隧道超短台阶开挖法下穿高速公路施工案例

马占荣，武国春，董 佐

(中铁二十五局集团第五工程公司，山东青岛 266000)

1 工程概况

1.1 工程地质

该隧道地处黄土丘陵地带，属于长大隧道。在隧道下穿高速公路位置，地面地形比较平缓。地表覆新黄土，黄褐色，坚硬～硬塑，颗粒均匀，具大孔隙，含薄层细圆砾土和钙质结核层，夹多层浅棕红色古土壤层。下伏老黄土，浅棕红色，坚硬～硬塑，土体紧密，含钙质结核层和洪积碎石类土和砂土，洞顶覆土较薄。区段沿线新黄土分布广泛，部分具有湿陷性，局部为Ⅳ、Ⅴ级，湿陷系数δs=0.012～0.080。

1.2 洞身与高速公路位置关系

隧道洞身DK106+726.5～DK106+790.6处下斜穿高速公路，高速公路路面宽约为25 m，高速公路与隧道洞身夹角49°11'37″，下穿路面长度约为35 m。隧道洞顶至公路路面高度约29 m，开挖洞顶至高速公路路堑边坡顶约36 m。

本隧道最大的风险源就是下穿高速公路，该段隧道施工设计地表沉降控制标准为最大2 cm，如何控制沉降值，确保安全，在保证质量安全基础上快速通过是施工的关键。见图1、图2。

2 设计施工方案

(1)在DK106+820～DK106+830段预留长管棚工作室，工作室比正常隧道扩挖80 cm，以保证φ159 mm大管棚施工作业空间。

(2)隧道里程DK106+700～DK106+820段，拱部150°范围内，一次性打入1环52根φ159 mm大管棚进行超前加强支护，大管棚长120m，t=9mm，环向间距40cm。

(3)DK106+700～DK106+820段拱部140°范围内设置61根φ42mm小导管超前支护，小导管长6m，t=3.5mm，环向间距30 cm。超前小导管配合钢架使用，每3 m(5榀)施做1环，纵向搭接长度不小于3.0 m。

图1 隧道下穿高速公路平面示意(单位:m)

图2 隧道下穿高速公路断面示意

(4)玻纤锚杆垂直打入掌子面进行加固，玻纤锚杆长12 m，锚杆间距60 cm×80 cm(水平×竖向)，每8 m一环，搭接长度4 m。

(5)初期支护采用I25a钢架，间距60 cm，φ8钢筋网，20 cm×20 cm网格，喷射C25混凝土，厚度35 cm。仰拱底部初期支护采用I25a钢架、φ22 mm连接筋、喷射C25混凝土，与拱墙初期支护闭合成环。

(6)隧道DK106+700～DK106+820采用双侧壁导坑法施工，施工时加强监控量测，及时施做初期支护和二次衬砌。

(7)二衬采用C35钢筋混凝土，拱墙厚度60 cm，仰拱厚度70 cm。仰拱采用C35钢筋混凝土进行施工，仰拱填充采用C20混凝土。

3 现场实际施工方案

3.1 总体施工原则

下穿高速公路段隧道施工总原则是“短进尺、强支护、快封闭、勤量测”。现场施工首先采用φ159 mm大管棚进行超前支护，φ42 mm小导管超前支护，随后进入洞身开挖、支护、仰拱以及二衬施工，为使隧道快速安全通过高速公路，分别邀请专家进行方案评审和方案优化，结合专家意见，在不改变其他设计支护参数前提下，按超短台阶法进行施工。仰拱和二衬应尽可能紧跟掌子面，快速闭合成环。仰拱至掌子面最大距离控制不大于9 m，二衬至掌子面最大距离不大于15 m。如图3所示。

图3 短台阶施工支护步距示意(单位:m)

3.2 主要工序施工控制要点

3.2.1 大管棚

采用管棚钻机将120 mφ159 mm大管棚一次性打入，环向间距40 cm，外插角度控制在 0.5°～1.5°，采用棚管导向跟管一次性钻进法工艺。

3.2.2 洞身开挖及初期支护

依次开挖支护上台阶2～3榀，每次开挖支护1榀钢拱架进尺，确保有足够的空间进行中下台阶开挖，由于核心土较高，利用挖机将核心土两边的位置修成台阶式，以便工人上下作业;在上台阶开始第3或第4榀开挖支护时，再开始进行中下台阶左右的交错开挖。

严格控制开挖进尺，开挖后立即进行初期支护，减少围岩暴露时间，初期支护采用I25a钢架、φ22 mm连接筋φ8 mm钢筋网C25喷射混凝土，做到“短进尺、强支护”。短台阶开挖时严格控制台阶长度不大于3 m，中下台阶每次左右错开1.2 m(2榀钢架)。每侧上中下台阶钢拱架锁脚锚管根数分别为6根、4根、4根，打入深度不小于4 m。

超短台阶开挖法有利于控制围岩变形，但中下台阶相隔太近，施工干扰较大，所以在施工过程中严格控制中下台阶错开的问题，确保在无安全隐患前提下，进行下道工序的施工，开挖后要及时进行喷锚作业，以免土体暴露时间过长，形成安全隐患。

掌子面每次开挖1榀钢拱架，进尺60 cm;掌子面开挖完成后，及时对掌子面进行喷锚封闭。掌子面距已施做好的仰拱达到约9 m时，喷混凝土封闭好掌子面，再紧跟着开挖支护中下台阶1.8 m或2.4 m，使中下台阶分别跟齐到同一里程。现场施工每个循环开始前，首先需要用自卸车装载4～5车的土回填到掌子面核心土的位置，以便挖掘机能作业，上台阶掌子面继续向前循环开挖支护。

3.2.3 仰拱

只要有条件立刻施做仰拱，使初期支护尽早成环，仰拱底部初期支护采用I25a钢架、φ22 mm连接筋、C25喷射混凝土，仰拱采用C35钢筋混凝土进行施工，C20混凝土进行填充。严格控制仰拱开挖长度，每次3.5～4 m，快速施作仰拱，减少沉降。

3.2.4 二衬

由于作业面空间较为狭小，将挂防水板简易台车拆除，在液压衬砌台车上制作外伸支架铺设木板用来挂设防水板，绑扎钢筋，从而可以有效节省空间。下穿高速公路段二衬应紧跟仰拱，仰拱填充强度达到条件后，立即施作二衬。拱墙二衬采用C35钢筋混凝土，利用混凝土输送泵、液压全自动钢模板台车整体浇筑。拱顶混凝土浇筑要加强监控，必须缓慢施工，边振捣边浇筑，防止初期支护与二衬混凝土存在空隙。大管棚预留工作室段的二衬施工，使用钢管将二衬液压台车加强支撑，然后一次性进行管棚工作室段整体二衬混凝土浇筑，由于混凝土比较厚，施工时要放慢速度，加强监控，以免跑模，挤爆台车模板等。

3.3 监控量测方案

隧道下穿高速公路段施工设计地表沉降控制标准为2 cm，监控量测在此段施工过程中尤为重要。施工过程中测量队将每日的沉降及变形监控量测资料报局指分管领导及项目部主管领导，及时掌控沉降情况。

3.3.1 监测项目

本项目在下穿高速公路施工过程中需进行的常规监测主要有:地表沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛等。各种观测数据相互印证，确保监测结果的可靠性，为合理确定施工参数提供依据，达到反馈指导施工的目的。

在施工过程中，项目部测量队人员坚持以每天4次的量测频率进行监控量测，在下穿大运高速公路过程中，当下雨的时候，为监测雨天对沉降的影响，测量人员全天在高速路面上每隔1 h进行1次地表高程量测。

3.3.2 监测测点布置

监测测点布置原则为:观测点类型和数量的确定结合本工程性质、地质条件、设计要求、施工特点等因素综合考虑，全面反映被监测对象的工作状态，以隧道中线为中心向两边对称布置。

表面变形测点的位置既要考虑反映监测对象的变形特征，又要便于应用仪器进行观测，还要有利于测点的保护。按照设计预先布置好各监测点。如果测点在施工过程中遭到破坏，应尽快在原来位置或尽量靠近原来位置补设测点，保证该测点观测数据的连续性。

地表监控量测点布置如图4所示。以隧道中线与高速公路走向断面为该量测断面的里程;以隧道中线与量测断面交点为中点，沿公路方向两侧布点，左右两侧每间隔3 m布点，布5个，之后每隔5 m布点，布7个;即每个量测断面共布25个点。

3.4 交通管制方案

项目部和作业队共分白天和夜晚安排4人对高速公路进行24 h现场指挥交通，示意车辆减速慢行。高速公路两端在GK676+708和GK678+708设置减速警示牌。

高速公路 GK676+708～GK677+608，GK677+808～GK678+708每隔100 m设置警示牌，标明“因施工前方限速15 km/h”。

高速公路GK677+608～GK677+808段慢行，限速15 km/h。

4 结语

隧道洞身下穿高速公路共64.1 m，从2011年5月6日到2011年6月27日共54 d 7个循环完成，在隧道下穿高速公路段，地表最大沉降值为17.1 mm，最终实现了下沉控制在20 mm内的设计沉降目标，顺利完成重点工程安全质量进度目标。

[1]王晓洲.大断面黄土隧道建设技术[M].北京:中国铁道出版社，2009.

[2]中铁二局集团有限公司.铁建设[2010]241号 高速铁路隧道工程施工技术指南[M].北京:中国铁道出版社，2010.

[3]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社，2003.

[4]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社，1993.

[5]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社，2000.

[6]王晓洲.浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1).

[7]刘 斌，宁茂权.甬台温铁路前黄隧道下穿高速公路设计[J].铁道标准设计，2008(6).

[8]铁道第三勘察设计院集团有限公司.隧道设计施工图[Z].天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2010.

[9]夏永旭.隧道结构力学计算[M].北京:人民交通出版社，2004.

[10]凌荣华，等.大跨度深埋黄土隧洞的开挖效应研究[J].工程地质学报，1996(3).

[11]李青岳，等.工程测量学[M].北京:测绘出版社，1995.

[12]中铁一局集团有限公司.高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社，2010.

[13]张 嚣.大断面黄土隧道支护结构力学特性研究[D].北京:北京交通大学，2010.