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三车道大跨隧道浅埋土质地层段施工技术
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内容提示：结合重庆外环高速公路北段施家梁隧道工程实际情况浅述大跨隧道洞口浅埋土质段施工。隧道最大开挖宽度17.82m，施工采用超前大管棚、地表注浆、台阶法、短进尺、弱爆破等具体措施，保证施工安全、质量的同时，快速掘进。
摘要：结合重庆外环高速公路北段施家梁隧道工程实际情况浅述大跨隧道洞口浅埋土质段施工。隧道最大开挖宽度17.82m，施工采用超前大管棚、地表注浆、台阶法、短进尺、弱爆破等具体措施，保证施工安全、质量的同时，快速掘进。（参考《建筑中文网》）
关键词：施家梁隧道 大跨度 浅埋土质段 管棚施工 台阶法施工
0 引言
施家梁隧道位于北碚区施家梁镇境内，是重庆外环高速公路北段项目的重点控制性工程之一，也是我国在建的最长的三车道大跨隧道。本文结合施家梁隧道进口端施工过程中采用的一些施工方法和技术参数来浅谈大跨度隧道在洞口浅埋土质地层段的施工技术方法。
1 工程概况及特点
施家梁隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线（LK43 107～LK47 410）全长4303m，右线（LK43 103～LK47 370.5）全长4267.5m。隧道地质结构复杂，围岩破碎，Ⅳ、Ⅴ级围岩占67.5%；进口浅埋段地层表面覆盖第四系全新统崩坡积层、残坡积层粘土，下伏岩层主要为泥岩、粉砂质泥岩。隧址区由于地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，故地下水动态变化同大气降水密切相关，随降雨量的变化而变化。左右线之间有一冲沟，每当暴雨发生，地表排水通畅，山洪暴发时消涨亦快。隧道最大开挖宽度17.82m，最大开挖高度12.47m（含仰拱），最大开挖断面177.1m2。
设计荷载为公路—Ⅰ级，计算行车速度100km/h；建筑限界宽14.5m，高5.0m。隧道衬砌内轮廓为三心圆曲墙结构，内净空面积100.69m2。隧道衬砌支护采用复合式衬砌，初期支护以锚、网、喷为主，并辅以超前小导管/超前锚杆及钢支撑支护，二次衬砌为模筑混凝土（钢筋混凝土）。左线设计路堑式明洞70m，右线18m。暗洞施工时首先采用50mφ127mm超前大管棚预支护作为施工辅助措施。
2 浅埋土质地层段施工方案
2.1 基本原则
2.1.1 短进尺掘进：在隧道进口浅埋软弱地段，人工配合挖掘机严格按短进尺开挖，局部坚石采用弱爆破掘进。
2.1.2 初期支护紧跟：尤其在软弱围岩段，地压增长快，自稳时间短。锚、网、喷及钢支撑架设工作在爆破、排险后马上施作，基本与出碴同时或交错进行，尤其在地层破碎或构造带地段更要紧跟，以保证围岩稳定。
2.1.3 为维护开挖周边稳定，开挖必须形成平顺的开挖轮廓，不但对维护围岩稳定有利，也为后续工序创造良好条件，同时有效地控制超欠挖，也是提高企业经济效益的有效途径。
2.1.4 仰拱紧跟：根据本隧道地质情况，拱、墙部初期支护形成之后要尽早施设仰拱，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，并为二衬施工的模板台车轨道铺设提供条件，同时仰拱及早铺设也为洞内运输提供便利。一般仰拱与正面下部开挖面保持距离为40～50m左右，以保证开挖、装碴机具活动场地。
2.1.5 及时施作二次衬砌：二衬不能紧跟初期支护。初期支护设置后，仍需对围岩及初期支护变形进行不间断量测。如围岩及初期支护变形仍在急剧增长，则需补强初期支护，不能用加厚二衬的办法作为结构加强手段；直到围岩及初期支护变形基本稳定时（收敛小于0.1～0.2mm/d及拱顶下沉小于0.07～0.15mm/d时）则可施作二衬。但在Ⅴ级围岩段，当变形得不到有效控制的情况下，应迅速施做二次衬砌，然后再进行长期检测、观察。
2.2 施工方案简述 施家梁隧道明洞段在拉槽开挖的同时对边仰坡进行支护，暗洞段在超前大管棚支护下短进尺掘进。隧道进洞采用上下台阶法，上台阶预留核心土施工，开挖后及时进行初期支护封闭岩面。开挖支护过程中重点进行隧道的周边位移、拱顶下沉等量侧项目的工作，根据量测数据，及时调整施工方案，必要时上半断面设临时仰拱。上半断面开挖约10~15m后，开挖下部。在施工过程中隧道防坍塌问题是本工程在洞口段的最大施工控制重点。
3 关键施工技术
3.1 洞口土石方施工 首先施工洞口边仰坡顶的截水沟，开挖过程避开雨天进行。采用挖掘机开挖，孤石和挖掘机挖不动的岩石，采用小型控制爆破，装载机或挖掘机装碴，自卸汽车运输。洞口段边仰坡开挖严格按设计控制坡度，松软地层开挖时从上至下，随挖随防护，随时监测、检查山坡稳定情况。边仰坡上浮石、危石要清除，坡面凹凸不平处予以修整平顺。
明洞段根据洞口地形地质条件分为明挖段和暗挖段。明挖段采用拉槽开挖，临时边坡随挖随支护，支护参数为：普通砂浆锚杆长3.5m，按1.5×1.5m间距梅花型布置，Φ6.5钢筋网网孔间距0.25m，C20喷射混凝土厚8cm。开挖到暗挖段时要求预留核心土体，待洞口超前支护、暗挖段附加套拱施工完成后再开挖进洞。
3.2 超前大管棚施工 超前大管棚作为洞口浅埋加强段的辅助施工措施，它通过管棚和注浆来稳固地层，防止隧道开挖爆破时造成拱部坍塌。
施家梁隧道超前大管棚支护一环长50m，采用外径φ127 mm，壁厚的4.5mm的热轧无缝钢管，钢管前段呈锥形，尾部焊接φ10mm加劲箍，管壁四周钻2排φ20mm压浆孔。管棚的环向布置间距为35cm，共布置55根，外插角1～2度，在拱部120度范围内布置。
3.2.1 混凝土套拱施工 套拱即导拱，主要是起到管棚支撑及导向作用。套拱由五榀钢拱架、55根2m长的Φ150×4mm导向钢管及厚80cm、长2m的 C25混凝土护拱组成。管棚导向管安装时，考虑到隧道圆曲线半径及50m长度，外插角控制在1.5°。每根导向管安装时均采用水平尺及仪器测量检测，以保证钻机钻孔时不侵入隧道开挖净空，并能很好地起到超前支护的作用。架立钢拱架，在钢拱架背部焊接2m长的Φ150×4mm导向钢管后，安装模板，浇注C25混凝土护拱。
3.2.2 管棚钻孔及钢管施工
①钻孔：在套拱完成并养护3天后开始钻孔，采用两台MGJ-50水平地质钻机从套拱两侧底部开始施钻，并把每孔标号，方便施工时记录每孔的成孔时间、顶管时间及注浆量，以保证超前管棚的施工质量。在钻孔施工时为了确保钻杆接头有足够的强度、刚度和韧性，钻杆联接套应与钻杆同材质，两端加工成内螺扣（钻杆首尾端外螺扣），联接套的最小壁厚≥10mm。防止钻杆在推力和振动力的双重作用下，上下颤动，导致钻孔不直，钻孔时，把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移；钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换以确保正常作业。钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。同时详细记录前方的地质岩层情况。
②顶管：利用改装后钻机的冲击和推力，将安有工作管头的棚管沿引导孔钻进，接长棚管，直至孔底。管棚采用Φ127mm无缝钢管，管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。事先加工好的管节联接套，要预先焊接在每节钢管两端，便于联接。第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂。相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。将钢管安放在大臂上后，凿岩机要对已钻好的导向孔，低速推进钢管，其冲击压力控制在18-22Mpa，推进压力控制在4.0-6.0Mpa。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30-40cm时，开动凿岩机反转，使顶进联接套与钢管脱离，凿岩机退回原位，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，凿岩机缓慢低速前进对准第一节钢管端部（严格控制角度），人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。
顶进钢管后即可安设加工好的钢筋笼，起到管棚补强的作用。
3.2.3 管棚注浆 钢管及钢筋笼安装后即封堵管口，留注浆孔、止回阀及止浆塞，即可进行注浆。根据地质条件、围岩特性及注浆目的的不同，注浆材料一般分为两类：第一类为注水泥砂浆，其主要作用为增强钢管强度；第二类为注水泥浆或水泥-水玻璃双液浆等化学浆液，其主要作用为：①浆液通常超前压注到岩体裂隙中经过物力化学作用，即能将破碎围岩或松散颗粒在短时间内胶结成整体，起到超前预支护作用，为隧道开挖施工安全提供保障，又能增强围岩的整体稳定性；②浆液填充岩体空隙，凝结固化后，阻隔了地下水或雨水向隧道内的渗入，起到了堵水防水的作用。
关键词：施家梁隧道 大跨度 浅埋土质段 管棚施工 台阶法施工
0 引言
施家梁隧道位于北碚区施家梁镇境内，是重庆外环高速公路北段项目的重点控制性工程之一，也是我国在建的最长的三车道大跨隧道。本文结合施家梁隧道进口端施工过程中采用的一些施工方法和技术参数来浅谈大跨度隧道在洞口浅埋土质地层段的施工技术方法。
1 工程概况及特点
施家梁隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线（LK43 107～LK47 410）全长4303m，右线（LK43 103～LK47 370.5）全长4267.5m。隧道地质结构复杂，围岩破碎，Ⅳ、Ⅴ级围岩占67.5%；进口浅埋段地层表面覆盖第四系全新统崩坡积层、残坡积层粘土，下伏岩层主要为泥岩、粉砂质泥岩。隧址区由于地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，故地下水动态变化同大气降水密切相关，随降雨量的变化而变化。左右线之间有一冲沟，每当暴雨发生，地表排水通畅，山洪暴发时消涨亦快。隧道最大开挖宽度17.82m，最大开挖高度12.47m（含仰拱），最大开挖断面177.1m2。
设计荷载为公路—Ⅰ级，计算行车速度100km/h；建筑限界宽14.5m，高5.0m。隧道衬砌内轮廓为三心圆曲墙结构，内净空面积100.69m2。隧道衬砌支护采用复合式衬砌，初期支护以锚、网、喷为主，并辅以超前小导管/超前锚杆及钢支撑支护，二次衬砌为模筑混凝土（钢筋混凝土）。左线设计路堑式明洞70m，右线18m。暗洞施工时首先采用50mφ127mm超前大管棚预支护作为施工辅助措施。
2 浅埋土质地层段施工方案
2.1 基本原则
2.1.1 短进尺掘进：在隧道进口浅埋软弱地段，人工配合挖掘机严格按短进尺开挖，局部坚石采用弱爆破掘进。
2.1.2 初期支护紧跟：尤其在软弱围岩段，地压增长快，自稳时间短。锚、网、喷及钢支撑架设工作在爆破、排险后马上施作，基本与出碴同时或交错进行，尤其在地层破碎或构造带地段更要紧跟，以保证围岩稳定。
2.1.3 为维护开挖周边稳定，开挖必须形成平顺的开挖轮廓，不但对维护围岩稳定有利，也为后续工序创造良好条件，同时有效地控制超欠挖，也是提高企业经济效益的有效途径。
2.1.4 仰拱紧跟：根据本隧道地质情况，拱、墙部初期支护形成之后要尽早施设仰拱，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，并为二衬施工的模板台车轨道铺设提供条件，同时仰拱及早铺设也为洞内运输提供便利。一般仰拱与正面下部开挖面保持距离为40～50m左右，以保证开挖、装碴机具活动场地。
2.1.5 及时施作二次衬砌：二衬不能紧跟初期支护。初期支护设置后，仍需对围岩及初期支护变形进行不间断量测。如围岩及初期支护变形仍在急剧增长，则需补强初期支护，不能用加厚二衬的办法作为结构加强手段；直到围岩及初期支护变形基本稳定时（收敛小于0.1～0.2mm/d及拱顶下沉小于0.07～0.15mm/d时）则可施作二衬。但在Ⅴ级围岩段，当变形得不到有效控制的情况下，应迅速施做二次衬砌，然后再进行长期检测、观察。
2.2 施工方案简述 施家梁隧道明洞段在拉槽开挖的同时对边仰坡进行支护，暗洞段在超前大管棚支护下短进尺掘进。隧道进洞采用上下台阶法，上台阶预留核心土施工，开挖后及时进行初期支护封闭岩面。开挖支护过程中重点进行隧道的周边位移、拱顶下沉等量侧项目的工作，根据量测数据，及时调整施工方案，必要时上半断面设临时仰拱。上半断面开挖约10~15m后，开挖下部。在施工过程中隧道防坍塌问题是本工程在洞口段的最大施工控制重点。
3 关键施工技术
3.1 洞口土石方施工 首先施工洞口边仰坡顶的截水沟，开挖过程避开雨天进行。采用挖掘机开挖，孤石和挖掘机挖不动的岩石，采用小型控制爆破，装载机或挖掘机装碴，自卸汽车运输。洞口段边仰坡开挖严格按设计控制坡度，松软地层开挖时从上至下，随挖随防护，随时监测、检查山坡稳定情况。边仰坡上浮石、危石要清除，坡面凹凸不平处予以修整平顺。
明洞段根据洞口地形地质条件分为明挖段和暗挖段。明挖段采用拉槽开挖，临时边坡随挖随支护，支护参数为：普通砂浆锚杆长3.5m，按1.5×1.5m间距梅花型布置，Φ6.5钢筋网网孔间距0.25m，C20喷射混凝土厚8cm。开挖到暗挖段时要求预留核心土体，待洞口超前支护、暗挖段附加套拱施工完成后再开挖进洞。
3.2 超前大管棚施工 超前大管棚作为洞口浅埋加强段的辅助施工措施，它通过管棚和注浆来稳固地层，防止隧道开挖爆破时造成拱部坍塌。
施家梁隧道超前大管棚支护一环长50m，采用外径φ127 mm，壁厚的4.5mm的热轧无缝钢管，钢管前段呈锥形，尾部焊接φ10mm加劲箍，管壁四周钻2排φ20mm压浆孔。管棚的环向布置间距为35cm，共布置55根，外插角1～2度，在拱部120度范围内布置。
3.2.1 混凝土套拱施工 套拱即导拱，主要是起到管棚支撑及导向作用。套拱由五榀钢拱架、55根2m长的Φ150×4mm导向钢管及厚80cm、长2m的 C25混凝土护拱组成。管棚导向管安装时，考虑到隧道圆曲线半径及50m长度，外插角控制在1.5°。每根导向管安装时均采用水平尺及仪器测量检测，以保证钻机钻孔时不侵入隧道开挖净空，并能很好地起到超前支护的作用。架立钢拱架，在钢拱架背部焊接2m长的Φ150×4mm导向钢管后，安装模板，浇注C25混凝土护拱。
3.2.2 管棚钻孔及钢管施工
①钻孔：在套拱完成并养护3天后开始钻孔，采用两台MGJ-50水平地质钻机从套拱两侧底部开始施钻，并把每孔标号，方便施工时记录每孔的成孔时间、顶管时间及注浆量，以保证超前管棚的施工质量。在钻孔施工时为了确保钻杆接头有足够的强度、刚度和韧性，钻杆联接套应与钻杆同材质，两端加工成内螺扣（钻杆首尾端外螺扣），联接套的最小壁厚≥10mm。防止钻杆在推力和振动力的双重作用下，上下颤动，导致钻孔不直，钻孔时，把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移；钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换以确保正常作业。钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。同时详细记录前方的地质岩层情况。
②顶管：利用改装后钻机的冲击和推力，将安有工作管头的棚管沿引导孔钻进，接长棚管，直至孔底。管棚采用Φ127mm无缝钢管，管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。事先加工好的管节联接套，要预先焊接在每节钢管两端，便于联接。第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂。相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。将钢管安放在大臂上后，凿岩机要对已钻好的导向孔，低速推进钢管，其冲击压力控制在18-22Mpa，推进压力控制在4.0-6.0Mpa。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30-40cm时，开动凿岩机反转，使顶进联接套与钢管脱离，凿岩机退回原位，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，凿岩机缓慢低速前进对准第一节钢管端部（严格控制角度），人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。
顶进钢管后即可安设加工好的钢筋笼，起到管棚补强的作用。
3.2.3 管棚注浆 钢管及钢筋笼安装后即封堵管口，留注浆孔、止回阀及止浆塞，即可进行注浆。根据地质条件、围岩特性及注浆目的的不同，注浆材料一般分为两类：第一类为注水泥砂浆，其主要作用为增强钢管强度；第二类为注水泥浆或水泥-水玻璃双液浆等化学浆液，其主要作用为：①浆液通常超前压注到岩体裂隙中经过物力化学作用，即能将破碎围岩或松散颗粒在短时间内胶结成整体，起到超前预支护作用，为隧道开挖施工安全提供保障，又能增强围岩的整体稳定性；②浆液填充岩体空隙，凝结固化后，阻隔了地下水或雨水向隧道内的渗入，起到了堵水防水的作用。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200906/13298.htm
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