公路双联拱隧道施工工法

公路双联拱隧道施工工法一、前言采用上下行隧道分修是公路隧道设计中最常用的方式，但个别公路隧道因线路选线受地形条件等因素的限制而选用双联拱隧道。90年代末国内的京（北京）珠（珠海）高速公路粤境南段的五龙岭隧道即是一座双联拱隧道，该隧道具有埋深浅、跨度大、围岩条件差、地层偏压大的特点。通过五龙岭隧道施工技术的研究与应用，取得了较好的经济效益和社会效益。据此总结完成公路双联拱隧道施工工法。二、工法特点和关键技术1、将监控量测技术、数据处理和信息反馈技术应用于施工，动态修正施工方法和支护参数，确保施工安全。2、运用三导坑先墙后拱法进行开挖支护，初期支护为锚网喷格栅钢架结构，二次衬砌为钢筋混凝土结构。3、洞口段浅埋土质地段采用长管棚辅助工法通过。4、中柱防水技术是结构防水的关键。三、适用范围1、本工法适用于各种地质条件、各种地形条件、各种埋深条件下的山区高速公路双联拱隧道施工。2、本工法适用于受地表条件限制的城市公路双联拱隧道工程。四、施工方法（一）施工工序双联拱隧道采用三导坑先墙后拱的施工方法，先进行中导坑开挖，滞后一定的距离相继进行左右侧导坑开挖1和2，中导坑贯通后施工中墙钢筋混凝土I，侧导坑贯通后相继施工侧墙二衬钢筋混凝土II1和II2，在二条导坑贯通且完成中墙和边墙衬砌后，进行左右线正洞隧道拱部开挖1和2，拱部二次衬砌III1和III2，随后开挖中部核心土体1和2，最后开挖下部仰拱土体1和2，施做仰拱二衬结构V1和V2，从而形成封闭的支护结构。双联拱隧道施工工序见图1。 图1 双联拱隧道施工工序图（二）施工重点及注意事项1、施工准备做好进出口场地的“三通一平”工作。隧道洞门仰坡处理遵循“早进晚出”的施工原则，尽可能少地破坏山体植被，减少刷方和护坡工作量，确保隧道施工和今后的运营安全。仰坡边坡开挖要一次到位，并及时进行坡面防护，如系统锚杆、网喷砼及截水天沟等要提前施工。特别强调正面仰坡喷砼封闭必须密实坚固，达到设计要求厚度。2、洞口浅埋、土质地段长管棚施工（1）长管棚施工前期准备要求洞口开挖要预留核心土，以便长管棚施工。制作砼套拱作为长管棚固定墙，内设导向管（长度2.0m以上），长管棚位于开挖轮廓线以外20cm。导向管定位一定要按设计放样，除仰角1外，还应考虑向外偏1的外插角。导向管应与外模平齐，同时管口应有填塞物以利钻孔和焊接。开挖后边坡应喷锚，以防高压注浆造成边坡开裂，影响注浆效果。钢管加工应采用反丝，加工时公母丝对接应松紧适度。（2）钻孔采用全液压地质钻机钻孔。钻孔直径因受导向管内径的控制且为了方便管棚下管，成孔直径应尽量大。钻进开孔时，要低速低压，等成孔几米后，再加速加压。钻孔测斜用经纬仪测斜法，成孔一半时测斜，测定方法先抽出钻杆钻头，然后把专门制作的光源插入管内，送到测定位置，使用安装在钻机上的枧板十字丝，使两个十字丝重合再看光源，测定其偏差量。为加快速度，提高效率，也可采用经纬仪测定，其方法是用经纬仪从光源直接看光源，根据光源在孔内位置及孔径大小大致判定偏斜情况。用108岩芯管扫孔，其目的是顺孔及清碴，要求岩芯管长度2.5m左右。(3)安装管棚钢管钢管采用丝扣连接，丝扣长15cm，为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节采用3m长钢管，编号为偶数的第一节采用6m长钢管，以后每节采用6m长钢管。钢管顶进采用钻机顶进，单号孔顶进花管，双号孔顶进实管。如遇故障，需清孔后再将钢管插入。（4）注浆管棚设有孔管和无孔钢花管，施工时间隔布置，有孔管注浆，无孔管不注浆，作为检查管。采用全孔一次完成注浆，为防止注浆时串孔，间隔三个孔以上钻孔注浆。注浆参数为：灌注浆液：水泥水玻璃浆液；水泥浆水灰比：1 ：1；水泥浆与水玻璃体积比：1 ：0.5；水玻璃浓度35波美度，模数2.4；注浆压力：初压0.51.0Mpa，终压2.0Mpa；回填注浆液为30#水泥浆。注浆次序：采用打一孔注一孔的方法。单号孔先注单液浆（水玻璃浆），再注砂浆，双号孔注砂浆。注浆结束标准：注浆一般按单管达到设计量作为注浆结束标准。当注浆压力达到设计终压不少于20分钟，进浆量仍达不到设计注浆量时，也可结束注浆，注浆作业中应认真做好记录，随时分析和改进作业。3、开挖、初期支护及二次衬砌施工正洞采用三导坑先墙后拱法施工，初期支护和二次衬砌紧跟的支护原则。（1）导坑开挖导坑均采用超短台阶法施工。中导坑先行开挖支护，滞后约20m施工侧导坑，左右导坑错开约20m。开挖后及时施作锚网喷格栅拱架支护。土质地段上部采用人工开挖装运，下部采用人工开挖，装载机直接运输。石质地段采用控制爆破。为防止荷载转换造成中墙偏压倾斜及“群洞效应”对中导坑产生附加荷载，导致较大变形，中柱两侧与中导坑支护结构之间的空间用碴土回填夯实，上部1.5m厚范围内回填C10砼。（2）正线隧道拱部开挖 正线隧道拱部开挖采用环形开挖法，开挖支护一次成型，初支完成后，用圆木架立中立柱进行临时支撑，二次衬砌前进行拆除。一侧正洞先行开挖支护，另一侧正洞滞后约30m。（3）初期支护型式初期支护以锚网喷加型钢拱架组成，为使导坑封闭成环，结构受力闭合，设型钢喷砼仰拱。（4）二次衬砌施工二次衬砌采用先墙后拱法施工。在导坑初支完成后进行中墙边墙衬砌，中墙每循环10m，边墙每循环6m，边墙衬砌预留工钢牛腿（便于拱部衬砌拱架架立和架立防止边墙受推力产生倾覆的横支撑）。拱部二次衬砌紧跟初期支护，距离控制在一倍洞径以内，约16m。导坑的初期支护钢拱架在正洞拱部二次衬砌的基面处理时，进行割除，并随衬砌施工向前逐段切断，下部开挖时进行临时支撑的拆除。二次衬砌均为钢筋砼结构，配筋率高，采用泵送砼衬砌。为控制砼质量，保证砼坍落度为1620cm，选用13cm级配优良的碎石。施工过程中，拱顶预埋注浆钢管，并用其检查拱部砼是否灌注密实。4、结构防水技术隧道结构防水遵循“以排为主，防排结合”的原则。施工时，在初期支护与二次衬砌之间铺设一层复合防水板作为第一道防水措施，防水板铺设范围自拱部至边墙下部引水管和中墙顶部，防水板穿过初期支护预埋螺栓，从中墙顶通过，使左右线防水板连接为一整体，二次衬砌采取不低于S6的防水砼，作为第二道防水措施。施工缝采用遇水膨胀止水条，变形缝采用中埋式橡胶止水带止水。防水板背后每6m（施工缝处）设一环50mm软式透水管作为排水管与中柱和边墙下部100mm纵向排水管相连，边墙下部每6m设一横向引水管，将水引入边沟排出洞外。中墙内部预埋117mm铸铁管与中墙顶的纵向排水管相连。防水板采用热合机热熔。焊缝宽度不小于1cm，局部漏焊或无法用热合机焊接的部位用热风枪进行手工焊接。先将橡胶垫圈用射钉或木螺钉固定在初期支护上，再将防水板绑扎在垫圈上。防水板铺设时要松驰适宜，以防止砼灌注冲击，造成防水板绷裂。5、监控量测技术进行信息化施工，以监控量测成果反馈修正设计和指导施工。主要进行如下量测项目：（1）地表下沉监测（2）洞内拱顶下沉监测（3）洞内水平收敛监测（4）中柱钢筋应力量测（5）中柱砼应变量测（6）正洞钢拱架拱脚内力量测（7）正洞初期支护与围岩接触压力监测下沉量测使用配以FS型测微仪的PSZL自动安平水准仪及铟钢尺和钢挂尺进行监测，收敛量测采用SD-1A型数显式坑道收敛计进行量测。监测数据输入计算机绘制成曲线并进行分析，找出结构应力应变的规律。6、注意事项（1）保证中墙稳定，是建成双联拱隧道的关键和基础联拱隧道周边荷载通过拱部结构传递到中墙，使中墙集中受力。施工中必须有足够的措施，保证中墙不偏移、不倾斜、不发生不均匀沉降。必须处理好中墙地基，必要时施作灰土桩、挤密桩、树根桩或注浆加固等对地基进行改良处理，提高地基承载力，达到均匀承载的目的。同时，施工中可采用加宽加厚基础，提高其本身的抗不均匀沉降的能力，使隧道荷载通过基础进行分散，控制中墙上部荷载对中墙造成的“剪切”破坏。（2）导坑支护必须有足够的强度大跨联拱隧道施工一般采用导坑先行的减跨原则，导坑设计的合理与否关系隧道能否顺利建成。在很长一段时间是靠导坑初支结构来抵制围岩的全部的荷载，从时间效应看，它单独承受荷载的时间比拱墙初期支护还要长，况且临时支护的失稳将会增加正洞整个结构附加荷载，因此临时支护的强度应不低于拱部初期支护的强度，绝不能只从经济考虑，而减小支护强度。（3）必须解决好中墙顶部的防排水由于中墙倒八字结构和客观存在的蓄水效应，使得此处水压力大且此处为“直弧”交接，排水不通畅，因此联拱隧道的防水重点是中墙顶部的防排水，必须从设计和施工上不断进行改进，从根本上解决防水难点。（4）处理好初支与衬砌的关系修建联拱大跨隧道，二次衬砌紧跟是非常必要的，这是保证隧道施工安全的前提。但衬砌过于紧跟，不利于初期支护柔性变形，围岩应力来不及释放就被二次衬砌约束，且二次衬砌是在受力的条件下完成的强度增长，从而导致了二次衬砌结构变形开裂。因此处理好初支与衬砌的关系非常重要，一般地，二次衬砌滞后初期支护30m，约在初期支护施作一个月时间，初期支护柔性变形基本稳定。（5）导坑的结构形状选择侧导坑为狭高结构，抵制侧压的能力差，因此除在施工中加强初支质量外，在导坑选形方面，应考虑为受力较合理的马蹄形结构或尽量减小高跨比。（6）仰拱应及时封闭仰拱及时封闭是隧道施工安全的保证，大跨隧道仰拱及时封闭更为重要。仰拱施工前，隧道始终为两开口的环，整体受力极为不利，结构受力靠边墙和中柱，承载面积较小，抗倾覆、抗压、抗渗均不理想，整体受力极为不利。（7）锚杆施工工艺锚喷支护为新奥法施工支护的重要手段，影响锚杆锚固力的因素是多方面的，但主要有两个：第一，锚杆作用力与锚杆的及时施作有关，初期支护与锚杆及时施作，减小围岩松驰厚度，使锚杆作用在原状围岩的有效长度变长，从而增大摩阻力，因此，锚杆施作有很强的空间和时间效应，锚杆及早作用不仅能使锚固力少受损失而且能减小支护结构的被动作用力；第二，锚杆作用力大小与锚杆体的密实饱满程度有关，锚杆体的密实饱满增大了锚固体与周边围岩的接触面积，从而提高了锚固力。所以锚杆的施工工艺对锚杆的作用影响很大。（8）合理控制各作业面间的距离合理控制左右线正洞开挖作业面的距离，合理控制正洞开挖作业面与衬砌作业面的距离，合理控制中导坑、左导坑、右导坑开挖作业面之间的距离是双联拱隧道安全建成的关键，应根据量测结果及时进行修正。五、施工流程（一）洞口地段施工工艺流程图洞口坡面清理及防护测量定位、施作套拱搭设平台、安装钻机钻孔安装管棚钢管钢管注浆清理现场正洞开挖加工管棚钢管（二）洞身地段施工工艺流程图左导坑开挖支护（滞后中导坑约20m）贯通中导坑开挖支护贯通右导坑开挖支护（滞后左导坑开挖支护约20m）贯通中墙钢筋砼衬砌左侧边墙二衬钢筋砼衬砌右侧边墙二衬钢筋砼衬砌左侧正线隧道开挖支护右侧正线隧道开挖支护（滞后左线衬砌30m）左线隧道拱部二衬钢筋砼衬砌（滞后开挖16m）右线隧道拱部二次钢筋砼衬砌（滞后开挖16m）左线隧道核心土开挖右线隧道核心土开挖左线隧道仰拱开挖与支护右线隧道仰拱开挖与支护路面工程装修六、施工机具隧道主要施工机械配备表类别序号设备名称规格型号主要工作性能指标数量隧道开挖施工机械1多功能门式台架32气腿式凿岩机YT-283-4m3/min303反铲挖掘机WY201m324装裁机ZL402.5m325自卸汽车铁马15T36裁重汽车东风5T27空压机4L-20/820m3/min28空压机VY-9/89m3/min29喷浆机HPJ-I5m3/min510强制式拌合机JD350211通风机轴流式75KW212潜水泵WQ-15-10-1.51.5KW1013双液电动注浆机KBY-50/7011KW2砼施工机械14混凝土搅拌机HB-30030m3/h315混凝土搅拌机JS500216混凝土搅拌机HP800山料500L217插入式混凝土振捣器R-50科斗800L818鄂式破碎机219皮带输送机320振动筛1加工机械21型钢冷弯机122钢筋调查机GT4-1015123钢筋弯曲要GW4040124钢盘切割机UN1-10040125钢筋对焊机GQ40100KVA126电焊机BX3-30017.9KVA827普通车床GX6140400128万向摇臂钻床2F372540129砂轮机S3SL-4003KW2其它机械30木工刨床MB-104231木工圆锯MJ-1065.5KW232抽水机JTS10-50-250扬程50m2主要工程材料试验、质检及量测设备表序号仪器设备名称规格型号单位数量1万能材料试验机WE-600台12压力机NLY-2000台13水泥物理性能、胶砂强度鉴定仪（含试模）国际套14混凝土抗渗仪（含试模）HS-40台15混凝土振动台800800台16混凝土快速试验设备压蒸式台17小型混凝土试验搅拌机301台18回弹仪225型台19电动振筛机200台110混凝土、水泥试件标准养护箱制冷HY-20台111电热鼓风干燥箱450450台112试模151515101010组10813普通天平（架盘）100g 200g 500g1000g 2000g 5000g台各114砂、石子试验仪器国际台115分析天平TG628A 200g/1mg台116土壤筛200 0.01-10套117光电液塑限仪GYS-100台118电动击实仪国际（轻型）台119土壤核子密度仪MC-3台120锚杆拉拔器20T台121数显收敛仪SD-1台122精密水准仪WLLDN3台123地质罗盘仪个224激光断面仪PROFILER4000套125计算机（成果处理系统）586台126收敛仪SD1A个3七、劳动组织主要作业工序劳动力配备表工序工作内容人数班次人员构成长管棚施工打孔、下管、注浆63=18司机1人、辅助工5人开挖支炉开挖土石方、装渣、运输、锚喷、支护3183=162隧道工120人、电焊工6人、钻焊工10人、电工3人、机械维修工9人、装运司机14人二次衬砌施工基面处理、铺防水层、绑轧钢筋、立模、灌注混凝土472=94基面处理4人、防水6人、钢筋工24人、模板20人、混凝土工40人八、质量标准本工法除遵循施工设计图纸，遵循现行的公路隧道设计、施工与验收规范和规程外，还应注意以下质量标准：1、拱顶预留沉降量不小于15cm；2、施工误差不小于5cm。九、安全措施施工过程中除应严格遵守国家和部颁有关隧道施工技术规则外还应注意以下事项：1、设专职工程技术人员做好地质描述和超前地质预报，并根据监控量测结果，调整支护参数，确保施工人员、设备的安全。2、隧道开挖，采用光面爆破，严格按爆破设计和爆破安全规程操作施工，严格控制药量，做好软岩的防塌、光爆成形工作。3、洞内施工严格控制进尺，严格按设计和施工方案施作初期支护，在上一环初支未完成前不得进入下一环开挖作业。4、结构应及早封闭成环。十、工程实例五龙岭隧道位于广东省翁源县境内，是北京珠海高速公路主干线上一座六车道的双联拱隧道，全长200m，于1998年12月开工，2000年3月建成通车。五龙岭隧道洞口埋深仅310m，最大埋深40m；隧道从五龙岭经长年冲刷形成的“V”型下穿过，一侧山势较高，一侧较低，形成自然偏压；隧道位于断层破碎带中，地质条件差，属II、III类围岩；隧道开挖宽度达32.6m，开挖高度达11.6m。所以，五龙岭隧道具有埋深浅、跨度大、围岩条件差、地层偏压大的特点。洞口浅埋、土质地段采用长管棚支护。管棚为108钢花管，长40m，间距30cm，注水泥水玻璃双液浆。隧道采用三导坑先墙后拱法施工。中导坑宽5.8m，高6.4m，半圆拱形结构。中墙为2.3m宽钢筋砼，顶与中导坑拱顶高差0.5m。侧导坑宽4.71m，高6.98m，双弧尖顶形结构。隧道初期支护为型钢支撑锚网喷支护，二次衬砌为模筑钢筋砼，支护设计参数见下表：部位支护类型初期支护二次衬砌系统锚杆C20喷射砼钢筋网钢支撑C25钢筋砼型 号长度(cm)间距(cm)厚度(cm)直径网格间距(cm)型号间距(cm)厚(cm)主筋直径/间距(cm)拱墙S2WTD25注浆锚杆4001001002782020 20b705025/20S3WTD25注浆锚杆4001201202262020 20b1005022/20中导坑（中墙）S222砂浆锚杆2501001001582020 167023025/10S322砂浆锚杆2501001001062020 23022/10侧导坑（边墙）S222砂浆锚杆2001001001018705025/20S322砂浆锚杆20012012010181005022/20防水板为PVC复合防水板，施工缝采用BW-II型遇水膨胀止水条，变形缝采用XZ-322-30型中埋式橡胶止水带，防水板背后设50的软式透水管。在施工中，通过进行双联拱隧道施工工法的研究与应用，洞口土质浅埋段采用长管棚支护，正洞开挖采用三导洞先墙后拱法施工，特别是合理控制三导坑开挖作业面之间的距离，合理控制左、右线及正线开挖作业面之间的距离，合理控制正线开挖作业面与衬砌作业面之间的距离，控制偏压及群洞效应影响，中墙防排水技术等关键技术的成功应用，安全、优质、按期、高效地建成五龙岭隧道，取得了较好的经济效益和社会效益。执笔：许燕峰、王凤忠、杨秀权