大跨度风积砂隧道综合施工

1、大跨度风积砂隧道综合施工技术 张志伟 【内容提要】 经棚隧道是国道 306线经（棚）陈（营子）段控制工程，其围岩属于I类。开挖 断面处于松散风积砂丘中，砂丘主要为粉细砂、稍湿，粘土含量极少，洞身开挖跨度大。本文详细 介绍了具体的施工过程，包括隧道开挖方式、支护手段、大管棚注浆等，旨在对以后同类型工程提 供一点参考。 【关 键 词】 风积砂隧道 大管棚 双侧壁导坑 施工技术 1. 前言 随着我国公路建设事业的高速发展，特殊地质隧道的采用越来越广泛，研究总结特殊地质隧道 的施工技术无疑具有十分重要的现实意义。而对于砂质隧道的施工技术研究仍在探索之中，相应的 施工技术和方法还不够完善，尤其不良地质地

2、段施工，正处于经验积累阶段中，还没有成型的系统 的可供运用的施工模式。我处在经棚隧道风积砂软弱围岩地质施工中采用加强超前支护、进洞挂网 喷浆预加固、大管棚先行注浆、双侧壁导坑钢插板支护、缩小开挖断面、短挖短支、全断面格栅喷 射砼初期支护、先墙后拱分部进行二次衬砌等项技术，在围岩松散软弱的不利地形地质条件下，顺 利贯通隧道，实现安全生产，按期完成任务。现将该隧道施工的具体情况介绍于下。 2. 工程简况 经棚隧道位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗经棚东侧，是国道306线控制工程，也是呼海大 通道进入经棚的要道。隧道进口里程K515+940,出口里程K516+230,全长290m进口段设有 60M的

3、明洞接长段，出口设有 20M的明洞接长段。隧道开挖净空宽X高为12.38m x 9.31m。地质情况： 中低山区，册势险要，多悬崖峭壁，地形起伏较大。隧道洞身处在风积砂丘中，坡面植被稀少，多 为荆棘植物或蒿草，最大埋深约34m隧道通过地区上层为第四系上更新统（Q3）地层，下部为燕 山中期花岗岩，由进口向出口依次为粉砂层、细砂层、中砂层、局部见基岩风化壳出露。本地区属 温带大陆性季风气候区，年平均气温07度,一月份最冷，七、八月份最热，日温差大，多晴朗天 气，属季节性冰冻地区，年平均降雨量300538毫M,雨季为78月。 3. 施工平面布置 通过对该隧道现场实际情况的考察及设计资料的分析，隧道进

4、口为粉砂地层，进洞困难，因此 在隧道出口设一施工场地，布置施工便道、空压机站、水池、沉淀池、拌合站、材料库、宿舍及火 工品库等临时施工设施，从出口单向掘进。 4. 施工顺序 出口明洞开挖T出口明洞衬砌T暗洞双侧壁导坑开挖、边墙衬砌T拱部开挖、衬砌T中部开 挖、仰拱衬砌T进口段明洞开挖、衬砌T进出口洞门T洞内路面及附属工程 5. 主要施工方法及工艺 5.1 明洞段施工 明洞施工前先作好截、排水沟，避开雨季。明洞段施工中，先清除地表松散的粉砂层，临时边 坡按 1：1.5 施工，下部中密砂层临时边坡按 1:1 施工，开挖完成后，立即施工做明洞钢筋砼结 构，开挖过程中，注意边坡开挖面变化，发现不稳定迹

5、象及时处理。 5.1.1 开挖 5.1.1.1 按设计要求放出隧道中线、边坡开挖桩位，自上而下开挖。 5.1.1.2 隧道进口段明洞部分为粉砂，采用挖掘机挖装，自卸车运输，出口段明洞表层为粉 砂，下部为中砂及强风化的花岗岩，粉砂层及中砂层采用挖掘机挖装，花岗岩采用推土机、风镐、 爆破法施工。 5.1.1.3 开挖至边坡部位时，辅以平地机配合，做到不超挖，不破坏地层稳定。 5.1.1.4 发现边坡地层不稳定时，立即停止开挖，采取压浆方式稳定地层。 5.1.2 结构砼施工 明洞开挖完成后，立即施工结构砼。 5.1.2.1 采用自制衬砌台车每 8.4m 一段衬砌结构砼。 5.1.2.2 钢筋在施工现

6、场加工，由人工搬运并组装绑扎。 5.1.2.3 砼在拌和站集中拌和，车送入洞，人工入模，插入式振捣器振捣。 5.1.3 回填 30cm，两侧回填土面 明洞衬砌完成后，立即施工作防水层，横向铺设防水板，搭接良好，接缝用胶水粘贴严实。然 后进行人工回填，在墙背（拱背）两侧同时对称分层回填，每层厚度不大于 0.6T的小型 高差不大于50cm,以防止产生偏压；墙底按设计高度填长碎石并夯实，夯实设备选用 振动夯实机，回填至拱顶齐平后，立即分层满铺填筑至要求高度，按要求做好粘土隔水层。施工时 注意保证隔水层与边、仰坡搭接良好，封闭紧密，防止地表水下渗影响回填体的稳定。 5.2暗洞段施工 r ffftlW并

7、施億初期剧临时支护* 然氏开極部，并對闭初闇支护. 4 10 暗洞施工采用双侧壁导坑法，施工顺序如下图所示。 L | I J|1 Jh側星导坑贾逋后,拆臨中间 时抿撑,劇抛堆和部分拱. L . J J VI： 5部开挖后立即封闭勺拱H 轎后拥粽临盯支护 双侧壁导坑法施工示意图 本隧道设计全部为I类围岩，但实际上在出口处底端有一小部分为强风化花岗岩，故该施工应 用人工开挖，实际施工中人工开挖有困难时，就采用爆破法开挖，施工原则为弱爆破、短进尺、强 支护。 5.2.1进洞方法 明洞开挖完成后，按设计仰坡放样并施工仰坡，然后在仰坡设5cm厚网喷混凝土加锚杆防护 层，锚杆长度 5m,间距2m,梅花形布

8、置。为保证暗洞进洞，暗挖进洞面处采用加密大管棚超前支 （钻入时焊接成为 20m）,使用ZTC型地质钻钻入，钢管向上倾斜1.4 角。 5.2.2 侧壁导坑施工 侧壁导坑顶部采用钢插板做超前支护，钢插板采用10号槽钢，设计间距为每M4根，施工时根 据实际情况有所增减，钢插板长度为4m。 5.2.2.1 开挖 在钢插板的保护下人工进行 1 部、 2 部开挖作业，开挖过程中密切注意顶部围岩动态，发现漏 砂时立即停止开挖，补充钢插板，以短开挖、强支护为原则，开挖一M支护一 M, 1部开挖超前2 部开挖距离在 3-5m 之间，以便及时封闭初期支护。在侧壁导坑施工过程中，及时进行初期支护断 面的量测。 5.

9、2.2.2 侧壁导坑贯通后，拆除中间临时横撑，施做边墙和部分仰拱。 5.2.3 拱部开挖、拱圈衬砌 拱部开挖采用大管棚做超前支护，在大管棚的掩护下由人工进行开挖作业，拱部开挖采取短开 挖、强支护的方法，拱圈衬砌比开挖面落后10-15m，必要时衬砌紧跟开挖。 5.2.4 中部开挖 在拱圈衬砌完成后，开始开挖中部，分上下部开挖，此时已为冬季，为避免冬季施工砼，仰拱 部位不挖到位，到日平均气温达到5C以上时，开挖仰拱并施作仰拱砼。在开挖过程中，加强拱脚 及墙脚量测，发现收敛值异常时，立即封闭仰拱（砼冬季施工）。 5.2.5 出碴 根据本标段隧道工程特点及洞口场地情况，出碴采用无轨运输方式。ZL50

10、型装载机装碴，侧 壁导坑及拱部采用轻型翻斗车运碴，运至临时弃碴场，中部开挖时用自卸汽车运碴至指定的路基填 方地段。 5.2.6 通风防尘 由于隧道较短 , 通风采用自然通风。在开挖面设置压气水幕降尘器，喷雾洒水，降低洞内粉尘 浓度，使洞内有害气体、粉尘和温度达到隧道施工规定的卫生标准。 5.2.7 钻爆施工工艺 （人工开挖困难时采用） 527.1 放样布眼：用红铅油准确绘出开挖断面的中心线和轮廓线，标出炮眼位置，其误差不 超过5cm。 527.2 定位钻孔：按炮眼位置钻孔，周边眼和掏槽眼，误差要控制在3-5cm以内。 527.3 周边眼开钻时，钻杆保持与隧道轴线外插3 角，与外轮廓线偏差不大于

11、5cm,开挖 台阶在15cm范围内。掏槽眼钻孔精度要高，误差在 3cm之内，控制炮眼间距、深度和角度，严禁 炮眼打穿、相交。掘进眼均匀分布，为便于排水，钻孔可稍微向上，但倾斜不大于1角，孔眼间 保持互相平行，底板眼向下倾斜，最大不超过轮廓线10 cm。 5.2.7.4 装药：装药前，用高压风吹扫炮孔，药串和起爆药卷按要求加工好，盘好脚线，分段 号存放在箱内，确保装药作业有序地进行；装药作业分片、分组进行。捣实堵塞炮泥，堵塞长度不 小于20 cm。 5.2.7.5 爆破：起爆网络为复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性，连接时，导爆管不能打 结和拉细，各炮眼雷管段数与设计相同，引爆雷管用黑胶布包扎

12、在离一簇导爆管自由端10 cm以上 处，网络接好后，由专人负责检查。 5.2.8超前钢插板 超前钢插板施工示意图 5.2.8.1 超前钢插板 用于侧壁导坑施工。 528.2 钢插板采用 10号槽钢，使用前除 锈。 5.2.8.3 钻孔：标示 钻孔位置，采用手持式凿 岩机钻孔，钻孔长度 4m,纵向相邻两排钢插板 有不小于100cm的水平搭 接长度，环向间距 25cm,外插角510度。 100超前钢插板10号槽钢1=300-500 喷砼 1 、本图尺寸均以厘米计。 2 、钢插板采用10号槽钢，长3-5米，间距25厘米，外插 角5 -10。，相临两排槽钢搭接长度不小于100厘米。 5.2.8.4钻孔

13、完毕后，吹净孔内积水、积粉及岩碴。用牛角泵注入早强砂浆，然后打入钢插板。 529超前大管棚 529.1超前大管棚用于拱部开挖施工。 529.2 大管棚采用$ 108热轧无缝钢管，每根长 8m壁厚5mm 529.3 钻孔：标示钻孔位置，采用 ZTC型地质钻机钻孔，钻孔长度 20M,纵向相邻两排大管 棚有不小于400cm的水平搭接长度，环向间距 33.3cm，共28根，外插角1.4 ，即管棚部高于开 控线50cm,为下轮管棚施工留出操作空间，防止侵限。大管棚施工工艺见流程图。 大管棚施工工艺流程图 5210格栅钢架 5210.1 格栅钢架加工 主洞永久支护每个格栅钢架共分为I、川三种型号单元，由五

14、块格栅组成。临时支护为 w、v两个单元。侧壁导坑格栅分为n、川、w、v四个单元，格栅主筋采用e 20钢筋，连接件 采用钢筋端部焊接角钢，通过螺栓连接，钢筋、角钢按设计图放样、下料，放样时预留焊接收缩余 量及刨边切割的加工余量，保证尺寸正确，弧形圆顺。将配置加强筋与主筋焊接，焊接时沿主筋两 侧对称焊接，防止变形。焊前及焊后焊缝检查，严格按钢结构工程规范执行。加工后进行试拼，其 允许误差为： 沿隧道周边轮廓误差不大于3cm；各单元螺栓孔中心间距误差不超过土0.5mm；格栅平放时， 平面翘曲小于土 2cm。 I II - n 说明： 1、本图为示意图。 2、各单元之间通过钢板和角钢焊接连接。 3、W

15、V在仰拱施工完成后拆除。 格栅钢架拼装图 5.2.10.2 格栅架设 为保证钢格栅安设牢固和位置准确，隧道开挖时，在钢格栅基脚部位预留0.15m0.2m的原地 基，架设时挖槽，在槽内纵向设置槽钢垫板，与钢格栅底部角钢螺栓连接固定。在钢格栅的各连接 板处预留安装钢格栅的连接板凹槽，安装时预先打入定位钢筋定位，按设计位置组装各钢格栅单 元。格栅之间设纵向连接钢筋。钢格栅架好后，立即挂网喷砼，将钢格栅覆盖，分层喷射厚度5 6cm。 5.2.11 网喷支护 5.2.11.1 挂钢筋网 钢筋网采用e 6钢筋焊制而成，网格 20 x 20cm,钢筋网随受喷面的起伏铺设，与受喷面间隙小 于30mm且和锚杆焊

16、接固牢，在喷射作业时不得颤动。 5.2.11.2 喷射砼采用湿喷法。 a. 喷射机具设备：强制式拌合机一台，砼喷射机一台，其它材料及小型机具。 b. 劳动力组织：砼拌合司机1人,拌合机上料4人，运输1人，喷射机上料2人，喷射手2人，工班 长 1 人 , 总计 11 人。 c. 原材料及配合比选择： 水泥：采用 425 号普通硅酸盐水泥,水泥使用前做好强度复查实验。 速凝剂：在喷砼中掺入 JN-5 型速凝剂,掺量为水泥中的4。 在使用前做水泥适应性实验及 速凝效果实验,速凝剂密封保存,严防受潮。 防水剂：为减少隧道的渗漏水现象,添加防水剂,以提高隧道的防水效果,使用前进行实验, 以求得最佳防水效

17、果。 STC粘稠剂：为减少回弹量，提高砼粘着性，提高一次喷射厚度，加STC粘稠剂，使用前进行 水泥适应性实验,求得最佳值。 粗细骨料：砂子以细度模数e 2.5e 3.0的干净中砂，碎（卵）石粒径以512mm为宜，石 质坚硬。 配合比设计：配合比由工地实验室经实验选定配合比,并报监理中心实验室审定。 5.2.11.3 喷射作业 a. 作业前,当班负责人向操作人员进行技术交底,明确任务、分工、责任、质量检查和安全措 施等事项,优化施工作业程序。 b. 喷射砼连续作业,并且做到随拌随喷,不积存干料。 c. 认真检查搅拌机、拌合运输车、喷射机等机械设备,开机前先清除余料和其它杂物,检查机 械是否正常,

18、严禁机械带病作业。 d. 检查风、水、电管线路的布置是否合理与安全，喷嘴的供水孔是否堵塞，软管是否磨损，接 头是否安全可靠等。 e. 检查危石、浮碴和岩粉是否清除干净、石质好坏、有无渗水、超欠挖情况等，以确定当班工 作量和作业时的措施。 f. 喷射机安装调试后，先通风再注水，清通机筒及管路，同时用高压水、高压风冲洗受喷表 面。 g. 连续上料，经常保持机筒内料满，在料斗上设一12mm孔筛网，防止超径骨料进入机内。 h. 操作喷射时（喷嘴朝下）先送风再注水，然后上料。根据受喷面和喷出的混凝土情况，调整 注水量，以喷后易粘着、回弹小和表面呈湿润光泽为度。 i喷射部位分段分片进行，按纵向34m为一段

19、，先墙后拱再分片，每片宽约2m每片均自 下部起水平方向旋转移动往返一次喷射，然后向上移行。喷射前先将个别凹面处喷射找平。 j. 最佳喷射距离与角度，喷嘴口至受喷面以 0.6 1.0m 为宜，喷射料时以垂直喷面为最佳。 喷射料束运行应环行旋转，水平移动并一圈压半圈，环行旋转直径0.3m，喷射料束旋转速度以 2 秒左右转动一圈为宜，一次喷厚以坠落时的临界状态或按所需厚度，一般不小于5cm。 经常测定作业区内粉尘浓度，如超出规定标准应找出原因，采取相应措施。喷射作业结束时， 将机内和管路中的拌合料用完后，再停机、关水和断风。喷射混凝土按规范要求洒水养护。 5.2.11.4 质量检查 a. 通过钻取试

20、芯或喷大板制取试件，对喷射混凝土的抗压强度实验进行检查。 b. 通过预埋测钉或钻孔控制喷层厚度，每20m距离测定一次。 c. 喷砼与岩石之间及不同喷层之间的粘结强度，通过钻取岩石与砼芯进行测试。 d. 对漏喷、松散和表面凹凸不平处，通过测试，根据具体情况预以处理。 e. 喷射混凝土质量检查按GBJ86 85锚杆喷射混凝土支护技术规范规定进行，其抗压强度 及与岩石粘结力满足要求。 5.2.12 隧道衬砌 隧道衬砌采用先边墙及部分仰拱，再拱部，最后衬砌剩余仰拱，模板采用衬砌模板台车，砼采用轻型翻斗车运输，砼人工送入模。为确保隧道施工安全，加强围岩观测，及时施做模筑砼。 5.2.12.1 模筑砼的施

21、工 a. 初期支护已达到设计要求，防水板及纵、横向排水盲管设置完毕，预留孔及预埋件按设计及 时施作。 b. 隧道中线、标高、断面尺寸准确无误，隧道无欠挖，二次衬砌内轮廓符合设计要求。 c. 衬砌施作前，将浇筑处地基表面的积水、泥浆、岩屑、油污、有害的附着物和松散物、半松 散物、风化的岩块清除干净。 d. 各种机械设备运转正常。 e. 衬砌材料已备足，经实验达到要求，配合比已经实验选定。 f. 砼搅拌合格后输入轻型翻斗车并及时运到施工现场，保证砼在运输过程中不发生离析、漏 浆。 30cm,浇筑拱部时，两侧浇筑面高差不 2m当浇筑超过隧道衬砌内拱圈时，砼 34台插入式振捣器，将砼振捣至 g. 砼运

22、至施工现场，砼人工分层浇筑，分层厚度不超过 超过50cm。浇筑速度适当，不致离析；砼倾落高度不超过 排出管的末端埋在砼中，注意保证充填密实。 h. 采用附着式振捣器和插入式振捣器联合振捣。人工操作 最佳密实度，（以砼不再下沉、不出现气泡、表面开始泛浆为度）。插入式振捣器的移动距离不超 过振捣器工作半径的 1.5倍，插入下层砼深度为 510cm,振捣过程中，避免碰撞模板、钢筋、预 埋件等。 i. 承重结构砼强度达到设计强度的70%；不承重结构砼强度达到2.5MPa 以后方可拆模。拆模 时先拆堵头板,再拆连接件及支撑,然后用垂直与侧向丝杠收缩模使台车处于运行状态。清除模板 表面粘结的砼,喷涂脱模剂

23、。拆模后砼连续养护不小于 7 天。砼质量检查按技术规范执行,强 度满足设计要求。 j. 衬砌仰拱时,根据围岩情况,确定仰拱与开挖面距离,必要时仰拱紧跟开挖面。浇筑中断： 隧道二次衬砌内不允许存在水平接缝和倾斜的接缝,如浇筑砼因故必须中断,则在继续浇筑砼前, 先凿除硬化的砼表面的松软层和水泥砂浆薄膜,并将表面凿毛,用压力水冲洗干净,在新浇筑砼之 前铺一层23cm厚的同标号水泥砂浆，拱部浇筑顺序为从两侧拱脚向拱顶对称进行，间歇及封顶 的层面做成辐射状。 超挖回填时，拱脚及墙脚以上1m范围内的超挖，用同级砼回填，其余部分超挖在允许范围 内，用与衬砌同级的砼回填；超挖大于规定时，用片石砼或浆砌片石回填

24、。超挖回填不得侵入衬砌 断面。 按砼浇筑方量及时制做试件。 5.2.12.2 仰拱模筑砼施工 仰拱每次衬砌长度 10mo为解决施工过程中的运输车辆对仰拱的破坏，采用自行加工的支墩钢 桁梁便桥，架于未达到设计强度的仰拱上。 隧道施工工艺流程图 5212.3 施工缝防水措施 隧道工程模筑砼是隧道防水的重要环节，模筑砼连续浇筑，少留施工缝，保证隧道衬砌的整体 性。根据施工条件及安排，隧道仰拱每10m拱墙每8.4m 一施工段，因此，隧道仰拱、拱墙存在 一段竖向施工缝，同时，仰拱与边墙间存在有水平施工缝。 施工缝是隧道工程防水的薄弱环节，施工缝施工中应做到： a. 拆模后将模筑砼表面冲洗干净，待其干燥后

25、，涂刷粘结剂； b. 将橡胶止水条粘贴牢固，再加砼钉固定。橡胶止水条牢固后12小时以内浇筑新砼。 5.2.13防排水 在全隧道拱墙喷锚支护与模筑砼衬砌之间，每隔10m环向设$ 50软式透水管盲沟一道，每边 墙脚处设贯穿隧道的 $ 80纵向透水肓管，施工缝处设遇水膨胀型橡胶止水带。 本隧道施工临时排水为：开挖时将两侧 水沟电缆槽的位置一并挖出沟形，对顺坡开 挖的洞口，水顺水沟自然派出洞外，对逆坡 开挖的洞口，分段开挖集水坑，用水泵和排 水管，把洞内积水抽排出洞外。 经棚隧道劳动力使用表 5.2.14劳动力、材料、机械设备安排 5.2.14.1劳动力安排 根据本隧道的实际情况，由隧道施工队负责本隧

26、道的施工，在出口设置施工场地，从出口单口 掘进，施工人数98人。劳力组织安排见经棚隧道劳动力使用表。 5.2.14.2材料供应安排 碎石由附近的碎石厂购买，钢材、水泥等主材由业主指定的供应商供应，在施工场地设临时材 料厂。 5214.3 机械设备 本工程实际投入机械设备总计54台（套），详见机械设备使用表，设备由局本部和附近的工 序 1 （类设 装载机 、名称及描厂述 ZL50 栄） 柳州 数量 1 制造时间 1997 新旧 86% 购万元/台） 40 2 功率/能力 154KW/3 M 2 推土机 黄河T220 西安 1 1996 85% 43 162KW 3 履带式挖掘 机 Q U D2

27、0 抚顺 1 1995 80% 63 110KW1.2M 4 运输车 C A 1 4 1 长春 2 1996 85% 7.5 115KW/5T 5 砼搅拌机 J S 5 0 0 西安 1 1996 86% 9.6 17KW 6 砼搅拌机 J D5 0 0 广元 1 1996 86% 9.5 17KW 7 灰浆拌合机 H J 1 - 3 2 3 沈阳 1 1996 85% 4 地调配，加强设备保养，保证机械完好率和出勤率。 机械设备使用表 8 砼喷射三联机TK-961日本 1 1996 86% 6.2 4 M3/H 9 衬砌台车自制 1 1999 88% 10 8.4M 10 电动空压机4L-20/8徐州 1 1