【三车道公路隧道紧急停车加宽带开挖与控制】双向四车道公路隧道内廓图
时间：2019-05-01 03:13:37 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】山西忻阜高速公路长城岭隧道为三车道隧道，所处地质多为片麻岩，其中Ⅲ级围岩段紧急停车带为加宽带，开挖断面跨度达到18.7m，开挖断面达到195.4m2。根据工况采取三台阶预留核心土施工工法，施工中坚持“明地质、短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测、速反馈”原则，降低了成本，加快了进度，各项指标控制到位，没有发生安全质量事故，对同类工程施工有借鉴意义。
【关键词】大断面；停车带；断层；隧道
1、工程概况及地质条件
山西忻阜高速公路路基第十一合同段长城岭隧道长3.0公里（全长4.7公里，其中河北段1.7公里），位于山西省忻州市五台县石咀乡芦家村一带晋冀两省交界处的长城岭山区，为穿越两省分界的越岭隧道，分上下行洞设计，其中右洞YK121+020～YK124+022.26，长3002.26米，最大埋深约464.6米；左洞ZK121+050～ZK124+031.41，长2981.41米，最大埋深约460.9米。设计为双幅三车道隧道，其Ⅲ级围岩段紧急停车带为加宽带，开挖断面跨度达到18.7米，开挖断面达到195m2，路面以上设计开挖半径9.6m。初期支护形式设计有I20a型钢拱架、Φ25中空注浆锚杆、φ8钢筋网和27cm厚C25喷射混凝土等。隧道二衬设计为C25钢筋混凝土，厚度为60cm，二次衬砌内轮廓半径989.5cm，衬砌完成后路面以上断面有效面积125.1m2。
隧道围岩属于中太古界龙泉关群榆树湾组（Ar2y）微~未风化眼球状混合岩化黑云角闪斜长片麻岩夹浅粒岩，局部间夹有薄层黑云母片麻岩。主要呈块石状镶嵌结构，局部呈碎裂状结构，岩体较破碎，洞体范围内地下水为基岩裂隙水及构造裂隙水，围岩出水状态主要为线状、淋雨状滴水，局部有可能发行涌水，地下水对围岩稳定性影响较大。围岩受F6断层（属正断层性质，断层产状354°∠85°，断距H=10米。根据断层产状推测，F6断层上、下盘地层均为中太古界龙泉关群榆树湾（Ar2y）眼球状混合岩化黑云角闪斜长片麻岩及上太古界石咀群板峪口组（Ar3b）浅粒岩、变粒岩、长石石英岩，断层构造对洞体围岩完整性影响较重）构造影响较重，岩体节理裂隙发育。工程重难点为：
（1）隧道停车带处在F6断层上，断层构造对洞体围岩完整性影响较重；（2）隧道开挖断面大，开挖高度为12.7米，开挖宽度为18.7米，开挖面积195.4米，施工变形难控制；（3）工程可靠性和耐久性要求高；设计使用100年，主体结构零缺陷；施工工期紧。
2、隧道施工技术
对于大跨径受断层影响的隧道加宽段施工，如果施工方法选择不当，最容易出现的就是变形难以控制，容易出现水平和侧向位移，无法保证安全、质量和进度。因此对于这类隧道施工，选择安全可靠、经济可行的施工方法是施工的前提。
该隧道加宽段原设计采用的双侧壁导坑法施工[1]。该方法采取分部开挖，每部开挖断面小，开挖断面封闭早，利于围岩稳定，安全可靠，但施工作业空间太小、大型机械施工作业困难，同时由于工序繁多、施工进度缓慢。在充分调查研究的基础上，结合以往施工经验，制定了三台阶预留核心土施工工法[1]。该工法的特点是开挖空间大，利于机械化作业，同时工序简单，利于提高施工进度，降低工程成本，但施工风险较大，因此，施工时应加强施工控制和施工量测。台阶法施工根据长短有长台阶、短台阶和超短台阶之分。对于大跨径隧道宜采用短台阶。
短台阶虽然会造成各工序间不同程度的相互影响，但有利于早封闭，有效阻止变形发展，满足施工安全。在选择了正确的施工方法的同时还应在施工过程中坚持“明地质、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的原则。
2.1 施工工艺流程[3]
三台阶留核心土开挖步序见图1
开挖支护顺护说明：
1、拱部开挖
Ⅱ、拱部初期支护（安装钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷射混凝土）
3、上台阶核心土开挖
4（6）、中台阶左右侧开挖
Ⅴ（Ⅶ）中台阶左右侧初期支护（安装钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷射混凝土）
8、中台阶核心土开挖
9、下台阶开挖
Ⅹ、浇注仰拱
Ⅺ、全断面模筑二次衬砌混凝土
2.2 施工控制原则
（1）明地质：本工程超前地质预报采用TSP203超前地质预报系统进行探测[2]，该方法预报时间短、精度高、效果好，并且，对隧道施工不会有干扰（或者仅有轻微干扰），能及时指出隧道掌子面前方100～150m范围内存在的不良地质状况，为隧道施工以及变更工艺提供依据，正确指导隧道的安全施工。
（2）短进尺：对于Ⅲ级围岩加宽段，开挖要严格控制进尺和超挖。每一循环施工1～2榀拱架，且长度不超过1.6m。开挖采取爆破或人工配合挖掘机进行，机械开挖时动作要慢、轻，开挖轮廓比设计略小，开挖后人工修整。检查轮廓合格后立即喷射4～6cm混凝土封闭围岩表面，然后支立钢拱架，挂设钢筋网片，打设系统锚杆和锁角锚杆，锚杆必须注浆加固，最后喷射混凝土至设计厚度（27cm）。
（3）弱爆破：在隧道施工中应用光面爆破施工工艺，严格控制爆破炸药使用量，能最大限度地减少爆破开挖对围岩的扰动，充分利用围岩的自稳能力，确保施工安全。
（4）强支护：由于隧道开挖断面较大且在F6断层上，围岩结构不太完整，自承力差，施工必须采取支护措施防止变形过大。本工程的支护为钢拱架、锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成的复合型支护方式，承载能力大，稳定性好。在围岩开挖后应及时支立钢拱架，钢拱架安装严格控制垂直度、拱架间距、拱架间纵向连接钢筋、钢筋网片、系统锚杆、锁脚锚杆以及拱脚支承的施作质量。
（5）早封闭：在围岩不太完整的围岩施工中必须坚持早封闭，以免钢架长时间处于部分自由状态，发生下沉、收敛等并最终发生大变形或坍塌。具体方法是缩短台阶长度，及时施作仰拱、二次衬砌。对于仰拱和仰拱填充已施工完成段，当长度超过40m时，根据监控量测资料及时施作二衬混凝土。 （6）勤量测：新奥法施工容许围岩发生一定量的变形，促使围岩内部应力重分配，使围岩和支护结构共同受力，但变形不允许太大，因此监控量测极其重要。监控量测包括围岩应力量测和变形量测。本工程应力量测通过预埋JMZX-50XX系列弦式数码压力盒，测量围岩对拱架的压力，以了解支护结构的受力变化情况，来判断支护的安全性。变形量测包括拱顶沉降和水平收敛量测，拱顶沉降量测采用精度较高的水准仪进行量测，水平收敛采用JSS20-30型收敛仪（测量精度为0.01mm）进行量测。根据设计要求并结合实际情况，变形量测每10m布置一个断面，每个断面2～3对观测点。拱顶下沉及周边收敛量测设在同一个断面，采用相同的量测频率。如位移出现异常情况，加大量测频率。拱顶下沉、周边位移收敛量测测点布置见图2，观测要求见表1。
（7）速反馈：对于观测结果应及时进行整理和数据处理，利用计算机将数据汇总并绘制位移—时间曲线或散点图，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况。根据有关规范、规程、设计资料及类似工程经验，制定监控量测变形管理等级见表2，据此指导施工。
观察及量测发现异常时，及时修改支护参数。每次量测后应及时进行数据调整，并绘制量测数据时态曲线和距开挖面关系图；对初期的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度；数据异常时，则根据具体情况及时采取加厚喷层、加密或加长锚杆、增加钢架等加固措施。
一般正常状态须同时满足以下条件：净空变化速度小于0.2mm/d时，喷射混凝土表面无裂缝或仅有少量微裂缝，围岩基本稳定；位移速度除在最初1～2d允许有加速外，应逐渐减少。当净空变化速度大于5.0mm/d时，应加强初期支护。
表1 观测要求
量测频率 变形速度/(mm?d-1) 量测断面距开挖工作面距离
2次/d ≥5 (0～1)B
1次/d 1～5 (1～2)B
1次/2～3d 0.5～1 (1～2)B
1次/3d 0.2～0.5 (2～5)B
1次/周 ＜0.2 ＞5B
表2 变形管理等级
管理等级 管理位移 施工状态
Ⅲ U＜U0/3 可正常施工
Ⅱ U0/3≤U≤2U0/3 应加强支护
Ⅰ U＞2U0/3 采取特殊措施后施工
当围岩位移速率不断下降时，围岩趋于稳定状态；当围岩位移速率保持不变时，围岩不稳定，应加强支护；当围岩位移速率不断上升时，围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。
2.3 施工控制注意事项
（1）地质预报要制定方案，形成制度，由专人负责，特别应防止开挖超出预报范围，对地质预报资料要认真分析，并据此编制技术交底下发作业班组。对于预报资料中存在不良地质的部位要提前制定加强支护措施和施工预案。
（2）开挖进尺长度严格控制，机械开挖动作应尺量要小，开挖时轮廓比设计略小，欠损挖部分采取人工修凿，尽可能减小机械对周围岩体的扰动。
（3）初喷作业必须坚持，防止围岩长期暴露而软化，同时封闭为一体增强围岩稳定能力。
（4）必须采取措施提高拱脚的承载力。可通过拱架拱脚支垫预制混凝土垫块，同时扩大拱脚开挖的方式来增加拱架承载力。
（5）锁脚锚杆应切实施作，保证锚杆的数量（每片拱架拱脚至少不少于2根）和长度，锚杆应与钢架进行可靠焊接。
（6）喷射混凝土必须密贴围岩，喷射混凝土和拱架背后绝不允许有空穴存在。对于施工中出现的塌方、超挖均应采用注浆或喷混凝土填充密实；拱架背后难以喷填密实时应预留注浆管进行注浆回填密实。
（7）监控量测由专人负责，严格按照要求布点、按频率量测，保证数据准确、真实、及时。对于量测数据应认真、系统分析整理，并做出位移—时间曲线，使监控量测能切实起到指导施工的作用。
（8）合理预留沉降和收敛量。在本隧道的开挖过程中预留沉落量在Ⅲ级围岩加宽段为10cm，同时根据监控量测变形情况略作调整。
（9）严格控制台阶长度，尽可能短，同时下台阶开挖后立即紧跟仰拱进行封闭，能有效阻止变形发展，为保证施工安全，根据施工经验，台阶总长度控制在25～35m，仰拱与二衬不超过40m。
3、结束语
通过采取三台阶留核心土法，施工三车道大跨径公路隧道Ⅲ级围岩停车带的整个过程中，各项检测指标控制到位，没有发生任何安全、质量事故。此法比双侧壁导坑法降低了施工成本，并极大的加快了施工进度，赢得了工期。为以后类似隧道工程施工控制积累了宝贵的施工经验。
参考文献
[1]关树宝.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003
[2]付国水,冯俊霞,刘秀峰.厦门海底隧道地质超前预测预报技术[J].国防交通工程与技术,2006,4（3）:42-45
[3]王骁.三车道隧道V级围岩浅埋段开挖与控制[B].国防交通工程与技术,2009年9月第七卷第五期:47-50
