小间距隧道浅埋段进洞施工工法.docx
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小间距隧道浅埋段进洞施工工法
小间距隧道浅埋段进洞施工工法
YNGF（2010）
胡建全吕俊王春华沈家文张友培
【中国云南路建集团股份公司云南建工水利水电建设有限公司】
1前言
在高速公路进入山区后，由于受到路线走廊带内各种条件的制约，出现了连拱隧道、小间距隧道和浅埋、偏压隧道。
小间距隧道左、右幅相距较近，施工相互影响大，工程措施相对特殊。
尤其是小间距隧道浅埋段的施工常与浅埋、偏压问题交织在一起，更是隧道施工中的重点、难点。
因此，找到一种适合于小间距浅埋隧道安全进洞的施工工法至关重要。
我公司通过云南元武高速公路B7合同段波支隧道的施工实践，结合以往隧道的施工经验，在浅埋、偏压隧道的基础上总结提炼了本工法。
本工法通过了2010年度中国云南路建集团股份公司企业级工法评审，认为其关键技术总体达到了国内领先水平。
2工法特点
2.1洞口及明洞开挖方量小，对地表的扰动少，能减少对地表生态环境和植被的破坏。
2.2克服了小间距、浅埋、偏压、不良地质隧道安全进洞的难题，避免了因洞口大面积开挖诱发的山体滑坡，进洞安全。
2.3可实现隧道的零开挖进洞。
2.4适用于多种复杂的地质环境，在软弱围岩中应用更体现其优越性。
2.5采用台阶分步法开挖，进洞后可根据地质条件灵活调整施工方法，加快施工进度。
3适用范围
本工法主要适用于洞口土质或围岩松散、破碎、偏压的不良地质隧道浅埋段，特别是≥0.75b（b为单洞隧道的开挖宽度）的小间距浅埋隧道的进洞施工。
4工艺原理
隧道开挖前通过砌筑套拱在洞口浅埋段隧道外缘打设一环纵向钢管，并通过钢管注浆加固围岩，提高围岩的自承载能力。
然后采用台阶分步法开挖洞室，并通过架设钢支撑、挂网喷锚形成柔性支护控制围岩变形，最终形成隧道结构。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
进洞施工一般按洞口及明洞开挖、边仰坡防护、截水沟施工、套拱施工、大管棚施工、明洞衬砌、开挖进洞、洞门施工、明洞回填等步骤完成，见图5.1。
图5.1施工工艺流程图
5.2施工操作要点
5.2.1洞口及明洞开挖
为避免洞口及明洞开挖造成周围环境的破坏，应结合设计方案和实地地形尽量减少洞口和明洞的开挖。
洞口采取明挖法开挖。
开挖前，首先由测量人员按设计和实际地形放出边、仰坡的开挖桩，然后利用挖掘机自上而下分层开挖，每层开挖深度1.5～2m。
石质地层仰坡开挖需要爆破时，应以浅眼松动爆破配合挖掘机开挖为主，局部辅以人工修整。
开挖时应随时检查边坡和仰坡，如有滑动、开裂等现象，应适当放缓坡度。
当开挖至拱顶管棚位置时，应注意预留核心土作为管棚施工的工作平台。
明洞不宜采用大面积开挖，只要清除洞口与上方有可能滑塌的表土、灌木及山坡危石即可。
浅埋偏压明洞可采用夯填碎石土增加浅埋侧覆盖层厚度，缩短明洞衬砌，以达到减少开挖土方及回填方量、及早进洞的目的。
开挖时必须严格按照设计坡比进行开挖。
开挖后立即用坡度尺进行检查，发现误差，及时纠正。
洞口开挖见图5.2.1。
5.2.2边仰坡防护
洞口开挖完毕后，采用人工及时修整坡面，清除虚土、危石，然后立即喷射混凝土封闭坡面，喷层厚度应符合设计要求。
由于洞口段埋深浅，岩体多为坡积物或弃土覆盖，自稳能力差。
因此，从开挖到支护时间间隔不能太长，同时要加强边仰坡的变形观测。
遇软弱破碎围岩，经采用喷射混凝土防护不能有效稳定坡面时，应在相应部位增加砂浆锚杆，并铺挂φ8钢筋网，加强对坡面的支护。
挂网完成后立即喷射混凝土，并反复喷射直到达到设计厚度为止。
边仰坡防护见图5.2.2。
5.2.3截水沟施工
根据地形情况，在距仰坡坡口5米处开挖截水沟，将边坡水引出隧道区，进入天然沟中排走。
截水沟采用人工开挖基坑，7.5号浆砌片石支砌，10号砂浆抹面。
5.2.4套拱施工
首先进行施工放样确定套拱位置，立架安放4榀套拱工字钢支撑。
然后在钢支撑外侧按大管棚的设计间距安放φ140×6mm导向管，并将导向管与钢支撑焊接成为整体。
因为导向管的安装质量直接影响到大管棚的施工质量，因此施工中应对导向管的平面位置、顶面高程及外插角进行准确定位，安装完毕应对其安装质量进行逐一检查，检查合格方可吊模浇筑套拱混凝土。
待混凝土强度达到设计强度的85%以上，才能开始大管棚的施工。
立架施工见图5.2.4-1，套拱混凝土浇筑见图5.2.4-2。
5.2.5大管棚施工
大管棚采用水平钻机施工，施工前必须在加工场内制作好管件。
钢管采用节长5～6m的φ108×6mm无缝钢管，第一节钢管应加工15cm长的尖锥头，钢管上按梅花形间距50cm钻6-8mm的小孔，以便入孔和浆液渗入破碎岩体。
1.布孔：
开挖洞口及明洞土石方时应预留下部台阶，满足钻机就位工作，拱顶部位则通过搭建脚手架使钻机就位。
钻孔前须严格按照设计角度与标高进行测量定位，钻机安装固定好，经复核无误后才能开机。
2.钻孔：
用水平钻机钻孔，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。
钻孔方向与线路中线平行，外张角控制在1°～2°之间，孔深必须超过设计管长，钻孔深度以钻机钻杆长度进行测量。
钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏差及时纠正。
3.清孔：
施钻完成后，先用钻杆配合钻头反复扫孔，清除浮渣。
然后吹入高压风进行清孔，直至清孔残渣流完为止。
4.推管：
先用人工将第一节带尖锥头的钢管就位，尾端依托在钻机上逐渐推入，每次推管预留50㎝以便连接第二根管，然后用连接套把两根钢管旋紧、焊牢，反复推管至设计长度。
注意隧道纵向同一截面内的钢管接头数量不得大于50%，相邻钢管的接头至少错开1米。
每钻完一孔便顶进一根钢管，以防因邻近孔位施工造成缩径。
5.注浆：
注浆前，先用钢板将管棚外露端焊接密封，并设置压浆孔。
然后使用注浆泵进行注浆固结围岩。
对有水或破碎的岩体，注入水泥～水玻璃双液浆固结止水；对于无水围岩，可注入单液水泥浆固结围岩。
注浆结束后用10号水泥砂浆充填，以增强钢管的强度和刚度。
大管棚施工见图5.2.5。
5.2.6明洞衬砌
明洞衬砌采取先仰拱、后墙拱的方法，自下而上顺作施工。
仰拱开挖宜采用整体式开挖；仰拱开挖后应立即清除积水、杂物及虚渣，使用拱架模板浇筑仰拱混凝土。
仰拱混凝土应由仰拱中心向两侧对称进行浇筑，并一次施工完成。
施工时要注意预留仰拱与拱部连接的预留钢筋。
明洞衬砌采用全断面衬砌台车，采用Φ48钢管弯制弧形拱架固定外模，外模选用木板或竹胶板；端模（挡头板）选用5cm厚的木板制作，采用角钢U形卡和短方木固定，以适应端模尺寸的不规则性。
混凝土采用拌和站集中拌和，混凝土罐车运输，混凝土输送泵泵送入模，插入式振动棒和附着式振动器振捣的施工工艺，确保二次衬砌内实外美。
拱墙混凝土自两侧拱脚向拱顶对称、分层、连续灌注，每层浇注厚度不超过0.5m。
浅埋偏压明洞要先进行洞门抗滑桩施工，抗滑桩开挖采取跳孔开挖。
待承台浇筑完成后，再浇筑仰拱、施作偏压墙，然后进行明洞衬砌。
地形条件特殊或有设计时，可开挖浅埋一侧，先施作偏压墙，再采用夯填水泥稳定碎石土来增加浅埋侧覆盖层厚度以减少偏压，然后按暗洞进行开挖。
明洞衬砌见图5.2.6。
5.2.7开挖进洞
在管棚结构的保护下，洞口浅埋段、小净距隧道采用台阶分步法开挖进洞。
本方案一般环形开挖进尺为0.5～1.0m左右，台阶长度8～10米。
台阶分步法开挖见图5.2.7－1。
1.开挖上台阶，施作拱部初期支护；
2.开挖侧腰部，施作侧腰部初期支护；
3.开挖上部核心土，施作临时仰拱；
4.开挖拱脚部，施作拱脚部初期支护；
5.开挖下台阶，施作仰拱初期支护；
6.完成隧道开挖及初期支护后，立即进行仰拱二次衬砌混凝土的浇注；
7.根据监控量测结果确定进行边墙、拱部二次模筑混凝土的浇筑。
拱部弧形导坑采用机械开挖，必要时辅以弱爆破，每次开挖进尺与钢架间距相同，尽量将拱部初期支护抵至开挖面。
边墙应左右错位开挖，两边不得同时开挖。
围岩开挖后及时喷射混凝土封闭围岩面，并按设计要求架立钢拱架、打设径向锚杆、铺挂钢筋网、喷射混凝土施作初期支护，以减少围岩暴露时间，控制围岩变形，防止围岩松弛；同时拱、墙脚每侧各打2根φ25锁脚锚杆并与钢架焊接牢固，利于下部开挖时初期支护的稳定。
图5.2.7－1台阶分步法开挖示意图
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施工。
仰拱应随开挖及时跟进，使初期支护及早封闭成环，尽早发挥围岩的自承能力，构成稳固的初期支护体系，缩短二次应力重分布的时间。
二次衬砌的施作，应在围岩和锚杆支护变形基本稳定后进行。
在自稳性很差的地段，初期支护变形量大，且无明显收敛趋势时，应及早进行衬砌施工。
小间距隧道采用本法施工时，应先采用超前支护加固隧道开挖前方围岩，然后采用左右幅异步施工法错开掘进。
掘进时，要先开挖地质条件较差的一幅隧道，左、右幅掌子面开挖应错开30米，待先行洞二次衬砌混凝土强度达到70%以上方可开挖后行洞，减小相互间因开挖而造成的影响。
先行洞的开挖可采用与分离式隧道相同的施工方法，但应重视爆破震动对中间岩土体的影响；后行洞的开挖宜先开挖靠中间一侧侧腰部，开挖时应加强对中间岩土体的监控量测。
左右幅异步施工法见图5.2.7－4。
图5.2.7－4左右幅异步施工法平面图
小间距隧道Ⅴ级围岩原则上采用机械开挖，尽可能减少开挖对围岩的扰动，特别是对中间岩土体的扰动；必要时可辅以微量的弱爆破，爆破开挖必须采用微差控制爆破。
为避免爆破震动波的叠加，各段起爆时间应根据震动测试确定（按经验值以大于200ms为宜），爆破最大临界震动速度必须控制在15cm/s以内，以防止后行洞开挖对先行洞周壁产生不良影响。
上台阶开挖完成后要立即施作临时仰拱，及时封闭成环，以阻止上台阶的水平收敛，减少围岩变形；必要时可在掌子面喷射混凝土封闭开挖面，以防止掌子面坍塌。
初期支护落底时应采用跳槽马口开挖，每次开挖不应超过两榀钢架距离，并要做好洞内排水工作，避免积水软化基础。
开挖后要认真按照设计要求打设系统锚杆，对中间岩土体进行注浆加固，确保岩体密实。
洞身施工见图5.2.7-2、5.2.7-3。
5.2.8洞门施工
洞门施工在洞口段二次衬砌完成20m后进行，洞口工程必须在旱季施工，并在下一雨季到来之前完成所有洞口工程土建工作。
洞门墙基础必须置于稳固的地基上，视地形及地质条件埋置足够的深度，保证洞门的稳定性。
基础开挖后，检测地基承载力是否满足设计要求，不能满足设计要求的必须进行处理。
混凝土浇筑采用拌和站集中拌和，混凝土罐车运输，混凝土输送泵泵送入模。
洞门墙应根据实际需要设置沉降缝和泄水孔。
砌筑洞门墙时在墙后铺20cm砂砾垫层，并在墙根处预埋泄水孔，将水引至洞外排出。
施工完毕的隧道洞门见图5.2.8。
5.2.9明洞回填
待混凝土强度达到70%以上方可进行明洞回填。
回填前首先对拱背进行修整，然后按设计要求在明洞衬砌外层铺设防水层。
明洞回填应采用小型机具对称、分层夯实，每层厚度不大于0.3m，其两侧回填面高差不大于0.5m，回填至拱顶平齐后分层压实至设计高度。
使用机械碾压时，必须用人工夯填至拱顶1.0m以上，方可采用机械压实。
明洞衬砌回填土上设置一层厚50cm的粘土隔水层，让水顺回填土坡面流入天然沟内排走，防止地表水下渗。
5.2.10监控量测
浅埋段隧道具有埋深浅，地质条件复杂、围岩风化破碎，受雨季地表水影响大的特点，而小间距隧道经常与浅埋、软弱岩土体等问题交织在一起，施工难度大，对变形、沉降的要求高，监控量测极为重要，因此应安排专人搞好地质和支护状态观测、周边位移、拱顶下沉、锚杆内力及抗拔力等隧道现场监控量测工作，位于Ⅳ～Ⅵ级围岩中且覆盖层厚度小于40m的隧道还应做好地表沉降量测，及时掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态，并根据施工中所得到的现场量测资料分析围岩稳定性，确定适合的开挖方法，以确保施工安全。
当发现量测数据有不正常变化或突变，洞内或地表位移大于允许位移值，洞内或地面出现裂缝以及喷层出现异常裂缝时，均应视为坍塌冒顶的危险信号，人员必须立即撤离现场、停止施工，经处理达到安全作业条件后方可继续施工。
6材料与设备
6.1主要材料
6.1.1管棚：
选用φ108×6mm无缝钢管施作大管棚。
6.1.2注浆材料：
选用水泥～水玻璃双液浆或水泥砂浆。
6.1.3拱架：
采用工字钢制作。
6.1.4钢筋网：
选用φ8钢筋网。
6.1.5锚杆：
采用WTD-25锚杆。
6.2机具设备配置
机具设备配置见表6.2。
表6.2机具设备配置表
序号
机械名称
型号
数量
1
挖掘机
PC200
1台
2
转载机
ZL50C
2台
3
自卸汽车
15t
5辆
4
水平钻机
MD50
2台
5
空压机
20m3/min
2台
6
凿岩机
YT-28
15台
7
风镐
G10
8把
8
注浆机
浙江
1台
9
湿喷机
TK-961
2台
10
打夯机
日本LT-600
2台
11
切割机
J3GB-400
2台
12
压床
自制
1台
13
交流电焊机
BX1-500
5台
14
混凝土搅拌机
JS-500
3台
15
混凝土配料机
HPD1200、50m3/h
1套
16
混凝土罐车
7m3
2辆
17
混凝土输送泵
HBT60A
2台
18
衬砌台车
全液压
2台
7质量控制
本工法除执行施工设计图等文件的有关技术要求外，还应执行《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）、《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）、《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），同时应注意以下施工要点：
7.1建立健全施工质量、控制体系，责任到人，每道工序都做到严格检验，并按规范要求进行控制。
7.2材料进场时必须取得厂家的出厂质量证明，进场后要按规定频率及项目进行自检，所有材料必须满足规范或设计要求。
7.3隧道施工前应进行贯通测量，满足规范及要求后，才能进行施工。
7.4开挖过程中要及时做好洞内排水系统，严禁洞内积水，软岩地段施工排水沟不应沿边墙设置，宜距墙基脚适当距离，以防止水沟渗水软化边墙基底围岩面降低其强度。
7.5做好隧道开挖前的地质超前预报工作，加强隧道内各工序及断面开挖完成后的监控量测，同时做好地表下沉及位移观测，用监控量测成果指导施工。
8安全措施
8.1洞内施工现场必须设置足够的照明设施，并要有一定的备用数量；交接班时，必须检查安全情况，并认真进行书面记录。
8.2交叉施工的工程项目，施工前要了解交叉施工的工作内容、施工时间及安全注意事项等，必要时要派专人进行协调、防护，以确保施工安全。
8.3隧道施工爆破采用光面爆破开挖，严格控制松动爆破的用药量，以减少爆破对围岩的拢动。
8.4隧道爆破定时进行，并将人员、设备撤至安全地带。
爆破后经通风排烟、找顶、瞎炮处理后，其它施工人员方可进入工作面。
8.5参加隧道施工的人员要体检合格后方准参加施工；坚持班前进洞安全教育，杜绝酒后或带病工作。
8.6所有进入隧道的施工人员、管理人员，均配戴安全防护用品。
8.7隧道开挖前，首先检查工作面是否处于安全状态，如有松动岩石应立即清除。
开挖过程中要加强观察，遇有险情要急时采取退避、加固等措施。
8.8隧道横洞或正洞临近贯通前，要加强联系、统一调度，确保施工安全。
8.9加强洞内施工用水管理，做好防排水工作，方便施工，有利安全。
8.10加强洞内用电及照明管理，设专人随时对供电线路、照明设施进行维修，防止漏电伤人。
9环保措施
9.1为了防止隧道施工中可能造成的地下水严重流失、地表塌陷、水源枯竭导致生态环境遭到破坏，做好地表水、出水点及地表塌陷的观测工作，必要时要进行地表处理，同时在岩溶发育地段，维系溶洞、暗河的既有通道，使地下水尽可能保持原有水位。
9.2隧道附近有高于设计高程的水源、灌溉渠、水井、水塘等农田灌溉、水利设施时，应优化施工方案，制定切实可行的操作工艺和防渗漏措施，并派专人在上述设施周围进行日常观测，切实有效地保护好水资源。
9.3岩溶注浆工程距水源、地下水通道等水源较近时，施工中要选用合理的施工方法和工艺参数，并派专人对施工现场周围地形地貌、附近水源及异常情况进行观察，发现问题及时停工，确保周围水源不受污染和流失。
9.4加强机械设备的维修保养和达标工作，减少机械废气、排烟对大气的污染。
9.5在隧道施工中出现瓦斯等有害气体时，应采取必要措施减少有害气体的排放。
9.6施工中产生的废泥浆在排放前应先沉淀过滤，然后使用专门的运输车辆弃至指定地点，防止泥浆遗撒路面、污染水源。
9.7弃渣场地必须排水通畅、且必须砌筑挡墙，防止洪水形成泥石流。
9.8施工弃渣按环保部门要求运至指定地点堆弃，随弃土随平整、碾压，同时按设计要求认真做好弃渣场的防护、绿化工作。
9.9施工营地、场地、便道等在使用完毕后，按要求及时恢复。
10效益分析
10.1本工法克服了小间距、浅埋、偏压、不良地质隧道安全进洞的难题，进洞施工对地表扰动小，可实现隧道的零开挖进洞，使工程施工对环境的破坏减到最小，最大限度的保护了周边环境，经济效益显著。
10.2与传统的明挖法相比，本工法洞口及明洞开挖土石方量少，且不需要回填，节省了大量的人力、物力。
11应用实例
11.1云南元武高速公路B7合同段波支隧道，全长763米，隧道设计为净跨11.20米，净高7.l0m的左、右幅分离的双洞单向行车双车道隧道。
隧道位于元谋大断裂区域，右幅进口K98+760～+856有一崩塌体发育，厚度9.8～13.9m，由亚粘土、块石土组成，稳定性较差。
右幅出口K99+070～+140（左幅出口K99+040～+100）段隧道埋深浅（最薄地段覆盖层仅1.7米），围岩为坡残积亚粘土含碎石，围岩稳定性差，拱顶、侧壁极易坍塌冒顶。
武定端隧道左、右幅间距较近（武定端洞口线间距18m，净距15.90m），为小间距隧道。
该隧道属于典型的小间距、浅埋隧道，为云南元谋至武定高速公路重难点控制性工程。
开工初期，由于隧道开挖斩断岩根导致隧道右侧K99+100滑坡复活诱发牵引式滑坡。
因治理滑坡隧道停工近半年多，工期紧张，施工压力较大。
后经采用此工法，坚持“重地质超前预报、管注浆超前，弱爆破，短进尺、少扰动、强支护、早成环、二次衬砌紧跟”的施工原则，按照小净距隧道施工，将原设计削竹式洞门变更为抗滑桩承台支撑的端墙式洞门，并采用片石混凝土对明洞间的间隙进行了回填，顺利穿越了小间距、浅埋、软弱围岩段，实现了安全进洞。
由于施工方案合理，施工速度较快，逐渐缓解了工期压力，最终提前完成了该隧道的施工任务。
11.2云南安楚高速公路第10合同段平地隧道，全长400米，隧道最大埋深27.52m，设计为双跨三车道隧道。
设计为净宽16.50米，净高为8.40米的三心圆曲墙结构。
该隧道工程地质及水文地质条件一般，地层单一，为中厚层状砂岩、泥质粉砂岩夹泥岩层，均为Ⅴ级围岩。
由于隧道埋深浅，加之岩体风化破碎，泥岩夹层浸水易软化崩解，隧道施工中拱部及边墙极易坍塌、冒顶。
为云南安楚高速公路重难点控制性工程之一。
洞口浅埋段经采用此工法施工，顺利实现了安全进洞。
由于施工方案合理，仅10个月时间即圆满完成了该隧道的施工任务，且工程质量优良。
11.3云南大保高速公路8A合同段马道子隧道，全长1870米，隧道采用上、下行分离的双洞单向行车双车道隧道，设计为净跨10.90米，净高7.20米的半圆拱曲墙断面。
该隧道属构造侵蚀中高山地形，隧道区地层为泥岩、泥质粉砂岩不等厚互层。
受断层影响，隧道进、出口端滑坡发育，岩体破碎，洞口覆盖层为第四系残坡积碎石土，围岩稳定性较差，容易产生拱部坍塌，侧壁滑移变形。
为云南大保高速公路重难点控制性工程之一。
在成洞条件较差的软弱破碎地层经采用此工法施工，顺利解决了安全进洞的难题，确保了隧道洞口安全。
由于施工方案合理，不仅施工安全，而且工程质量优良。
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