城山隧道机械化施工工艺与工法研究

王前进

（中铁十一局集团第四工程有限公司，武汉 430073）

城山隧道采用“一洞九线”全工序机械化配套施工，即超前地质预报作业线、开挖作业线、出渣作业线、支护作业线、仰拱作业线、防排水钢筋作业线、二衬作业线、沟槽作业线和辅助作业线。本文就针对城山隧道机械化施工开挖、支护等施工工序及工艺作详细说明。

1 工程概况

G15 高速公路城山隧道穿过丘陵山区地貌区，地面标高54.6～382.4 m，相对高差约327.8 m，山体植被发育，地形陡峻。隧址区域处于莲花山断裂构造带，城仔山隧道穿过丘陵地貌区，进口为洞口小净距双洞八车道分离式隧道，长2 327 m，出口洞门采用削竹式，洞口设计标高71.395 m，洞门采用削竹式，洞口设计标高62.515 m，坡度0.8%~1%，隧道最大埋深约284 m；左线平曲线/半径为∞/LS-250/R-2 000/LS-250/∞，右线平曲线/半径为∞/LS-295/R-2 650/LS-295/∞。

2 编制依据

编制主要依据是工程建设技术规范、验收标准、勘察设计文件、招投标文件、施工设计图纸和安全质量相关规程等编制。

3 工程重难点分析

（1）隧道开挖断面大，施工过程对围岩扰动多，易产生掉块、坍塌和失稳等险情，施工措施如下：①管超前、严注浆。施做掌子面预加固措施，按照设计要求施做中管棚、玻璃纤维锚杆，严控长度、根数及注浆质量。②强支护。采用涨壳式预应力锚杆，辅助增强围岩自身稳定性，支护完成后及时封闭成环。

（2）隧道工法转换风险高，左右导坑净距小，开挖扰动大，拆撑风险高。主要施工措施：采用机械掘进辅以弱爆破的方式，过程中严格按频率进行监控量测，每日收集数据进行分析，发现变形量超标时及时预警，待处理完成后再施工。

（3）隧道预加固措施工艺要求高，洞身中管棚、玻璃纤维锚杆质量要求高。主要施工措施：大型机械化配套，采用自进式管棚施工工艺，使用三臂凿岩台车、智能注浆机等工装，确保施工质量，加快施工进展，减少围岩暴露的时间，降低安全风险。

4 试验目的

验证设计参数及计算成果，验证新工艺、新材料适用性，验证大型工装设备适用性，验证检测及监测手段适用性，积累隧道大型机械化配套施工相关经验。

5 施工工艺与工法试验总结

5.1 设计参数

隧道设计为分离式双洞八车道120 km/h 隧道，隧道内轮廓：采用三心圆曲墙拱形断面，拱顶半径为10.85 m，曲墙半径为5.45 m，仰拱半径为30.00 m。隧道内轮廓净宽20.25 m，净高12.30 m，矢跨比0.402，扁平率0.607。隧道内轮廓面积为197.2 m2。

5.2 施工方案论述

城山隧道试验段采用“一洞九线”全工序大型机械配套施工。利用综合预报手段做好掌子面前方围岩研判，遵循“岩变变岩”理念，通过预加固措施改良前方围岩，大断面施工快速作业，根据监测情况，初期支护适时封闭成环，仰拱二衬有序跟进。超前地质预报作业线主要采用TSP203 地质预报系统、地质雷达、超前水平钻探和随钻测量（MWD），围岩地质分析长短相结合的方式进行掌子面前方围岩预报，根据预报结果动态调整支护参数；开挖作业线主要采用全电脑三臂凿岩台车+人工辅助钻爆施工，装渣作业线主要采用大功率挖机、大斗容量装载机和自卸车协同作业，支护作业线主要由钢拱架安装、锚杆（管）施工、喷射混凝土作业和预加固工程组成，采用全电脑三臂凿岩台车、注浆一体机、拱架安装机和混凝土湿喷机械手施工；仰拱作业线主要采用自行式液压仰拱栈桥做通道，一体化模板确保仰拱及填充分层浇筑；防排水钢筋作业线主要采用防水板自动铺挂台车铺设防水层，同时作为作业平台人工绑扎钢筋；二衬作业线主要采用智能二衬台车快速浇筑二衬，温控养护台车进行混凝土养护；沟槽作业线主要采用液压沟槽台车水沟及电缆槽同步浇筑；辅助作业线采用变压器站、空压机房、变频通风机、高压泵站等为隧道内供水供电供风。

5.3 地质核查

地质核查主要核查洞顶覆盖层厚度，洞身及拱部围岩稳定情况，以满足由双侧壁导坑法转为三台阶法条件。

地质核查方法：地质调查法、掌子面地质素描和地质雷达。

5.4 工法转换施工工艺

（1）双侧壁导坑法转变为三台阶法时先停止先行导坑掌子面掘进，采用20 cm 厚C25 喷射混凝土封闭掌子面。挂设Ф8 钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm。采用R76N 自进式中管棚、玻璃纤维锚杆、掌子面喷砼封闭和Φ50 超前小导管等措施加固掌子面。

（2）后行导洞及中导洞上台阶迅速跟进至与掌子面同一里程处，掌子面加固处理完毕。

（3）侧导洞及中导洞中下台阶跟进至距掌子面5 m处，封闭成环。

（4）仰拱、二衬同步快速跟进，缩短步距。

（5）待所有导洞跟进至同一断面后，根据监控量测情况，待初支稳定后，拆除临时支撑，平整施工平台，为三臂凿岩台车施工提供工作空间，改为三台阶法施工。

（6）拆除过程中加强监控量测，出现预警时及时停止拆除并恢复临时竖撑，施工现场储备应急物资。

5.5 三台阶法施工工艺

三台阶法：上台阶高8.5 m，长30 m；中台阶高2.2 m，长8 m；下台阶高2.2 m，长8 m。铁建重工ZYS113 全电脑三臂凿岩台车作业范围宽16.6 m×高11.3 m，如图1 所示。

图1 三台阶法施工工序纵断面图（m）

工法各项数据确定的依据如下。

（1）上台阶长度30 m，是为了满足爆破后出渣作业空间需求。爆破后主要堆渣长度约为20 m，出渣车长度为8.8 m。

（2）中台阶及下台阶长度8 m，是为了满足中下台阶左右错开施工，错开距离3~5 m，一次循环进尺2.4 m。中部16 m 斜坡道是为了满足各机械设备通行，坡度不大于25%（高差4 m）。

（3）下台阶与仰拱栈桥端头距离24 m，主要是为了满足装载机出渣空间需求，装载机长8.43 m，自卸车长8.8 m。

（4）仰拱施工区域长度40 m，仰拱栈桥总长度40 m，包括前引桥7 m，护坡3 m，仰拱初支作业区域12 m，仰拱衬砌作业区域12 m，后引桥6 m，可同时施工仰拱初支及仰拱。

（5）防排水钢筋施工区域长度52 m，前端6 m 为防水板钢筋作业区域与栈桥作业区域预留空间，便于设备、物资横向移动。中部32 m 是为了满足二衬钢筋加工连接，二衬钢筋长度约32 m；后端12 m 为一板防水板钢筋作业区域，与二衬钢筋加工区之间留2 m 缓冲区，以便运送钢筋至台车上。

（6）二衬施工区域长度14 m，单板二衬长度12 m，端头2 m 为人员上下台车及堵头作业空间。

（7）上台阶高度8.5 m，是为了满足全电脑三臂凿岩台车施工拱部系统锚杆时作业空间，凿岩臂长度为7.315 m。

（8）中台阶及下台阶高度2.2 m，主要是采用人工立架及施工系统锚管、锁脚锚管等，预留施工通道，为上中下台阶同步施工提供条件。

为适用大型机械化配套作业，施工步距为仰拱初支距掌子面最大距离80 m，仰拱衬砌92 m，二次衬砌176 m。

5.6 掌子面预加固措施施工工艺

5.6.1 洞身管棚

（1）施工工艺。洞身管棚采用Φ76 mm 中管棚或Φ51 mm 自进式管棚，采用三臂凿岩台车打设，管棚前方装置一次性钻头，钻孔、送管一次性完成。

Φ76 mm 中管棚采用φ76 mm，壁厚6 mm 的热轧无缝钢尖管，钢管前端呈尖锥状，管节长度4~6 m，管口段0.5 m 范围内钢管不开孔，其余部分按15 cm 间距交错设置注浆孔，孔径8 mm。洞身管棚在拱顶120°范围内打设，每循环长度为15 m，纵向搭接长度不小于5 m。

Φ51 mm 自进式管棚采用φ51 mm，壁厚8 mm 的热轧无缝钢尖管。钢管前端呈尖锥状，管节长度4~6 m，管口段0.5 m 范围内钢管不开孔，其余部分按15 cm 间距交错设置注浆孔，孔径8 mm。洞身管棚在拱顶120°范围内打设，每循环长度为12 m，纵向搭接长度不小于5 m。

通过埋深多点位移计，监测隧道开挖前与钻爆后且初支未上之前的变形对比，来验证2 种超前预加固的效果，确定最终施工工艺。

（2）施工方法。①施工准备：掌子面应预留足够的空间（以3～5 m 为宜），以保障管棚外插角度；掌子面应用喷射混凝土封闭，减少施工用水与空气对围岩的侵蚀作用，保障施工安全；施工区域地面夯实、平整，可使用大钢板增加支腿的受力面积，减少使用过程中凿岩台车下沉、偏位量；三臂凿岩台车维修、保养和调试，电缆、水管接至掌子面，保证管棚施工需求。②测量放样。管棚施工前，测量班在掌子面将管棚孔位放出来，并用红漆标识；测量台车后视标靶坐标，提供给三臂凿岩台车操作手；台车定位后，三臂凿岩台车操作手根据掌子面放点情况对台车进行校对。③根据放样点位钻孔，利用管棚做钻杆。自进式管棚由“球齿钻头+全螺纹中空杆体+连接套”组成，外露岩壁20 cm，调整管棚节段顺序，相邻两根管棚间，同一截面内的接头数不超过管数的50%。④钻孔完成后，预埋排气管，排气管长50 cm，使用锚固剂封堵钻孔与管壁之间的缝隙，孔口安装球阀注浆器进行注浆。注浆采用1∶1 水泥净浆，注浆压力为1.0～2.0 MPa。⑤注浆结束标准：注浆压力逐步提升，当达到设计终压（建议为2.0 MPa）并继续注浆10 min以上。有一定的注入量，与设计的注入量大致相近，注浆结束时的进浆量一般在20~30 L/min 以下。⑥隧道注浆段的注浆孔全部注完后，必须要进行注浆效果检查和评价，不合格者应补钻孔注浆。

5.6.2 玻璃纤维锚杆

（1）施工工艺。本隧道玻璃纤维锚杆为Ф25 mm 锚杆，一次施做长度15 m，搭接3 m，间距为2 m×2 m，梅花型布置，外插角1°～3°，注浆材料为水灰比1∶1 的水泥浆液，注浆压力0.5～1 MPa。掌子面喷射混凝土配合玻璃纤维锚杆施做，每隔12 m 进行1 次，厚度5～8 cm。

Ф25 mm 玻璃纤维锚杆施工工序如下：清理开挖面—测量标注孔位—钻锚杆孔、清孔—组装锚杆—安装锚杆体、固定锚端—连接注浆管、注浆—锚杆体孔口回浆—待强—安装垫板、螺栓—结束。

（2）施工方法。①施工准备。掌子面应预留足够的空间（以3~5 m 为宜），以保障锚杆外插角度；掌子面应用喷射混凝土封闭，减少施工用水与空气对围岩的侵蚀作用，保障施工安全；施工区域地面夯实、平整，可使用大钢板增加支腿的受力面积，减少使用过程中凿岩台车下沉、偏位量；三臂凿岩台车维修、保养和调试，电缆、水管接至掌子面，保证管棚施工需求。②测量放样。锚杆施工前，测量班在掌子面将锚杆孔位放出来，并用红漆标识；测量台车后视标靶坐标，提供给三臂凿岩台车操作手；台车定位后，三臂凿岩台车操作手根据掌子面放点情况对台车进行校对。③根据放样点位钻孔。相邻2 根玻璃纤维锚杆间，同一截面内的接头数不超过根数的50%。④钻孔完成后，使用锚固剂封堵钻孔与锚杆之间的缝隙，孔口安装球阀注浆器进行注浆。注浆采用1∶1 水泥净浆，注浆压力初压为0.5～1.0 MPa，终压为2 MPa。⑤注浆结束标准：注浆压力逐步提升，当达到设计终压（建议为2.0 MPa）并继续注浆10 min 以上；有一定的注入量，与设计的注入量大致相近，注浆结束时的进浆量一般在20~30 L/min 以下。⑥隧道注浆段的注浆孔全部注完后，必须要进行注浆效果检查和评价，不合格者应补钻孔注浆。

5.7 临时侧壁拆除施工工艺

5.7.1 拆除时间

根据施工进度及施工需要，为确保二衬能够及时跟进，为了施工和隧道结构安全，临时支持必须满足以下几个条件方能进行拆除作业。

（1）临时钢支撑拆除前必须保证拆除支撑段的永久支护已经封闭完成，且结构符合规范和设计要求。

（2）支撑拆除前该拆除段的沉降和收敛测量结果都满足稳定条件，沉降收敛达到稳定的标准为收敛不超过0.2 mm/d（当超过该值时需及时通知设计变更加强衬砌类型或按照其他方式进行施工）。

（3）拆除后能尽快进行二次衬砌施工，确保隧道结构的稳定和安全。

5.7.2 拆除步骤

（1）布置变形观测点，确保安全。拆除临时钢架前，进行监控量测，取得拆除前的初始数据。在整个拆除过程中，对隧道拱顶下沉采取不间断观测，以保证隧道的安全。

（2）搭设钢管脚手架作为工作平台或者以开挖支护台车作为操作平台，但开挖台车底部一定要平整稳固。

（3）进行拆除试验，确保拆除安全。隧道在拆除临时支护过程中受力体系转换，为防止初期支护因应力突变而失稳，在拆除前，选取6 m 进行拆除试验。具体如下：

①首先拆除1 m 临时钢支撑，观察隧道变形量及变形速率。②24 h 内隧道变形量及变形速率在正常范围内时，拆除2 m 临时钢支撑，继续观察隧道变形量及变形速率。③24 h 内隧道变形量及变形速率在正常范围内时，拆除3 m 临时钢支撑，继续观察隧道变形量及变形速率。④变形稳定后分析监控量测结果，确定隧道初期支护的稳定性。⑤临时支撑拆除，首先采用风镐人工凿除临时支撑与隧道初期支护连接部位喷射混凝土。然后采用氧割方式将临时支撑割断，使临时支撑与初期支护结构完全分离。待临时支撑完成与初期支护结构完全分离开后采用小型破碎锤凿除临时支撑喷射混凝土，拆除临时支撑钢架。⑥单次拆除长度不得大于3 m，连续拆除出一板衬砌12 m 长度后，及时施工仰拱衬砌。