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1、- 1 -软弱岩层小净距公路隧道贯通段施工工法北京市公路桥梁建设集团有限公司王义海、谷文元、胡建 华、樊宇1.前言在采用双向对打隧道的施工中，特 别是软弱岩层、浅埋偏 压 段，围岩整体强度低、自稳能力差，隧道贯通时最后一次爆破施工，炮量变大，炸落的围岩体量也较大，并且整个贯通段支护材料强度尚处在上升阶段，常常容易引起隧道 贯通段塌方，给施工带来了极大的安全隐患。目前，国内隧道常采用台阶法 进行贯通段施工， 进行上台阶贯 通时，贯通面积较大，在遇到软弱岩层时，存在很大的塌方 风险。我公司在承建 108 国道（南村-石门营段）改建工程的南村隧道时，隧道内遇软弱围岩，自稳能力极低，掌子面存在劣 质煤
2、线，岩体易滑塌，偏压明显，而且该双线隧道净距较小，左右洞施工相互影响较大， 如采用传统台阶法施工易引起两侧隧道同时发生塌方，公司根据现场情况，在 30m 过渡段两侧采用四台阶 CD 法对称进行隧道施工，剩余 15m 时单侧开挖，对 CD 法 进行改造，加强，并最终安全、顺利完成了南村隧道 A、B 线贯通段施工，同时， 还应用于苛萝坨隧道的贯通施工，均受到了 业主单位的认可。2.工法特点2.1 贯通段 30m 内采用四台阶 CD 法施工，提高了施工安全性，尤其针对软弱岩层、小净距公路隧道，将大断面开挖，分解为小断面，减少了开挖跨度，提高了裸露围岩的支护施做时间，大大降低了塌方发生的 风险。2.2
3、 贯通段 15m 内，采用四台阶 CD 法单方向施工，1 部底部增设临时钢支撑，并喷混硬化，使 I 部初期支护封闭，提高支 护整体承载力。2.3 最后一次爆破的贯通体上方，从隧道两 侧打设超前注浆 小导管，形成交叉棚架，一能通过注浆改善贯通体上方的围岩性质，提高自 稳性；二能起到棚架作用，防止落石及小范围松散体滑落；三能阻隔爆破振动， 较小对贯通体上方围岩的 扰动作用。四能弥 补隧洞导洞贯通后气温骤降导致的隧道初期支护强度上升慢的缺陷。2.4 初期支护 型钢拱架拱脚采用扩大拱脚的方式，增大拱架落地面 积，有效的控制了拱顶沉降变形。2.5 采用超前探孔，明确贯通体实际厚度， 进行爆破设计，采用精
4、确的爆破控制，到达爆破的最佳效果。3.适用范围本工法适用于围岩极差、跨度大、浅埋、小净距双线隧道，特别是开挖后自稳性差、土 质、有地下水围岩的公路隧道贯通施工。- 2 -4.工艺原理4.1 贯通段剩余 30m 时，进出口两侧同时采用四台阶 CD 法，两侧对称开挖，以保证贯通时临时中隔壁顺接。先开挖隧道一侧，施做径向锚 杆、超前注 浆小导管、锁脚锚管，以及临时中隔壁，然后施做另一侧。鉴于隧道围岩较差，将整个断面分为四台阶、8 块，先进行右侧 1、2、3 部开挖、支护，再进行左侧 4、5、6 部开挖、支护（隧道另一侧先开挖左侧），为保证拱架落脚处牢固、 稳定，打设锁脚锚管，并将型钢拱架根部加工为扩
5、大拱脚的形式，这样能有效的限制拱顶沉降变形。待上部三台阶完成后，拆除临时中隔壁，分左、右幅进行仰拱部位的开挖、支 护。具体施工步骤如图 4.1 所示。 进出口形式对称，保证贯通时中隔壁顺接图 4.1 贯通段施工工序示意图- 3 -4.2 贯通段剩余 15m 时，单向施工，并施做 I 部临时横撑，封闭 I 部初支，并抵御 侧压引起的收敛。1 部（最先贯通的部位）增设 I20 型钢拱架临时横撑，喷混 20cm，使 1 部初支拱架封闭成环，拱脚增设锁脚锚管，并完成注浆，如图 4.2 所示。图 4.2 1 部增设横撑图4.3 贯通段采用超前小导管，在 贯通体上方形成空间交叉的棚架作用，对贯通后围岩起支
6、撑作用，如图 4.3 所示。图 4.3 超前小导管交叉棚架示意图4.4 本段型钢拱架上台阶拱脚， 进行扩大拱脚处理，在型 钢侧 面焊接垫板，增加拱架接地面积，减小拱架沉降变形，如图 4.4 所示。图 4.4 型钢拱架扩大拱脚设计示意图- 4 -4.5 对于贯通体，打设超前探孔，确定贯通体实际厚度，及围岩情况，根据贯通体实际体量及围岩情况，进行专项爆破 设计，采用弱爆破技 术进行爆破，如图 4.5 所示。图 4.5 贯通体超前探孔示意图5.施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程贯通段施工工艺流程见图 5.1。贯 通 段 1 5 m 内 C D加 强 法 单 向 开 挖贯 通 段 3 0 m
7、内 四 台阶 C D 法 双 向 开 挖留 3 m 贯 通 体打 超 前 探 孔测 量 放 线贯 通 体 爆 破 设 计排 险 、 扩 孔施 做 初 期 支 护贯 通 体 上 方 形 成超 前 导 管 棚 架监 控 量 测图 5.1 贯通段施工工艺流程图- 5 -5.2 操作要点5.2.1 施工准备1.材料准备：主要包括工字钢、径向锚杆、中空注浆小导管、喷射混凝土、钢筋网片、纵向连接筋等支护材料。2.施工人员准备：现场配备开挖爆破班 4 人，隧道出渣班 5 人，支 护施做班 4 人，拱架安装班 4 人，喷射混凝土班 3 人。3.机具、设备准备：电动空压机、手持式浅孔钻机、电焊机、自卸车辆、挖掘
8、机、湿式喷射机、发电机、注浆机等。5.2.2 超前注浆小导管施工（1）超前小导管施工采用 YT28 型风动凿岩机按设计钻孔，小导管钻孔前，先进行孔位测量放样，孔位测量做到位置准确，钻孔严格按放样进行，避免造成串孔，影响注浆效果。孔位外插角度要符合设计要求为 1030。（2）超前注浆小导管参数为：直径 42，壁厚 3.5mm，长 3.5m，外插角 1030，注 C30 水泥浆，端部 1m 以外，打设 8 注浆孔， 间距 15cm，梅花型布置。（3）小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口，并喷射砼封闭工作面。采用注浆泵注浆，水泥浆液浓度为 1：0.751：1 单液水泥浆，注 浆压力初始为 0.51.0 M
9、Pa，终压为 1.52MPa 首先以初压注浆，然后在终压下 进行注浆并保持 12min 终压再卸荷，保证注浆量及扩散半径达到设计要求，达到超前加固的目的。（4）为保证超前导管形成交叉棚架，要求 贯通体在 3m 左右。5.2.3 贯通段四台阶 CD 法开挖、支 护施工（1）进行单侧 1 部开挖。首先施作 1 部超前注浆小导管， ；注 浆强度达到设计标准后开挖1 部土石方，每个步序的拱脚均为扩大拱脚；及时施作初喷 4cm 厚砼，支护 1 部临时支护；再安装型钢拱架，打设锁脚锚管，并注 C30 水泥浆；在 1 部拱部范围内打眼施作 25 中空注浆- 6 -锚杆并注 C30 水泥浆，注浆初始压力 0.
10、51MPa，终止压力为 1.52MPa；在拱部及临时中隔壁挂钢筋网，网格间距 2020cm；复喷 C20 砼至设计厚度 32cm，临时中壁喷混厚 20cm。 （2）按照施工工序示意图 4.1 所示， 1 部前进 35m 时，进行 2、3 部开挖、支护， 2、3 部形成 3m 的短台阶，能够保证中台阶接腿高度一次不会过长 ，而且接腿形成 4 个工作面，有利于隧道施工安全和施工进度。（3）完成一侧的 1、2、3 部后，进行另一侧 4、5、6 部的施工，现场根据监控量测及偏压情况，调整左右侧台阶距离，一般控制在 510m。（4）待隧道监测周边位移及拱顶沉降稳定后，拆除 临时中隔壁，一次拆除长度不应超
11、过8m，施工仰拱拱架，封闭初期支护。（5）贯通段 15m 内单方向开挖，开挖 1 部后，增设 I20b 型钢临时横撑，横撑加工成弧形，喷 C20 混凝土硬化，并用渣土掩埋，防止挖掘机碾压，破坏。5.2.4 贯通体打设探孔（1）1 部开挖至剩余贯通体为 3m 左右，停止掌子面开挖，并将 2、3 部削成台阶，以便挖掘机爬行。（2）采用手持式浅孔钻机打超前探孔，量 测贯通体实际厚度，根据贯通段围岩情况及实际体积进行爆破设计，保证一次爆破能使 1 部形成贯通孔，之后采用挖掘机排险，并进一步扩孔。及时支护型钢拱架。6.材料与设备工程材料一览表 表 6.1材料 材料技术指标 材料用途型钢拱架 I20b 按
12、设计加工成各节段，初支拱架超前注浆小导管 42，壁厚 3.5mm，长 3.5m，外插角 1030 用于超前改善围岩，形成棚架径向锚杆 25，长 3.5m，纵向间距 75cm，梅花型布置 拱架全环布置，用于 悬吊作用钢筋网片 6.5/CRB550，网格 20*20cm 与拱架焊接，保 证初支厚度纵向连接筋 22，间距 1 米，梅花型布置 增加拱架间纵向连接作用锁脚锚管 50，壁厚 4mm，长 4m，打设 角度 3045 用于稳固拱脚支撑- 7 -初衬混凝土 C20 喷射混凝土施工机具设备一览表 表 6.2机具、设备名称 规格型号 单位 数量电动空压机 4L-20/7 台 6手持式浅孔钻机 卡萨
13、C6 台 10电焊机 XJ-600 台 5挖掘机 CAT320 台 2自卸车辆 15t 台 4湿式喷射机 TK96-1 台 4注浆机 KBY50/70 型 台 47.质量控制7.1 本工法除执行施工设计图纸等文件的有关技术要求外，还应执行公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）和公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1-2004）7.2 超前小导管钻孔要严格控制外插角，保 证搭接长度，注浆应饱满，采用压力与注浆量双控。7.3 钢支撑加工、安装应严格测 量检验，准确安放，保证连接处牢固，拱脚与围岩紧密接触。7.4 喷射混凝土保证厚度，待强 度达到设计要求时，再 进行下一施工工序。7.
14、5 爆破要采用弱爆破，进行专项 爆破设计。8.安全措施8.1 建立以项目经理为首，由副 经理、 专职安全员、项目各工程管理人员组成的安全保证体系。认真贯彻执行安全责任制和各 项规章制度， 坚持经常性的施工安全教育、检查及监督指导。8.2 建立健全安全生产责任制， 设置和配置专职、兼 职安全 检查人员，负责日常安全生产巡查。- 8 -8.3 设专职工程技术人员做好地质素描和施工监控量测工作，根据围岩变化及监测结果指导施工，调整开挖工序和支 护参数。8.4 制定完善的安全检查计划，按 计划定期对工地进行安全 检查。8.5 加强对新进场工人，特殊工种工人的安全三级教育、安全交底及培训工作。8.6 制
15、定隧道塌方应急预案，现场储备 隧道塌方应急物资。9.环保措施9.1 执行环境保护定期检查制度，不符合 环境保护要求的部 门按照“定措施、定人、定期”原则予以整改。9.2 从工程开工到竣工，坚持做到 “少破环、多保护，少 扰动 、多防 护，少污染、多防治”，使环境保护和水土保持监控项目与监控结果达到设计文件及有关规定。9.3 结合设计图纸，对现场拌和站的 设置、弃土石 场的选择 、施工便道的设置等进行详细的调查，掌握第一手资料，以“ 减少植被破坏，少占耕地 ”为原则，合理规划临时用地，最大限度地减少施工用地和破坏原生植被。9.4 建立水土保持管理机构，配置专职水土保持员，建立健全水保体系，坚持“
16、预防为主，综合防治，全面规划”原则，抓住本工程水土保持工作重点，有针对性地采取措施，确保水源、植被不被污染和破坏。10.资源节约10.1 四级台阶 CD 法，降低了各台 阶高度，中隔壁不用落到底，减少了 临时支撑用量。10.2 比传统方法贯通施工，增加了更多的施工作业面，提高了机械的利用率，有效的降低了综合成本。11.效益分析在软弱围岩段采用本工法进行贯通施工，能大大保 证围岩的 稳定性和隧道施工的安全性，减少塌方发生的风险，有效的保证了工期，提高了社会效益。12.应用实例- 9 -本工法应用于国道 108 线两座隧道，分 别是南村隧道和苛 萝坨隧道，两座隧道均 为双线山岭隧道，位置接近，净宽 12.3m，净高 8.8m，两洞净距最小处为 8m,主要为强风化变质长石石英砂岩，节理较发育，岩体不完整，较破碎， 围岩完整性及 稳定性较差，开挖 时易出现掉块、崩塌,其中南村隧道中煤线分布广， 围岩承载力不足，
