新厂小净距隧道施工工艺与技术.doc

编号T3453 新厂小净距隧道施工工艺与技术 卢 辰 （江苏交通工程咨询监理有限公司 江苏南京 210000） 摘要 针对浦南高速公路南平建瓯市境内新厂小净距隧道的特点，从施工角度探讨了小净距隧道的超前支护、洞身开挖、中间岩柱加固、锚喷支护、监控量测等关键工序的施工方法和技术措施。 关键词 小净距隧道；中间岩柱；施工技术 1 工程概述 天津至汕尾国家重点公路福建省浦城（闽浙界）至南平高速公路C合同段第3标段新厂隧道工程。本隧道全长1 554m，位于武夷山余脉，属于丘陵剥蚀地貌。走向由东北方向向西南方向，穿过南北向的低山区，地形起伏较大。隧道所处地区未见地下水露头，地下水主要源于基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙和破碎带中，受大气降水补给，水量不大，季节影响小。隧道穿过的岩性单一，为燕山早期侵入花岗岩，未见有断层，仅在进口处见有一隐伏辉绿岩脉，对隧道无影响。 2 超前注浆小导管施工 2.1 设计参数 隧道Ⅲ类围岩浅埋段开挖采用超前注浆小导管加固拱部围岩，小导管采用Φ505㎜热轧无缝钢管制作，单根长度5m，环向间距80cm，排间距3m。管壁每隔10～20cm交错钻眼，眼孔直径Ф8mm。注浆浆液为水泥、水玻璃双液浆（水泥水玻璃10.5）。沿隧道纵向开挖轮廓线向外以20的外插角钻孔，将小导管打入地层。 2.2 小导管施工 小导管注浆前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射厚为5～10cm的混凝土封闭岩面。注浆初始压力0.5MPa，终压1.5Mpa。注浆过程中应根据地质情况、注浆目的等控制注浆压力，在孔口处设置止浆阀。注浆结束至开挖前的时间间隔为4～8h。 注浆作业应经常检查泵口及孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理。经常测试混合浆液的胶凝时间，发现与设计不符应立即调整。 注浆结束条件单孔注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10min以上，浆液注入量已达到计算值的80以上；全段注浆的所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注情况。 3 洞身开挖 小净距隧道洞身开挖必须采用预裂爆破和光面爆破技术，对洞身开挖方法、工序及钻爆施工进行严格设计和控制。根据现场施工条件和施工组织安排，金旗山隧道从出口端单向掘进，左洞先于右洞施工。 3.1 洞口开挖及加固 具备施工条件后立即进行洞口土石方开挖，施工洞顶仰坡截水沟，建立洞口地表排水设施。挖至洞口石方段时，为了尽可能减少对洞口仰坡和路基边坡的扰动，必须采用弱爆破或预裂爆破的方法进行开挖。洞口仰坡采取锚杆、挂网、喷混凝土加固，以利安全进洞。 3.2 洞口Ⅲ类围岩浅埋段开挖工序 洞口Ⅲ类围岩浅埋段施工必须遵循“弱爆破、少扰动、短开挖、快支护”的原则，确保洞口的安全与稳定。左洞开挖断面超前右洞开挖断面应控制在35～45m，左洞施工采用上、下台阶法施工。开挖前打入超前小导管注浆加固拱部围岩，洞身开挖每循环进尺为1m，与U型钢拱架间距相同，开挖后及时施作初期支护。下台阶开挖落后于上台阶8～10m，开挖后及时施作初期支护，对中间岩柱进行注浆支护，打入对拉锚杆。 右洞轴线及洞口位于山谷凹处，出口端覆盖层仅1m，进洞前先施作6m长钢筋混凝土护拱，拱脚坐落在两侧山体的基岩上。考虑到左洞爆破对右洞护拱的影响，待左洞28mⅢ类围岩段开挖完成后，右洞开始钢筋混凝土护拱施工。 为减小由于大断面爆破震动对中间岩柱的不良影响，在右洞上台阶开挖之前先进行侧导洞开挖，超前加固中间岩柱。右洞的侧导洞必须在左洞开挖进尺＞40m、并且注浆浆液固结后才能进行，采用短进尺、全断面一次开挖到位，紧跟开挖及时架设钢支撑，施作锚杆、钢筋网、喷混凝土等初期支护，进行双洞对拉锚杆连接、施加预应力加固中间岩柱。之后，再进行右洞上、下台阶开挖和支护，施工工序与左洞相同。洞口Ⅲ类围岩浅埋段施工工序如图1所示。 开挖顺序说明 ①左洞上台阶开挖（环形开挖留核心土法）； ②左洞拱部支护（锚喷、U型钢架、超前）； ③左洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）； ④左洞侧墙及仰拱初期支护（锚喷、U型拱架）； ⑤中间岩柱注浆加固； ⑥右洞侧壁导洞开挖； ⑦右洞侧壁导洞支护（锚喷、U型拱架）； ⑧中间岩柱施加预应力锚杆加固； ⑨右洞上台阶开挖； ⑩右洞拱部支护（锚喷、U型钢架、超前）； ⑾右洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）； ⑿右洞侧墙及仰拱初期支护（锚喷、U型拱架）； ⒀左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）； ⒁右洞全断面衬砌。 3.3 Ⅲ类围岩深埋段开挖工序 Ⅲ类围岩深埋段采取上、下台阶法开挖，下台阶落后于上台阶8～10m，上、下台阶的初期支护施作必须紧跟着开挖。左洞开挖断面超前右洞开挖断面控制在30～40m，在打设系统锚杆时，对中间岩柱进行有压注浆，确保岩体密实。按设计要求，仅在岩石破碎带局部设置预应力对拉锚杆，对中间岩柱进行加固。Ⅲ类围岩深埋段施工工序如图2所示。 开挖顺序说明 ①左洞上台阶开挖； ②左洞拱部锚喷初期支护； ③左洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）； ④左洞侧墙锚喷初期支护； ⑤右洞上台阶开挖； ⑥右洞拱部锚喷初期支护； ⑦右洞下台阶开挖（落后上台阶8～10m）； ⑧右洞侧墙锚喷初期支护； ⑨在岩石破碎带对中间岩柱进行注浆加固、预应力对拉锚杆加固； ⑩左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）； ⑾右洞全断面衬砌。 3.4 Ⅳ类围岩开挖工序 Ⅳ类围岩左洞开挖断面超前右洞开挖断面应控制在30～35m，左洞采取全断面方法开挖，一次光面爆破成型。 右洞先在断面底部中心开挖宽3～4m、高3～4m的超前导坑，超前长度为5～10m，然后一次性采取光面爆破开挖剩余的断面。采取超前导坑开挖，既可加大初次爆破点至中间岩柱的距离，尽量减少爆破对中间岩柱的震动影响，又能增加剩余大断面开挖的临空面，由全断面一次爆破的抛掷式爆破改变为崩解式爆破，大大减少炸药用量，提高爆破效率。 Ⅳ类围岩段仅在岩石破碎带局部设置预应力对拉锚杆，对中间岩柱进行加固。Ⅳ类围岩段施工工序如图3所示。 开挖顺序说明 ①左洞全断面开挖； ②左洞锚喷初期支护； ③右洞超前导坑开挖（落后左洞开挖面＞30m）； ④右洞全断面开挖（落后右洞超前导坑开挖面＞5m）； ⑤右洞锚喷初期支护； ⑥在岩石破碎带对中间岩柱进行预应力对拉锚杆加固； ⑦左洞全断面衬砌（落后右洞开挖面15～20m）； ⑧右洞全断面衬砌（落后右洞开挖面＞40m）。 3.5 钻爆设计 为确保开挖第二座隧道时第一座隧道的安全性，应将第一座隧道衬砌处的震动速度控制在15cm/s以内，并以此作为第二座隧道各段爆破药量的计算依据。为避免爆破震动波的叠加，必须采用微差控制爆破，各段起爆时间应根据震动测试确定，或按经验值＞200ms为宜。 3.5.1 震动速度的计算 根据震动速度的衰减规律，可采用下列公式对震动速度进行预估计算 VK（Q1/3/R）α 式中V质点震动速度，cm/s； Q装药量齐发爆破时为总药量,延发爆破时为最大一段装药量,kg； R从测点到爆破中心的距离，m； K与爆破场地有关的系数； α与地质条件有关的系数。 K、α的值可根据下列地质条件近似采用 场地为坚硬基岩K150 α1.70 场地为基岩 K220 α1.67 场地为覆盖浅层表土 K300 α1.60 3.5.2 爆破时间间隔的计算 通过记录的爆破震动持续时间,可按下式确定两段爆破的时间间隔 △tRi/VsTyi-Ril/VsRi-Ril/VsTyi 式中 Ri和Ril分别为第i段和第il段爆破中心距要求的控制震动点的距离； Vs不同岩石中的波速值； Tyi第i段爆破的震动持续时间（通过同条件下的测试数据综合确定）。 3.5.3 光面爆破 光面爆破要根据围岩特点合理选择周边眼间距（E）、周边眼的最小抵抗线（V）、相对距（E/V）和装药集中度（q）等，采用工程类比或根据爆破漏斗及成缝试验确定。 周边眼采用小直径药卷，并严格控制周边眼的装药量，并使药量沿炮眼全长合理分布，采用毫秒雷管微差顺序起炸，使周边炸破时产生临空面，同时周边眼同段雷管起炸时差尽可能小。 施工中光面爆破的参数取值如下①S12段围岩较软弱、破碎，周边眼间距E取40㎝。在取较小的周边眼间距的同时，抵抗线适当增大，但必须＞E，取60㎝，周边眼相对距E/V应取较小值；②S3段围岩周边眼间距E取45㎝，抵抗线V取70㎝；③S4段围岩周边眼间距50㎝，抵抗线V取60㎝；④侧导洞右边周边眼间距E取40㎝，左边周边眼间距E取50㎝，抵抗线V取70㎝。 施工中炮眼深度及单位体积岩石耗药量取值如下①S12段围岩炮眼深度控制在1.0～1.5m，单位耗药量取0.69㎏/m3；②S3段围岩炮眼深度控制在1.2～2.0 m之内，单位耗药量取0.58㎏/m3 ；③S4段围岩炮眼深度控制在2.0～2.5 m之内，单位耗药量取0.85㎏/ m3；④小导洞围岩炮眼深度控制在1.0～1.2m之内, 单位耗药量取0.35㎏/m3。 3.6 钻爆作业 钻爆作业采用20台YT28型风动凿岩机，1台10m3和2台20 m3空压机等设备，按钻爆设计进行钻眼、装药、接线和引爆。开挖过程中，应监测围岩爆破扰动深度以及爆破震动对周边及中间岩柱的破坏程度。 钻周边眼应选具有丰富经验的钻工施钻，台车下面有专人指挥，确保周边眼的外插角准确（眼深3m以内的外插角＜3），尽可能使两茬炮交界处台阶≯15cm。同时，根据眼口位置岩石的凹凸程度调整炮眼深度，保证炮眼底在同一平面上。 为提高光面爆破的效果，在拱顶及其附近的周边眼加密布置并间隔装药。考虑爆破震动对中间岩柱稳定的影响，周边眼应根据地质条件分组起爆，对爆破震动加以控制。 3.7 出碴 当采用分台阶法或大断面开挖掘进时，配备一台PC-200挖掘机、一台ZLC-50装载机，5台4.5t自卸汽车装运出碴。当采取侧壁小导坑掘进施工时，由于出碴量小，洞身截面小,大型出碴机械无法进入，只能采用人工配合小型机械装碴。每个洞口安排5台1t自卸小翻斗车或拖拉机装运出碴。 4 中间岩柱加固 设计文件对Ⅲ类围岩浅埋段必须加固中间岩柱，Ⅲ类围岩深埋段和Ⅳ类围岩地段仅在岩石破碎带局部加固中间岩柱。隧道施工部署是先开挖左洞，在开挖支护后对岩柱进行加固注浆，左洞超前右洞约40m后再进行右洞小导洞开挖，小导洞施作初期支护后安装中间岩柱的预应力锚杆。 4.1 岩柱加固注浆 洞口刷坡时，两隧道中间岩柱坡口处原地面土体应暂时保留，以支挡坡面。洞口临时防护完成后，挖除中间岩柱坡口土体，立即沿隧道轴向对中间岩柱正面打入5m长Φ505㎜小导管，注浆加固中间岩柱坡面。当注浆达到强度后进行左洞开挖，向前掘进5m后对中间岩柱改为水平斜向前方45小导管注浆，小导管规格Φ505㎜，长度5m，排距2m。注浆初压0.5MPa，终压1.5MPa，浆液配合比为水泥水玻璃10.5。 注浆前浆液在拌和机内进行搅拌，注浆结束至开挖的时间间隔，采用水泥水玻璃浆液时为4h左右，以保证注浆材料有充分的胶凝时间，使与地层充分胶结硬化，达到加固、堵水的目的。 安装注浆管时，在注浆管孔口处用胶泥与麻丝缠绕，使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧，实现注浆管的止浆和固定。胶泥凝固到有足够强度后方可注浆。注浆结束后及时对注浆效果进行检查，如未达到设计要求时，必须补充孔再注浆。 4.2 中间岩柱对拉锚杆的施工 中间岩柱对拉锚杆采用φ25mm螺纹钢筋，张拉设备采用穿心式单作用千斤顶。锚杆预张拉应力为50KN，一端固定，另一端张拉。锚杆固定端和张拉端沿纵向间隔一排布置，在同一截面上间隔进行张拉，以避免产生局部压应力集中现象。螺纹钢筋的锚固在油泵开动、压力表指针稳定时进行。 千斤顶施加预拉力时采取边张拉、边拧紧锚具的方法，施加初始预加力的相应油压值一般为设计油压的10，以此做为丈量钢筋伸长量的起算点。预拉力锚杆的张拉一律采用双控法，油压值的误差≯2，伸长量的误差≯5。 施工中千斤顶端部及非张拉端钢筋端部严禁站人，并加设防护措施。张拉后的钢筋在未灌浆前严禁碰击、踩踢。灌浆工作必须避开钢筋端部，以防预应力钢筋突然断裂弹出伤人。在有油压情况下，严禁拆卸油压系统中任何零件。 5 锚喷支护施工 初期支护施工包括素喷混凝土、网喷混凝土、径向锚杆、U型钢拱架支撑等，依据围岩类别的不同分别设置。初喷紧跟开挖面及时施作，减少围岩暴露时间，控制围岩变形，防止围岩短期内松弛。复喷厚度到位至开挖掌子面的距离≯50m。 5.1 中空注浆螺纹锚杆施工 S12、S3支护类型的系统锚杆采用RD25-5中空注浆螺纹锚杆，施工选用由专业厂家加工定型的中空锚杆，杆体拉断荷载＞180kN。 中空锚杆使用十字型钻头成孔，不仅可防止卡孔、坍孔，也利于止浆密封。钻进成孔中要控制锚杆定位、定向、定深度。 中空锚杆以杆孔内注浆为主，向上注浆应加大进浆量，作好排气控制，向下注浆要连续进行，水平向注浆如有漏浆须二次补浆，均不得欠浆。注浆前先用高压水或风清孔，然后安装锚杆。注浆器应与杆体相连，防止脱离意外。当承压垫板与杆体角16时，应使用速凝砂浆调平，同时堵塞孔口，确保不对杆体产生弯曲力和锚杆欠浆。注浆24h后，根据锚固材料的早强性及密实状态可对杆体施加≮10～30kN/m紧固张力。 5.2 Φ22砂浆锚杆施工 S4支护及S12小导洞支护系统锚杆采用Φ22mm普通砂浆锚杆。砂浆锚杆按设计要求截取杆体、整直、除锈和除油后，对杆体一端进行攻螺纹。砂浆锚杆的砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的砂浆在初凝前用完。注浆管应插入至距孔底5～10㎝处，随水泥砂浆的注入，缓慢均匀拔出，随即迅速将杆体插入，锚杆杆体插入孔内的长度不得短设计长度的95，若孔口无砂浆流出，将杆体拔出，重新注浆。注浆孔口压力≯0.4MPa，锚杆安设后不得随意敲击，其端部不得悬挂重物。 5.3 U型钢拱架施工 25U型钢拱架用于S12类型主洞和侧壁导洞的加强支护。施工时按设计图放大样，根据工艺要求预留切割、刨边的加工余量，将U型钢冷弯成形，要求尺寸准确，弧形圆顺。钢拱架由拱部、边墙各单元钢构件拼装而成，构件的连接是U型钢拱架加工制作的关键工艺，各单元通过U型连接块及U型连接螺栓进行连接，应确保各类焊缝螺栓连接质量。 U型钢拱架按设计位置安设，钢拱架平面垂直于隧道中线。为使准确定位，钢拱架架设前需预先打设定位系筋，系筋一端与钢拱架焊接在一起，另一端锚入岩层0.5～1m并用砂浆锚固。当钢拱架架设处有锚杆时尽量利用锚杆定位。如果钢拱架和初喷层之间有较大间隙，必须用垫块塞紧。 为增强U型钢拱架的整体稳定性，将钢拱架与系统锚杆焊接在一起。各种钢拱架设纵向连接钢筋，其直径为25mm，纵向连接钢筋按环向间距1.0m设置。 为保证上台阶U型钢拱架置于稳固的地基上，施工中在钢拱架基脚部位预留0.15～0.2m原地基，待架立钢拱架时挖槽就位，并在临时垫块底部及时施作锁脚锚杆以增加基底承载力。 U型钢拱架架立后尽快施喷钢纤维混凝土，并将钢拱架全部覆盖，使钢拱架与混凝土共同受力。喷射混凝土先从拱脚或墙脚向上喷射，以防止上部喷射虚掩拱脚（墙脚）而不密实，造成拱脚（墙脚）失稳。 5.4 喷射混凝土施工 喷射混凝土必须紧跟开挖面在新鲜基岩上施工。为了保证喷射混凝土的速凝，在拌和物中加入速凝剂，提高施工效率和安全性，当混凝土从喷枪里喷射到粗糙的岩石表面时，先填裂隙、裂缝和发育的节理面，将松散的岩体粘结在一起或是局部支护住破碎的岩体，从而避免岩石裸露面进一步损坏。 在喷射混凝土之前，用水或高压风管将岩壁面的粉尘和杂物冲洗干净。喷射中发现松动石块应及时清除。喷射作业应分段、分片由下而上顺序进行，每段长度≯6m。初喷厚度≮4～6㎝，复喷时如果初喷表面已蒙上粉尘，受喷面必须用高压水清洗干净。岩面有较大凹陷时，结合初喷予以找平。回弹率给予严格控制，回弹物不得回收利用。喷射混凝土终凝2h后，应喷水养护7d以上。 5.5 钢筋网喷射混凝土 在岩面喷射一层混凝土后进行钢筋网的铺设，固定在系统锚杆上。钢筋网应随受喷面的起伏铺设，与受喷面的间隙一般≯3㎝。 5.6 钢纤维喷射混凝土 钢纤维的掺入不需改变传统喷射混凝土配合比设计，普通喷射混凝土的配料、拌和、供料和喷射方法适用于湿拌钢纤维喷射混凝土。钢纤维与其它骨料一同在拌和时加入，使钢纤维能均匀地分解开来，不会出现团聚成球的问题。加入钢纤维的喷射混凝土比普通喷射混凝土具有更为刚硬和低塌落度的特性，但也易于拌和，能良好地喷射。施工中掺入高效减水剂可改善钢纤维喷射混凝土的工作性能，应避免过量加水来改变其稠度，导致强度降低。 6围岩监控量测 该隧道按新奥法设计和施工，采用复合式衬砌，监控量测是一项重要的管理工作，必须有专人负责，及时做好信息反馈，指导施工和修正设计。施工期成立一个量测小组，由隧道工程师任组长，配备2名测工。每次量测资料及时绘制成“位移时间曲线图”，送交总工程师审阅，出现问题立即研究对策，果断处理。测点位置的布置及量测仪器严格按规范及设计文件要求执行。 6.1 监控量测的任务和目的 ⑴ 监视围岩应力和变形情况，掌握围岩和支护系统的力学动态，验证支护衬砌的设计效果，保证围岩稳定和施工安全。 ⑵ 对量测数据分析处理，进行信息反馈，对已开挖、支护段的力学状态进行评价，对有险情段采取必要的补救措施，对下步施工参数进行必要的调整，确保隧道采用信息化手段施工。 ⑶ 积累量测数据，为今后小净距隧道设计与施工提供工程类比的依据。 6.2 量测项目 该隧道必须进行监控量测的项目工程地质及现状观测，周边收敛位移量测，拱顶下沉量测，地表下沉量测，钢支撑、锚杆应力及喷层表面应力量测，二次衬砌内应力、表面应力及裂缝观测。 6.3量测数据的处理与应用 ⑴ 根据现场量测数据及时绘制位移时间曲线，曲线的时间坐标下应注明施工工序以及开挖工作面离量测断面的距离。 ⑵ 当位移时间曲线趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和位移变化规律。 ⑶ 当位移时间曲线出现反弯点时，表明此时的围岩和支护已处于不稳定状态，必须停止开挖，对危险地段加强支护，密切监视围岩动态，确保已开挖段的安全。 ⑷ 通过量测数据的分析处理，提供判别围岩和支护系统基本稳定的依据，掌握围岩稳定性变化规律，提出修改支护、衬砌设计参数和施工方法，确定二次衬砌和仰拱的施作时间。 7 其它工程 金旗山隧道的通风、防排水、二次衬砌、路面、消防及照明等其它工程与普通的并行独立隧道施工方法相同，不再详述。 8 结论 小净距双洞隧道的施工难度、工期和造价高于普通双线独立隧道，低于连拱双线隧道。在地质条件良好、地形条件受制约时，是一种较好的隧道结构形式。 小净距双洞隧道施工的难点、重点是控制爆破作业，必须确保隧道开挖过程围岩的稳定，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素。 小净距双洞隧道施工的关键是中间岩柱的加固和稳定，由于围岩自稳性和支护结构的受力较一般隧道复杂，必须充分利用隧道围岩的自承、自稳能力，通过围岩加固措施使隧道修建达到经济、合理的目的。 参考资料 [1] 中华人民共和国交通部. 公路隧道施工技术规范（JTJ04294）.北京人民交通出版社，1995。 [2] 天津至汕尾国家重点公路福建省浦城（闽浙界）至南平高速公路C合同段两阶段施工图设计文件。 7