某市政公路隧道分岔大跨段施工方案优化_肖本利.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-06修回日期 2019-12-14 第一作者简介 肖本利 （1989-） ， 男 （汉族） ， 湖北黄冈人， 工程师， 现从事隧道施工技术工作。 某市政公路隧道分岔大跨段施工方案优化 肖本利*1， 李丰果 2 1.中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001； 2.中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458） 摘要 以某市政公路隧道分岔大跨段施工为例， 根据勘探及揭示的地质情况， 在中风化砂岩及石英 砂岩地层中， 结合市政公路矿山法隧道施工的干扰性， 通过对设计方案的优化， 采用双侧壁导坑法、 CD法、 台阶法等多种工法的连续转换以及小净距段的混凝土置换法， 将施工顺序、 导坑尺寸等进行 了调整， 在确保安全质量的前提下加快了施工进度、 降低了施工风险及难度， 实现了市政公路隧道快 速施工的目的， 为以后同类地质条件下的隧道分岔大跨段施工可提拱借鉴及参考。 关键词 矿山法隧道； 分岔大跨段； 方案优化； 快速施工 中图分类号 U459.2 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0181-05 随着我国地下空间的不断开发， 公路隧道建设进 入了高速发展期， 在市政公路隧道建设中， 越多的空间 利用受限， 受地域限制、 线性布置、 道路连接以及功能 使用等多方面因素影响， 需考虑多重隧道组合， 便有了 我们所说的分岔隧道。 分岔隧道连接处， 隧道布置形式特殊、 受力结构复 杂， 短距离内分离式隧道逐渐重合， 需要经历小净距、 超小净距以及大跨度断面， 公路隧道建设中称之为分 岔大跨段[7]。目前在国内外对分岔大跨段的研究也很 成熟， 从受力计算、 三维模拟、 变形控制、 安全控制等多 方面均有很大的成就， 但在复杂的市政工程环境下， 如 何根据地质情况， 在保障安全、 质量的前提下， 加快施 工进度、 减小环境影响是关键。 根据我国在分岔大跨段涉及的小净距、 大跨度规 范及指南要求， 并借鉴长沙营盘路[6]等隧道分岔大跨段 的施工经验， 本文以某隧道分岔大跨段施工为例， 通过 对设计方案的优化， 采取各项保障措施， 达到了快速施 工的目的， 为类似工程的推进奠定了基础。 1工程概况 1.1工程简介 某市政公路隧道线路全长2.3km， 由两条主线及两 条匝道组成， 两条匝道洞口位于两条主线斜上方， 匝道 与主线在分岔大跨段合流， 合流点以北为单向双车道， 以南为单向三车道， 其中西线分岔大跨段过渡长度 124.96m， 东线分岔大跨段过渡长度133.7m。 1.2地质情况 西线分岔大跨段洞身主要穿越中风化石英砂岩、 中风化砂岩、 糜棱岩及碎裂岩， 岩体较破碎， 围岩等级 为Ⅴ级， 隧道开挖时， 无涌水涌泥现象， 有少量基岩裂 隙水， 稳定性较好； 东线分岔大跨段洞身主要穿越中风 化石英砂岩及中风化砂岩， 岩体较完整， 围岩等级为IV 级， 有少量基岩裂隙水， 稳定性好。 2原设计方案 2.1总体思路 该隧道由两车道合流至三车道， 依次经过小净距 段、 大断面及过渡段， 此时分岔大跨段采用6种断面突 变进行过渡， 设计采用6种施工工法 CD法、 CRD法、 双侧壁导坑法、 双连拱法、 环向扩挖法、 纵向导洞法， 隧 道断面大、 断面类型多、 各断面纵向长度短， 隧道洞身 采用复合式衬砌结构。 为确保施工安全， 进入小净距段后采用双连拱法 施工， 中洞法替换中间岩柱； 进入大断面过渡段， 先采 用纵向导洞及帷幕注浆超前加固， 利用横向导坑法扩 挖形成大断面， 再根据断面尺寸由大到小依次过渡， 因 每种断面中导坑初期支护不连贯， 两侧导坑纵向均不 能形成可连贯施工通道， 只能依次顺序施工， 即每个断 面完成后才能进入下一个断面施工。 2.2小净距段施工 分岔大跨段涉及小净距段38m， 其中超小净距段 13m， 最小净距50cm， 采用双连拱工法进行施工， 即先 181 2020年第10期西部探矿工程 超前施工横向导坑、 纵向导洞， 中洞法替换中间岩柱， 再单侧施工主线及匝道。 2.3大断面施工 主线与匝道合流处， 断面273m2， 高13m、 宽23m， 设计采用双侧壁加横向导坑法形成大断面， 由两个小 断面合并形成大断面。大断面如图1所示。 图1大断面横断面图 第一步 两侧小断面以导坑的形式进入大断面， 纵 向3m范围内扩挖三层支护空间， 先施作左右侧壁第一 层支护。 第二步 施作第二、 三层支护， 采用模筑混凝土封 闭。 第三步 弃渣回填， 架设临时支撑， 横向开导洞， 拱 部扣拱， 大断面形成， 按正常双侧壁工法施工大断面剩 余段落。 3优化后设计方案 3.1小净距段施工 因小净距段设计原理是替换中间岩柱， 化解左右 侧隧道开挖时的风险， 设计为双连拱形式， 利用中导洞 进行替换， 为更快速替换、 减少复杂工序、 避免衬砌分 部施工， 调整为单侧隧道扩挖并喷砼回灌替换， 优化后 零距近接无导洞法， 实施后效果明显， 支护体结构稳 定。优化后小净距段横断面如图2所示。 图2优化后小净距段横断面图 3.2大断面施工 3.2.1整体方案 参照原设计方案， 未考虑两车道小断面至合流大 断面的过渡， 强制将小断面调整为大断面存在工序转 换频繁、 作业空间狭小， 扩挖挑顶将多次扰动围岩， 施 工难度大、 安全风险高， 若出现失稳， 应急救援难度相 当大。 为解决难度大、 安全风险高的问题， 经研究分析， 将左右两侧导坑加大， 与原有两车道断面相似， 中间导 坑依次减小， 两侧导坑可连贯施工， 优化为一体化双侧 壁导坑法施工。调整后可以采用两侧导坑超前施工， 一方面便于大型机械的作业， 也便于快速施工， 及时封 闭支护体， 保障现场安全， 另一方面可顺向渐变进入三 车道， 反向渐变施工大断面， 避免了强制过渡， 由小到 大依次渐变， 平稳过渡， 并快速实现隧道两端的接应施 工。优化后大断面变换处施工顺序如图3所示。 3.2.2施工工艺 图3优化后大断面变换处施工顺序图 182 2020年第10期西部探矿工程 调整后的双侧壁工法共分为6步， 预留一道横向临 时支撑作为临时仰拱， 支撑顶高度与两车道主线及匝 道的行车面基本平行， 根据监控量测情况， 若变形异常 及时施作临时仰拱并模筑混凝， 若变形稳定则根据先 后顺序， 架设栈桥同步施工。施工顺序由北向南先施 工右侧壁导坑①、 ②部， 一次经过D\C两种断面， 进入 B型断面后将双侧壁导坑法变为CD法， 进入A型断面 将CD法继续扩挖， 形成大断面； 由南向北施工右侧壁 导坑③、 ④部， 此时从A至D断面， 先CD法扩挖， 再双 侧壁扩挖； 由南向北施工中侧壁导坑⑤、 ⑥部， 此时先 扣拱， 初支封闭成环后， 再拆临时支撑， 根据监控量测 情况， 若出现异常先施作仰拱填充再拆支撑， 若变形不 稳定先施作拱墙衬砌再拆支撑。优化后大断面如图4 所示， 具体步骤如下 图4优化后大断面支护横断面图 第一步 左右侧壁导坑均在原有两车道断面的基 础上设置6榀拱架将初期支护拱部渐变抬高， 导坑外侧 为大断面标准尺寸。 第二步 右侧壁导坑拱部抬高进入大断面标准尺 寸后 （D型） ， 可连续施工一段距离； 施工至下一处突变 断面时 （C型） ， 因导坑外侧净空回收， 为保障正常断面 宽度、 行车及台架等作业空间不受限， 则中间临时支撑 需要往断面中间调； 平面位置设置7榀拱架进行横向渐 变， 逐渐进行断面的过渡， 保障导坑间的连续； 此时左 侧壁导坑横向跨度不变， 拱部结合断面大小适当降低。 第三步 右侧壁导坑进入下一断面的标准尺寸后 （C型） ， 可连续施工一段距离； 施工至下一处突变断面 时 （B型） ， 参照第二步同样原理， 利用横向渐变进入下 一处突变断面； 此时左侧壁导坑横向跨度仍不变， 拱部 结合断面大小适当降低。 第四步 前面两种断面 （D\C型） 均为双侧壁导坑 法施工， 进入下一突变断面后 （B型） ， 采用CD法施工， 同样可连续施工一段距离； 施工至下一处突变断面时 （A型） ， 参照上述步骤原理， 利用横向渐变进入下一处 突变断面。 第五步 进入最后一个断面后 （A型） ， 基本已进入 三车道， 此时可利用CD法继续横向渐变， 逐渐形成标 准全断面； 形成标准断面后继续按标准断面往前施工 20～30m， 拉开纵向操作空间。 第六部 纵向操作空间拉开后， 即右侧壁导坑已全 部施工完成， 此时可反向开挖左侧导坑， 从A型断面至 D型断面依次进行， 其中A型断面反向施工也可称为 反向扩挖形成标准断面， 按总体安排中的双侧壁工法 或CD法， 安全稳定的施工左侧壁导坑， 直至贯通。 第七步 左、 右侧侧壁导坑施工完成后， 反向施工 双侧壁导坑段的中导坑， 直至贯通。 3.3注浆加固体系 小净距、 大断面涉及到扩挖、 挑顶、 渐变施工， 过程 中为保障围岩的稳定性， 需要提前进行加固， 利用注浆 固结支护体拱部以及边墙岩体， 避免滑塌影响。此项 工作作为关键工序纳入正常工序管理， 掌子面开挖前 进行超前注浆， 围岩软弱或裂隙水呈股状出水时， 采用 帷幕注浆， 初期支护完成后， 进行背后回填注浆， 同步 进行径向注浆加固。 通过注浆工艺的控制以及工序的纳入， 初期支护 封闭后， 无开裂等隐患， 安全稳定、 质量可靠。 4优化前后对比 方案优化后工序简化、 工法明了、 施工难度降低、 作业效率高、 安全风险低， 在工期上节约8个月， 在成本 上节约500万， 在社会效益上获得了良好的评价。优化 前后对比如表1所示。 5监控量测 优化后， 拱顶下沉、 周边收敛变形均远小于规范 值， 最大变形速率2mm/d， 累计变形25mm。监控量测 统计如表2、 图5所示。 由表2和图5可知， 左右侧壁导坑变形比较均衡， 先行导坑会在后行导坑开挖过程中出现短暂突变， 但 很快趋于稳定， 说明后行洞对先行洞会造成一定的影 响； 中侧壁导坑累计变形最大， 且变形持续较快发展， 在中导坑下部施工后仰拱初支已封闭成环， 此时变形 有减缓趋势， 仰拱施工前进行了支撑拆除， 此时变形又 有上升趋势， 但逐步趋于稳定， 说明双侧壁导坑法施工 时， 变形最大、 风险最高， 竖向支撑作用较大， 施工时需 根据监控量测情况适时拆撑， 确保安全， 仰拱封闭后变 形能趋于稳定， 控变形效果明显。 6爆破对周边环境的影响 183 2020年第10期西部探矿工程 该项目分岔大跨段以北为高档居民小区， 爆破作 业受限， 分岔大跨段采用单侧导坑先行， 另一侧导坑及 中导坑未反向开挖， 其爆破冲击波的方向不再冲出洞 口， 极大地减小了隧道爆破施工对洞口附近的居民小 区建筑物的冲击波影响。洞口距离小区100m， 分岔大 跨段距离洞口280m， 单段起爆药量最大13kg， 经小区 建筑物不同点位爆破影响数据监测， 正向开挖产生的 爆破振动数据为0.05～0.1cm/s， 瞬间噪声值为80dB左 右， 反向开挖产生的爆破振动数据0.02～0.03cm/s， 瞬 间噪声值为65dB左右。（下转第187页） 左导坑 右导坑 中导坑 仰拱后 衬砌前 规范要求 允许最大变形速率5mm/d； 最大 累计变形200mm 衬砌前连续7d变形速率小于 0.2mm/d 实际监测 拱顶下沉 最大速率2mm/d，累计13mm 最大速率1.5mm/d，累计15mm 最大变形速率1.5mm/d，累计17mm 最大速率2mm/d，累计22mm 0 周边收敛 最大速率2mm/d，累计19mm 最大率2mm/d，累计20mm 最大速率2mm/d，累计19mm 最大速率2mm/d，累计25mm 0 备注 整体变形 基本无变化 表2监控量测统计表 类别 安全 质量 进度 机械化作业 作业人员劳动强度 作业环境 节能减排 原设计方案 ①由小断面强行变化大断面， 围岩暴露时间长， 易出现围岩 失稳滑塌 ②横向导坑作业空间狭小， 隐患大、 风险高， 安全救援难度大 ③侧壁导坑尺寸小、 各断面间临时支撑不连贯， 循环封闭时 间长， 安全隐患大 ①小净距段衬砌分部施作， 防水以及衬砌结构质量控制难度 大 ②大断面初期支护分节太多， 连接处质量不易控制 ①各断面依次施工， 工序不连贯， 总体时间拉长， 综合平均月 进度12m ②侧壁导坑小， 临时支撑多， 作业效率低， 循环时间长 作业空间小， 基本采用人工配合小型机械作业 工序繁琐、 工法复杂， 人员作业强度加大 作业空间小、 通风困难、 温度高 投入成本高， 不节能 调整后方案 ①断面间依次渐变连续施工， 围岩暴露时间短， 减少坍塌风险。 ②侧壁导坑尺寸加大， 注浆纳入正常工序， 机械 作业， 支护封闭及时， 应急及时， 风险降低 ①小净距段利用扩挖将中间岩柱替换， 后期衬砌 可整体施作。 ②大断面减少接头位置， 减少质量隐患。 ①各断面连贯施工， 工序连贯， 可交叉作业， 总体 时间减短， 综合平均月进度24m。与原设计相比 总工期节约8个月。 ②导坑尺寸加大， 减少人工作业， 机械作业效率 高， 工序简化， 循环时间减短 作业空间大， 可配合大型机械作业 工序简化、 工法明确， 人员作业强度低 作业空间大， 相比之下通风难度小、 温度低 投入成本相对低一些， 更节能一些。与原设计相 比， 成本节约500万 表1优化前后对比表 图5典型断面变形历时曲线图 184 2020年第10期西部探矿工程 护， 还能够保证井下作业的安全， 为煤矿企业的经济财 产提供稳定保障。 3.4积极引进创新技术与设备 针对我国煤矿开采环节的发展现状， 政府有关部 门要制定相应的扶持政策， 保证煤矿企业流动资金的 充裕性， 这样使企业能够积极引进创新技术与设备， 在 现代化技术的发展背景下， 先进技术与生产设备能够 有效提升煤矿井下作业的质量与效率， 还能够规避各 类安全事故， 可以针对地质情况与施工环节进行实时 监控， 在发现安全问题时能够第一时间反应出来。此 外， 煤矿企业还要构建安全预警评价机制， 针对各项安 全隐患问题提前制定防护措施， 从而及时发现工作中 的缺陷与问题， 通过合理优化井下掘进方案与工作流 程， 为井下巷道作业提供合理的安全管理保证。 4结论 综上所述， 煤矿开采行业作为我国综合经济体系 中的重要成员， 为了合理促进市场经济的可持续发展， 需要积极引进先进的管理模式与生产设备， 这样才能 有效提升开采工作质量与效率， 同时为井下工作人员 的生命安全提供保障。本文针对煤矿井下采掘工作进 行研究， 首先介绍了煤矿井下采掘过程中的各类隐患， 其次指出煤矿井下采掘安全管理原则， 最后针对问题 提出相应的完善措施， 具体为优化安全管理制度、 强化 安全文明生产秩序、 着重培养员工安全意识、 积极引进 创新技术与设备， 从而不断提升自身的安全管理能力， 为煤矿行业的良好发展提供助力。 参考文献 [1]彭礼光.解析煤矿井下采掘安全管理的改进[J].山东工业技 术，2015850. [2]张朝刚.非煤矿山井下作业的安全管理措施分析[J].资源信 息与工程，2016，31591-92. [3]王群.煤矿现场安全管理存在的问题及解决措施[J].科技致 富向导，201517265. [4]王建芳.煤矿井下采矿技术存在问题及优化措施探讨[J].环 境与可持续发展，20155110-112. [5]崔金辉.矿井采掘安全管理思路探析及隐患排除措施研究 [J].科技风，201826109. [6]张义德.煤矿掘进技术及安全管理[J].科技与企业，201611 184-185. [7]侯照东.煤矿采掘工作面的安全管理研究[J].企业改革与管 理，2017225. （上接第184页） 7结论及建议 （1） 砂岩风化地层、 基岩裂隙水少、 具有一定稳定 性的V级围岩进入小净距段施工， 可利用扩挖回填法 代替双连拱施工， 此方法可以加快施工效率、 快速封 闭、 减少衬砌分部施工带来的不便， 但施工前需充分了 解围岩情况， 并做好围岩加固措施。 （2） 隧道分岔大跨段施工， 大体分为两种， 第一种 是由合流处向分岔处施工， 第二种是从分岔处向合流 处施工， 第二种方法最为有利， 但需结合隧道布置情况 以及整体工筹而定。 （3） 隧道分岔大跨段若由分岔处向合流处施工， 则 可以采用渐变方式进行， 实现连续施工、 交叉作业， 达到 加快施工效益、 减小安全风险、 降低施工难度； 大断面处 需避免复杂工序， 减少围岩裸露时间， 及时封闭成环； 断 面之间的变化尽量优化至最优， 达到机械化作业， 利用 机械作业减少人工作业强度， 加快效率、 降低风险。 （4） 隧道小净距、 大跨度、 变断面处施工风险较高， 易发生围岩失稳滑塌现象， 施工前需加强超前支护， 做 好各项围岩加固措施。 （5） 利用渐变施工分岔大跨段， 拱架尺寸多， 加工 以及施工过程中常出现乱用现象， 后期如何做好加工 以及安装的准确把控是关键。 （6） 在围岩破碎或稳定性较差时， 超前帷幕注浆如 何做到最优， 需要后续结合不同地质情况以及断面布 置形式进行考虑。 参考文献 [1]王建.大跨度公路隧道交叉分岔段施工方案研究[J].公路交 通技术，2009198-101. [2]李新刚.大跨度交岔点快速施工技术[J].矿山压力与顶板管 理，2004，21140-41. [3]胡云鹏.大跨度小净距分岔隧道双向施工关键技术研究[J]. 铁道建筑技术，20181277-80. [4]毕强，吴金刚.大跨分岔式隧道结构设计关键技术研究[J].隧 道建设，2011，316668-677. [5]林立华.分岔隧道大拱段衬砌结构受力分析[J].土工基础， 2007，21664-66. [6]荆永军，樊至，欧阳刚杰，等.长沙营盘路湘江隧道分岔大跨施 工技术[J].隧道建设，2013，333231-236. [7]尚江鹏.大跨分岔隧道分岔段施工方法优化[J].建筑工程技 术与设计，2019161620-1621. [8]蔡东明.大跨分岔隧道分岔段施工方法研究[C]∕∕2015年全国 公路隧道学术年会论文集，2015349-358. 187