四车道大跨度公路隧道施工工法

GGG(中企)D1139--2009

中铁二十一局集团有限公司

马建军卫永毅陈向军陈德国刘涛

1．前言

深圳市雅宝隧道是国内第一座分离式双向八车道、矢跨比最小（0.4185～0.4146）的公路隧道，隧道穿越Ⅱ、Ⅲ类围岩段153.5m，原设计采用双侧壁导坑法施工，设计工期9个月。雅宝隧道设计推荐的开挖施工方法是双侧壁法，但该工法工序复杂，对围岩扰动的次数多，施工速度慢，无法进行大型机械化施工，工期长，造价大。中铁二十一局集团针对四车道公路隧道施工进行了科技攻关，在Ⅱ、Ⅲ类围岩段采用台阶法施工，形成了“四车道大跨度公路隧道施工技术”科技成果，于2008年5月通过了甘肃省科技成果鉴定，达到国内领先水平，并获得了2008年度中国铁道建筑总公司科技成果三等奖。该项技术经进一步完善总结形成本工法。

2．工法特点

2.1隧道作业空间大，工序可平行作业，施工干扰小，便于大型机械化联合施工，施工速度快。

2.2Ⅱ类（Ⅴ级）软弱围岩段采用I20b工字钢进行竖向临时支撑，施工安全、简便，同时材料可周转使用。

3．适用范围

本工法适用于Ⅱ类（Ⅴ级）及以下围岩条件下四车道公路、铁路隧道等地下结构工程施工。4．工艺原理

施工充分利用新奥法施工原理，应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，以监控量测为手段，通过对工程地质资料的详细分析，在Ⅱ、Ⅲ类（Ⅴ级、Ⅳ级）围岩段采用分部台阶法工艺施工，辅助措施采用型钢竖向支撑加固，重点通过对围岩和支护的监控量测结果来指导隧道工程施工，确保施工安全。

5．施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

施工准备→洞口浅埋段施工→进洞上台阶开挖、支护→监控量测→下台阶交错开挖、支护→仰拱开挖、支护→衬砌结构防排水施工→明洞及衬砌钢筋混凝土施工。

5.2操作要点

5.2.1洞口浅埋段施工

1、完善洞口施工防排水系统。

施工前做好地表情况调查，完善施工范围内地表防排水系统，特别是对顶部及两侧的冲沟进行疏导引流，减少地表水对隧道周边岩体的侵蚀。

2、洞口边、仰坡防护

洞口端一般存在浅埋、堆积、偏压等不良地质，施工前进行清理、锚喷网防护、管棚超前支护。

3、洞口浅埋段施工

在洞口Ⅲ类围岩段进洞施工时采用ф50×5mm小导管超前支护；在土质或全、强风化的Ⅱ类围岩段进洞施工时采用ф127×8mm大管棚超前支护，管棚内安装钢筋笼，增加管棚刚度。

4、施工套拱及进洞施工。

施工套拱作用是预防洞顶落石，确保进洞安全，套拱施工长度2m。在套拱的防护下进行隧道洞身开挖施工。

5.2.2洞身开挖及支护

隧道洞身采用台阶法开挖进洞，首先通过超前地质预报进行掌子面前方岩体的施工性能进行判别，及时调整实施超前支护方案。因为开挖断面宽度大，对施工安全监测要求高。

1、超前地质预报

根据超前地质预报起作用的时间和控制隧道的长度，分为长远期、中近期和临近期。在施工期间必须熟悉和掌握前期地质工作的成果，包括地质报告、试验数据、地质剖面图等，采用多种方法综合判断验证。如在隧道围岩变化较大、出现异常或地质情况不是很明确的地段施工超前地质钻孔取样，钻深10～30m，以探明围岩变化，使工程措施紧跟地质变化；在临近开挖面前一两个循环内的地质情况，采用超前炮孔（每一断面5～10个）工程地质综合分析法，推测前方3～5m范围内的地质情况，简单有效，不需另外增加投入，费时短。大跨度隧道超前地质预报的内容主要考虑有：1）对照勘测阶段的地质资料，预报地质条件的变化情况对施工的影响程度。

2）可能出现塌方、滑动影响时，预报其部位、形式、规模以及发展趋势，提出处理措施。

3）隧道穿越不稳定地层、断层时，需采取应急措施的预报。

4）预报可能存在的突然涌水地点、涌水量大小、地下水中泥沙含量以及对施工的影响。

5）岩体突然开裂或原有裂缝逐渐加宽时，预报其危害程度。

6）在洞口可能出现的滑坡、坠石情况的预报。

7）隧道浅埋段地面出现下沉或裂缝时，预报其对隧道稳定性和施工的影响程度。

8）根据围岩地质特性，推断开挖施工面前方一定范围内的地质特征，进行地质预报，防范不良地质或产生地质突变。

9）在隧道开挖后根据隧道围岩状况填写围岩地质记录，并对围岩岩性、岩体结构和完整程度进行判定，推测施工面前方围岩稳定性。

2、超前支护

开挖放样后，利用钢架进行超前导管定向。沿开挖轮廓线外缘进行超前导管支护，导管的尾部与钢架焊接牢固。采用注浆机进行导管超前预注浆固结。

3、洞身上台阶开挖

根据测量放样，在对隧道周边围岩超前加固后，进行隧道上台阶开挖。上台阶开挖高度控制在7m左右，一是便于工人支护施工操作，二是便于大型机械化出碴作业施工。Ⅳ类围岩段循环进尺控制在2.5～3.5m，Ⅲ类围岩段开挖循环进尺控制在1.5～2.0m，Ⅱ类围岩段采用弱爆破与挖掘机相结合的开挖方式开挖（浅埋段必要时预留核心土），人工风镐修整开挖轮廓面，循环进尺控制在0.5～1.2m。机械钻孔，光面爆破。为减小爆破对围岩的振动，使周边眼爆破时有较好的临空面，掏槽眼、辅助掏槽眼、底眼、辅助周边眼、周边眼导爆管采用跳段或加大雷管段别的方法，即采用1段5段9段13段17段或2段6段10段14段18段的布设方式。开挖后及时进行型钢架、超前导管、锚杆、钢筋网、喷射混凝土等联合支护。

4、洞身下台阶开挖

当上台阶开挖超前30m并且支护稳定以后，再进行下台阶开挖施工。下台阶开挖长度根据围岩类别Ⅲ类控制在3～5m之间，Ⅱ类控制在2～3m之间；开挖宽度根据施工调整一般取7～10m。在Ⅱ类围岩段下导开挖时上台阶支护底脚边墙处预留宽度不小于1m；进行超前支护后采用挖掘机配合人工修整至设计位置，要避免单侧5榀以上钢架同时悬空，钢架及时接至底脚，施工锚杆、钢筋网，及时进行喷射混凝土支护。下导坑左右交错开挖施工长度可根据施工情况具体调整，一般可控制在15～20m之间。

5、隧道支护

隧道初期支护是由中空锚杆、钢筋网片、型钢架和喷射混凝土支护等联合组成的一种受力结构。在洞口加强段辅助ф127×8mm大管棚超前支护、ф50×5mm管棚超前支护以加强围岩受力，确保隧道洞室开挖稳定。在隧道断面开挖后，及时进行通风、排危和断面超欠挖检查处理。围岩支护参数见表5.2.2-1～4，工艺流程图见图5.2.2-1。

表5.2.2-1 Ⅳ类围岩支护参数

表5.2.2-2 Ⅲ类围岩支护参数

表5.2.2-3 Ⅱ类围岩支护参数

表5.2.2-4 洞口加强段支护参数表

1）初期支护紧跟开挖面，使围岩与锚喷网及时联合成受力体系，共同受力。

2）锚杆钻孔本身应成直线，不应弯曲。方向沿隧道周边径向，并根据岩层节理、产状予以调整，不能平行于岩面。

3)小导管架立钻孔时应精确核定孔位，保证钻机钻杆线与导管设计线吻合，钻机在钻孔时不能产生偏移和倾斜。导管的尾部与钢架焊接牢固。

4)钢筋网按照设计和规范要求进行预制加工（100cm×100m、200cm×200m）、现场安装，并使钢筋网紧贴初次喷射混凝土面（岩面）。钢筋网的交接点采用梅花形间隔点焊，利用外露中空锚杆进行固定，个别部位采用架设适当的Φ25钢筋头（锚固剂锚固）固定牢固，使钢筋网在喷射混凝土时不至于晃动。

5)安设前进行断面尺寸检查，及时处理欠挖侵入净空部分，保证钢架正确安设，钢架外侧有不小于5cm的喷射混凝土。安设拱脚或墙脚前，清除垫板下的虚碴，将钢架置于原状岩石上。在软弱地段，采用拱脚下垫钢板的方法。钢架与封闭混凝土之间紧贴，在安设过程中，当钢架与围岩之间有较大间隙时安设垫块，垫块数量大于10个，两排钢架间沿环向每隔1m用Ф22的纵向钢筋焊接，形成纵向连接系。拱脚高度不够高设置钢板调整，拱脚高度低于上半断面底线以下10cm。拱脚每边打两根Ф25长1.5m的锁脚锚杆，利于下部开挖时初期支护的稳定。

6）喷射混凝土前对原材料、机械设备进行检查，检查受喷岩面，清除危岩浮土和欠挖部位，冲洗吹扫岩面，埋设厚度标志。边墙部分为自下而上，从左到右或从右到左，分段分片进行，并注意呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按顺序进行，旋转半径一般为15cm，每次蛇行长度为3～4m。在拱部拱脚至拱腰处，自下而上，拱腰至拱顶由里向外喷射砼。当岩层松软易坍方时，喷射作业应紧跟作业面，初喷应先拱后墙，复喷应先墙后拱，喷射砼时，其喷射砼速度不宜太慢或太快，适时加以调整。钢架与围岩之间的间隙采用由两侧拱脚向上喷射密实。

6、仰拱支护

根据设计要求，隧道Ⅲ型衬砌段仰拱支护采用钢纤维喷射混凝土环向封闭支护，Ⅱ型衬砌段仰拱支护采用钢架（与拱墙部分设置要求相同）、钢纤维喷射混凝土联合支护，以加强围岩整体受力。因此，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开挖、安装钢架、喷射钢纤维支护，使初期支护封闭成环，以尽早发挥围岩的自承能力，构成稳固的初期支护体系，缩短二次应力重分部的时间。施工仰拱混凝土后，为洞内施工运输创造良好的作业环境。

7、临时支护

在Ⅱ类软弱围岩段，当初期支护施工结束后围岩变形接近规定值但仍无减缓趋势或混凝土表面已有明显开裂时，必须进行临时支护。临时支护采用I20b工字钢竖向支撑。工字钢纵向间距1.5m，采用角钢连接，形成一面受力的墙体，以承受围岩变形压力。工字钢底部采用纵梁支垫，以增大支撑体系的受力效果。由于断面大，可以根据现场情况采用中间支撑或两侧拱腰支撑。同时在围岩变化部位进行小导管注浆固结，并检查注浆效果。注浆导管深度与支护锚杆一致。待围岩稳定后再撤

去临时支撑。具体施工图5.2.2-2所示：

5.2.3施工监控量测

在施工中通过围岩变形量测、三维弹塑性有限元模拟分析，对隧道变形进行系统研究验证，适时调整支护措施，保证施工安全。

1、三维弹塑性有限元模拟分析

根据相似模型和三维弹塑性有限元分析，预测各种施工方法的下隧道变形和受力状态分析，优化施工参数，及时采取相应的施工措施。

2、围岩应力应变测试

包括在初期支护与围岩之间径向接触压力（钢架与岩面之间设置）、围岩内部应力测试。Ⅲ类围岩段1处，Ⅱ类围岩段2处，每断面五个测试点。

3、围岩变形监测量测

包括拱顶下沉量测、围岩周边收敛量测、地表沉降量测、支护结构观察和掌子面地质素描等。详见表5.2.3。

表5.2.3 隧道监控量测汇总表

由于四车道隧道开挖断面大，净空变化量测断面布设间距除按规范要求的数值减半外，还需具体结合围岩类别、埋置深度等具体情况确定。在雅宝隧道施工中采取的参数为：Ⅳ类围岩段每20m 设置一个断面；Ⅲ类围岩段每10m 设置一个断面；Ⅱ类围岩段每5m 设置一个断面。一般围岩地段每一台阶一条测线，每断面设2条测线；软岩地段上台阶设置三条测线，下台阶设置一条测线。

2）拱顶下沉量测

拱顶下沉量测与净空收敛量测在同一断面内进行，测点设于拱顶顶部，用精密水准仪、悬挂铟钢尺测定其下沉量。当测点下沉量较大或存在较大偏差时，可在拱腰增设测点，作为辅助控制量测。水准点设在稳固的基岩上。

3）地表下沉量测

地表沉降点布设在隧道轴线上方的地表中，原则上尽量与净空变化和拱顶下沉量测的测点布置

图5.2.2-2 临时支护

I20b 临时钢支撑

下台阶

在同一断面内，同时在主测点横向上也布设必要的测点。水准基点应布设在隧道施工影响范围以外且不易扰动的地方，并且便于观测使用。

地表下沉量测点横向间隔取2～10m。在一个量测断面内设7～11个测点，测点布置时洞身中线附近较密，两侧渐稀。测点用长20～30cm的钢筋制成，埋设钢筋外露端头刻画十字，钢筋周围以砼包裹，布设牢固、不移位，且易于识别。

表5.2.4 地表下降量测断面间距

在每一开挖施工循环结束后，及时进行现场观察并做以详细记录，预报其对隧道稳定性和施工的影响程度。

5）量测频率和量测时间

净空变化量测和拱顶下沉量测的测试频率，主要根据位移和测点距开挖面的距离进行确定，一般按表5.2.5选定。即元件埋设的初期测试频率每天观测1～2次，随着围岩逐渐趋于稳定，量测次数可以减少；当出现围岩不稳定征兆时，要加大量测次数。

表5.2.5 净空变化量测和拱顶下沉量测的量测频率

较高者。当位移趋于一定值时，可不采用以上参数。

量测开始时间：一般要能够保证在爆破后24小时内、下一次爆破前测读初次读数。以获得位移开挖初始阶段的变形动态数据。

量测结束时间：当位移达到基本稳定后，以3日一次的频率测量2周，若无明显变形，则可以结束量测。

6）数据分析与反馈

数据处理：根据现场观察和监控量测结果，绘制净空收敛、拱顶下沉时间—位移曲线，分析判断围岩压力变化趋势。

信息反馈：在施工监控过程中，及时对所得数据分析、处理，以判断支护结构的稳定性和施工过程的安全性，并将所得的结果及时反馈于施工过程中，达到指导施工的目的。

5.2.4结构防排水施工

结构防排水系统主要包括单壁打孔波纹管、防水板及无纺布防水层、衬砌施工缝（沉降缝）止水带以及隧道二次衬砌自防水等。在上下导坑施工结束后，防水板采用环向整体一次无钉铺设成型，确保施工质量。

6．材料与设备

6.1本工法无特别需要说明的材料。

6.2机具设备见表6.2 。

表6.2 机具设备表

7.1工程质量控制标准

隧道施工质量执行《公路隧道施工技术规范》、《钢筋混凝土施工及验收规范》、《公路隧道工程质量验收评定标准》(JTGF80/1-2004)。

7.2质量保证措施

7.2.1实施GB/T19001-2000—ISO9001：2000标准质量管理体系，建立健全质量保证体系和全面质量管理体系。严格奖惩制度管理。

7.2.2强化技术管理、大力开展科技攻关，优化方案，对重点关键性工艺组织开展QC小组活动，进行专项技术攻关。

7.2.3加强施工过程的质量监控，严格“三检”制度，把好材料进场关、检验关、使用关，把好工序质量关。

7.2.4严格控制欠挖。当石质坚硬完整，并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别凸出部分（1m2不大于0.1 m2）突入衬砌断面，锚喷支护时突入不大于3cm，衬砌时不大于5cm，拱脚、墙脚以上1m内严禁欠挖。开挖轮廓圆顺，开挖断面的中线高程符合设计要求。

7.2.5严格控制钢纤维喷射混凝土的原材料质量，拌制时严格按照配合比计量，均匀掺放，缩短存放时间，随拌随用。

7.2.6当钢纤维喷射混凝土有表面有裂缝、脱落、露筋、渗漏水等情况时，应及时修补凿除喷层重新喷射或进行整治。

7.2.7上台阶钢架支护安装锁脚锚杆必须设置牢固；在开挖下台阶时，严格控制开挖进尺，避免多榀钢架底脚同时悬空或同一榀钢架两侧底脚同时悬空。

7.2.8根据量测数据及时调整预留变形量和设置临时支护。一个量测断面的量测信息结果只适用于该断面前后不大于5m范围同类围岩地段的施工指导。长段落进行设计参数修正时，必须以不少