王前進

（中鐵十一局集團第四工程有限公司，武漢 430073）

城山隧道采用“一洞九線”全工序機械化配套施工，即超前地質(zhì)預(yù)報作業(yè)線、開挖作業(yè)線、出渣作業(yè)線、支護作業(yè)線、仰拱作業(yè)線、防排水鋼筋作業(yè)線、二襯作業(yè)線、溝槽作業(yè)線和輔助作業(yè)線。本文就針對城山隧道機械化施工開挖、支護等施工工序及工藝作詳細說明。

1 工程概況

G15 高速公路城山隧道穿過丘陵山區(qū)地貌區(qū)，地面標(biāo)高54.6～382.4 m，相對高差約327.8 m，山體植被發(fā)育，地形陡峻。隧址區(qū)域處于蓮花山斷裂構(gòu)造帶，城仔山隧道穿過丘陵地貌區(qū)，進口為洞口小凈距雙洞八車道分離式隧道，長2 327 m，出口洞門采用削竹式，洞口設(shè)計標(biāo)高71.395 m，洞門采用削竹式，洞口設(shè)計標(biāo)高62.515 m，坡度0.8%~1%，隧道最大埋深約284 m；左線平曲線/半徑為∞/LS-250/R-2 000/LS-250/∞，右線平曲線/半徑為∞/LS-295/R-2 650/LS-295/∞。

2 編制依據(jù)

編制主要依據(jù)是工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范、驗收標(biāo)準(zhǔn)、勘察設(shè)計文件、招投標(biāo)文件、施工設(shè)計圖紙和安全質(zhì)量相關(guān)規(guī)程等編制。

3 工程重難點分析

（1）隧道開挖斷面大，施工過程對圍巖擾動多，易產(chǎn)生掉塊、坍塌和失穩(wěn)等險情，施工措施如下：①管超前、嚴注漿。施做掌子面預(yù)加固措施，按照設(shè)計要求施做中管棚、玻璃纖維錨桿，嚴控長度、根數(shù)及注漿質(zhì)量。②強支護。采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿，輔助增強圍巖自身穩(wěn)定性，支護完成后及時封閉成環(huán)。

（2）隧道工法轉(zhuǎn)換風(fēng)險高，左右導(dǎo)坑凈距小，開挖擾動大，拆撐風(fēng)險高。主要施工措施：采用機械掘進輔以弱爆破的方式，過程中嚴格按頻率進行監(jiān)控量測，每日收集數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)變形量超標(biāo)時及時預(yù)警，待處理完成后再施工。

（3）隧道預(yù)加固措施工藝要求高，洞身中管棚、玻璃纖維錨桿質(zhì)量要求高。主要施工措施：大型機械化配套，采用自進式管棚施工工藝，使用三臂鑿巖臺車、智能注漿機等工裝，確保施工質(zhì)量，加快施工進展，減少圍巖暴露的時間，降低安全風(fēng)險。

4 試驗?zāi)康?/h2>

驗證設(shè)計參數(shù)及計算成果，驗證新工藝、新材料適用性，驗證大型工裝設(shè)備適用性，驗證檢測及監(jiān)測手段適用性，積累隧道大型機械化配套施工相關(guān)經(jīng)驗。

5 施工工藝與工法試驗總結(jié)

5.1 設(shè)計參數(shù)

隧道設(shè)計為分離式雙洞八車道120 km/h 隧道，隧道內(nèi)輪廓：采用三心圓曲墻拱形斷面，拱頂半徑為10.85 m，曲墻半徑為5.45 m，仰拱半徑為30.00 m。隧道內(nèi)輪廓凈寬20.25 m，凈高12.30 m，矢跨比0.402，扁平率0.607。隧道內(nèi)輪廓面積為197.2 m2。

5.2 施工方案論述

城山隧道試驗段采用“一洞九線”全工序大型機械配套施工。利用綜合預(yù)報手段做好掌子面前方圍巖研判，遵循“巖變變巖”理念，通過預(yù)加固措施改良前方圍巖，大斷面施工快速作業(yè)，根據(jù)監(jiān)測情況，初期支護適時封閉成環(huán)，仰拱二襯有序跟進。超前地質(zhì)預(yù)報作業(yè)線主要采用TSP203 地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、地質(zhì)雷達、超前水平鉆探和隨鉆測量（MWD），圍巖地質(zhì)分析長短相結(jié)合的方式進行掌子面前方圍巖預(yù)報，根據(jù)預(yù)報結(jié)果動態(tài)調(diào)整支護參數(shù)；開挖作業(yè)線主要采用全電腦三臂鑿巖臺車+人工輔助鉆爆施工，裝渣作業(yè)線主要采用大功率挖機、大斗容量裝載機和自卸車協(xié)同作業(yè)，支護作業(yè)線主要由鋼拱架安裝、錨桿（管）施工、噴射混凝土作業(yè)和預(yù)加固工程組成，采用全電腦三臂鑿巖臺車、注漿一體機、拱架安裝機和混凝土濕噴機械手施工；仰拱作業(yè)線主要采用自行式液壓仰拱棧橋做通道，一體化模板確保仰拱及填充分層澆筑；防排水鋼筋作業(yè)線主要采用防水板自動鋪掛臺車鋪設(shè)防水層，同時作為作業(yè)平臺人工綁扎鋼筋；二襯作業(yè)線主要采用智能二襯臺車快速澆筑二襯，溫控養(yǎng)護臺車進行混凝土養(yǎng)護；溝槽作業(yè)線主要采用液壓溝槽臺車水溝及電纜槽同步澆筑；輔助作業(yè)線采用變壓器站、空壓機房、變頻通風(fēng)機、高壓泵站等為隧道內(nèi)供水供電供風(fēng)。

5.3 地質(zhì)核查

地質(zhì)核查主要核查洞頂覆蓋層厚度，洞身及拱部圍巖穩(wěn)定情況，以滿足由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)為三臺階法條件。

地質(zhì)核查方法：地質(zhì)調(diào)查法、掌子面地質(zhì)素描和地質(zhì)雷達。

5.4 工法轉(zhuǎn)換施工工藝

（1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)變?yōu)槿_階法時先停止先行導(dǎo)坑掌子面掘進，采用20 cm 厚C25 噴射混凝土封閉掌子面。掛設(shè)Ф8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。采用R76N 自進式中管棚、玻璃纖維錨桿、掌子面噴砼封閉和Φ50 超前小導(dǎo)管等措施加固掌子面。

（2）后行導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞上臺階迅速跟進至與掌子面同一里程處，掌子面加固處理完畢。

（3）側(cè)導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞中下臺階跟進至距掌子面5 m處，封閉成環(huán)。

（4）仰拱、二襯同步快速跟進，縮短步距。

（5）待所有導(dǎo)洞跟進至同一斷面后，根據(jù)監(jiān)控量測情況，待初支穩(wěn)定后，拆除臨時支撐，平整施工平臺，為三臂鑿巖臺車施工提供工作空間，改為三臺階法施工。

（6）拆除過程中加強監(jiān)控量測，出現(xiàn)預(yù)警時及時停止拆除并恢復(fù)臨時豎撐，施工現(xiàn)場儲備應(yīng)急物資。

5.5 三臺階法施工工藝

三臺階法：上臺階高8.5 m，長30 m；中臺階高2.2 m，長8 m；下臺階高2.2 m，長8 m。鐵建重工ZYS113 全電腦三臂鑿巖臺車作業(yè)范圍寬16.6 m×高11.3 m，如圖1 所示。

圖1 三臺階法施工工序縱斷面圖（m）

工法各項數(shù)據(jù)確定的依據(jù)如下。

（1）上臺階長度30 m，是為了滿足爆破后出渣作業(yè)空間需求。爆破后主要堆渣長度約為20 m，出渣車長度為8.8 m。

（2）中臺階及下臺階長度8 m，是為了滿足中下臺階左右錯開施工，錯開距離3~5 m，一次循環(huán)進尺2.4 m。中部16 m 斜坡道是為了滿足各機械設(shè)備通行，坡度不大于25%（高差4 m）。

（3）下臺階與仰拱棧橋端頭距離24 m，主要是為了滿足裝載機出渣空間需求，裝載機長8.43 m，自卸車長8.8 m。

（4）仰拱施工區(qū)域長度40 m，仰拱棧橋總長度40 m，包括前引橋7 m，護坡3 m，仰拱初支作業(yè)區(qū)域12 m，仰拱襯砌作業(yè)區(qū)域12 m，后引橋6 m，可同時施工仰拱初支及仰拱。

（5）防排水鋼筋施工區(qū)域長度52 m，前端6 m 為防水板鋼筋作業(yè)區(qū)域與棧橋作業(yè)區(qū)域預(yù)留空間，便于設(shè)備、物資橫向移動。中部32 m 是為了滿足二襯鋼筋加工連接，二襯鋼筋長度約32 m；后端12 m 為一板防水板鋼筋作業(yè)區(qū)域，與二襯鋼筋加工區(qū)之間留2 m 緩沖區(qū)，以便運送鋼筋至臺車上。

（6）二襯施工區(qū)域長度14 m，單板二襯長度12 m，端頭2 m 為人員上下臺車及堵頭作業(yè)空間。

（7）上臺階高度8.5 m，是為了滿足全電腦三臂鑿巖臺車施工拱部系統(tǒng)錨桿時作業(yè)空間，鑿巖臂長度為7.315 m。

（8）中臺階及下臺階高度2.2 m，主要是采用人工立架及施工系統(tǒng)錨管、鎖腳錨管等，預(yù)留施工通道，為上中下臺階同步施工提供條件。

為適用大型機械化配套作業(yè)，施工步距為仰拱初支距掌子面最大距離80 m，仰拱襯砌92 m，二次襯砌176 m。

5.6 掌子面預(yù)加固措施施工工藝

5.6.1 洞身管棚

（1）施工工藝。洞身管棚采用Φ76 mm 中管棚或Φ51 mm 自進式管棚，采用三臂鑿巖臺車打設(shè)，管棚前方裝置一次性鉆頭，鉆孔、送管一次性完成。

Φ76 mm 中管棚采用φ76 mm，壁厚6 mm 的熱軋無縫鋼尖管，鋼管前端呈尖錐狀，管節(jié)長度4~6 m，管口段0.5 m 范圍內(nèi)鋼管不開孔，其余部分按15 cm 間距交錯設(shè)置注漿孔，孔徑8 mm。洞身管棚在拱頂120°范圍內(nèi)打設(shè)，每循環(huán)長度為15 m，縱向搭接長度不小于5 m。

Φ51 mm 自進式管棚采用φ51 mm，壁厚8 mm 的熱軋無縫鋼尖管。鋼管前端呈尖錐狀，管節(jié)長度4~6 m，管口段0.5 m 范圍內(nèi)鋼管不開孔，其余部分按15 cm 間距交錯設(shè)置注漿孔，孔徑8 mm。洞身管棚在拱頂120°范圍內(nèi)打設(shè)，每循環(huán)長度為12 m，縱向搭接長度不小于5 m。

通過埋深多點位移計，監(jiān)測隧道開挖前與鉆爆后且初支未上之前的變形對比，來驗證2 種超前預(yù)加固的效果，確定最終施工工藝。

（2）施工方法。①施工準(zhǔn)備：掌子面應(yīng)預(yù)留足夠的空間（以3～5 m 為宜），以保障管棚外插角度；掌子面應(yīng)用噴射混凝土封閉，減少施工用水與空氣對圍巖的侵蝕作用，保障施工安全；施工區(qū)域地面夯實、平整，可使用大鋼板增加支腿的受力面積，減少使用過程中鑿巖臺車下沉、偏位量；三臂鑿巖臺車維修、保養(yǎng)和調(diào)試，電纜、水管接至掌子面，保證管棚施工需求。②測量放樣。管棚施工前，測量班在掌子面將管棚孔位放出來，并用紅漆標(biāo)識；測量臺車后視標(biāo)靶坐標(biāo)，提供給三臂鑿巖臺車操作手；臺車定位后，三臂鑿巖臺車操作手根據(jù)掌子面放點情況對臺車進行校對。③根據(jù)放樣點位鉆孔，利用管棚做鉆桿。自進式管棚由“球齒鉆頭+全螺紋中空桿體+連接套”組成，外露巖壁20 cm，調(diào)整管棚節(jié)段順序，相鄰兩根管棚間，同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不超過管數(shù)的50%。④鉆孔完成后，預(yù)埋排氣管，排氣管長50 cm，使用錨固劑封堵鉆孔與管壁之間的縫隙，孔口安裝球閥注漿器進行注漿。注漿采用1∶1 水泥凈漿，注漿壓力為1.0～2.0 MPa。⑤注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力逐步提升，當(dāng)達到設(shè)計終壓（建議為2.0 MPa）并繼續(xù)注漿10 min以上。有一定的注入量，與設(shè)計的注入量大致相近，注漿結(jié)束時的進漿量一般在20~30 L/min 以下。⑥隧道注漿段的注漿孔全部注完后，必須要進行注漿效果檢查和評價，不合格者應(yīng)補鉆孔注漿。

5.6.2 玻璃纖維錨桿

（1）施工工藝。本隧道玻璃纖維錨桿為Ф25 mm 錨桿，一次施做長度15 m，搭接3 m，間距為2 m×2 m，梅花型布置，外插角1°～3°，注漿材料為水灰比1∶1 的水泥漿液，注漿壓力0.5～1 MPa。掌子面噴射混凝土配合玻璃纖維錨桿施做，每隔12 m 進行1 次，厚度5～8 cm。

Ф25 mm 玻璃纖維錨桿施工工序如下：清理開挖面—測量標(biāo)注孔位—鉆錨桿孔、清孔—組裝錨桿—安裝錨桿體、固定錨端—連接注漿管、注漿—錨桿體孔口回漿—待強—安裝墊板、螺栓—結(jié)束。

（2）施工方法。①施工準(zhǔn)備。掌子面應(yīng)預(yù)留足夠的空間（以3~5 m 為宜），以保障錨桿外插角度；掌子面應(yīng)用噴射混凝土封閉，減少施工用水與空氣對圍巖的侵蝕作用，保障施工安全；施工區(qū)域地面夯實、平整，可使用大鋼板增加支腿的受力面積，減少使用過程中鑿巖臺車下沉、偏位量；三臂鑿巖臺車維修、保養(yǎng)和調(diào)試，電纜、水管接至掌子面，保證管棚施工需求。②測量放樣。錨桿施工前，測量班在掌子面將錨桿孔位放出來，并用紅漆標(biāo)識；測量臺車后視標(biāo)靶坐標(biāo)，提供給三臂鑿巖臺車操作手；臺車定位后，三臂鑿巖臺車操作手根據(jù)掌子面放點情況對臺車進行校對。③根據(jù)放樣點位鉆孔。相鄰2 根玻璃纖維錨桿間，同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不超過根數(shù)的50%。④鉆孔完成后，使用錨固劑封堵鉆孔與錨桿之間的縫隙，孔口安裝球閥注漿器進行注漿。注漿采用1∶1 水泥凈漿，注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa，終壓為2 MPa。⑤注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力逐步提升，當(dāng)達到設(shè)計終壓（建議為2.0 MPa）并繼續(xù)注漿10 min 以上；有一定的注入量，與設(shè)計的注入量大致相近，注漿結(jié)束時的進漿量一般在20~30 L/min 以下。⑥隧道注漿段的注漿孔全部注完后，必須要進行注漿效果檢查和評價，不合格者應(yīng)補鉆孔注漿。

5.7 臨時側(cè)壁拆除施工工藝

5.7.1 拆除時間

根據(jù)施工進度及施工需要，為確保二襯能夠及時跟進，為了施工和隧道結(jié)構(gòu)安全，臨時支持必須滿足以下幾個條件方能進行拆除作業(yè)。

（1）臨時鋼支撐拆除前必須保證拆除支撐段的永久支護已經(jīng)封閉完成，且結(jié)構(gòu)符合規(guī)范和設(shè)計要求。

（2）支撐拆除前該拆除段的沉降和收斂測量結(jié)果都滿足穩(wěn)定條件，沉降收斂達到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為收斂不超過0.2 mm/d（當(dāng)超過該值時需及時通知設(shè)計變更加強襯砌類型或按照其他方式進行施工）。

（3）拆除后能盡快進行二次襯砌施工，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

5.7.2 拆除步驟

（1）布置變形觀測點，確保安全。拆除臨時鋼架前，進行監(jiān)控量測，取得拆除前的初始數(shù)據(jù)。在整個拆除過程中，對隧道拱頂下沉采取不間斷觀測，以保證隧道的安全。

（2）搭設(shè)鋼管腳手架作為工作平臺或者以開挖支護臺車作為操作平臺，但開挖臺車底部一定要平整穩(wěn)固。

（3）進行拆除試驗，確保拆除安全。隧道在拆除臨時支護過程中受力體系轉(zhuǎn)換，為防止初期支護因應(yīng)力突變而失穩(wěn)，在拆除前，選取6 m 進行拆除試驗。具體如下：

①首先拆除1 m 臨時鋼支撐，觀察隧道變形量及變形速率。②24 h 內(nèi)隧道變形量及變形速率在正常范圍內(nèi)時，拆除2 m 臨時鋼支撐，繼續(xù)觀察隧道變形量及變形速率。③24 h 內(nèi)隧道變形量及變形速率在正常范圍內(nèi)時，拆除3 m 臨時鋼支撐，繼續(xù)觀察隧道變形量及變形速率。④變形穩(wěn)定后分析監(jiān)控量測結(jié)果，確定隧道初期支護的穩(wěn)定性。⑤臨時支撐拆除，首先采用風(fēng)鎬人工鑿除臨時支撐與隧道初期支護連接部位噴射混凝土。然后采用氧割方式將臨時支撐割斷，使臨時支撐與初期支護結(jié)構(gòu)完全分離。待臨時支撐完成與初期支護結(jié)構(gòu)完全分離開后采用小型破碎錘鑿除臨時支撐噴射混凝土，拆除臨時支撐鋼架。⑥單次拆除長度不得大于3 m，連續(xù)拆除出一板襯砌12 m 長度后，及時施工仰拱襯砌。