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1、寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团第四工程有限公司 胡利平【内容提要】天恒山隧道作为国内第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道，从施工工艺到施工组织，国内没有同类工程经验可供借鉴，规范性的标准和要求几近空白，国外可供借鉴的类似工程也不多见。项目针对该隧道特点，在深入调研和借鉴国内外先进经验基础上，优化并创新寒区浅埋土质隧道的施工工艺、支护参数，实现严寒地区浅埋大跨度土质公路隧道的快速施工。【关键词】土质隧道 设计 施工1.工程简介1.1 工程概况天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界，是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。哈尔滨绕城公路东北段的建设，使环路贯通，“一环五射”发挥整
2、体功能。对省会哈尔滨及其周边地区的社会、经济发展创造了良好的交通运输环境。隧道为双洞分离式设计,单向双车道，单洞上行线长1660m，下行线长1690m。建筑限界为净宽11.5m，净高5m，考虑本地区的特点，隧道净空断面为三心圆曲墙断面（隧道净面积A=76.782）。隧道设计人行横通道4处，车行横通道1处，上行线和下行线各设置一处紧急停车带。隧道设计行车速度80km/h，路面采用单面横坡，坡度2%，上行线和下行线纵坡为双向人字坡，坡度均为1.775%和-0.900%。1.2 地形地貌隧道所处地貌单元为岗阜状平原区，地面侵蚀较强，起伏较大，呈坡缓、顶平漫岗式，局部“V”型冲沟发育，切割深度1025
3、m。前缘与松花江高漫滩后缘以陡坎相接，高差近40m。隧道处植被主要为人工林及耕地。1.3 隧道工程地质隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内，地层分区为松嫩平原分区，地层分布主要有白垩系（K）及第四系（Q），本区缺失第三系地层。根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果，隧道处岩土主要为亚粘性土，局部见砂层，地基承载力综合评价表显示，5-1、5-2、7-1和8-2地层为软可塑状态的软弱夹层，对隧道施工极为不利。1.4 气候、水文地质特性隧区位于北寒带气候区，冬季长达五个月之久，春秋季节较短,年平均气温为5.7，极端最高气温39.1,极端最低气温41.4；年平均降雨量为523.3mm，降雨期集
4、中在68月份；年平均蒸发量1507.7mm；最大冻深2.05m，地面稳定冻结日期为11月下旬，稳定解冻日期为翌年4月中旬。隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水，赋存于软可塑及软塑压粘土层中，钻孔后出现渗水现象，经测量计算24小时渗水量为12.2L/m2，受大气降水补给，受季节影响，水量变化大。2.隧道主体设计与施工2.1隧道主体设计方案2.1.1 围岩分类隧道围岩比较单一，主要为粘性土，局部见砂层。隧道处构造不发育，隧道围岩受地质构造影响程度为轻微影响。根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）中规定，天恒山隧道围岩分级以、级为主，其中级围岩占57，级围岩占43。2.1.2 衬砌支护参数
5、暗洞衬砌结构按新奥法原理设计，采用复合式支护结构形式。初期支护以型钢拱架、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水层，二次衬砌表面设保温防火层。2.1.2.1 初期支护初期支护参数的选取主要依据工程类比确定，各种围岩及断面条件下的支护参数见表1。表1 隧道衬砌结构支护参数表围岩类型初期支护二次衬砌备注锚杆喷混凝土钢筋焊接网钢拱架拱圈仰拱标准断面级及洞口段25长4m(0.5m1.0m)28cm8间距(两层)20cm20cm20a#工字钢架(间距0.5m)55cm55cm50双层小导管注浆支护级25长3.5m(0.75m1.0m)
6、25cm8间距(两层)20cm20cm18#工字钢架(间距0.75m)50cm50cm50小导管注浆支护过渡段级25长3.5m(0.75m1.0m)25cm8间距(两层)20cm20cm18#工字钢架(间距0.75m)55cm55cm50小导管注浆支护加强段级25长3.5m(0.5m1.0m)25cm8间距(两层)20cm20cm18#工字钢架(间距0.5m60cm60cm50小导管注浆支护汽通扩大断面级级25长4.0m(0.5m1.0m)30cm8间距(两层)20cm20cm20a#工字钢架(间距0.5m)65cm65cm50小导管注浆支护紧急停车带级级25长4.0m(0.5m1.0m)30
7、cm8间距(两层)20cm20cm20a#工字钢架(间距0.5m)65cm65cm50小导管注浆支护汽通加强段级级25长3.0m(0.5m1.0m)20cm8间距 20cm20cm12.6#工字钢架(间距0.5m)45cm45cm42小导管注浆支护汽通过渡段级级25长3.0m(0.75m1.0m)16cm8间距 20cm20cm10#工字钢架(间距1.0m)40cm40cm42小导管注浆支护人通加强段级级25长3.0m(0.75m1.0m)16cm8间距 20cm20cm10#工字钢架(间距0.75m)40cm40cm25超前锚杆人通过渡段级级25长3.0m(1.0m1.0m)16cm8间距2
8、0cm20cm10#工字钢架(间距1.0m)35cm35cm25超前锚杆2.1.2.2二次衬砌二次衬砌采用C30泵送自防水混凝土结构，抗渗标号为S10。2.2隧道施工方案2.2.1 开挖方案在开挖施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则，项目部多次组织相关人员外出参观学习并邀请专家对隧道施工方案进行多次论证。根据工程地质特征采用了微台阶法和CRD法等施工方案。2.2.1.1微台阶法隧道标准断面的标准段，在土体含水量较大、地基承载力较低，开挖后围岩变形较大、自稳能力差，易塌方，需要初期支护尽快封闭成环，仰拱及填充紧跟段采用微台阶法施工。微台阶法施工纵断面见图1； 微台阶法施工横断面见
9、图2； 微台阶法施工平面见图3；微台阶法施工照片见图4。 图1 微台阶法施工纵断面图 图2 微台阶法施工横断面图 图3 微台阶法施工平面图 图4 微台阶法施工照片微台阶法是在超前支护完成后，首先进行上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错位开挖下台阶并及时施作边墙初期支护；适时挖除上下台阶核心土，然后紧跟仰拱开挖和初期支护封闭成环。上下台阶每循环进尺为一榀拱架间距，仰拱每次开挖支护2榀拱架长度；上台阶长度35m，掌子面距仰拱初支距离控制在12m以内，掌子面与仰拱钢筋混凝土及仰拱回填的距离控制在15m以内。采用微台阶法施工，同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭，施作时间可以控制在10天之内，到仰
10、拱砼浇筑，施作时间可以控制在12天之内。微台阶法施工，由于下台阶与仰拱初支距离控制在67m，影响挖掘机对上台阶和仰拱的开挖，同时开挖时仰拱钢筋混凝土施工无法平行作业。 2.2.1.2 CRD法施工天恒山隧道穿越的5-1、5-2、7-1和8-2软可塑状态的软弱夹层，地基承载力极低，5-2地层仅110KPa。试验表明：软塑夹层对隧道开挖的变形和稳定性影响较大，其所处的位置不同对隧道的变形影响也不同；拱顶有软塑夹层时，土体无成拱能力；拱腰处有软塑夹层时，上覆土的成拱高度受到影响；在标准断面存在软弱夹层地段，采用台阶法施工，尽管初支拱脚采取了加固措施，但仍发生了下沉，核心土发生整体破坏，没有自稳能力，
11、对稳定掌子面不起作用，洞顶最大沉降18cm，水平最大位移3.6cm；在跨度16.83m，高12.06m的紧急停车带加宽段和车行横通道口扩大断面段，采用台阶法施工，有支护情况下，拱顶最大沉降约为30cm，在支护全断面封闭后，隧顶的最大沉降仍然超过15cm；当采用CD法施工有软塑夹层、大跨度段时拱脚的切入变形较大，掌子面的稳定性较台阶法施工好，隧道施工过程中竖向变形较小，但拱肩处变形仍然较大。因此，为了保证施工安全，对标准断面有软弱夹层段和隧道加宽段采用CRD法施工。CRD法是将大断面隧道分部分块开挖，分部封闭成环，先开挖隧道一侧的上部并施作封闭的初期支护和临时支撑，再开挖隧道另一侧的上部且施作封
12、闭的初期支护和临时支撑，最后进行隧道下部的开挖支护，最终形成隧道初期支护和临时支撑网状封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法。CRD法施工工序示意见图5。图5 CRD法施工工序示意图施工注意事项：在分部开挖支护57m后进行分部的开挖支护，分部与分部的距离控制在1倍洞径之内，掌子面与仰拱及回填的距离控制在2倍洞径以内，在开挖时保持各分部开挖断面和各部的纵向间距，开挖轮廓线要圆顺，以减少出现应力集中现象；在施工过程中及时设置临时仰拱封闭、步步成环，尽量缩短成环时间，必要时进行掌子面喷射混凝土临时支护；中隔壁设置为弧形临时支护，隧道左右开挖小断面底部临时仰拱保持在同一断面上，各节点的连接一定要对齐，螺栓
13、连接牢固，并及时施作锁脚锚管；初期支护稳定后分段拆除中隔壁临时支护，拆除长度应根据变形监控量测信息和仰拱浇筑长度确定（一般为46m）。但一次拆除长度不宜超过15m，并加强拆除过程监控量测；中隔壁混凝土拆除时，要防止对初期支护系统形成大的振动和扰动；可采用风镐由上至下逐榀拆除钢支撑之间的喷射混凝土，以及临时支护与初期支护连接部位附着在钢架上的喷射混凝土；临时支护拆除后及时施作隧道仰拱和二次衬砌。CRD法1#洞施工见图6；CRD法施工全貌见图7。 图6 CRD法1#洞施工 图7 CRD法施工全貌2.2.2 支护方案2.2.2.1锚杆施工根据设计，超前锚杆、锁脚锚杆、系统锚杆均采用25自进式中空注浆
14、锚杆，但在隧道施工过程中，由于粘土层锚杆施工成孔困难，加之注浆效果差，严重影响了工程进度。为此，通过现场试验、专家论证、参考黄土隧道设计与施工相关研究成果取消了系统锚杆，改用42锁脚锚管，整个初期支护结构由型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚管组成。2.2.2.2 初期支护监测根据天恒山隧道的地质条件和工程条件，选择在S0围岩进行稳定性和支护效果监测。通过对粘土质隧道钢架条件下的受力特征、应力-时间、位移-时间变化关系分析，掌握围岩和支护结构的工作状态，从而研究取消初期支护系统锚杆的可行性，为是否取消系统锚杆提供决策依据。并对工程施工安全和结构可靠性进行评价。该试验段里程为XK89+570XK89+610，埋深约25m，监测断面里程为XK89+588和XK89+605。该区段围岩主要是低液限的粘土及亚粘土，无渗水现象，含水量平均值为26.9%，天然密度平均值为27kN/m3，内粘聚力平均值为14.2kPa，内摩擦角平均值为27.6。该区段初期支护采用42（L=5m）锁脚锚管、I20a工字型钢、8，20cm20cm双层钢筋网、22纵向连接筋、28cm厚喷射混凝土；二次衬砌采用55cm厚模筑钢筋混凝土。初期支护阶段监测项目主要包括：净空收敛、拱顶下沉
