深埋长隧洞不良地质塌方段衬砌跟进开挖同时施工技术

杨井国 张维欢

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

隧洞施工工序由开挖支护、通风排烟、出渣和衬砌等组成，开挖和衬砌是控制整体工期的最关键工序，一般采用顺序作业的施工模式，即在隧洞全部开挖完成后再进行衬砌。该方法的优点是开挖与衬砌单独施工，不存在交叉干扰；缺点是开挖与衬砌施工时间不重合，工期漫长，且遭遇不良地质段时长时间在一次钢拱架支护状态下，有坍塌风险。因此，如何通过采取一定的技术措施，在不良地质段开挖之后随即进行衬砌混凝土浇筑，保证工程安全，显得尤为重要。

为解决该问题，目前一般是在长隧洞中间合适位置增加施工支洞，增加施工工作面，将一个长隧洞分成若干段，第一段开挖完成后，进行第二段开挖的同时，可以同时进行第一段的衬砌。但增加施工支洞的方法适用于浅埋或高山峡谷地形，若遇到深埋或较平坦的地形条件，增加的施工支洞距离过长，经济上不合理。

1 工程概况

新疆阿勒泰输水隧洞工程设计断面为马蹄形，采用钻爆法施工，隧洞开挖半径8.9m，隧洞全长7100m，无施工隧洞，隧洞进口和出口单端开挖各3550m。隧洞埋深约80～115m，岩石岩性为黑云母斜长片麻岩，岩石强度在35～100MPa之间，石英含量约为25%～35%。

在本工程出口K0+1421.2～K0+1673.2等洞段开挖过程中遭遇不同程度的挤压破碎带，岩石整体十分破碎，最大塌方深度为8～15m，塌方段均经过了超前小导管、超前管棚、空腔混凝土回填等一次支护处理。但若继续向前全部开挖完成后再进行衬砌，塌方段恐存在二次塌方的风险，造成工程事故。因此需在继续向前开挖过程中，对塌方段进行永久混凝土衬砌加固，保证施工安全。

2 衬砌跟进开挖同时施工的主要难点

在开挖与衬砌同时施工过程中，施工机械设备繁多，隧洞开挖一般需采用钻爆台车、支护台车、装载机、自卸汽车、锚杆钻机、湿喷机等设备，混凝土衬砌需采用钢筋台车、混凝土钢模衬砌台车、混凝土泵车、混凝土罐车等设备(见图1)。

图1 开挖与衬砌同时施工工艺示意图

2.1 隧洞开挖与隧洞底板混凝土施工的干扰问题

隧洞开挖工序一般为超前支护(如果有)、钻孔、装药、爆破、通风排烟、出渣、初期支护等；隧洞底板混凝土工序一般为清基(石渣清理、高压水冲洗)、钢筋制安、模板安装、衬砌钢模台车就位、混凝土泵车及罐车就位、混凝土浇筑、混凝土养护等(见表1、表2)。

表1 隧洞开挖支护作业工序时间

表2 隧洞衬砌作业工序时间

根据隧洞形状不同、超挖尺寸不同、岩石结构岩性不同，隧洞开挖过程中，一般会对刚开挖过的底板铺垫厚度50～150cm不等的石渣，形成一条较平整的隧洞出渣道路。而底板混凝土浇筑要求将底板的碎石、浮渣全部清理并用高压风或者高压水冲洗干净，如果底板混凝土作业面正在进行清基工作，而前方开挖工作面需要出渣，则会形成一方停工等待另一方作业完成的状态。

开挖作业面的爆破石渣需运输至洞外的弃渣场进行堆放，在没有施工支洞的情况下，受限于隧洞施工通道唯一的不利条件，前方的开挖出渣车辆必然要经过后方的混凝土衬砌工作面。如果后方正在施工底板混凝土，则出渣车辆就不能通行，如果出渣与底板混凝土浇筑需错开时间分别施工，则会大大降低工程整体的施工效率，这就形成了前方出渣与后方混凝土施工相互干扰制约的局面。

2.2 隧洞开挖与边顶拱混凝土衬砌施工的干扰问题

出渣车辆需穿越通过边顶拱钢模台车，因此必须合理设计钢模台车内部尺寸，保证出渣车辆能穿越钢模台车内部。

隧洞开挖钻爆法施工一般采用钻孔爆破的工法，YT28手风钻需要采用高压风、水，高压供风一般是将空压机组布置在洞外，通过高压钢管将高压风输送到隧洞内的开挖掌子面，供水一般是在洞外布置50～100m3不等的水池，再通过供水钢管将水输送到开挖掌子面。

爆破后的通风排烟需要将通风机布置在洞口，再布置直径1.2～1.5m不等的通风管延伸至距离开挖工作面30m左右的距离，将爆破后的有害气体排出洞外。

另外，隧洞开挖掌子面时，需要将动力电缆、照明电缆等从洞口的变压器位置一路铺设至开挖掌子面。

上述开挖作业面的高压风管、供水管、通风管、照明电缆、动力电缆等管线一般布置在隧洞侧壁上(见图2、图3)，在开挖与衬砌同时施工的情况下，如何合理地将上述管线穿越混凝土边顶拱衬砌台车，且在隧洞边顶拱衬砌台车需要移动的行进状态下如何尽量少地干扰或者碰撞到这些管线，是开挖与衬砌同时施工的一个难题。

图2 隧洞开挖管线及边顶拱钢模台车示意图

图3 隧洞边顶拱钢模台车施工示意图

3 隧洞开挖与底板混凝土施工干扰的解决措施

3.1 底板混凝土施工采取钢栈桥

底板混凝土施工采取钢栈桥，桥下进行清基、钢筋绑扎、混凝土浇筑，桥上可通行出渣车辆。在隧洞开挖过程中，若需要进行底板混凝土施工，可在底板清基、钢筋制安、浇筑、待强养护施工时，在底板混凝土作业面上架设可移动式的自行式钢栈桥。

自行式钢栈桥是为进行隧洞底部混凝土施工而开发的施工机械，具有以下特点：可在钢栈桥下进行混凝土施工，可让车辆通过栈桥，实现早封闭、早成环的施工要求。钢栈桥长度根据一段底板仓号尺寸加工制造，一般需比仓号长度长2m左右。钢栈桥结构需牢固稳定，能承受自卸汽车的重量。

先超3～5个仓号进行隧洞底部开挖，清渣、扎钢筋等衬砌准备作业；架设栈桥(通过栈桥横移和前移)，放下栈桥前后引桥；进行另一侧隧洞底部开挖，清渣、扎钢筋等衬砌准备作业；浇筑底部混凝土；在新浇筑的混凝土强度达到脱模要求后，进行脱模行走台车。如此循环进行作业，即可进行不影响隧洞开挖的底部混凝土衬砌。

3.2 采取先边顶拱后底板的施工方式

对于交通隧洞，若无过水要求，可采取先边顶拱跟进开挖施工，底板混凝土待隧洞开挖完成后进行衬砌后施工的方法。该方法能极大缩短隧洞整体工期，隧洞开挖一般月进尺在80～120m，边顶拱衬砌月进尺一般为120～150m，采用该方法隧洞开挖完成，边顶拱衬砌也可完成，只需进行底板衬砌，底板衬砌的施工速度远远大于边顶拱衬砌速度，底板衬砌月进尺一般可达到350～400m。对于1km长的隧洞，若采用传统方法开挖完成后再衬砌，施工时间约为1.5年，采用先边顶拱后底板的施工方式1年内即可完成，提升施工效率约50%。

但该方法仅适用于不过水的交通隧洞，施工缝的预留部位应注意不能在应力集中处，且需做好施工缝的凿毛处理，可在施工缝处架设一道橡胶止水带及膨胀止水条，以防止山体渗水沿施工缝处漏水。

3.3 合理安排隧洞出渣和混凝土浇筑的时间

制定施工计划时，合理安排隧洞出渣和混凝土浇筑时间，尽量将该两个工序时间错开，比如将混凝土浇筑安排在白天，隧洞出渣安排在夜间，可以有效减少冲突。

4 隧洞开挖与边顶拱混凝土施工干扰的解决措施

4.1 优化隧洞开挖管线系统

将10kV高压电缆进洞，在衬砌钢模台车与开挖工作面之间每相距500m布置一个尺寸5m×5m×10m(宽×高×长)的错车洞，在洞内布置10/0.4kV变压器，并在洞内设置照明电缆，减少一道照明电缆对钢模台车的穿越。

在隧洞开挖过程中，出现渗水时需要布置一趟排水钢管把洞内渗水引排到洞外，隧洞开挖需要把洞口水池里的水通过供水钢管将水引至开挖钻孔掌子面。对于贫水洞段，由于前期地质水文勘探过程中已确认无涌水风险，隧洞渗水量较小，可以进行供水管路优化，只采用一道钢管，同时兼具排水管、供水管的作用，不仅缩短了供水的距离，还将一部分排水工程量作为供水量，减少了排水量。方案为在隧洞一侧布置积水沟和三级沉淀池，主要是增加了利用集水坑进行水的储存和沉淀，将供水管与排水管结合，只用一套管路，兼具排水与供水的作用，同时给开挖面钻孔供水、同时将多余的水外排(见图4)。

图4 隧洞供水与排水管线优化示意图

4.2 采取保护管套装固定的方式穿越管线

供水钢管、高压电缆的穿越及固定保护措施：钢模台车设计时，在钢模台车侧壁位置设计供水、供风的固定管道，将该两道管道固定到衬砌钢模台车上，该管道与前后方的管道采用软管进行柔性连接，高压电缆穿越钢模台车的部位设置保护措施，确保前方开挖工作面正常施工。

通风排烟管道的穿越及固定保护措施：进行钢模台车结构设计时，在台车内部预留通风设施空间。为保证通风畅通，防止通风管被破坏，把通风管吊挂于拱顶上，并高于洞内行走机械的高度，吊挂风管的缆索要拉平、拉紧；锚杆要打牢、矫直；风管上的吊环间距要设置均匀，做到无一缺损和无一漏挂。风筒与风机连接处采用30m长铁皮变径导风筒与软式风筒连接；在工作面风筒末端也增加一节10m长铁皮风筒，防止爆破时破坏风筒；风筒经过衬砌地段时，在风管外设铁皮筒保护，确保管路畅通。

4.3 设计穿越式钢模台车

穿越式钢模台车的结构设计需满足两方面的要求，一是要确保各类机械设备如出渣车、反铲、混凝土罐车等自由地在钢模台车内部穿行，根据机械尺寸需确保钢模台车门架内部有宽3.7m、高4m的尺寸；二是需满足浇筑混凝土时钢模台车的强度、刚度、稳定性的要求。

5 结 语

在本工程隧洞出口挤压破碎不良地质塌方段施工过程中，对塌方段进行一次支护处理后，采用先施工边顶拱后施工底板、优化开挖管线布置等技术措施，解决了衬砌与开挖同时施工过程中的交叉干扰问题，进行了衬砌跟进开挖施工，对隧洞一次支护塌方段进行了加固，既保证了隧洞工程施工安全，又为后续混凝土衬砌施工节省了工期，可为隧洞工程类似问题提供参考。