工工艺

.双联拱隧道施工工艺胡红卫 中铁隧道集团一处有限公司 453000摘 要:双联拱隧道在其结构上与单拱隧道有较大区别，且为近年来才逐渐被应用于高等级公路中，如何在其施工过程中把握要点，吸取经验教训，逐渐熟悉并掌握其施工工艺有着非常重要的意义。本文主要介绍元磨高速公路十一合同段老苍坡3#、4#、5#、6#隧道施工过程的工艺控制，包括双联拱隧道的结构特点、中导洞及三导洞开挖方法、衬砌施工工艺、特殊问题的处理等内容，并提出了自己对双联拱隧道设计及施工的看法及建议，以供其它双联拱隧道设计及施工参考。关键词：双联拱隧道、施工工艺国家西部大开发的战略给西部地区的交通建设带来了机遇，在山区面积所占比例较大的西部地区设计修建的高等级公路大多处于山岭重丘地段，在地形地质条件复杂的山岭重丘地区的高等级公路中应用双联拱隧道具有重要的意义。 云南省元（江）-磨（黑）高速公路就是西部大开发战略中打通东南亚国际大通道昆明至曼谷公路中的一段，全长147km，沿线经过哀牢山和无量山脉，山高谷深，全线桥隧所占比例达30以上，双联拱隧道在该公路上得到了广泛应用，全线共设计双联拱隧道15座，总长占全线隧道的65，是我国目前双联拱隧道最多的一条公路。本文主要结合元磨公路的施工情况从以下几个方面介绍双联拱隧道的特点及施工工艺。1、设计概况及特点双联拱隧道是在高速公路通过的山势不高、纵向长度较短、横坡较陡、公路上下行线在此分离不开的地段设置的双跨连拱隧道，其单跨断面为单心圆结构，边墙为曲墙，中墙为直墙，单跨净宽11.4米左右，净高7.8米左右，上下行线隧道通过厚2米的钢筋砼中隔墙相连，初期支护根据地质情况分别采用工字钢及花拱架两种形式，WTD25锚杆、挂网、喷砼与单跨隧道基本相同，二衬采用模 图1 双联拱隧道洞门筑钢筋砼结构。 联拱隧道通过地段地质条件的特殊性决定了其在设计和施工上具有以下特点：1.1埋深浅、长度短因联拱隧道通过的地段一般山势较低，其最大埋深一般在50至80米之间，长度一般在500米以下，在山势较高、纵向长度较长的地段一般不采用联拱隧道而采用上下行线分开的单拱隧道；1.2偏压联拱隧道通过地段一般地势较陡，上下行线两侧的埋深不同，整条隧道也就不同程度的存在偏压，特别是洞口段偏压比较严重，这给隧道施工特别是洞口段施工带来了很大困难；1.3地质条件复杂由于埋深浅，联拱隧道通过地段一般地质条件比较复杂，围岩软弱破碎，节理发育，地表水对隧道内涌水量的大小影响较大，雨季施工困难，元磨公路所在地区雨季集中，降雨量大，更给安全施工增加了难度；1.4跨度大与铁路隧道相比，单跨公路隧道本身跨度就较大，而联拱隧道将上下行线单拱隧道连在一起，其跨度是单拱隧道的两倍，最大开挖跨度在26.4米左右，相当于铁路车站隧道的跨度，而且结构复杂，施工非常困难；1.5施工工序复杂、工序间相互影响大双联拱隧道的设计特点决定了其施工必须分多个步骤进行，各个工序间相互影响又很大，这就要求双联拱隧道施工必须要有科学合理的施组设计，理清各个工序的先后顺序及相互关系，在施工过程中尽量减小各个工序之间的相互影响，并根据施工中的实际情况灵活的调整工序安排，保证安全、优质的建好双联拱隧道。2、施工工艺2.1开挖施工因双联拱隧道具有埋深浅、跨度大、地质条件复杂、围岩风化破碎、受雨季地表水影响大的特点，开挖施工必须遵循“短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”的原则，根据设计要求严格进行监控量测，并把量测结果反馈到施工中去，及时调整施工方案，确保安全施工。根据围岩情况的不同，目前双联拱隧道开挖施工主要有中导洞与三导洞两种施工方法。(1)中导洞施工法中导洞施工法就是首先在连接上下行线隧道的中隔墙处贯通一条小断面导洞，并施工中隔墙砼，然后再开挖上下行线正洞的施工方法。其施工步骤如图2。中导洞法 三导洞法图2 开挖顺序示意图中导洞开挖法施工顺序说明：1、中导洞开挖及初期支护施工 2、中隔墙砼施工3、正洞拱部开挖及初期支护施工 4、正洞下部开挖两侧开槽及初期支护5、中间部分开挖三导洞开挖法施工顺序说明：1、中、侧导洞开挖及初期支护施工 2、中隔墙、边墙砼施工3、正洞拱部开挖及初期支护施工 4、正洞下部开挖施工根据隧道进出口地形条件及施工场地的实际情况，中导洞开挖可以从隧道两端同时施工，在隧道中间贯通，也可以从隧道一端开始施工，在另一端贯通。根据地质条件的不同，中导洞开挖分全断面和短台阶两种施工方法，在围岩整体性较好、节理不发育的地段采用全断面法开挖中导洞可以加快施工进度，在围岩破碎、节理发育以及在洞口地段采用短台阶法开挖中导洞可以保证施工安全。无论采用哪一种开挖方法，均采用光面爆破技术，尽量减小中导洞爆破对两侧正洞围岩的扰动，每循环进尺一般要控制在1米以下，围岩较好的情况下最多也不能超过1.5米，支护要紧跟开挖面，不允许围岩暴露时间太长，杜绝坍方，因为中导洞即使有小面积的坍方也会给正洞开挖带来很大的影响。中隔墙砼的施工顺序与中导洞开挖的顺序刚好相反，根据现场情况可采用从隧道中间向两端施工的顺序，也可以采用从隧道一端向另一端施工的方法。如一座隧道只设一个砼拌和站，一般采用从远离拌和站的一端向靠近拌和站的一端施工的顺序，但在工期较紧的情况下也可以创造施工条件采取从隧道中间向两端同时施工的顺序。为减轻相互影响，上下行线正洞开挖不能齐头并进，必须一前一后错开20到40米的距离。单跨正洞采用先拱后墙法分台阶进行开挖，拱墙开挖均采用光面爆破技术，以保证隧道开挖成形及减小爆破对围岩的扰动。拱部开挖高度一般在3.5米至4米比较合适，爆破设计要注意尽量减小对中隔墙的影响，绝不允许将中导洞作为临空面进行爆破设计，开挖进尺要控制在1米以内，因进度较小掏槽采用直眼或斜眼掏槽均可。光面爆破参数见下表。光 面 爆 破 参 数 表围岩类别装药不偶合系数k周边眼间距E(cm)周边眼最小抵抗线W(cm)相对距E/W周边眼装药集中度q(Kg/m)III类1.52.0456060750.81.00.200.30II类2.02.5305040600.50.80.070.15下部开挖要先在边墙处开槽，将拱部初期支护接下来后再开挖中间部分。边墙开挖除采用光面爆破外还要注意进尺不能太大，最多开挖出两榀钢支撑位置就尽快施作初期支护，封闭围岩，防止因拱部支护长时间悬空而造成坍方。(2)三导洞施工法三导洞施工法是除在中隔墙处开挖一导洞外在上下行隧道两侧分别开挖一条侧导洞，在中墙砼与边墙砼施工完后再开挖上下行线正洞。其施工步骤如图二。侧导洞的施工方法与中导洞相似，三导洞施工完后正洞开挖还分上下台阶进行，但初期支护的施工顺序与中导洞法不同，属先墙后拱而不是先拱后墙，因侧导洞开挖过程中正洞边墙初期支护已施作。正洞上下台阶开挖爆破设计时均要考虑尽量减小爆破对中隔墙及侧墙的影响，特别是下部开挖时不能认为初期支护已全部施工完而随意增加药量、加大进尺，造成已施作的初期支护垮坍。从以上两种施工方法的施工过程可以看出，中导洞施工法具有工序简单、临时支护量及拆除量小、工期短、成本低的优点，但在地质条件复杂、围岩破碎地段不利于安全施工，而三导洞施工具有正洞支护闭合早、施工安全的优点，但工序复杂、工期长、成本高，两种施工方法要根据隧道实际地质情况灵活运用，在地质条件复杂、围岩破碎、节理发育、涌水量大的隧道以及洞口浅埋偏压、围岩软弱段一般采用三导洞法施工，而在围岩条件较好的地段一般采用中导洞法施工。2.2支护体系施工(1)超前支护前面已经提过，双联拱隧道多位于软弱、破碎、自稳时间短的围岩中，为防止冒顶塌方或地表有害下沉，除采用中导洞、侧导洞及分台阶开挖的施工方法外，还要采用先支护后开挖即超前支护的施工工艺。联拱隧道洞口段类围岩一般采用108x6mm超前大管棚支护，类围岩采用42超前小管棚支护。大管棚一般在洞口一次性施工，但如果管棚设计太长（大于40米），且洞口位于曲线上，一次施工很难保证管棚安设位置准确时，也可以在洞内扩大开挖断面，分两次或多次施工。在施工大管棚前，砼护拱、导向管的位置、角度必须按设计要求进行施工及安装，水平钻机操作平台必须牢固、安全，架立钻机时应精确核定孔位，保证钻机钻杆线与管棚设计轴线吻合以及钻机在钻进过程中不发生偏移和倾斜。钢管分节最佳长度为4到6米，安设顺序要科学合理，相邻两根钢管接头不允许在一个断面上，水泥浆必须按设计配合比配制，终压力控制在1.52.0MPa之间。超前小导管采用风钻钻孔，在开挖掌子面钢拱架立好后开始钻孔，导管宜从拱架腹部穿入，特殊情况下也可以从底部或顶部穿入，小导管长度应按设计要求施作，一般不小于4米，隔榀钢拱架设一环，保证每次爆破后掌子面顶部至少留两环小管棚。钻孔时应保证小钢管外插角在3到5之间，孔位偏差不超过100mm，孔眼长度应大于钢管长度100mm左右，导管注浆必须按设计配合比及注浆压力施工。(2)初期支护联拱隧道类围岩初期支护一般采用工字钢架加喷锚网喷支护，类围岩采用格栅钢架加喷锚网喷支护，锚杆采用WTD25中空注浆锚杆，喷砼采用湿喷工艺。无论采用哪种支护形式，在联拱隧道施工过程中都要遵循短进尺、早封闭的原则，必须一炮一护，防止围岩暴露时间太长而引起坍方，特别是正洞下部开挖钢架接腿时要控制好进度，绝不允许使拱部初期支护长距离或连续长时间悬空。初期支护施工步骤如下：爆破找顶初喷打锚杆立钢架挂网喷砼测量打眼装药注浆打小导管锚杆长度、角度、间距、注浆必须按设计施工，钢拱架按设计位置安设，相邻两榀钢架用纵向钢筋连接，并与拱墙锚杆连在一起，钢架拱脚必须放在基础或原状土上，钢架与围岩之间应尽量贴近，在有较大间隙时应设垫块。每循环钢架施作时间最好控制在2小时以内。(3)仰拱、填充及二次衬砌双联拱隧道仰拱、二次衬砌均采用钢筋砼。正洞下部开挖完后应立即施作仰拱，使之与拱墙初期支护形成一封闭环，以及时改变中隔墙、边墙及拱部初期支护的受力状况。在施工完填充砼后应尽早施作二次衬砌。仰拱钢筋必须与中隔墙及边墙底部预留钢筋焊接牢固，反拱度必须符合设计要求。填充砼施工要保证顶部平整度，以利于路面砼的施工。二次衬砌砼施工根据实际情况可采用整体模板台车或拼装工字钢架两种方法施工。整体模板台车具有定位快、位置准确、不容易变形、易于保证衬砌外观质量等优点，适宜于在较长的直线或大半径曲线隧道中使用；拼装工字钢架具有设备简单、成本低、使用灵活的优点，适宜于在较短的隧道中使用，特别是在小半径曲线隧道中更能发挥其优点。2.3防排水系统施工因地表水对双联拱隧道内涌水影响较大，而公路隧道对渗漏水的要求又较高，故其防排水采用以“防、排”为主，“防、排、堵、截 ”相结合的综合治理措施。(1)洞外截水沟、排水沟必须严格按要求施工，保证地表水顺排水系统排走，尽量减少地表水向地下渗透，以减小地表水对隧道内涌水的影响；(2)隧道内的超前支护、WTD25锚杆注浆必须按设计要求施工，因为它在起到加固围岩的同时也在一定程度上起到了堵水的作用；(3)初期支护与围岩之间的透水管安设既要尊重设计，又要灵活调整，在涌水量较大的地段集中设置，并保证上下连通，将隧道拱墙渗漏水引至两侧水沟内排走；(4)初期支护与二衬之间的防水层与排水管是隧道防排水系统的最后一道工序，必须保证其施工质量。在铺设防水层前必须对初期支护面进行整平，打掉棱角、割掉锚杆头，防止划破防水层。元磨公路防水板铺设采用了胶粘和无钉铺设技术，有效的改变了热焊及有钉铺设容易出现漏洞的缺点，排水管一定安设牢固，排水畅通。在施工缝与沉降缝处设止水带。二衬砼施工前必须对防水系统的安设进行严格的检查，而且要有专人负责，并有详细的检查记录。 3、几个特殊问题的处理措施联拱隧道结构上的特点决定了其施工过程中必然会遇到不同于单拱隧道的特殊问题，如何科学的处理好这些特殊问题是安全、优质地施工好联拱隧道的关键。以下几个方面均为联拱隧道施工过程中必须处理好的特殊问题，施工过程中必须根据具体情况科学、合理、灵活的选择处理方案。3.1中、侧导洞断面的选择中、侧导洞是为安全开挖正洞而首先开挖贯通的辅助导洞，其断面的大小在设计上一般没有严格的要求，但在正洞开挖施工前必须根据隧道地质情况及施工机械配备情况合理的确定其断面大小，以确保导洞与正洞的安全施工。因中、侧导洞的断面一般不宜太大，地质情况对其断面的影响因素也较小，选择断面主要是考虑导洞开挖施工的机械配备情况。在单口开挖长度大于100米的情况下一般采用装载机配汽车出碴，断面宽度最好在5.5米左右，可根据机械设备尺寸适当调整，能满足装载机灵活装碴即可。在单口开挖长度小于100米的情况下也可以采用装载机单独出碴，这种情况下断面尺寸在4米左右即可满足要求。中导洞的高度一般比中隔墙高出0.5米即可，太低不利于中隔墙施工，太高会造成中隔墙顶回填量大，且不利于安全。侧导洞的高度一般选择与中导洞基本一致。3.2中隔墙水平推力的平衡前面已经讲过，上、下行线正洞在中导洞及中隔墙施工结束后开始开挖施工，但为减小开挖施工的相互影响，上、下行线开挖施工不能齐头并进，必须一前一后错开20到40米的距离，这样在上、下行线两个开挖面之间一侧正洞的初期支护已支撑在了中隔墙上，而另一侧初期支护还未施工，该段中隔墙必然要受到一个向未开挖一侧的水平推力（如图3所示）。因该水平推力的位置位于中隔墙顶部，它对中隔墙的危害很大，有可能造成中隔墙开裂，甚至导致重大事故，为平衡这种水平推力，在后开挖的一侧要提前给中隔墙打上临时支撑，支撑可用方木或钢管，纵向间距两米设置一排，必须支撑牢固，在另一侧正洞下部开挖后再拆除。 图3 中隔墙水平推力示意图 图4 中隔墙防排水设计图3.3中隔墙防水措施如图4所示，原设计中隔墙防排水方案为在中隔墙顶部设一条100纵向透水管，每隔10米用一根75硬塑引水管将水引至水沟内。中隔墙顶平铺一层防水板，并与上下行隧道拱墙防水板相连形成一封闭系统，以堵截围岩渗水，使其流入墙顶纵向排水管，最终排至水沟内。在中隔墙两侧边缘每隔10米设一竖向半50钢管，将中隔墙渗水引至水沟内。从原设计排水方案来看，中隔墙顶围岩渗漏水已有一整套完整的排水系统，如果严格按原设计要求施工，中隔墙顶渗漏水理论上能得到控制。但在实际施工中要做到这一点比较困难，中隔墙顶不可避免的要出现渗漏水现象，为能够更好的防止中隔墙渗漏水，我们在施工过程中对原设计防排水方案作了如下改进：(1)、双连拱隧道的施工顺序为首先开挖中导洞，施工中隔墙砼，然后再开挖上下行线正洞，并施作初期支护。这样，在中导洞顶部会自然形成一个空区（图5），按原设计该空区应采用浆砌片石回填，这就造成围岩水不能顺利流入中隔墙顶部的纵向透水管中，致使排水系统不能正常发挥作用，无法顺利排水。为解决这一问题，在中隔墙顶设一纵向土工布碎石盲沟（图6），盲沟顶用浆砌片石回填，保证围岩水能顺利流入纵向透水管，最终排至水沟内。 图5 中隔墙顶浆砌回填 图6 中隔墙顶设碎石盲沟（2）、根据原设计，上下行线初期支护中的钢拱架要与预埋在中隔墙顶的钢板相连，以保证钢拱架的稳定性，这样就造成钢拱架必须穿过中隔墙顶预埋的防水板，致使该处防水板不密封而漏水。为解决此处漏水，我们采用了先将钢拱架连接螺栓焊接在中隔墙顶预埋钢板上，再使防水板穿过螺栓而不是穿过整个连接钢板，并在连接板中间多加一层土工布及防水板，拧紧连接螺栓，防止该处防水板漏水（如图7所示）。（3）、为进一步防止中隔墙漏水现象，在中隔墙两侧各增设一条纵向50透水软管，施工时在中隔墙上左右两侧凿出两条纵向沟槽（深30mm、宽60mm），将透水软管置入槽内，并在软管下侧沿纵向钉一条止水条，使中隔墙顶施工缝中渗出的水流入透水软管而不能流出施工缝。纵向每隔10m15m做一条竖向盲沟，将纵向盲沟内的水引至水沟内（参见图8）。 图7 钢拱架连接图 图8 增设纵向排水盲沟图4、监控量测监控量测是现代隧道施工的重要组成部分，它不仅能指导施工、预报险情、确保安全，而且还能通过现场监测获得围岩动态和支护工作状态的数据，为确定和修正初期支量 测 项 目 及 要 求 表项目名称方法及工具布置测试频率115天0.51个月13个月3个月以上必测项目地质及支护状态观测岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述、地质罗盘全长度，开挖后及初期支护后进行每次爆破后及初期支护后周边位移收敛计或测杆每1050米一个断面，每断面23个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月拱顶下沉精密水准仪每1050米一个断面，每断面23个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月地质超前预报TSP202地质超前预报仪间隔50100米一个断面地表下沉精密水准仪隧道中心线上并与隧道轴线正交平面的一定范围内布设必要数量测点1次/12天选测项目围岩内部位移隧道内钻孔安设位移计每代表性地段12个断面，每断面25个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月围岩压力压力盒每代表性地段210个断面，每断面25个测点1次/天1次/2天12次/周13次/月锚杆轴力测力锚杆每代表性地段210个断面，每断面25个测点1次/天1次/2天12次/周13次/月钢支撑内力测力计每10榀钢支撑一对测力计1次/天1次/2天12次/周13次/月护参数、确定二次衬砌施作时间提供依据，还能为隧道工程设计与施工积累经验资料，为今后的设计和施工提供类比依据，特别是对应用时间不长的双联拱隧道更为重要。根据双联拱隧道的特点，设计上选择了拱顶下沉量测、地质支护状态观测、地表下沉量测、周边位移量测、地质超前预报五个必测项目和围岩内部位移、围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力量测四个选测项目，具体要求见量测项目及要求表。上表中量测频率在施工过程中要根据隧道地质情况及量测结果灵活调整，如洞口段或地质情况较差地段围岩位移较大时量测断面间距可取表中较小值，在地质良好地段量测断面间距可取表中较大值，但在围岩突变处和较弱结构面处应增设量测断面和测点。5、结语本文简要介绍了双联拱隧道的施工工艺，我国目前单拱隧道施工已经有了相当的水平，但双联拱隧道施工起步时间不长，因而在施工过程中不断积累经验，对其施工工艺不断总结创新尤其重要。在双联拱隧道施工过程中，除了要撑握并灵活应用以上介绍的施工工艺外还要注意下面几个方面的问