土质燕尾隧道施工技术研究

孙文涛

长春宏建工程设计有限公司天津分公司 天津 300142

1 工程概况

郑家湾1号隧道位于山西临县城庄镇境内。隧道区位于吕梁山西坡梁峁区，地形起伏较大，冲沟发育。本隧道为双单线并为双线隧道，隧道进口里程分别为SZDK3+068（轻车线）、ZDK3+045(重车线)，两进口距离89m，出口里程为ZDK4+270，轻车线单线段长202m，重车线单线段长225m，隧道全长1225m(以重车线计)。

ZDK3+270处为燕尾交叉处，ZDK3+270～ZDK3+310为双线大跨段， 长40m。地质情况为：粉质粘土，棕红色，硬塑，土质不均，含钙质结核和圆砾土，局部段落圆砾土层窝状赋存，且含水；粉质粘土具弱膨胀性；下伏粗圆砾土层，透水性强；围岩分级为IV级[1]。燕尾段平面示意图见下：

图1 郑家湾1号隧道燕尾段平面示意图

2 施工方案

2.1 总体施工方案

重车线单线部分先按三台阶法施工至变断面里程ZDK3+270，中台阶跟齐掌子面，下台阶距掌子面控制在5m距离。然后挑顶施工过渡进入双线部分。挑顶分为挑高和挑宽，同步进行，每循环进尺0.5m。通过9个循环进尺4.5m，前8个循环平均挑高0.23m，第9个循环调高0.05m，里程至ZDK3+274.5后累计调高1.89m，达到正洞双线拱顶高度；第1个循环向右侧挑宽0.66m，达到正洞双线右侧边墙开挖宽度标准，第2～8个循环每循环向左侧轻车线方向挑宽0.2m，累计挑宽1.4m，到达轻车单线右边墙范围，第9个循环不再挑宽，而是将临时支护调整成竖撑。

继续按第9个循环标准，以每循环0.6m进尺继续向大里程开挖支护10.5m，里程至ZDK3+285，洞身空间达到宽8.7m，高7.3m，满足挖机旋转作业条件后，暂停向大里程掘进，对掌子面喷锚封闭，在左侧临时支护表面里程ZDK3+277.5～+282.3范围横向施做一棚洞。棚洞门架高5.0m，上宽3.8m，下宽4.2m。棚洞顶部轮廓线在正洞初期支护外。先将棚洞内7榀正洞钢架拼接到位，然后挖机主机紧靠大里程掌子面，通过棚洞向小里程轻车线方向开挖，逐榀安装拼接双线钢架并拆除临时支护钢架，永久支护施工至SZDK3+270（=ZDK3+270）后，临时支护拆除完毕；再向大里程方向开挖，逐榀安装拼接双线钢架并拆除临时支护钢架，至里程ZDK3+285，临时支护全部拆除完成。

按三台阶法将ZDK3+270～ZDK3+285中下台阶按设计逐步完善初期支护，然后继续按三台阶增设临时仰拱法施工完剩余大跨段部分。

大跨段二衬采用工字钢后背木模法施工，工字钢支撑在普通双线段衬砌台车上。衬砌台车既作为大跨段二衬支撑受力点，又作为掌子面施工车辆通道。

2.2 具体施工方法

2.2.1 挑顶施工前准备

重车线单线部分按三台阶法施工，上台阶施工至里程ZDK3+270后暂停掘进，中台阶跟齐上台阶至ZDK3+270，下台阶跟进至ZDK3+265，台阶长度控制在5m左右，中台阶下部增设临时横撑。重车线单线ZDK3+265～ZDK3+270段为IV级粘土复合式衬砌。

挑顶施工之前尽量缩短掌子面与仰拱、二衬的距离。保证仰拱距掌子面距离不超过20m，二衬距掌子面距离不超过30m[2]。

2.2.2 挑顶施工

从重车线掌子面向大里程双线范围挑顶施工，由挖机开挖，人工修整轮廓到位，正洞初期支护采用I20工字钢拱架，临时支护采用I20工字钢，钢架间距0.5m，钢架尺寸渐变设计。挑顶分为挑高和挑宽，同步进行，每循环进尺0.5m。通过9个循环进尺4.5m，前8个循环平均挑高0.23m，第9个循环调高5cm，里程至ZDK3+274.5后累计调高1.89m，达到正洞双线拱顶高度；第1个循环向右侧挑宽0.66m，达到正洞双线右侧边墙开挖宽度标准，第2～8个循环每循环向左侧轻车线方向挑宽0.2m，累计挑宽1.4m，到达轻车单线右边墙范围，第7个循环不再挑宽，而是将临时支护调整成竖撑，方便下一步施做横向棚洞。因正洞部分钢架永久保留，支护措施按设计施做到位，临时支护部分可适当减弱，钢架支护后及时喷射C25砼封闭。

2.2.3 开挖棚洞

挑顶过渡段施工完第9榀钢架后，按第9榀钢架尺寸及支护参数以每循环0.6m进尺继续向大里程开挖支护10.8mm，立架18榀，里程至ZDK3+285.3，洞身空间达到宽8.7m，高7.3m，满足挖机旋转作业条件后，暂停向大里程掘进，对掌子面超前支护，并喷射5cm厚砼封闭岩面。在左侧临时支护表面，里程ZDK3+277.5～+282.3范围横向施做一棚洞。棚洞口设I20型钢门架，高5.0m，上宽3.8m，下宽4.2m，棚洞最深处7.06m。顶部轮廓线在正洞初期支护外。棚洞内初期支护设4榀I18钢架，钢架间距1.2m，每榀钢架左右侧各设置锁脚锚管2根，长3.0m；边墙系统锚杆长3.0m，1.2＊1.2布置；Φ6＊φ6钢筋网片，网格间距25＊25cm；网喷C25砼20cm。洞内剩余部分网喷C25砼5cm，不立拱架。

棚洞开挖支护完成后，先将棚洞范围内7榀正洞钢架上台阶部分拼接安装完成，并按设计施做系统锚杆、钢筋网片、超前小导管、锁脚锚管并喷射C25砼封闭。

2.2.4 通过棚洞向轻车线大、小里程开挖支护

棚洞范围正洞支护完成后，挖机主机靠近大里程掌子面方向，大臂及挖斗深入棚洞内，向小里程按正洞设计轮廓开挖，拆除棚洞小里程侧的初支，逐榀安装拼接双线正洞上台阶钢架并拆除临时支护钢架，永久支护施工至SZDK3+270（=ZDK3+270）后，临时支护拆除完毕；再向大里程方向开挖，拆除棚洞大里程侧的初支，逐榀安装拼接双线正洞上台阶钢架并拆除临时支护钢架，至里程ZDK3+285，临时支护全部拆除完成。在安装正洞钢架时必须按设计施做系统锚杆、钢筋网片、锁脚锚管并喷射C25砼封闭。超前小导管按掘进方向决定超前支护方向。每循环只许开挖1榀钢架距离，且必须安装完成正洞钢架后才可拆除临时钢架支撑。

2.2.5 双线正洞三台阶法开挖支护

挑顶过渡段临时支护全部拆除完成后，右半部分施工至中台阶，左半部分施工至上台阶。

上台阶暂停施工，里程为ZDK3+285；中台阶左侧按每循环施工2榀钢架进尺施工至ZDK3+282.3，距掌子面2.7m；中台阶右侧暂停施工，里程为ZDK3+285；下台阶左侧按每循环施工2榀钢架进尺施工至ZDK3+278.7，距中台阶端头3.3m；下台阶右侧按每循环施工2榀钢架进尺施工至ZDK3+282.3，距中台阶端头2.7m；这样掌子面基本调整为三台阶形状。

断面形状调整完毕后，掌子面恢复掘进，按三台阶增设仰拱法施工大跨段剩余ZDK3+285～ZDK3+310，共25m。具备条件后及时施工仰拱，使初支封闭成环。

2.2.6 二次衬砌施工

ZDK3+270～+310段二衬设计为50cm厚C35钢筋砼。因断面加宽值太大，项目部现有衬砌台车尺寸及结构受力无法满足，根据以往成熟经验和，本段衬砌计划采用型钢拱架后背木板作为衬砌模板。型钢拱架通过短工字钢支撑在普通衬砌台车面板上，台车既作为衬砌受力支撑，又能作为掌子面施工车辆通道。

衬砌台车长9.0m，断面加宽值为130cm。ZDK3+270-ZDK3+285段需施做2板二衬，ZDK3+285-ZDK3+310段需施做3板二衬。

型钢拱架采用I18工字钢在工地加工厂加工制作，拱架间距0.75m；木模尺寸长4m，宽0.3m，厚0.05cm，一次性采购到位，木模表面打磨光滑。

台车面板背面背设I16工字钢拱架，间距1.5m,榀间使用同型号型钢纵向连接，纵连型钢环向间距1.2m。短工字钢支撑也使用I16工字钢，一端与背模板的拱架焊连，另一端与台车上拱架或纵连型钢焊连，环向间距1.0m，为保证支撑的稳定，短工字钢之间采用φ42钢管三角形连接。

台车拼装完成后，按规范要求进行衬砌施工。

3 超前地质预报工作

根据本隧道工程地质、水文地质特征，并结合设计文件要求，隧道的超前地质预报实施以洞内地质素描、超前5m钻孔相结合的综合地质预报的方法指导施工[3]。

4 监控量测

根据本隧道燕尾段地形地质条件、支护类型和施工方法等特点，确定将围岩及支护状态观察、拱顶下沉、周边位移及收敛做为必测项目。

4.1 地质和支护状况信息的观察

观察记录工作面的工程地质与水文地质情况，作地质素描。观察开挖面附近初期支护状况，判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性。

4.2 拱顶下沉及收敛量测

拱顶下沉及净空变位收敛量测, 根据围岩类别、隧道尺寸，沿隧道纵向在拱顶和墙中布设测点。大跨段设计均为IⅤ级围岩，按V级标准量测断面间距为5m。净空位移量测在开挖后尽早进行，初读数在开挖12小时内且在下一循环开挖前读取，采用全站仪量测。

4.3 拱顶下沉及周边收敛测线（点）布置

拱顶下沉及周边收敛测线（点）布置应根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置确定。

5 质量控制措施

施工前，技术人员向施工人员进行交底。讲述该项工程的设计要求、技术标准、定位方法、几何尺寸、施工方法、注意事项等，使作业人员在彻底明了施工对象的情况下投入施工。

建立严格的原材料、成品和半成品采购、进场验收及存放管理制度，不合格原材料坚决不允许进场。

初期支护的工程质量必须高度重视，超前小导管、型钢钢架、锚杆、钢筋网及喷砼支护必须按设计要求施做，一次到位。

临时支护是施工中确保安全和受力体系转换的关键工序，必须确保工程质量。

6 安全控制措施

（1）洞内施工时，洞内外都必须配备专职安全人员，并用对讲机保持联系；专职安全人员上岗必须佩戴安全人员袖标，凡进洞人员必须戴安全帽。

（2）施工时应对洞内拱部进行定点（含纵向和横向）监测，发现变形量加大或变形量加快时，应暂停开挖，分析原因并采取稳定围岩的有力措施。

（3）加强本段的超前地质预报，注重围岩监测和观察，对目测观察予以足够的重视，随时注意围岩变化情况，喷混凝土是否产生裂隙，拱架是否压弯。当围岩变形量无变缓趋势或喷射混凝土产生较大的剪切状态时立即停止开挖，采取辅助加固措施。

（4）隧道施工各班组间，应建立完善的交接班制度。在交接班时，交班人应将本班组的施工情况及有关安全事宜及措施向接班人详细交待，并记载于交接班记录本上，工地值班负责人应认真检查交接班情况。每班开工前未认真检查工作面安全状况，不得施工。

（5）按设计放置逃生通道，且不得超过规定距离。逃生通道内存放部分应急食物及医疗用品；洞内存放足量方木或型钢等应急抢险物资。

（6）隧道掌子面掘进人员到达工作地点时，应首先检查工作面是否处于安全状态，如有松动的土体，应立即加以支护或处理。

（7）当喷射砼尚未达到一定强度即趋失稳的围岩，或喷锚后变形量超过设计容许值以及发生突变的围岩，宜用钢架支撑进行支护。

（8）把喷层的异常裂缝作为主要安全检查内容之一，经常进行观察与检查，并作为施工危险信号引起警惕。

（9）如发现隧道内有险情，必须在危险地段设置明显标志或派专人看守，并迅速报告施工现场负责人及时采取处理措施并应立即将工作人员全部撤离危险地区。

（10）对临时支撑的偏移、倾覆及不均匀沉降要进行重点监测。

（11）加强工序衔接，及时封闭岩面，避免围岩长时间暴露。

7 结语

隧道燕尾段是隧道施工的重难点部位，必须采用行之有效的施工方案，确保施工安全，郑家湾1号隧道通过采用单线段挑顶棚洞反向施工法，顺利完成燕尾段施工，取得了不错的技术经济效益，具有一定的参考意义。