小净距隧道施工技术探讨

郭亮

摘 要： 针对小净距隧道的特点，从施工角度探讨小净距隧道的超前支护、洞身开挖、中间岩柱加固、锚喷支护、监控量测等关键工序的施工方法和技术措施。

关键词：小净距隧道；中间岩柱；施工技术

京福高速公路金旗山隧道位于福建省三明市，采用并行双线小净距隧道形式，隧道双洞轴线间距为17.519m，中间岩柱最小净宽为5.079m。隧道起讫桩号K147+600～K147+805，全长205m。整座隧道的平面位于R=2000m的圆曲线和R=10000m的竖曲线上。隧道处于丘陵地区，路线横切一小山脊，地形波状起伏，呈驼峰型，植被发育，覆盖较薄，洞口位于小山谷旁。

隧道所处地区未见地下水露头，地下水主要源于基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙和破碎带中，受大气降水补给，水量不大，季节影响小。隧道穿过的岩性单一，为燕山早期侵入花岗岩，未见有断层，仅在进口处见有一隐伏辉绿岩脉，对隧道无影响。

隧道的围岩情况：Ⅲ类围岩41m，Ⅳ类围岩164m。支护与衬砌形式分三种：S12型33m（Ⅲ类围岩浅埋段）、S3型18m（Ⅲ类围岩深埋段）、S4型144m（Ⅳ类围岩深埋段）、削竹式洞门结构10m。

1.超前注浆小导管施工

1.1 设计参数

隧道Ⅲ类围岩浅埋段开挖采用超前注浆小导管加固拱部围岩，小导管采用Φ50×5mm热轧无缝钢管制作，单根长度5m，环向间距80cm，排间距3m。管壁每隔10～20cm交错钻眼，眼孔直径Ф8mm。注浆浆液为水泥、水玻璃双液浆（水泥：水玻璃=1：0.5）。沿隧道纵向开挖轮廓线向外以20°的外插角钻孔，将小导管打入地层。

1.2 小导管施工

小导管注浆前，对开挖面及5m内的坑道喷射厚为5～10cm的砼封闭岩面。注浆初始压力0.5MPa，终压1.5Mpa。注浆过程，在孔口处设置止浆阀。注浆结束至开挖前的时间间隔为4～8h。

注浆作业应经常检查泵口及孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理。经常测试混合浆液的胶凝时间，发现问题立即调整。

注浆结束条件：单孔注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10min以上，浆液注入量已达到计算值的80%以上；全段注浆的所有注浆孔均已符合单孔结束条件。

2.洞身开挖

小净距隧道洞身开挖必须采用预裂爆破和光面爆破，对洞身开挖方法、工序及钻爆进行严格设计和控制。根据现场条件和施组安排，从出口端单向掘进，左洞先于右洞施工。

2.1 洞口开挖及加固

施工洞顶仰坡截水沟，建立洞口地表排水设施。挖至洞口石方段时，为了减少对洞口仰坡和路基边坡的扰动，必须用弱爆破或预裂爆破进行开挖。洞口仰坡采取锚杆、挂网、喷砼加固。

2.2 洞口Ⅲ类围岩浅埋段开挖工序

洞口Ⅲ类围岩浅埋段施工必须遵循“弱爆破、少扰动、短开挖、快支护”原则。左洞开挖断面超前右洞开挖断面控制在35～45m，左洞施工用上、下台阶法施工。开挖前打入超前小导管注浆加固拱部围岩，洞身开挖每循环进尺为1m，与U型钢拱架间距相同，开挖后及时施作初期支护。下台阶开挖落后于上台阶8～10m，开挖后及时施作初期支护，对中间岩柱进行注浆支护，打入对拉锚杆。为减小由于大断面爆破震动对中间岩柱的不良影响，在右洞上台阶开挖之前先进行侧导洞开挖，超前加固中间岩柱。右洞的侧导洞必须在左洞开挖进尺大于40m、并且注浆浆液固结后才能进行，采用短进尺、全断面一次开挖到位，紧跟开挖及时架设钢支撑，施作锚杆、钢筋网、喷砼等初期支护，进行双洞对拉锚杆连接、施加预应力加固中间岩柱。之后，再进行右洞上、下台阶开挖和支护，施工工序与左洞相同。洞口Ⅲ类围岩浅埋段施工工序详见图1。

开挖顺序说明：

①—左洞上台阶开挖（环形开挖留核心土法）； ②—左洞拱部支护（锚喷、U型钢架、超前）；

③—左洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）；④—左洞侧墙及仰拱初期支护（锚喷、U型拱架）；

⑤—中间岩柱注浆加固；⑥—右洞侧壁导洞开挖；

⑦—右洞侧壁导洞支护（锚喷、U型拱架）；⑧—中间岩柱施加预应力锚杆加固；

⑨—右洞上台阶开挖；⑩—右洞拱部支护（锚喷、U型钢架、超前）；

⑾—右洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）； ⑿—右洞侧墙及仰拱初期支护（锚喷、U型拱架）；

⒀—左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）；⒁—右洞全断面衬砌。

2.3 Ⅲ类围岩深埋段开挖工序

Ⅲ类围岩深埋段采取上、下台阶法开挖，下台阶落后于上台阶8～10m，上、下台阶的初期支护施作必须紧跟着开挖。左洞开挖断面超前右洞开挖断面控制在30～40m，在打设系统锚杆时，对中间岩柱进行有压注浆，确保岩体密实。按设计要求，仅在岩石破碎带局部设置预应力对拉锚杆，对中间岩柱进行加固。Ⅲ类围岩深埋段施工工序详见图2。

开挖顺序说明：

①—左洞上台阶开挖；②—左洞拱部锚喷初期支护；

③—左洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）；④—左洞侧墙锚喷初期支护；

⑤—右洞上台阶开挖；⑥—右洞拱部锚喷初期支护；

⑦—右洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）；⑧—右洞侧墙锚喷初期支护；

⑨—在岩石破碎带对中间岩柱进行注浆加固、预应力对拉锚杆加固；

⑩—左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）；

⑾—右洞全断面衬砌。

2.4 Ⅳ类围岩开挖工序

Ⅳ类围岩左洞开挖断面超前右洞开挖断面应控制在30～35m，左洞采取全断面方法开挖，一次光面爆破成型。

右洞先在断面底部中心开挖宽3～4m、高3～4m的超前导坑，超前长度为5～10m，然后一次性采取光面爆破开挖剩余的断面。采取超前导坑开挖，既可加大初次爆破点至中间岩柱的距离，尽量减少爆破对中间岩柱的震动影响。

Ⅳ类围岩段仅在岩石破碎带局部设置预应力对拉锚杆，对中间岩柱进行加固。Ⅳ类围岩段施工工序详见图3。

开挖顺序说明：

①—左洞全断面开挖；②—左洞锚喷初期支护；

③—右洞超前导坑开挖（落后左洞开挖面大于30m）；④—右洞全断面开挖（落后右洞超前导坑开挖面大于5m）；

⑤—右洞锚喷初期支护；⑥—在岩石破碎带对中间岩柱进行预应力对拉锚杆加固；

⑦—左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）； ⑧—右洞全断面衬砌（落后右洞开挖面大于40m）。

2.5 钻爆设计

为确保开挖第二座隧道时第一座隧道的安全性，应将第一座隧道衬砌处的震动速度控制在15cm/s以内，并以此作为第二座隧道各段爆破药量的计算依据。为避免爆破震动波的叠加，必须采用微差控制爆破，各段起爆时间应根据震动测试确定，或按经验值大于200ms为宜。

2.5.1 震动速度的计算

根据震动速度的衰减规律，可采用下列公式对震动速度进行预估计算：

2.5.2 爆破时间间隔的计算

通过记录的爆破震动持续时间，可按下式确定两段爆破的时间间隔：

2.5.3 光面爆破

光面爆破要根据围岩特点合理选择周边眼间距（E）、周边眼的最小抵抗线（V）、相对距（E/V）和装药集中度（q）等，采用工程类比或根据爆破漏斗及成缝试验确定。

周边眼采用小直径药卷，并严格控制周边眼的装药量，并使药量沿炮眼全长合理分布，采用毫秒雷管微差顺序起炸，使周边炸破时产生临空面，同时周边眼同段雷管起炸时差尽可能小。

2.6 钻爆作业

钻爆作业采用汽车改装凿岩台车两部、20台YT28型风动凿岩机，1台10m3和2台20 m3空压机等设备，按钻爆设计进行钻眼、装药、接线和引爆。

钻周边眼应选具有丰富经验的钻工施钻，台车下面有专人指挥，确保周边眼的外插角准确（眼深3m以内的外插角<3°），尽可能使两茬炮交界处台阶不大于15cm。同时，根据眼口位置岩石的凹凸程度调整炮眼深度，保证炮眼底在同一平面上。

2.7 出碴

当采用分台阶法或大断面开挖掘进时，配备一台PC-200挖掘机、一台ZLC-50装载机，5台4.5t自卸汽车装运出碴。当采取侧壁小导坑掘进施工时，采用人工配合小型机械装碴。

3.中间岩柱加固

设计文件对Ⅲ类围岩浅埋段必须加固中间岩柱，Ⅲ类围岩深埋段和Ⅳ类围岩地段仅在岩石破碎带局部加固中间岩柱。隧道施工部署是先开挖左洞，在开挖支护后对岩柱进行加固注浆，左洞超前右洞约40m后再进行右洞小导洞开挖，小导洞施作初期支护后安装中间岩柱的预应力锚杆。

3.1 岩柱加固注浆

洞口刷坡时，两隧道中间岩柱坡口处原地面土体应暂时保留，以支挡坡面。洞口临时防护完成后，挖除中间岩柱坡口土体，立即沿隧道轴向对中间岩柱正面打入5m长Φ50×5mm小导管，注浆加固中间岩柱坡面。当注浆达到强度后进行左洞开挖，向前掘进5米后对中间岩柱改为水平斜向前方45°小导管注浆，小导管规格Φ50×5mm，长度5m，排距2m。注浆初压0.5MPa，终压1.5Mpa，浆液配合比为水泥：水玻璃=1：0.5。

注浆前浆液在拌和机内进行搅拌，注浆结束至开挖的时间间隔，采用水泥—水玻璃浆液时为4h左右。

安装注浆管时，在注浆管孔口处用胶泥与麻丝缠绕，使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧，实现注浆管的止浆和固定。胶泥凝固到有足够强度后方可注浆。

3.2 中间岩柱对拉锚杆的施工

中间岩柱对拉锚杆采用φ25螺纹钢筋，张拉设备采用穿心式单作用千斤顶。锚杆预张拉应力为50KN，一端固定，另一端张拉。锚杆固定端和张拉端沿纵向间隔一排布置，在同一截面上间隔进行张拉，以避免产生局部压应力集中现象。螺纹钢筋的锚固在油泵开动、压力表指针稳定时进行。

千斤顶施加预拉力时采取边张拉、边拧紧锚具的方法，施加初始预加力的相应油压值一般为设计油压的10%，以此做为丈量钢筋伸长量的起算点。预拉力锚杆的张拉一律采用双控法，油压值的误差不得超过±2%，伸长量的误差不得超过±5%。

4.锚喷支护施工

初期支护施工包括素喷砼、网喷砼、径向锚杆、U型钢拱架支撑等，依据围岩类别的不同分别设置。初喷紧跟开挖面及时施作，减少围岩暴露时间，控制围岩变形，防止围岩短期内松弛。复喷厚度到位至开挖掌子面的距离不能超过50m。

4.1 中空注浆螺纹锚杆施工

S12、S3支护类型的系统锚杆采用RD25-5中空注浆螺纹锚杆，施工选用由专业厂家加工定型的中空锚杆，杆体拉断荷载大于180KN。

中空锚杆使用十字型钻头成孔，不仅可防止卡孔、坍孔，也利于止浆密封。钻进成孔中要控制锚杆定位、定向、定深度。

中空锚杆以杆孔内注浆为主，向上注浆应加大进浆量，作好排气控制，向下注浆要连续进行，水平向注浆如有漏浆须二次补浆，均不得欠浆。注浆前先用高压水或风清孔，然后安装锚杆。注浆器应与杆体相连，防止脱离意外。当承压垫板与杆体角>16°时，应使用速凝砂浆调平，同时堵塞孔口，确保不对杆体产生弯曲力和锚杆欠浆。注浆24小时后，根据锚固材料的早强性及密实状态可对杆体施加不少于10～30KN/m紧固张力。

4.2 Φ22砂浆锚杆施工

S4支护及S12小导洞支护系统锚杆采用Φ22普通砂浆锚杆。砂浆锚杆按设计要求截取杆体、整直、除锈和除油后，对杆体一端进行攻螺纹。砂浆锚杆的砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的砂浆在初凝前用完。注浆管应插入至距孔底5～10cm处，随水泥砂浆的注入，缓慢均匀拔出，随即迅速将杆体插入，锚杆杆体插入孔内的长度不得短设计长度的95%，若孔口无砂浆流出，将杆体拔出，重新注浆。注浆孔口压力不得大于0.4MPa。

4.3 U型钢拱架施工

25#U型钢拱架用于S12类型主洞和侧壁导洞的加强支护。施工时按设计图放大样，根据工艺要求预留切割、刨边的加工余量，将U型钢冷弯成形，要求尺寸准确，弧形圆顺。钢拱架由拱部、边墙各单元钢构件拼装而成，构件的连接是U型钢拱架加工制作的关键工艺，各单元通过U型连接块及U型连接螺栓进行连接，应确保各类焊缝螺栓连接质量。

U型钢拱架按设计位置安设，钢拱架平面垂直于隧道中线。为使准确定位，钢拱架架设前需预先打设定位系筋，系筋一端与钢拱架焊接在一起，另一端锚入岩层0.5～1m并用砂浆锚固。当钢拱架架设处有锚杆时尽量利用锚杆定位。如果钢拱架和初喷层之间有较大间隙，必须用垫块塞紧。

为保证上台阶U型钢拱架置于稳固的地基上，施工中在钢拱架基脚部位预留0.15～0.2m原地基，待架立钢拱架时挖槽就位，并在临时垫块底部及时施作锁脚锚杆以增加基底承载力。

U型钢拱架架立后尽快施喷钢纤维砼，并将钢拱架全部覆盖，使钢拱架与砼共同受力。喷射砼先从拱脚或墙脚向上喷射，以防止上部喷射虚掩拱脚（墙脚）而不密实，造成拱脚（墙脚）失稳。

4.4 喷射砼施工

喷射砼必须紧跟开挖面在新鲜基岩上施工。为了保证喷射砼的速凝，在拌和物中加入速凝剂，提高施工效率和安全性，当砼从喷枪里喷射到粗糙的岩石表面时，先填裂隙、裂缝和发育的节理面，将松散的岩体粘结在一起或是局部支护住破碎的岩体，从而避免岩石裸露面进一步损坏。

在喷射砼之前，用水或高压风管将岩壁面的粉尘和杂物冲洗干净。喷射作业应分段、分片由下而上顺序进行，每段长度不超过6m。初喷厚度不小于4～6cm，复喷时如果初喷表面已蒙上粉尘，受喷面必须用高压水清洗干净。岩面有较大凹陷时，结合初喷予以找平。喷射砼终凝2小时后，应喷水养护7天以上。

4.5 钢筋网喷射砼

在岩面喷射一层砼后进行钢筋网的铺设，固定在系统锚杆上。钢筋网应随受喷面的起伏铺设，与受喷面的间隙一般不大于3cm。

4.6 钢纤维喷射砼

钢纤维的掺入不需改变传统喷射砼配合比设计，普通喷射砼的配料、拌和、供料和喷射方法适用于湿拌钢纤维喷射砼。钢纤维与其它骨料一同在拌和时加入，使钢纤维能均匀地分解开来，不会出现团聚成球的问题。

5.围岩监控量测

该隧道按新奥法设计和施工，采用复合式衬砌，监控量测是一项重要的管理工作，出现问题立即研究对策，果断处理。

5.1 量测项目

该隧道必须进行监控量测的项目：工程地质及现状观测，周边收敛位移量测，拱顶下沉量测，地表下沉量测，钢支撑、锚杆应力及喷层表面应力量测，二次衬砌内应力、表面应力及裂缝观测。

5.2量测数据的处理与应用

⑴ 根据现场量测数据及时绘制位移—时间曲线，曲线的时间坐标下应注明施工工序以及开挖工作面离量测断面的距离。

⑵ 当位移—时间曲线趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和位移变化规律。

⑶ 当位移—时间曲线出现反弯点时，表明此时的围岩和支护已处于不稳定状态，必须停止开挖，对危险地段加强支护，确保已开挖段的安全。

6.结论

小净距双洞隧道的施工难度、工期和造价高于普通双线独立隧道，低于连拱双线隧道。在地质条件良好、地形条件受制约时，是一种较好的隧道结构形式。

小净距双洞隧道施工的难点、重点是控制爆破作业，必须确保隧道开挖过程围岩的稳定，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素。

小净距双洞隧道施工的关键是中间岩柱的加固和稳定，由于围岩自稳性和支护结构的受力较一般隧道复杂，必须充分利用隧道围岩的自承、自稳能力，通过围岩加固措施使隧道修建达到经济、合理的目的。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通部. 公路隧道施工技术规范（JTJ042—94）.北京：人民交通出版社，1995.