公路工程中隧道施工关键技术及措施研究

杨基

摘 要：该文以作者参与某高速公路隧道工程为研究对象，该隧道穿越沟谷浅埋段实际施工为例，论文首先探讨了施工方案的选择，进而分析了浅埋地段隧道的施工工艺及关键施工工序，最后做了施工总结，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：隧道 穿越 浅埋 施工技术

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0055-02

某隧道全长4928m，起讫里程DK140+198～DK145+126，为单线隧道，设计时速160km/h。

DK144+433～DK144+502段为沟谷浅埋段，覆盖层厚5～7m，沟内常年流水，水量较大，沟水流量一般在13 000～15 000m3/d。地表有公路通过，居民房屋集中。见图1浅埋段纵断面图。该段地层岩性主要为粗圆砾土，松散且胶结性差。洞身受地表水的补给，地下水发育，为中等富水区。原设计地表采用φ70钻孔进行注浆加固，洞身采用φ60中管棚超前支护，预注水泥-水玻璃双液浆，全环设置工16型钢钢架，间距0.8m/榀。

1 施工方案选择

DK144+433～DK144+502浅埋段原设计要求在隧道开挖前对地表进行注浆加固并防水，注浆范围为线路左右侧各15m，深度达到土石分界下1m，注浆完毕后采用M10水泥砂浆封孔，并恢复原地貌。但实际施工中，由于地表居民阻挠，地表加固方案无法实施。在此情况下，经建设四方对现场踏勘并多次经济技术方案比选论证后，确定通过加强隧道支护参数来实现隧道的安全施工。

（1）开挖至DK144+507里程前，通过与地表居民协商，对其临时搬迁补偿，并对地表及村民房屋实施监测。（2）通过结构计算，将原设计φ60中管棚变更为φ108大管棚，并加密钢架间距为0.6m/榀。

2 技术措施

2.1 结构受力分析检算

（1）荷载计算。

该段为浅埋隧道，地面基本水平，所受的荷载具有对称性，垂直压力按①式计算，水平压力按②式计算：

式中：B-隧道跨度（m）；

γ-围岩重度（kN/m3）

θ-顶板土柱两侧摩擦角（°）

h-洞顶地面高度（m）

λ-侧压力系数

φ-围岩计算摩擦角（°）

β-产生最大推力时的破裂角（°）

ei=γhiλ ②

式中：hi-内外侧任一点至地面的距离（m）

（2）结构计算。

结构受力分析采用荷载-结构模型、平面杆系有限元位移法，根据围岩级别、地形地质条件，以破损阶段理论为基础进行结构计算，并结合工程类比与施工条件的因素，综合分析确定设计参数。

2.2 洞内大管棚、小导管施作

洞身拱部设φ108大管棚，环向间距40cm，L=30m，打设角度向上倾斜3°～5°，纵向搭接3～5m，每环20根。为便于洞内大管棚施作，提前扩挖洞内大管棚工作室，如图1。开挖前在加工厂提前制作好I16型钢钢架，钢架比正常断面扩大60～70cm，洞室纵向长度6～8m。洞室施工完毕后安装正常断面的钢拱架，并焊接导向管。由于浅埋段围岩为砂砾石、卵石，施工中采用偏心锚杆钻机跟管施作φ108（外径）×6mm（壁厚）大管棚，解决了一般的管棚钻机打好孔后再插入钢管时塌孔难以插入的难题。大管棚施做完毕后，相邻两管之间由于局部注浆不密实，出现掉块现象时，在大管棚相邻两管之间增加φ42超前小导管，L=4m，打设角度向上倾斜3°～5°，纵向搭接1.2m，同时注水泥-水玻璃双液浆加固地层。

2.3 四台阶九步开挖法

四台阶九步开挖法是以三台阶七步开挖法为基本模式，将三台阶七步开挖法中的上台阶再分为两个台阶，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。即先采用大管棚（超前小导管）护顶，将隧道断面分为四个台阶分步开挖，仰拱紧跟下台阶并及时闭合成环。采用该法施工时，在各台阶形成一定的步距，而且同一台阶左右工作面形成相互错开后，即可在各工作面按每循环进尺进行平行流水作业。施工时每循环进尺按1榀钢架间距控制，各台阶步距控制在3m～5m，同一台阶左右工作面错开不少于2榀钢架。四台阶九步开挖法施工工序见图2。

施工控制要点：①加强对技术及施工人员的培训，提高全体参建人员的安全、质量意识，坚持“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，确保施工安全。②隧道开挖中，应在每次开挖后及时观察、描述围岩裂隙结构状况、岩体软硬程度、出水量大小，核对设计情况，判断围岩的稳定性。根据地质情况及时调整施工方法、开挖进尺，杜绝盲目冒进。③开挖作业时，应根据岩体稳定状态合理确定中部拉槽长度及宽度，防止边墙位移，引发塌方事故。在围岩稳定性较好时，应及时取消核心土，以便提高上导光爆效果，减少超欠挖，加快施工进度。④边墙马口严禁对称开挖，一般错开距离不宜小于2榀钢架间距。⑤控制好各台阶长度，各台阶步距一般以3～5m为宜，便于机械操作，尤其是节省上台阶挖掘机的扒碴时间，进而加快施工进度。⑥每循环进行测量放样检查，及时调整爆破参数，严格控制超欠挖，要求平均线性超挖不大于10cm，最大超挖不大于15cm。⑦在挖掘机扒碴过程中注意不得碰撞已施工好的初期支护，防止引发塌方事故。⑧注意各工序均衡生产，紧跟仰拱和二衬。

2.4 规范监控量测

现场监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善设计与指导施工提供可靠的足够的数据。针对庙子沟浅埋段地质及地表情况，监控量测采用地表量测与洞内量测相结合的方式进行。

（1）洞内外观察。

①洞内外观察分开挖工作面观察和已施工区段观察两部分，开挖工作面观察在每次开挖后进行，观察内容包括节理裂隙发育情况、工作面稳定状态、涌水情况等，当地质情况基本无变化时，可每天进行一次，观察后及时记录填写开挖面地质描述。②在观察过程中如发现地质条件恶化，初期支护发生异常，应立即采取相应应急措施，并进行不间断观察。③对已经施工区段的观察，每天至少进行一次，观察内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状况，以及施工质量是否符合规定要求。④洞外观察包括洞口地表情况、地表沉陷、边仰坡的稳定、地表水渗透观察等内容。

（2）拱顶下沉及周边收敛量测。

拱顶下沉及周边收敛量测在同一断面进行，并采用相同的量测频率，具体断面布置间距见表1，量测频率从表2中根据变形速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率。

（3）地表下沉量测。

地表测点与洞内水平净空变化和拱顶下沉在同一横断面位置布设观测点，进行地表下沉监控量测，量测断面的间距按下表10m布置。横断面方向地表下沉量测的测点间隔取2～5m，隧道中线附近测点适当加密，隧道中线两侧量测范围不小于H+B。地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到衬砌结构封闭，下沉基本停止为止。地表下沉量测的频率和拱顶下沉和水平相对净空变化的量测频率相同。

（4）测点布置。

净空变化，拱顶下沉和地表下沉设置在同一断面。洞内周边收敛量测、拱部下沉根据浅埋段开挖方法设置4条水平测线。

（5）监测资料整理、数据分析及反馈。

现场量测所取得的原始数据，不可避免的会具有一定的离散性，其中包含着测量误差。因此，应对所测数据进行一定的数学处理。数学处理的目的是：将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果反馈给现场施工人员。

2.5 防排水施工

在二次衬砌前，对初支面残留水进行处理，降低地下水对二次衬砌的压力和侵蚀。由于地表水及地下水发育，初期支护完成后喷射混凝土面有大量渗水、流水、股状水射出，在铺挂防水材料前，先将集中出水点用铁皮制作的半圆管引流到设计盲管出口位置，再用砂浆抹平。针对该段出水量较大，环向盲管间距较设计6m一环加密为2m一环。防水板采用热熔垫圈焊接铺挂，搭接不得少于15cm，双焊缝，每条焊缝不小于15mm。严格保证防水板无焦焊、假焊、焊穿等现象，施做二衬钢筋时要严防钢筋头刺穿防水板。中埋式橡胶止水带要严格按设计施作，采用钢筋卡固定牢固。二衬混凝土严格按配合比施工，加强振捣，确保起到防水作用。

3 施工总结

通过以上的施工技术措施，该隧道安全穿越了DK144+433～DK144+502沟谷浅埋段。

（1）通过方案优化，取消了原设计地表加固措施，克服了外部环境对施工的影响，达到了35m/月的施工进度。（2）采用先进的管棚钻进工艺，两台钻机同时工作，每天可完成60m管棚施工任务。（3）针对该段地层较为破碎的特点，施工中将三台阶七步法改为四台阶九步法开挖，确保了施工安全。（4）由于沟谷段地表水下渗，要求管棚注浆及防排水施工质量要严格按设计施工，该段二衬施工后未出现明显的渗漏水现象，取得了较好的效果。（5）通过严密的监测及对地表房屋的监控，地表房屋未见开裂下沉现象，为今后类似工程施工提供了思路和参考。

参考文献

[1] 王伟锋，毕俊丽.软岩浅埋隧道施工工法比选[J].岩土力学，2007（S1）.

[2] 汤劲松，刘松玉，童立元，等.破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究[J].岩土力学，2007（S1）.

[3] 丁维利.大断面黄土隧道二台阶四步开挖施工技术[J].铁道标准设计，2007（S1）.