龙子康双连拱隧道施工方法研究

夏颂军

（中交第四公路工程局有限公司，北京100000）

相对于分离式隧道而言，双连拱隧道是上、下行合建、中隔墙分开的并体连拱隧道，一般只在中短隧道中采用.连拱隧道具有开挖跨度大，左右隧道主洞开挖的相互影响大，围岩压力大，支护系统受力及施工工序复杂，建设工期相对较长的特点，针对连拱隧道不同围岩级别及地质情况采用不同的施工方法，是保证连拱隧道施工质量、安全及进度的关键.

1 工程概况

湖南省吉（首）怀（化）高速公路第四合同段龙子康隧道，位于湖南省凤凰县吉信镇锡坪村境内，是一座上、下行合建的高速公路四车道双连拱隧道，长475m，最大开挖跨度26.8m，洞轴线呈约206°方向展布，最大埋深54m，隧道区属构造溶蚀峰丛洼地地貌，路线穿越溶蚀丘岭斜坡脊岭地带而建设，区内溶蚀沟谷呈枝丫状、网状发育，隧道进口处于朝北东的斜坡地带，坡面呈阶梯状，均为旱地分布区，平均地形坡度约20°，隧道出口处于南西向坡面凹沟处，地形坡脚约18°，分布有旱地，隧道区内地下水为空隙滞水及基岩裂隙水，水量较大，洞身围岩为页岩、泥质灰岩、灰岩，由进出口往洞中由全强～弱风化过渡到中风化，可分为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩，分别采用LS5、LS4、LS3三种复合衬砌形式，Ⅴ、Ⅳ级围岩岩体破碎，开挖易坍塌，雨季渗水现象严重，Ⅲ级围岩体较完整，自稳性较差，侧壁基本稳定，地下水不甚发育.在施工中，隧道Ⅴ、Ⅳ级围岩段采用三导坑先墙后拱法施工，Ⅲ级围岩段采用中导坑辅助法施工.

2 施工方法

2.1 洞口段施工方法

洞口段的施工是隧道施工的开始，洞口就像咽喉，洞口段的安全可靠是隧道施工成败的关键.［1］同时洞口段一般地质条件较差，施工开始后，岩体的结构、应力状态及地下水渗透性质均遭到破坏，破坏后的岩体为达到新的应力平衡状态必能会进行变形，其表现形式为断裂、滑移、坍塌等，给工程施工带来极大的安全隐患.洞口段施工前应反复核实地形、地质情况，对岩体进行详细的岩体应力分析，并制定有效的措施以消除施工给岩体带来的不利影响.在分析的基础上制定加固或减少对岩体扰动的措施才是有效、安全的.在实际施工中主要采取的是减少对围岩的扰动、管棚注浆加固、喷锚支护、边坡加固等措施，使岩体在平衡破坏后的表现形式被控制在一定范围内，保证施工及结构物安全，其洞口工程施工工序见图1.

图1 洞口工程施工工序平面及立面示意图

2.1.1 洞口段施工工艺流程：

①施作洞顶截水沟→②洞口段开挖（成洞面要求保留核心土）→③施作边坡及仰坡临时防护工程（边开挖边防护）→④非核心土部分开挖至成洞面→⑤中导坑开挖及支护→ ⑥中导坑贯通后，施作中导坑段衬砌→⑦开始洞口长管棚施工→⑧浇筑明洞段衬砌→⑨明洞段临时回填（筑临时挡墙，回填土至明洞顶）.

2.1.2 洞口段施工注意事项

隧道洞口边坡、仰坡开挖及地表恢复，应符合环境保护规定，做好水土保持，洞口边坡、仰坡的开挖应减少对岩土体的扰动，严禁采用大爆破，临时防护应视地质条件、施工季节和施工方法等，及时采取喷锚措施.［1］

套拱开挖时，必须保证开挖掌子面稳定，洞口段的围岩一般情况下比较差，必须预留核心土开挖，当受地形、地质条件限制，套拱轮廓开挖不能一次成型时，可根据施工台阶高度分上下部分浇注.套拱的底模支撑必须牢固，可采用工字钢作为套拱的横向支撑，纵向可采用钢筋、钢管加固；底模视情况可采用木模，保证相邻模板拼缝密实、无错台，并与掌子面结贴紧密，任何情况下，不得采用土模作为套拱的底模.套拱砼采用两侧对称、分层（30cm／层）浇注，套拱砼宜一次性浇注完成，在砼振捣过程中应尽量避免振捣到钢筋、导向管，并随时检查，防止偏位.为有效抵抗套拱的水平推力及竖向荷载，套拱钢拱架必须落于先行施工的中隔墙上，坚决杜绝套拱钢拱架绝落于中导洞钢拱架上的做法，以防套拱垮塌.

管棚应按设计位置施工，有孔钢花管（孔径为10mm）和无孔钢管交替布置，应先打有孔钢花管，注浆后再打无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量.钻机立轴方向必须准确控制，施工钻进过程中应保持钻杆与隧道中轴线成1°～2°夹角，钻孔进尺中随时用测斜仪量测角度和钻进方向，出现偏差应及时纠正，每钻完一孔便顶进一根钢管，应根据不同的施工地质情况，采用不同的钻头钻孔，一般情况下：当遇到孤石不能钻进时，采用冲击钻头，将岩石击碎；当为普通的稍软岩石或土质时，采用合金管钻头钻进.在钻进过程中围岩对管壁的摩阻力较大，前段开孔可采用φ125mm的钻头，后段根据需要可采用φ110mm的钻头，以使钢管容易顶入；当钻进过程中遇到特殊复杂的地质情况，不能钻进或钻进困难时，可先采用预注浆加固或跟管钻进的方法.钻孔检查合格后及时装入钢管，堵孔注浆，确保浆液质量及注浆效果满足设计要求.［2］

仰拱开挖应减少对岩体的扰动，严禁采用大爆破，超挖的在允许范围内采用与衬砌相同强度等级混凝土浇筑，超挖大于规定值时，按设计要求回填，不得用洞渣随意回填，严禁片石浸入衬砌断面，仰供以上的混凝土在达到设计强度的70%后施工洞门衬砌，仰供和混凝土强度达到设计强度100%后方可允许车辆通行.

明洞宜早施作，尽量避开雨季及严寒季节，明洞仰拱应安排在明洞拱墙衬砌前浇筑，基础应设置在稳固的地基上，当两侧墙体地基松软或软硬不均时，应采取措施加以处理，防止地基不均匀沉降，明洞浇筑是应注意洞口外部墙面应与洞门面相协调，注意是否为斜坡面.明洞施工应和隧道的排水侧沟、中心水沟的出入口及洞顶的截、排水设施统筹安排，为防止衬砌背后积水，洞内漏水，要作好防排水.洞回填中侧墙应对称回填，石质地层中岩壁与墙背空虚较小时用与墙身同级混凝土回填；空隙较大时用片石混凝土或水泥砂浆砌片石回填密实，土质地层，应将墙背坡面挖成台阶状，用片石分层码砌，缝隙用碎石填塞密实.

隧道洞门基础必须置于稳固的地基上，虚渣、杂物、分化软层和水泥必须清除干净，洞门端墙的浇筑筑与回填应两侧对称进行，不得对衬砌产生偏压，端墙施工应保证其位置准确和墙面坡度满足设计要求，洞门衬砌完成后，其上方仰坡脚受破坏时，应及时处理，洞门的排水设施应与洞门工程配合施工，同步完成，洞门的排水沟砌筑在填土上时，填土必须夯实.

洞门结构及明洞顶部剩余回填原则上可以在适当的任何时间施作，明洞回填应在明洞浇筑并达到设计强度之后进行.

2.2 暗洞段施工方法

龙子康隧道围岩分级为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩，根据围岩结构特点分别采用LS3、LS4及LS5三种复合式衬砌形式，Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用三导坑先墙后拱法施工，Ⅲ级围岩段采用中导坑辅助法施工，［3］中隔墙为左右线隧道拱部的共用支点，必须先开挖中导坑，施工中隔墙衬砌，Ⅳ、Ⅴ级围岩段中隔墙施工完成后分别开挖左右侧导坑（如围岩为Ⅲ级以上，不需开挖侧导），施作侧导坑外侧初期支护以及导坑支护，浇筑侧边二次衬砌基础及矮边墙，在侧导坑矮边墙部二次衬砌达到设计强度之后才能进行相应地段主洞开挖.在开挖过程中尽量减少对围岩的扰动，通过超前支护、钢拱架、锚（网）喷洞壁初期支护系统，使开挖断面及早闭合，控制围岩的变形并使之趋于稳定.

三导坑先墙后拱法及中导坑辅助法施工在掘进过程中左、右侧主洞开挖掌子面应始终保持20m以上的距离，时间滞后20d以上.根据地形和覆盖层厚度先施工山体压力较大一侧的隧道，滞后一段时间施工另一侧隧道.主洞开挖前，将中导坑另一侧回填密实，以增强中隔墙的稳定性，减轻山体偏压对中隔墙的影响.同时，建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排、调整施工工艺和修改设计参数，确保施工安全.

2.2.1 三导坑先墙后拱法施工

隧道Ⅴ、Ⅳ级围岩段采用三导坑先墙后拱法施工.中导坑先期施工，开挖过程施工中导坑初期支护以及顶部加强锚杆，中导坑贯通后施作中隔墙基底加固锚杆（Ⅳ级围岩段不设置），浇筑中隔墙，中隔墙浇筑完成40m以上且顶部回填密实具备一定强度后开始侧导坑开挖，中隔墙施工完成侧导开挖前需进行中隔墙侧边回填，回填边选择与主洞开挖一致.侧导坑开挖方向与中导坑一致，另侧侧导开挖待一侧侧导进洞20m时迅速跟进，并始终保持两侧导开挖掌子面间距20m，且中隔墙回填至距先行侧导开挖掌子面距离20m.侧导贯通后，立即施作基地加固锚杆，浇筑二次衬砌基础及矮边墙.［4］

1）三导坑施工

在完成洞口段工程施工后才能进行左、中、右导坑施工，其三导坑施工工序见图2.

图2 三导坑施工工序图

中导坑必须先期施工，中导坑主要施工工艺流程如下：

①中导坑开挖（可采用上下台阶法，如果有超前支护应先期施作）→②施作中导坑初期支护以及顶部加强锚杆→③施作基底加固锚杆→④浇筑中隔墙基础（与基底锚杆同步施作）→⑤浇筑中隔墙墙身→⑥中隔墙侧边回填（回填边选择与主洞开挖一致）.

在完成中隔墙侧边回填后才能进行两侧导坑开挖，侧导坑主要施工工艺流程如下（如围岩为Ⅲ级以上，可不需开挖侧导）：

①侧导坑开挖（可采用上下台阶法）→②施作侧导坑外侧初期支护以及导坑支护→③施作基底加固锚杆→④浇筑侧边二次衬砌基础及矮边墙.

在侧导坑矮边墙部二次衬砌前注意防水板及排水管的铺设，在侧导坑矮边墙部二次衬砌达到设计强度之后才能进行相应地段主洞开挖.

2）三导坑先墙后拱法主洞施工

先期进行开挖的主洞应与中隔墙回填抵抗方向一致，其三导坑先墙后拱法主洞施工工序见图3.

先行施工侧主洞主要施工工序如下：

图3 三导坑先墙后拱法施工主洞工序图

①开挖先行施工侧主洞上半断面（采用弧形开挖法，如果有超前支护应先期施作）→②施作拱部初期支护→③开挖核心土（根据下一步仰拱浇筑长度确定）→④拆除中导坑先行施工侧支护以及先行施工侧导坑内侧支护（根据下一步二次衬砌浇筑长度确定）→⑤浇筑仰拱衬砌→⑥浇筑二次衬砌.

后施工侧主洞主要施工工序如下：

⑦开挖后施工侧主洞上半断面（采用弧形开挖法，如有超前支护应先期施作）→⑧施作拱部初期支护→⑨开挖核心土以及拆除中导坑回填（根据下一步仰拱浇筑长度确定）→⑩拆除中导坑后施工侧支护以及后施工侧导坑内侧支护（根据下一步二次衬砌浇筑长度确定）→[11]浇筑仰拱衬砌→[12]浇筑二次衬砌.

2.2.2 中导坑辅助法施工

隧道Ⅲ级围岩段采用中导坑辅助法施工.中导坑先期施工，其中导坑开挖与支护同三导坑先墙后拱法中的中导坑施工，开挖过程施工中导坑初期支护以及顶部加强锚杆，中导坑贯通后浇筑中隔墙，中隔墙浇筑完成40m以上且顶部回填密实具备一定强度后，先期进行开挖的主洞应与中隔墙回填抵抗方向一致，才能进行相应地段主洞开挖，Ⅲ级围岩主洞开挖采用上下台阶留核心土法开挖，其主洞施工工序见图4.

1）先行施工侧主洞主要施工工序如下：

图4 中导坑辅助施工法施工主洞工序图

①开挖先行施工侧主洞上半断面（采用弧形开挖法，如有超前支护应先期施作）→②施作拱部初期支护→③开挖下导坑→④施作下导坑初期支护及二衬矮边墙→⑤拆除中导坑先行施工侧支护、开挖核心土→⑥浇筑二次衬砌.

2）后施工侧主洞主要施工工序如下：

⑦开挖后施工侧主洞上半断面（采用弧形开挖法，如有超前支护应先期施作）→⑧施作拱部初期支护→⑨开挖下导坑→⑩施作下导坑初期支护及二衬矮边墙→[11]拆除中导坑后施工侧支护、开挖核心土→[12]浇筑二次衬砌.

2.2.3 暗洞段施工注意事项

在公路双连拱隧道的三导坑先墙后拱法施工及中导坑辅助法施工过程中，中隔墙是左、右洞交替施工的主要承载结构，其受力及施工中载荷的转换十分复杂，压、拉、弯、扭、剪均有.因此，保证中隔墙在整个施工过程的稳定是双连拱隧道施工成功的关键.［5］

为保证隧道的开挖安全，连拱隧道两侧主洞开挖掌子面需错开一定的距离，左右主洞不对称开挖，围岩势必形成对中隔墙的偏压，如处理不当中隔墙极易偏移而导致塌方事故，或二衬混凝土因局部拉应力过大而拉裂.为此在连拱隧道主洞开挖施工时，应在滞后隧道洞室一侧对中隔墙侧边底部回填土并夯实，中隔墙侧边腰上部回填C10贫混凝土，中隔墙侧边回填材料随滞后洞室的施工逐段挖除.该中隔墙回填处理不仅在先进隧道施工时对限制中隔墙横向和纵向变形是有效的，更重要的是，回填可以在后进隧道施工时，限制中隔墙再次发生较大的纵向扭曲变形.保证先行隧道支护结构的稳定性，同时避免中隔墙施工时因留有变形缝而出现错台现象.［5］

中隔墙是连拱隧道的主要支承结构，如中隔墙顶部回填混凝土不密实，在隧道正洞开挖施工时，极易造成隧道开挖跨度成倍增大、围岩应力骤增，导致围岩的失稳、垮塌事故，中隔墙顶部回填密实对连拱隧道施工安全至关重要.

隧道开挖打破了岩体原有的平衡状态，围岩应力重新分布，围岩变形协调以达到新的平衡状态.如果连拱隧道左右主洞的开挖错开距离较短，势必引起两侧洞室围岩应力、变形的迭加，影响隧道的施工安全.连拱隧道左右主洞开挖的错开距离，应不小于设计文件的要求，并保证超前洞室的围岩变形基本稳定后方可进行滞后洞室的施工，龙子康隧道设计规定同一端洞口两侧主洞的施工掌子面应滞后20 m以上，时间应滞后20d以上.

二次衬砌到掌子面的间距根据围岩地质情况及隧洞埋深确定，围岩地质越差、隧洞埋深越浅，则间距越短，反之越长，龙子康隧道二次衬砌到掌子面的最大间距（D）作如下规定：对于Ⅴ级围岩地段，埋深H≤20m时，D≤10m；埋深H≥20m时，D≤15 m；对于Ⅳ级围岩地段，埋深H≤20m时，D≤15 m；埋深H≥20m时，D≤20m.对于Ⅲ级围岩地段，D≤35m.

隧道跨度大，施工工艺要求较高，施工中必须坚持“弱爆破、短进尺、强支撑、勤量测”的原则，合理确定施工开挖步骤和循环进尺，避免放大炮.

施工过程中必须加强施工过程中的监控量测工作，以利设计与施工密切配合，及时发现施工过程中出现的问题，使隧道结构安全、合理.

3 监控量测

隧道开挖后，在应力重分布和应力释放的过程中，围岩呈现出各种状态，如位移、性质变化等，特别是双连拱隧道开挖断面大，围岩自稳、成拱能力差，围岩压力大，左右隧道间开挖的相互影响大，支护系统受力复杂.施工中建立严密的监控量测是保证安全的主要手段，同时也是调整施工方法及支护参数的信息来源，所以必须严格按照设计及规范的要求按时进行必要的监控量测并及时进行数据的分析.在本隧道施工过程中，在断面最大跨度和拱腰用精密度收敛仪、位移计、百分表、全站仪、水平仪、塔尺等，由监测小组进行测点埋设，分别进行地质及支护状况观察、水平收敛及拱顶下沉测量、底板下沉测量日常量测工作，根据量测数据绘制净空水平收敛图、拱顶下沉距开挖工作面距离关系图，并对初期时态曲线进行回归分析，通过分析处理计算判断，及时进行地质预报及反馈，为初期支护及二次衬砌提供依据，以保证结构和施工安全.［6］

4 工程效果评价

龙子康双连拱隧道洞口段围岩为全强风化页岩、泥质灰岩，岩体破碎，开挖易坍塌，雨季渗水严重，洞口段采用留核心土环形开挖法及超前管棚支护技术；暗洞Ⅳ、Ⅴ级围岩段为中风化页岩、泥质灰岩、灰岩，岩体破碎，拱顶易坍落，洞室地下水为潮湿或滴状，雨季渗水严重，暗洞Ⅳ、Ⅴ围岩采用三导坑先墙后拱法施工；暗洞Ⅲ级围岩段为为中风化页岩、泥质灰岩、灰岩，岩体较坚硬，岩体较完整，侧壁基本稳定，地下水不甚发育，暗洞Ⅲ级围岩段采用中导坑辅助法施工；针对隧道围岩的不同级别及地质情况，有差别采取不同的开挖与支护技术，保证了龙子康隧道施工始终未发生一起大的塌方和人身伤亡事故，初期支护结构稳定，量测结果显示地表稳定基本无下沉，其它各项指标均未超过基准值，施工质量、安全及进度得到了效控制.

5 结 论

龙子康双连拱隧道施工过程中，针对不同围岩级别及地质情况分别采用三导坑先墙后拱法施工及中导坑辅助法施工，对保证该隧道施工质量、安全及进度取了关键作用，易实现小结构单元的安全稳固，从而保证大结构的安全稳固，充分发挥了围岩的自承能力；超前导洞建立初期支护后，为连拱中隔墙及两侧边墙施作创造了条件，使后续开挖支护建立在稳固的基础上，从而可及早施作二次衬砌，大跨结构稳定问题得以解决，保证了结构及施工安全；采用现场监控量测技术对围岩－支护体系的稳定状态进行监控和预测及灵活的支护手段，能有效的确保洞室周边岩体及支护结构的安全；三导坑先墙后拱法施工及中导坑辅助法施工，其中导坑可以起到超前地质预报的作用，导洞贯通后对洞内通风降尘十分有利，明显改善作业环境.

［1］ 钱升东.公路隧道施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2003：20－21.

［2］ 徐烽峰，李海波.长管棚在双连拱隧道洞口施工中的应用 ［J］.安徽建筑，2007，（1）：24－25.

［3］ 任尚强.六车道复合式中墙连拱隧道施工方法探讨［J］.地下空间与工程学报，2010，6（2）：356－357.

［4］ 曹信红，王杰先.公路双线连拱隧道施工技术研究及应用［J］.施工技术，2005，34（6）：1－2.

［5］ 夏永旭，王文正，胡庆安.公路双连拱隧道施工过程中中隔墙的变形及稳定性［J］.中国公路学报，2007，20（5）：84－87.

［6］ 黄成光.隧道工程［M］.北京：人民交通出版社，2008：143－169.