摘要：結合重慶外環(huán)高速公路北段施家梁隧道工程實際情況淺述大跨隧道洞口淺埋土質段施工。隧道最大開挖寬度17.82m，施工采用超前大管棚、地表注漿、臺階法、短進尺、弱爆破等具體措施，保證施工安全、質量的同時，快速掘進。

關鍵詞：施家梁隧道 大跨度 淺埋土質段 管棚施工 臺階法施工

0 引言

施家梁隧道位于北碚區(qū)施家梁鎮(zhèn)境內，是重慶外環(huán)高速公路北段項目的重點控制性工程之一，也是我國在建的最長的三車道大跨隧道。本文結合施家梁隧道進口端施工過程中采用的一些施工方法和技術參數來淺談大跨度隧道在洞口淺埋土質地層段的施工技術方法。

1 工程概況及特點

施家梁隧道屬特長隧道，設計為雙洞六車道，隧道左線（LK43+107～LK47+410）全長4303m，右線（LK43+103～LK47+370.5）全長4267.5m。隧道地質結構復雜，圍巖破碎，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占67.5%；進口淺埋段地層表面覆蓋第四系全新統(tǒng)崩坡積層、殘坡積層粘土，下伏巖層主要為泥巖、粉砂質泥巖。隧址區(qū)由于地下水接受補給的來源單一，主要為大氣降水，故地下水動態(tài)變化同大氣降水密切相關，隨降雨量的變化而變化。左右線之間有一沖溝，每當暴雨發(fā)生，地表排水通暢，山洪暴發(fā)時消漲亦快。隧道最大開挖寬度17.82m，最大開挖高度12.47m（含仰拱），最大開挖斷面177.1m²。

設計荷載為公路—Ⅰ級，計算行車速度100km/h；建筑限界寬14.5m，高5.0m。隧道襯砌內輪廓為三心圓曲墻結構，內凈空面積100.69m²。隧道襯砌支護采用復合式襯砌，初期支護以錨、網、噴為主，并輔以超前小導管/超前錨桿及鋼支撐支護，二次襯砌為模筑混凝土（鋼筋混凝土）。左線設計路塹式明洞70m，右線18m。暗洞施工時首先采用50mφ127mm超前大管棚預支護作為施工輔助措施。

2 淺埋土質地層段施工方案

2.1 基本原則

2.1.1 短進尺掘進：在隧道進口淺埋軟弱地段，人工配合挖掘機嚴格按短進尺開挖，局部堅石采用弱爆破掘進。

2.1.2 初期支護緊跟：尤其在軟弱圍巖段，地壓增長快，自穩(wěn)時間短。錨、網、噴及鋼支撐架設工作在爆破、排險后馬上施作，基本與出碴同時或交錯進行，尤其在地層破碎或構造帶地段更要緊跟，以保證圍巖穩(wěn)定。

2.1.3 為維護開挖周邊穩(wěn)定，開挖必須形成平順的開挖輪廓，不但對維護圍巖穩(wěn)定有利，也為后續(xù)工序創(chuàng)造良好條件，同時有效地控制超欠挖，也是提高企業(yè)經濟效益的有效途徑。

2.1.4 仰拱緊跟：根據本隧道地質情況，拱、墻部初期支護形成之后要盡早施設仰拱，以使初期支護盡快形成封閉受力結構，并為二襯施工的模板臺車軌道鋪設提供條件，同時仰拱及早鋪設也為洞內運輸提供便利。一般仰拱與正面下部開挖面保持距離為40～50m左右，以保證開挖、裝碴機具活動場地。

2.1.5 及時施作二次襯砌：二襯不能緊跟初期支護。初期支護設置后，仍需對圍巖及初期支護變形進行不間斷量測。如圍巖及初期支護變形仍在急劇增長，則需補強初期支護，不能用加厚二襯的辦法作為結構加強手段；直到圍巖及初期支護變形基本穩(wěn)定時（收斂小于0.1～0.2mm/d及拱頂下沉小于0.07～0.15mm/d時）則可施作二襯。但在Ⅴ級圍巖段，當變形得不到有效控制的情況下，應迅速施做二次襯砌，然后再進行長期檢測、觀察。

2.2 施工方案簡述 施家梁隧道明洞段在拉槽開挖的同時對邊仰坡進行支護，暗洞段在超前大管棚支護下短進尺掘進。隧道進洞采用上下臺階法，上臺階預留核心土施工，開挖后及時進行初期支護封閉巖面。開挖支護過程中重點進行隧道的周邊位移、拱頂下沉等量側項目的工作，根據量測數據，及時調整施工方案，必要時上半斷面設臨時仰拱。上半斷面開挖約10~15m后，開挖下部。在施工過程中隧道防坍塌問題是本工程在洞口段的最大施工控制重點。

3 關鍵施工技術

3.1 洞口土石方施工 首先施工洞口邊仰坡頂的截水溝，開挖過程避開雨天進行。采用挖掘機開挖，孤石和挖掘機挖不動的巖石，采用小型控制爆破，裝載機或挖掘機裝碴，自卸汽車運輸。洞口段邊仰坡開挖嚴格按設計控制坡度，松軟地層開挖時從上至下，隨挖隨防護，隨時監(jiān)測、檢查山坡穩(wěn)定情況。邊仰坡上浮石、危石要清除，坡面凹凸不平處予以修整平順。

明洞段根據洞口地形地質條件分為明挖段和暗挖段。明挖段采用拉槽開挖，臨時邊坡隨挖隨支護，支護參數為：普通砂漿錨桿長3.5m，按1.5×1.5m間距梅花型布置，Φ6.5鋼筋網網孔間距0.25m，C20噴射混凝土厚8cm。開挖到暗挖段時要求預留核心土體，待洞口超前支護、暗挖段附加套拱施工完成后再開挖進洞。

3.2 超前大管棚施工 超前大管棚作為洞口淺埋加強段的輔助施工措施，它通過管棚和注漿來穩(wěn)固地層，防止隧道開挖爆破時造成拱部坍塌。

施家梁隧道超前大管棚支護一環(huán)長50m，采用外徑φ127 mm，壁厚的4.5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管前段呈錐形，尾部焊接φ10mm加勁箍，管壁四周鉆2排φ20mm壓漿孔。管棚的環(huán)向布置間距為35cm，共布置55根，外插角1～2度，在拱部120度范圍內布置。

管棚支護參數見下圖：

3.2.1 混凝土套拱施工 套拱即導拱，主要是起到管棚支撐及導向作用。套拱由五榀鋼拱架、55根2m長的Φ150×4mm導向鋼管及厚80cm、長2m的 C25混凝土護拱組成。管棚導向管安裝時，考慮到隧道圓曲線半徑及50m長度，外插角控制在1.5°。每根導向管安裝時均采用水平尺及儀器測量檢測，以保證鉆機鉆孔時不侵入隧道開挖凈空，并能很好地起到超前支護的作用。架立鋼拱架，在鋼拱架背部焊接2m長的Φ150×4mm導向鋼管后，安裝模板，澆注C25混凝土護拱。

3.2.2 管棚鉆孔及鋼管施工 ①鉆孔：在套拱完成并養(yǎng)護3天后開始鉆孔，采用兩臺MGJ-50水平地質鉆機從套拱兩側底部開始施鉆，并把每孔標號，方便施工時記錄每孔的成孔時間、頂管時間及注漿量，以保證超前管棚的施工質量。在鉆孔施工時為了確保鉆桿接頭有足夠的強度、剛度和韌性，鉆桿聯接套應與鉆桿同材質，兩端加工成內螺扣（鉆桿首尾端外螺扣），聯接套的最小壁厚≥10mm。防止鉆桿在推力和振動力的雙重作用下，上下顫動，導致鉆孔不直，鉆孔時，把扶直器套在鉆桿上，隨鉆桿鉆進向前平移；鉆機開孔時鉆速宜低，鉆深20cm后轉入正常鉆速。第一節(jié)鉆桿鉆入巖層尾部剩余20-30cm時鉆進停止，用兩把管鉗人工卡緊鉆桿（不得卡絲扣），鉆機低速反轉，脫開鉆桿。鉆機沿導軌退回原位，人工裝入第二根鉆桿，并在鉆桿前端安裝好聯接套，鉆機低速送至第一根鉆桿尾部，方向對準后聯接成一體。換鉆桿時，要注意檢查鉆桿是否彎曲，有無損傷，中心水孔是否暢通等，不符合要求的應更換以確保正常作業(yè)。鉆孔達到要求深度后，按同樣方法拆卸鉆桿，鉆機退回原位。同時詳細記錄前方的地質巖層情況。

②頂管：利用改裝后鉆機的沖擊和推力，將安有工作管頭的棚管沿引導孔鉆進，接長棚管，直至孔底。管棚采用Φ127mm無縫鋼管，管棚接長時先將第一根鋼管頂入鉆好的孔內，再逐根聯接。事先加工好的管節(jié)聯接套，要預先焊接在每節(jié)鋼管兩端，便于聯接。第一根鋼管前端要焊上合金鋼片空心鉆頭，以防管頭頂彎或劈裂。相鄰管的接頭應前后錯開，避免接頭在同一斷面受力。將鋼管安放在大臂上后，鑿巖機要對已鉆好的導向孔，低速推進鋼管，其沖擊壓力控制在18－22Mpa，推進壓力控制在4.0－6.0Mpa。當第一根鋼管推進孔內，孔外剩余30-40cm時，開動鑿巖機反轉，使頂進聯接套與鋼管脫離，鑿巖機退回原位，人工裝上第二節(jié)鋼管，大臂重新對正，鑿巖機緩慢低速前進對準第一節(jié)鋼管端部（嚴格控制角度），人工持鏈鉗進行鋼管聯接，使兩節(jié)鋼管在聯接套處聯成一體。鑿巖機再以沖擊壓力和推進壓力低速頂進鋼管。

頂進鋼管后即可安設加工好的鋼筋籠，起到管棚補強的作用。

3.2.3 管棚注漿 鋼管及鋼筋籠安裝后即封堵管口，留注漿孔、止回閥及止?jié){塞，即可進行注漿。根據地質條件、圍巖特性及注漿目的的不同，注漿材料一般分為兩類：第一類為注水泥砂漿，其主要作用為增強鋼管強度；第二類為注水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿等化學漿液，其主要作用為：①漿液通常超前壓注到巖體裂隙中經過物力化學作用，即能將破碎圍巖或松散顆粒在短時間內膠結成整體，起到超前預支護作用，為隧道開挖施工安全提供保障，又能增強圍巖的整體穩(wěn)定性；②漿液填充巖體空隙，凝結固化后，阻隔了地下水或雨水向隧道內的滲入，起到了堵水防水的作用。

注漿前對管棚套拱周圍的地表進行8～10cm厚的噴射混凝土封閉，防止?jié){液從巖面裂隙中反滲。漿液通過過濾網用HVF-50注漿機進行注漿，首先從無滲水孔進行，然后再注有滲水孔。嚴格控制注漿壓力，既要有足夠的注漿壓力來克服巖（土）內天然水壓力和地層裂隙阻力才能使?jié){液充分擴散填充，達到加固堵水的作用；也不能壓力太大而壓裂開挖面。配制的漿液要在規(guī)定時間內用完，同時嚴格記錄注漿機吸管頭容器內的原有漿液體積、中間加入的漿液體積、剩余漿液的體積，把握總體注漿量。

3.3 地表注漿 注漿法是利用壓力將能固化的漿液通過鉆孔注入巖土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力學性能得到改善的一種方法。注漿法出現于19世紀初的法國，我國的注漿技術研究起步較晚，20世紀50年代以前所做工作很少，50年代開始初步掌握注漿技術。在隧道工程中，地表注漿主要應用于圍巖地質條件差、偏壓、洞口及淺埋層土體的固結、加固洞周圍巖，來維護土體在施工過程穩(wěn)定，改善隧道成洞條件。

施家梁隧道右線進口處于土層中，且右側邊坡處于一崩坡積層滑坡體上，開挖跨度大，成洞困難，為預防隧道拱部上方出現拉應力而坍塌，多方研究決定采用地表預注漿技術對隧道周圍地層進行加固，以保證施工安全。地面預注漿加固范圍如下圖：

隧道開挖輪廓線以外的注漿管采用外徑Φ108mm，壁厚4.5mm的熱軋無縫鋼管加工制成，開挖輪廓線以內注漿管采用外徑Φ42mm壁厚4.5mm的熱軋無縫鋼管制成，前端加工成錐形，垂直打入地層。水泥漿液采用P.O32.5水泥制作，水灰比采用W/C=1.0，注漿壓力控制在0.7～1.0MPa之間；通過鋼管周圍的Φ20mm的注漿孔擴散至圍巖層；注漿工藝同大管棚注漿施工。

3.4 暗洞開挖及支護 在超前大管棚及地表注漿達到設計強度后進行暗洞段的開挖、支護。在無較大構造影響的一般地段，根據超前地質預報確定的前方圍巖軟弱破碎程度，施工中及時調整開挖斷面及支護措施。在進口淺埋段均為Ⅴ級圍巖土質地段，為適應鉆孔臺車掘進需要并縮短作業(yè)循環(huán)時間，采用大半斷面短臺階并預留核心土法施工的掘進方法，取得良好效果。Ⅴ級圍巖采用的開挖斷面及支護見表2-1及下圖：

3.4.1 開挖方法 在軟弱圍巖的條件下，采用臺階法開挖。洞身拱部超前10～15m，以滿足施工工作平臺的需要，而后進行洞身的下半部爆破開挖，洞身開挖后，立即進行噴錨支護。圍巖非常破碎的情況下采用側壁導坑法施工，先開挖中夾巖側導坑上臺階，支護完成后開挖中夾巖側導坑下臺階及仰拱，并及時做好支護。導坑側壁安裝臨時鋼拱架支撐，保證隧道施工安全。其次開挖另側導坑上、下臺階及仰拱，及時支護，形成全斷面封閉支護環(huán)。仰拱開挖后及時進行仰拱、填充和邊墻基礎砼施工，與拱墻初期支護封閉成環(huán)。

施家梁隧道進口段地層極為軟弱，地層松散。由于開挖跨度大，開挖后洞體容易變形，周邊穩(wěn)定性較差，拱部極易坍塌。所以采用人工開挖，工人手持風鎬、鐵鍬配合挖掘機進行開挖，同時控制開挖進尺，開挖后及時進行初期支護。在人工無法開挖，確須爆破施工時，重點控制裝藥量，采取松動爆破，減少對周圍圍巖的擾動。隧道開挖時，要求施工淺孔爆破分部開挖，400m范圍內安全震動速度控制在1.2cm/s，相當于Ⅵ級以下地震烈度。

3.4.2 噴射混凝土施工 噴射機安裝調試后先注水后通風，清通機筒及管路投料。連續(xù)喂料，經常保持料斗內料滿，料斗上設12mm孔徑的篩網一道，避免超徑骨料進入機內，造成堵管。噴射時，先注水（注意噴嘴要朝下，避免水流入輸料管），后送風，然后上料，根據受噴面和噴出的拌和物情況調整注水量，以噴后易粘著，回彈小和表面呈濕潤光澤為度。

噴射順序：采取分段、分塊，先墻后拱，自下布上的順序，進行噴射作業(yè)。噴射時，噴嘴做緩慢的螺旋形運動，使噴射料束運動軌跡呈環(huán)形螺旋式移動，旋轉直徑約20～30cm，自噴射面的下部開始，水平旋轉噴射，噴料要一圈壓半圈，噴至段尾時上移返回，同時要求一排壓排，如此往復噴射。

為保證噴射砼密實度，減少回彈量，對于風壓、水壓及噴頭的噴射距離、噴射角度都應合理調整。噴嘴至受噴面距離以0.6～1.0m為宜，料束以垂直于噴射面為佳。

噴射料束放置速度及一次噴射厚度，以每2秒左右轉動一圈為宜，一次噴厚以不回落時的臨界厚度或達到設計要求厚度時向前移動，每次噴射厚度一般不小于5cm。若噴射要求厚度較大，一次不能達到時，第二次噴射應在第一層砼終凝1小時后進行。兩次噴射注意找平巖面，以便于鋪設防水層。

3.4.3 錨桿施工 開挖后先進行第一層噴射砼施工，待該層砼終凝并形成一定強度后，按設計要求布置錨桿，用紅油漆標示清楚位置后利用開挖臺架進行錨桿鉆孔。鉆孔完成后將制作好的錨桿插入孔內至設計深度，安好墊板及螺帽，并安裝止?jié){塞。

注漿采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，并隨時排除孔中空氣，保證錨桿砂漿飽滿。

3.4.4 鋼筋網施工 按設計要求加工鋼筋網，隨受噴面起伏鋪設，并將鋼筋網同定位錨桿固定牢固，鋼筋網與受噴面的間隙以3cm左右為宜，砼保護層厚度應大于2cm。

3.4.5 鋼支撐施工 按測量給定的中線，水平標高，標準間距垂直架立，支撐鋼架應與圍巖盡量靠近，留2～3cm的間隙做保護層，當鋼架與圍巖間隙較大時，安設鞍形砼墊塊，確保巖面與拱架密貼。

控制鋼拱架受力情況的薄弱環(huán)節(jié)在于節(jié)點聯結螺栓，定位錨桿及縱向連結筋，因此，所有螺栓要上齊，旋緊、擰好，按設計焊連定位錨桿和縱向連接筋，確保安裝質量。

鋼架的架設應由專人按規(guī)定的信號進行指揮，隨時觀察圍巖動態(tài)或噴射砼的情況，防止落石，坍塌引起傷人事故。

當緊固頂部連接螺栓，楔緊鋼架時，作業(yè)人員應以正確的姿勢站在平穩(wěn)，牢固的腳手架上，并配帶安全防護用具防止發(fā)生墜落事故。

3.4.6 隧道監(jiān)控量測 監(jiān)控量測的項目主要根據隧道工程的地質條件、圍巖類別、跨度、埋深、開挖方法和支護類型等綜合確定。而且，在隧道工程中進行量測，絕不是單純地為了獲取信息，而是把它作為施工管理的一個積極有效的手段，因此量測信息應能確切地預報破壞和變形等未來的動態(tài)，對設計參數和施工流程加以監(jiān)控，以便及時掌握圍巖動態(tài)而采取適當的措施。結合施家梁隧道的實際情況，將地質與初期支護觀察、水平凈空收斂量測、拱頂下沉量測作為施工監(jiān)控量測項目。

4 結束語

目前三車道公路長大隧道正在建設的不少，并逐漸積累了豐富的經驗。本文結合施家梁隧道設計，對大斷面單洞三車道公路隧道的洞口淺埋土質段結構支護參數、施工開挖方案進行了淺討，為今后大斷面公路隧道的施工積累了經驗。但對這樣的大斷面隧道，施工中尚存在許多技術問題有待研究，例如隧道斷面形狀的優(yōu)化、支護參數的合理確定、開挖方法的正確選擇以及新技術、新材料的應用等，還需要進一步系統(tǒng)研究。隧道施工過程中，必須認真進行現場監(jiān)控量測，特別是圍巖壓力、洞周的位移、拱頂的下沉、初次襯砌的應力、臨時支護的變形等應該作為監(jiān)控量測的重點，通過現場量測及時掌握圍巖和支護結構的動態(tài)，以實現結構支護參數和施工方案的動態(tài)優(yōu)化。

參考文獻：

[1]JTJ 042-94.公路隧道施工規(guī)范[S].

[2]工程爆破常用數據手冊[M].北京.人民交通出版社.

[3]薛繼連.長梁山隧道軟弱圍巖施工方法.《巖石力學與工程學報》.2000年z1期.