三车道大跨隧道浅埋土质地层段施工技术

贾晓刚

摘要：结合重庆外环高速公路北段施家梁隧道工程实际情况浅述大跨隧道洞口浅埋土质段施工。隧道最大开挖宽度17.82m，施工采用超前大管棚、地表注浆、台阶法、短进尺、弱爆破等具体措施，保证施工安全、质量的同时，快速掘进。

关键词：施家梁隧道 大跨度 浅埋土质段 管棚施工 台阶法施工

0 引言

施家梁隧道位于北碚区施家梁镇境内，是重庆外环高速公路北段项目的重点控制性工程之一，也是我国在建的最长的三车道大跨隧道。本文结合施家梁隧道进口端施工过程中采用的一些施工方法和技术参数来浅谈大跨度隧道在洞口浅埋土质地层段的施工技术方法。

1 工程概况及特点

施家梁隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线（LK43+107～LK47+410）全长4303m，右线（LK43+103～LK47+370.5）全长4267.5m。隧道地质结构复杂，围岩破碎，Ⅳ、Ⅴ级围岩占67.5%；进口浅埋段地层表面覆盖第四系全新统崩坡积层、残坡积层粘土，下伏岩层主要为泥岩、粉砂质泥岩。隧址区由于地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，故地下水动态变化同大气降水密切相关，随降雨量的变化而变化。左右线之间有一冲沟，每当暴雨发生，地表排水通畅，山洪暴发时消涨亦快。隧道最大开挖宽度17.82m，最大开挖高度12.47m（含仰拱），最大开挖断面177.1m²。

设计荷载为公路—Ⅰ级，计算行车速度100km/h；建筑限界宽14.5m，高5.0m。隧道衬砌内轮廓为三心圆曲墙结构，内净空面积100.69m²。隧道衬砌支护采用复合式衬砌，初期支护以锚、网、喷为主，并辅以超前小导管/超前锚杆及钢支撑支护，二次衬砌为模筑混凝土（钢筋混凝土）。左线设计路堑式明洞70m，右线18m。暗洞施工时首先采用50mφ127mm超前大管棚预支护作为施工辅助措施。

2 浅埋土质地层段施工方案

2.1 基本原则

2.1.1 短进尺掘进：在隧道进口浅埋软弱地段，人工配合挖掘机严格按短进尺开挖，局部坚石采用弱爆破掘进。

2.1.2 初期支护紧跟：尤其在软弱围岩段，地压增长快，自稳时间短。锚、网、喷及钢支撑架设工作在爆破、排险后马上施作，基本与出碴同时或交错进行，尤其在地层破碎或构造带地段更要紧跟，以保证围岩稳定。

2.1.3 为维护开挖周边稳定，开挖必须形成平顺的开挖轮廓，不但对维护围岩稳定有利，也为后续工序创造良好条件，同时有效地控制超欠挖，也是提高企业经济效益的有效途径。

2.1.4 仰拱紧跟：根据本隧道地质情况，拱、墙部初期支护形成之后要尽早施设仰拱，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，并为二衬施工的模板台车轨道铺设提供条件，同时仰拱及早铺设也为洞内运输提供便利。一般仰拱与正面下部开挖面保持距离为40～50m左右，以保证开挖、装碴机具活动场地。

2.1.5 及时施作二次衬砌：二衬不能紧跟初期支护。初期支护设置后，仍需对围岩及初期支护变形进行不间断量测。如围岩及初期支护变形仍在急剧增长，则需补强初期支护，不能用加厚二衬的办法作为结构加强手段；直到围岩及初期支护变形基本稳定时（收敛小于0.1～0.2mm/d及拱顶下沉小于0.07～0.15mm/d时）则可施作二衬。但在Ⅴ级围岩段，当变形得不到有效控制的情况下，应迅速施做二次衬砌，然后再进行长期检测、观察。

2.2 施工方案简述 施家梁隧道明洞段在拉槽开挖的同时对边仰坡进行支护，暗洞段在超前大管棚支护下短进尺掘进。隧道进洞采用上下台阶法，上台阶预留核心土施工，开挖后及时进行初期支护封闭岩面。开挖支护过程中重点进行隧道的周边位移、拱顶下沉等量侧项目的工作，根据量测数据，及时调整施工方案，必要时上半断面设临时仰拱。上半断面开挖约10~15m后，开挖下部。在施工过程中隧道防坍塌问题是本工程在洞口段的最大施工控制重点。

3 关键施工技术

3.1 洞口土石方施工 首先施工洞口边仰坡顶的截水沟，开挖过程避开雨天进行。采用挖掘机开挖，孤石和挖掘机挖不动的岩石，采用小型控制爆破，装载机或挖掘机装碴，自卸汽车运输。洞口段边仰坡开挖严格按设计控制坡度，松软地层开挖时从上至下，随挖随防护，随时监测、检查山坡稳定情况。边仰坡上浮石、危石要清除，坡面凹凸不平处予以修整平顺。

明洞段根据洞口地形地质条件分为明挖段和暗挖段。明挖段采用拉槽开挖，临时边坡随挖随支护，支护参数为：普通砂浆锚杆长3.5m，按1.5×1.5m间距梅花型布置，Φ6.5钢筋网网孔间距0.25m，C20喷射混凝土厚8cm。开挖到暗挖段时要求预留核心土体，待洞口超前支护、暗挖段附加套拱施工完成后再开挖进洞。

3.2 超前大管棚施工 超前大管棚作为洞口浅埋加强段的辅助施工措施，它通过管棚和注浆来稳固地层，防止隧道开挖爆破时造成拱部坍塌。

施家梁隧道超前大管棚支护一环长50m，采用外径φ127 mm，壁厚的4.5mm的热轧无缝钢管，钢管前段呈锥形，尾部焊接φ10mm加劲箍，管壁四周钻2排φ20mm压浆孔。管棚的环向布置间距为35cm，共布置55根，外插角1～2度，在拱部120度范围内布置。

管棚支护参数见下图：

3.2.1 混凝土套拱施工 套拱即导拱，主要是起到管棚支撑及导向作用。套拱由五榀钢拱架、55根2m长的Φ150×4mm导向钢管及厚80cm、长2m的 C25混凝土护拱组成。管棚导向管安装时，考虑到隧道圆曲线半径及50m长度，外插角控制在1.5°。每根导向管安装时均采用水平尺及仪器测量检测，以保证钻机钻孔时不侵入隧道开挖净空，并能很好地起到超前支护的作用。架立钢拱架，在钢拱架背部焊接2m长的Φ150×4mm导向钢管后，安装模板，浇注C25混凝土护拱。

3.2.2 管棚钻孔及钢管施工 ①钻孔：在套拱完成并养护3天后开始钻孔，采用两台MGJ-50水平地质钻机从套拱两侧底部开始施钻，并把每孔标号，方便施工时记录每孔的成孔时间、顶管时间及注浆量，以保证超前管棚的施工质量。在钻孔施工时为了确保钻杆接头有足够的强度、刚度和韧性，钻杆联接套应与钻杆同材质，两端加工成内螺扣（钻杆首尾端外螺扣），联接套的最小壁厚≥10mm。防止钻杆在推力和振动力的双重作用下，上下颤动，导致钻孔不直，钻孔时，把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移；钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换以确保正常作业。钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。同时详细记录前方的地质岩层情况。

②顶管：利用改装后钻机的冲击和推力，将安有工作管头的棚管沿引导孔钻进，接长棚管，直至孔底。管棚采用Φ127mm无缝钢管，管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。事先加工好的管节联接套，要预先焊接在每节钢管两端，便于联接。第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂。相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。将钢管安放在大臂上后，凿岩机要对已钻好的导向孔，低速推进钢管，其冲击压力控制在18－22Mpa，推进压力控制在4.0－6.0Mpa。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30-40cm时，开动凿岩机反转，使顶进联接套与钢管脱离，凿岩机退回原位，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，凿岩机缓慢低速前进对准第一节钢管端部（严格控制角度），人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。

顶进钢管后即可安设加工好的钢筋笼，起到管棚补强的作用。

3.2.3 管棚注浆 钢管及钢筋笼安装后即封堵管口，留注浆孔、止回阀及止浆塞，即可进行注浆。根据地质条件、围岩特性及注浆目的的不同，注浆材料一般分为两类：第一类为注水泥砂浆，其主要作用为增强钢管强度；第二类为注水泥浆或水泥-水玻璃双液浆等化学浆液，其主要作用为：①浆液通常超前压注到岩体裂隙中经过物力化学作用，即能将破碎围岩或松散颗粒在短时间内胶结成整体，起到超前预支护作用，为隧道开挖施工安全提供保障，又能增强围岩的整体稳定性；②浆液填充岩体空隙，凝结固化后，阻隔了地下水或雨水向隧道内的渗入，起到了堵水防水的作用。

注浆前对管棚套拱周围的地表进行8～10cm厚的喷射混凝土封闭，防止浆液从岩面裂隙中反渗。浆液通过过滤网用HVF-50注浆机进行注浆，首先从无渗水孔进行，然后再注有渗水孔。严格控制注浆压力，既要有足够的注浆压力来克服岩（土）内天然水压力和地层裂隙阻力才能使浆液充分扩散填充，达到加固堵水的作用；也不能压力太大而压裂开挖面。配制的浆液要在规定时间内用完，同时严格记录注浆机吸管头容器内的原有浆液体积、中间加入的浆液体积、剩余浆液的体积，把握总体注浆量。

3.3 地表注浆 注浆法是利用压力将能固化的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力学性能得到改善的一种方法。注浆法出现于19世纪初的法国，我国的注浆技术研究起步较晚，20世纪50年代以前所做工作很少，50年代开始初步掌握注浆技术。在隧道工程中，地表注浆主要应用于围岩地质条件差、偏压、洞口及浅埋层土体的固结、加固洞周围岩，来维护土体在施工过程稳定，改善隧道成洞条件。

施家梁隧道右线进口处于土层中，且右侧边坡处于一崩坡积层滑坡体上，开挖跨度大，成洞困难，为预防隧道拱部上方出现拉应力而坍塌，多方研究决定采用地表预注浆技术对隧道周围地层进行加固，以保证施工安全。地面预注浆加固范围如下图：

隧道开挖轮廓线以外的注浆管采用外径Φ108mm，壁厚4.5mm的热轧无缝钢管加工制成，开挖轮廓线以内注浆管采用外径Φ42mm壁厚4.5mm的热轧无缝钢管制成，前端加工成锥形，垂直打入地层。水泥浆液采用P.O32.5水泥制作，水灰比采用W/C=1.0，注浆压力控制在0.7～1.0MPa之间；通过钢管周围的Φ20mm的注浆孔扩散至围岩层；注浆工艺同大管棚注浆施工。

3.4 暗洞开挖及支护 在超前大管棚及地表注浆达到设计强度后进行暗洞段的开挖、支护。在无较大构造影响的一般地段，根据超前地质预报确定的前方围岩软弱破碎程度，施工中及时调整开挖断面及支护措施。在进口浅埋段均为Ⅴ级围岩土质地段，为适应钻孔台车掘进需要并缩短作业循环时间，采用大半断面短台阶并预留核心土法施工的掘进方法，取得良好效果。Ⅴ级围岩采用的开挖断面及支护见表2-1及下图：

3.4.1 开挖方法 在软弱围岩的条件下，采用台阶法开挖。洞身拱部超前10～15m，以满足施工工作平台的需要，而后进行洞身的下半部爆破开挖，洞身开挖后，立即进行喷锚支护。围岩非常破碎的情况下采用侧壁导坑法施工，先开挖中夹岩侧导坑上台阶，支护完成后开挖中夹岩侧导坑下台阶及仰拱，并及时做好支护。导坑侧壁安装临时钢拱架支撑，保证隧道施工安全。其次开挖另侧导坑上、下台阶及仰拱，及时支护，形成全断面封闭支护环。仰拱开挖后及时进行仰拱、填充和边墙基础砼施工，与拱墙初期支护封闭成环。

施家梁隧道进口段地层极为软弱，地层松散。由于开挖跨度大，开挖后洞体容易变形，周边稳定性较差，拱部极易坍塌。所以采用人工开挖，工人手持风镐、铁锹配合挖掘机进行开挖，同时控制开挖进尺，开挖后及时进行初期支护。在人工无法开挖，确须爆破施工时，重点控制装药量，采取松动爆破，减少对周围围岩的扰动。隧道开挖时，要求施工浅孔爆破分部开挖，400m范围内安全震动速度控制在1.2cm/s，相当于Ⅵ级以下地震烈度。

3.4.2 喷射混凝土施工 喷射机安装调试后先注水后通风，清通机筒及管路投料。连续喂料，经常保持料斗内料满，料斗上设12mm孔径的筛网一道，避免超径骨料进入机内，造成堵管。喷射时，先注水（注意喷嘴要朝下，避免水流入输料管），后送风，然后上料，根据受喷面和喷出的拌和物情况调整注水量，以喷后易粘着，回弹小和表面呈湿润光泽为度。

喷射顺序：采取分段、分块，先墙后拱，自下布上的顺序，进行喷射作业。喷射时，喷嘴做缓慢的螺旋形运动，使喷射料束运动轨迹呈环形螺旋式移动，旋转直径约20～30cm，自喷射面的下部开始，水平旋转喷射，喷料要一圈压半圈，喷至段尾时上移返回，同时要求一排压排，如此往复喷射。

为保证喷射砼密实度，减少回弹量，对于风压、水压及喷头的喷射距离、喷射角度都应合理调整。喷嘴至受喷面距离以0.6～1.0m为宜，料束以垂直于喷射面为佳。

喷射料束放置速度及一次喷射厚度，以每2秒左右转动一圈为宜，一次喷厚以不回落时的临界厚度或达到设计要求厚度时向前移动，每次喷射厚度一般不小于5cm。若喷射要求厚度较大，一次不能达到时，第二次喷射应在第一层砼终凝1小时后进行。两次喷射注意找平岩面，以便于铺设防水层。

3.4.3 锚杆施工 开挖后先进行第一层喷射砼施工，待该层砼终凝并形成一定强度后，按设计要求布置锚杆，用红油漆标示清楚位置后利用开挖台架进行锚杆钻孔。钻孔完成后将制作好的锚杆插入孔内至设计深度，安好垫板及螺帽，并安装止浆塞。

注浆采用水泥砂浆，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，并随时排除孔中空气，保证锚杆砂浆饱满。

3.4.4 钢筋网施工 按设计要求加工钢筋网，随受喷面起伏铺设，并将钢筋网同定位锚杆固定牢固，钢筋网与受喷面的间隙以3cm左右为宜，砼保护层厚度应大于2cm。

3.4.5 钢支撑施工 按测量给定的中线，水平标高，标准间距垂直架立，支撑钢架应与围岩尽量靠近，留2～3cm的间隙做保护层，当钢架与围岩间隙较大时，安设鞍形砼垫块，确保岩面与拱架密贴。

控制钢拱架受力情况的薄弱环节在于节点联结螺栓，定位锚杆及纵向连结筋，因此，所有螺栓要上齐，旋紧、拧好，按设计焊连定位锚杆和纵向连接筋，确保安装质量。

钢架的架设应由专人按规定的信号进行指挥，随时观察围岩动态或喷射砼的情况，防止落石，坍塌引起伤人事故。

当紧固顶部连接螺栓，楔紧钢架时，作业人员应以正确的姿势站在平稳，牢固的脚手架上，并配带安全防护用具防止发生坠落事故。

3.4.6 隧道监控量测 监控量测的项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩类别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合确定。而且，在隧道工程中进行量测，绝不是单纯地为了获取信息，而是把它作为施工管理的一个积极有效的手段，因此量测信息应能确切地预报破坏和变形等未来的动态，对设计参数和施工流程加以监控，以便及时掌握围岩动态而采取适当的措施。结合施家梁隧道的实际情况，将地质与初期支护观察、水平净空收敛量测、拱顶下沉量测作为施工监控量测项目。

4 结束语

目前三车道公路长大隧道正在建设的不少，并逐渐积累了丰富的经验。本文结合施家梁隧道设计，对大断面单洞三车道公路隧道的洞口浅埋土质段结构支护参数、施工开挖方案进行了浅讨，为今后大断面公路隧道的施工积累了经验。但对这样的大断面隧道，施工中尚存在许多技术问题有待研究，例如隧道断面形状的优化、支护参数的合理确定、开挖方法的正确选择以及新技术、新材料的应用等，还需要进一步系统研究。隧道施工过程中，必须认真进行现场监控量测，特别是围岩压力、洞周的位移、拱顶的下沉、初次衬砌的应力、临时支护的变形等应该作为监控量测的重点，通过现场量测及时掌握围岩和支护结构的动态，以实现结构支护参数和施工方案的动态优化。

参考文献：

[1]JTJ 042-94.公路隧道施工规范[S].

[2]工程爆破常用数据手册[M].北京.人民交通出版社.

[3]薛继连.长梁山隧道软弱围岩施工方法.《岩石力学与工程学报》.2000年z1期.