包家山隧道经验总结

包家山隧道建设经验总结
摘要: 陕西小康-安康高速路包家山隧道全长11.2km，根据运营期通风需要设置了3个斜井和1个竖井，该隧道是我国第三特长公路隧道，地质十分复杂程度，工程施工难度大, 目前该隧道已贯通,本文根据包家山隧道建设情况，结合本人施工监理过程，探讨探讨了隧道设计、施工和监理的一些看法，可供隧道建设者作有益的参考。

主题词：隧道经验总结
一、概况
陕西省小康高速公路包家山隧道全长11.2km，起讫桩号K151+655～
K162+855m，设计速度为80km/h的双洞单向行驶的高速公路隧道，根据运营期通风需要设置了3个斜井和一个竖井。

该隧道是小河至安康高速公路工程的咽喉部位，也是包头至茂名线全线控制性工程，工程艰巨。

隧道进口位于陕西旬阳县桐木乡，出口位于陕西安康市茨沟镇柴家河，穿越南秦岭山脉的清山和玉皇山两道山峰，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂盛，地质构造复杂，地层岩性多变，工程施工难度大，区域内隧道全线通过37条断层,其中主要断层13条,一般断层(宽度小于5m)20条,并穿越3条褶皱破碎带，多条断层、皱破碎带都是富水地段。

1号通风斜井位于ZK154+360，长746m，纵坡11.8%；3号通风斜井位于
ZK157+772，长585m，纵坡36.3%；2号通风斜井位于K160+800，长890m，纵坡8.5%;1号通风竖井位于ZK157+630，深243m，井孔直径7.5m。

斜井是运营期的通风斜井，兼作施工期的施工通道用，隧道最长独头掘进2705m。

竖井是运营期的通风竖井，施工期仅作为投送喷射砼和二衬砼的材料和通风用，不作为施工期的出渣和人行通道用。

二、隧道的开挖
隧道开挖一般采用钻爆法施工，挖掘机配自卸汽车运渣，有轨运输时采用绞车提升机。

公路隧道围岩一般分6级，Ⅰ级围岩岩体最完整，岩性最坚硬；Ⅵ级围岩岩体最破碎，岩性最软弱。

常见隧道一般很少遇到Ⅰ级围岩，主要是完整性达不到标准
要求；Ⅵ级围岩一般也只在进出洞口时遇到，洞身地段一般也只在特别的断裂破碎带和塌方上使用Ⅵ级围岩支护参数。

Ⅰ～Ⅲ级围岩一般采用光面爆破，全断面开挖。

Ⅳ～Ⅵ级围岩一般要先超前支护，后才能再开挖。

开挖一般采用预裂爆破，开挖断面原则：Ⅵ～Ⅴ级围岩一般采用台阶断面并留核心土，Ⅴ～Ⅳ级围岩一般采用台阶断面，Ⅳ级围岩完整性较好时，也可采用光面爆破，全断面开挖。

光面爆破是隧道开挖中使用最多的、也是相对成熟的施工工艺，它不但在Ⅰ～Ⅲ级围岩中使用，也常在Ⅳ～Ⅴ级围岩中使用，它能有效控制超、欠挖，从而也就减少了喷射砼的数量，减少了作业时间，缩短了工期，也提高了经济效益。

光面爆破对掏槽眼和周边眼的放样和施工精度要求较高，一般要控制在3～5cm，对周边眼的药量控制也较严，而且还要不断的在实践中进行修正。

爆破一般先起爆掏槽眼，再辅助眼，后周边眼。

掏槽眼一般是指一个炮眼群,只有最中心位置的一个掏槽眼不装药,其余的掏槽眼也要装药。

预裂爆破，它对施工放样和药量要求不高，它所产生的超欠挖较大，它只需要把围岩炸出裂纹。

正洞隧道在各级围岩中的开挖循环进尺和各工序时间、月进尺见下表：
注:Ⅰ、Ⅱ级围岩初期支护可以与掌子面拉开距离，所以不占用单循环时间。

在斜井中施工时,单循环进尺不变,但施工工效要打折, 无轨运输时施工工效打9.5折, 有轨运输时施工工效打8折。

其有关参数参照正洞施工。

隧道竖井在各级围岩中的开挖循环进尺和各工序时间、月进尺见下表：
三、隧道的拱架构件支护的设计与施工
为了使隧道临空面立即得到外力支持，使其不至立即坍塌，也为了加大喷射砼的受力（起骨架作用），软弱围岩地段一般都设计有钢拱架构件。

钢拱架又分为型钢拱架和钢格栅拱架。

型钢拱架一般由H型钢、工字刚、槽钢等弯曲分段连接而成，钢格栅拱架一般由3根以上钢筋弯曲后组成框架结构分段连接而成，分段连接逐节采用端头焊接连接钢板，然后用螺栓栓接连接钢板而成。

由于拱顶受力最大，所以一般拱架分段不宜在拱顶分开。

由于拱架要立即提供给围岩临空面稳定的支撑力，因此在立拱架时拱架底脚一定要立在实处，拱架底的支点要坚硬，要刨除虚渣，垫上坚硬的石块或预制垫墩。

为防止拱架底脚的支点并不坚实牢靠，不一定能提供稳定可靠的反力，所以在拱架底脚处一定要打上锁脚锚杆。

分台阶开挖时，在分阶的拱架底脚处也要打上锁脚锚杆。

锁脚锚杆一端应有2根以上，长度一般稍长于径向锚杆，方向一般微倾向下。

拱架立好后为保证它与围岩良好的接触，一般应在拱架与围岩之间用板或楔块等设置多处顶紧支撑点。

拱架所立的方向，正洞里一般为铅垂方向，斜井里一般采用坡度角的一半的方向的垂线作为拱架的方向。

型钢拱架和钢格栅拱架的优缺点比较：
型钢拱架所能承受的力比较大，刚度较大，因此也容易把所有围岩的受力集中到自己身上，形成基本上一人承担的局面，不是很符合新奥法的环向锚杆、拱架、喷射砼、二衬砼等所组成的外部支撑系统柔性共同作用的理念，且型钢背面与围岩之间喷射砼不易喷密实，易形成空洞，成本也较高。

钢格栅拱架柔性大，拱架背面与围岩之间喷射砼也易喷密实，更符合新奥法的理念，成本也较低，但要形成型钢拱架那麽大的强度则需要更大的截面尺寸。

因此在设计拱架时一般希望能以格栅拱架为主，但格栅拱架加固工序相对较多。

四、隧道的超前支护：长管棚、小导管、超前锚杆
在软弱围岩施工时，除压浆的作用外，超前支护只能起到分布力的作用，它把围岩向下的压力分配到拱架上，它本身并不能提供给围岩以支撑力，因而它也就不参与结构受力计算。

因此超前支护它本身不过是施工过程中的质量、安全措施。

但为防止开挖面的因开挖而引起的立即垮塌，保证施工安全，设计和施工超前支护是必要的。

超前支护分为长管棚施工和超前导管或超前锚杆。

长管棚施工一般适用于Ⅵ级围岩和坍塌地段，长管棚施工要求要有强大的拱架支撑去承受来自钢管的压力。

长管棚一般采用φ89～φ108钢管，上开梅花形注浆用小孔，钢管外插角越小越好，但不得侵入隧道净空，一般以10～1.50为宜。

长管棚外插角必须要有，长管棚钻孔并非人们想象的那样直，很容易侵入隧道净空，而外插角大了又起不到保护开挖的作用，所以长管棚的钢管必须精确定位，必须在拱架支撑上安装精确定位的导向管套。

因为长管棚外插角很小,不方便施
工，所以在隧道内施工长管棚时还需要先扩大隧道断面, 扩大断面、拱架支撑、管棚打眼安装等一个循环一般就需要15天左右，所以在遇有长管棚施工时，每月实际开挖时间只有15天。

长管棚安装完毕，必须要进行有压注浆，固结土体，形成一定的强度，然后才能开挖。

由于长管棚施工周期较长，进度很慢，所以只要能用别的方案代替（如麦式锚杆、小导管等），都会被弃而不用。

超前小导管一般采用φ42以上钢管，长4～6米，向正前方外插角60左右打设，层层搭接，起到保护开挖的作用，一般适用于Ⅴ级围岩，注浆与否取决于设计。

超前锚杆一般采用φ25以上钢筋长4～6米，向正前方外插角60左右打设，层层搭接，起到保护开挖的作用。

一般适用于Ⅳ级围岩。

五、隧道的系统锚杆的设计与施工
系统锚杆一般是指沿隧道环向布置、沿径向或垂直岩面方向打设的锚杆，锚杆通过钻穿设计上不能自稳的易坍塔层而埋入能自稳的岩层1米左右来提供拉力，使易坍塔层稳定。

系统锚杆又分为砂浆锚杆和注浆锚杆、注浆小导管。

砂浆锚杆一般采用φ22以上钢筋，并用水泥砂浆或粘接专用药包将锚杆稳稳粘接在岩体内，使其起到保护围岩不坍塌的作用。

砂浆锚杆一般用于Ⅲ～Ⅳ级围岩。

注浆锚杆一般为φ25以上精轧空心螺纹钢，用压注水泥浆的方法将锚杆稳稳粘接在岩体内，并使周围岩体因水泥浆的扩散而得到加固。

注浆锚杆一般用于Ⅳ～Ⅴ级围岩。

注浆小导管一般采用φ42以上钢管，用压力注入水泥浆的方法将小导管稳稳粘接在岩体内，并使周围岩体因水泥浆的扩散而得到加固。

注浆小导管一般用于Ⅵ～Ⅴ级围岩，特别适用涌水地段注浆封闭岩体。

系统锚杆设计长度受开挖后不能自稳层计算厚度的影响，通常围岩越差，锚杆设计长度越长，Ⅵ～Ⅴ级围岩往往达到4.5～6米,而隧道净空一般只有5米,加上净空界以外的富余空间也就7米左右,所以系统锚杆的打设也就缺乏足够的空间,而且围岩越差,开挖更要用台阶法,要留核心土,因而施做空间也就更有限，所以系统锚杆的设计与施工存在严重的矛盾,理论上好设计,实际上却难施工，最后只能斜打了事，起不到应有的效果。

由于系统锚杆是沿径向打设，所以拱顶几根向上的锚杆打设很难操作，易发生掉渣伤人，而且人也很费力。

但拱顶这几根锚杆的受力又比其它锚杆更重要，方向性也更重要，方向偏斜，锚杆就会因锚固不到能自稳岩层内而不能提供有效的受力。

因此需要用专门的设施来改善劳动条件，增加安全性。

如果不用专门的设施来打设这几根锚杆，那设计就会失败，就不如取消整个系统锚杆，更省材省力。

六、隧道的喷射砼施工
喷射砼施工，首先是要解决好砼的设计配合比，既要满足强度要求，又要初凝终凝快，回弹料少，以减少浪费、节约投资、加快进度。

其次要解决好喷射工艺问题，要垂直受喷面，喷头与受喷面的距离应控制在60～120cm之间。

喷射砼应分层分块进行，分层厚度以4～10cm为宜，一次喷厚了易流落，分块的面积应能保证后一层喷射砼时前一层喷射砼已终凝。

喷射砼总厚度必须得到保证，它是二衬施工前隧道施工的重要安全保证，不能用二衬砼来填补喷射砼厚度不足的问题，它将严重危及隧道的施工安全，不是简单的经济问题，因此也就必须控制好初喷砼总厚度和平整度，包家山隧道初喷砼平整度按不大于4cm控制。

七、隧道的环向排水管、纵向排水管与防水板施工
为防止山体内的水在隧道内漫流，一般要采用堵、排结合的办法，以堵为主。

堵就是用导管注浆的办法，不让水沿隧道开挖面形成新的通道而流失，保护自然生态环境。

但仅凭堵塞的方法是堵不彻底的，必然还有一些水漏向隧道，因此隧道一般都设计有环向排水管，以便把渗漏的水引向隧道内集中排走。

环向排水管一般多为半圆形波纹软管，在初喷砼后安设，并要求要在初喷砼内打孔以集中引水。

环向排水管的水一般要通过纵向排水管引向隧道中央排水管。

纵向排水管一般采用有孔的PVC管，管外要用碎石层包裹，以保证渗、流向隧道内的水都能集中到碎石盲沟内,然后通过纵向排水管排走, 包裹纵向排水管的碎石盲沟所用碎石粒径必须要粗粒径,卵石也可以，含泥量不能大,以免堵塞管道孔眼和管道。

为了防止山体的水渗入二衬砼内，隧道二衬砼与喷射砼之间一般都铺设有防水板，防水板的铺设主要要求：一是搭接的方向要象屋顶盖瓦一样的有利排水的搭接，不可搭接方向反了，反而会把水引向隧道二衬；二是防水板必须完整，不得
有缺、漏、钉孔，焊缝必须严实、不漏水，喷身砼的表面不能有尖锐的突出物，包括挂防水板用的钉子头也必须妥善处理，否则防水板受力后就会被刺破影响防水效果。

八、隧道二衬施工
二衬砼位于隧道的表面，施工和运营阶段都要表现出美感。

因此，隧道二衬施工必须体现内实外美，要做到这一点，必须做好以下几方面的工作：
1、二衬砼模架的刚度和平整度必须足够，尺存要精确，首尾要吻合，否则会造成二衬凹凸不平和衔接处的错台。

2、二衬砼模架的基础必须平整、密实，高程要精确，一般应用砼浇两溜滑道，否则也会造成错台。

3、洞口段是隧道的门面，光线条件又好，尤其要求要美观。

模板新用要进行试浇，头几版不能在洞口段进行。

通过试浇，对平面的平整光滑度、错台进行检查，发现问题及时改进，才能保证二衬工程的完美和漂亮，然后才能用于洞口段。

4、二衬顶部常会出现空洞，一是因为浇筑时下料难度大而未饱和，二是因为砼收缩引起。

因此浇筑二衬砼时，顶部一定要预埋注浆管，对已完成的二衬砼段落要分大段进行注浆以填塞空洞，使其能与初期支护共同受力。

二衬顶部注浆压力不能大，以免使二衬砼承受额外的不必要的附加压力。

九、隧道施工的超前地质预报
隧道是地下工程，地质构造看不见摸不着，而涌水、断层、软弱夹层、瓦斯等地质灾害会给隧道施工带来很大的危害，必须提前加以预防。

隧道往往都在大山深处，地质钻探所钻深度有限，物理勘探又不够准确，所以都不可能在隧道施工前为我们提供完整准确的地质资料。

因此就要求我们在施工中边掘进，边给自己探测、预报，为施工顺利进行提供详细、准确的的地质资料。

TSP203地质雷达探测是一种比较先进的超前地质预报手段，它对150米以内的围岩分级和断层很敏感，很准确，但对富水层不是很敏感，对200米以内的预报也是有一定的准确性。

但TSP203地质雷达超前地质预报费用很高，不一定要在隧道中所有段落使用，可只在隧道深处和地质资料表明的地质复杂地段使用。

5～30米深的超前地质钻孔能准确预报掌子面前方的地质情况，更重要的是能及时发现前方的水，并能先期减小水压，或使提前采取封堵措施。

但超前地质钻孔
很占用隧道掘进时间，影响进度，所以施工单位一般都不愿意施作。

建议配合地质雷达探测仪，在可能存在富水的地段一定要进行超前地质探孔。

十、隧道的围岩监测
对隧道开挖后的围岩进行监测，通过对受力和变形的监测，不断地修正围岩的支护参数，使弱了的支护得到加强，过强的支护减弱，达到动态化管理设计和施工的目的，既节省材料，又减少发生事故，是新奥法施工的三大支柱之一，必须落实到实处。

需要监控量测的主要项目有：地质和支护状况观察，周边位移，拱顶下沉，锚杆内力和抗拔力。

其中地质和支护状况观察对掌子面，人们会不打折扣的严格执行，但对初期支护或二衬已完成时间长了一点的段落人们往往易忽略、易忘记，但一但出现了安全事故，往往损失更大，影响也更大。

因此施工单位和监理都要注意对远离掌子面的段落进行定期巡查，对远离掌子面的初期支护的掉块、裂纹和二衬的裂纹一定要及时观察到，及时采取有效措施，防止安全事故的发生，并修正相关段落的支护参数。

十一、隧道施工期间的通风排烟
施工期间，隧道处于一个半封闭的环境中，洞内施工人员所需要的氧气需要从洞外送入空气解决，洞内开挖后产生的废气和烟尘，需要从洞内排出，所以施工时必须采用强大的机械通风系统。

隧道施工时的机械通风，一般采用压入式或吸出式，或二者的混合式。

压入式有利于掌子面迅速得到新鲜、充足的氧气，但烟尘排出比较困难，特别是当长度超过1.5km以后，烟尘很难排出，洞内整天硝烟弥漫。

吸出式通风方式，有利于洞内烟尘的及时排出，但洞内新鲜空气却要靠自然的流入，缓慢而不及时，有压抑感，所以一般少使用。

在隧道独头掘进超过1.5km以后，建议要采用混合式通风，把外面的新鲜空气直接压进去，而把内面的烟尘废气直接吸出来，特别是隧道独头掘进超过2km时必须采用混合式通风。

十二、不良地质处理：断层、涌水、坍塌、软弱夹层、瓦斯、岩暴
1、隧道跨越断层，如果施工时无水，可按断层处围岩的完整性等级确定支护参数，正常跨越，但二衬要在断层处做沉降缝。

如果施工时有水，则一般要进行封堵，甚至要到地表找到准确位置进行封堵，衬砌也要考虑水压的影响，加强加厚。

2、隧道通过涌水地段，一般要采用超前围幕注浆，超前导管注浆，径向小导管注浆，地表注浆等方法进行处理。

3、对隧道内产生坍塌的处理，一般要先用钢纤维喷射砼先封闭坍塌的岩面，再用长管棚法对坍塌的渣土进行开挖，边开挖边在二衬边界以外作上约2米厚的砼护拱，护拱上再铺上缓冲层材料（轻型材料如麦秸等）。

护拱外与围岩之间还有很大空间时，可在护拱外与围岩之间立上适当的支撑或不作处理，空间很小时，也可用轻型材料（如多孔砼）充满。

4、当洞顶有水平状的软弱夹层时，一定要减少循环进尺尺寸，加大支护参数，加大锚杆数量和施打质量，及时跟进支护。

竖直状的软弱夹层一般危害不大，只需局部处理。

5、当隧道穿过有煤地层时，一般会出现瓦斯危害，要求加强监测，加强通风，不留死角，使用安全电压，湿式钻岩，湿式喷锚，湿式运渣等。

6、当隧道通过高强度围岩区（一般为Ⅰ、Ⅱ级围岩），而隧道埋深又很大（一般超过300m）时，则有发生岩爆的可能。

隧道通过岩爆地段时，要对新开挖掌子面及时洒水湿润，采用湿式钻岩等措施，使围岩内的应力及时释放，并初期支护紧跟。

十三、隧道施工的重点、难点
1、准确判断围岩级别，确定相应支护参数，确保施工安全，是施工的重点和难点。

围岩级别的确定有两个指标，一是围岩强度指标，比较好定，二是完整性指标，还有夹层的发现与判断，人为因素很大，比较难定。

包家山隧道采用了TSP203地质雷达进行超前地质探测，每次探测前方150米左右，基本上每月每个掌子面都探，通过对比，发现它对围岩级别判定很准。

2、断层的判定也是施工的重点和难点，断层软弱破碎，易被简单的判为围岩变差，很多时候断层都已通过了还未被发觉。

但断层有断层泥，也会有滑动的痕迹，会伴有常年水或季节水，断层的处理也与普通级别围岩有差别，需要设置沉
降缝，需要防治季节水，结构可能还需要考虑承受水压力，因此发现断层是十分必要的，最好能专门设置有经验的地质工程师。

3、光面爆破是施工的重点和难点，光面爆破优点很多，效益明显。

但光面爆破的设计和不断修正却有难度。

围岩在不断的变化，同一个断面围岩还有局部强弱问题，光面爆破的设计也要不断的随地质变化而变化，并在实际中根据每一炮的光爆效果修正下一炮的间距和用药量，使整个洞身更加平而光，不超挖，不欠挖。

4、洞顶径向锚杆的打设是施工的难点，方向要求准确，施工又不方便，不安全，要求要用专门设施进行操作。

包家山隧道设计了简易的三脚支撑的架子，安装在钻孔平台上，三个脚可以自由伸长和缩短，可以向外掰开和向内合弄（见图1），方便在不同高度上打各种方向的锚杆，减少了劳动强度和危险性。

5、喷射砼的厚度和平整度控制是施工的重点和难点，薄了不安全，厚了经济上难承受。

在有拱架地段喷射砼的厚度和平整度还好控制，而在无拱架的Ⅲ围岩以上的地段，喷射时又没有参照物，要求要在围岩内扎铁丝以作参照物。

6、二衬砼模架的设计和加工、安装的精度以及模架基础的强度和高程的精度，是控制二衬砼错台的必要手段，是施工的重点和难点。

包家山隧道在二衬移动模架的两条轨道下浇了条状砼，保证基础不变形和高程准确。

并在离开洞口段三板以上的位置浇了几板砼以发现和修正模板精度。

7、长大隧道的通风排烟是施工的难点，2km以上的独头掘进，必须采用设计混合式通风。

包家山隧道独头掘进2km以内的都是采用压入式通风，在掘进达1.5km时，通风效果很不好，烟尘很难散去，总有一段在爆破后通风半小时后还能见度只有1～２米。

包家山隧道独头掘进2km以上的采用了压入式通风吸出式换气相结合的混合式通风形式，效果较好。

图1 隧道拱顶锚杆施打设备
8、斜井施工：斜井受围岩竖直力比正洞小，比竖井大，因此衬砌结构也可相对正洞减弱。

但斜井施工难度比正洞大，斜井爆破用药量要比正洞约大；斜井采用无轨出渣时，因为运渣车的爬坡能力有限，一般坡度不宜大于15%，最好小于
13%以提高运渣效率，减少车辆故障；斜井截面积不宜太小，要充分考虑施工风管布置和运渣车双向行驶的需要；斜井采用有轨出渣时，绞车提升，既有斜坡段，也会有平坡段，考虑到坡度太大易脱轨，撮箕斗既要考虑斜坡需要，也要考虑平坡段要求，结构尺寸会很大，所以一般坡度不宜大于350，坡度更大，则应改设计为竖井；斜井二衬难度会较大，模板台车不好固定，容易下滑，砼也容易向低处流动，造成上端面不饱满，因此二衬应从低处开始施工；斜井施工安全与正洞不同的是斜井涌水的危害比正洞大，防涌水的抽水设备必须准备充足，一旦发生涌水，可容水的空间较小，设备很快被水淹没，损失会很大；绞车提升的斜井施工，井外井内的通讯联络非常重要，密切关系到井内人员的安全问题，一般都要双保险，既要有步话机或电话，还应装视频设像头。

9、竖井施工：竖井由于垂直向下开挖，只有侧向挤压力，所以结构支护支护相对简单。

但施工难度最大，施工作业面小，各工序不能在竖直方向上同时作业，只能单工序开挖、排烟、出渣、立拱架、打锚杆、挂网片、喷砼依次作业，一点也不能平行作业或搭接作业；竖直提升，需要大型提升设备，绞车、稳车、吊罐，而且需要多套；竖井施工，井内人员必须依靠设备才能上下，所以要有备用设备、备用电；施工人员处于悬空状态，需要悬空的、能上下移动的专用作业平台；安全尤为重要，上方不能掉渣、掉物，否则严重影响下面人的安全，由于自由落体速度越来越快，一颗小石子也会象子弹一样打死人，所以安全防护、安全措施必须十分到位和仔细；竖井防涌水的抽水设备必须准备充足，一旦发生涌水，可容水的空间很小，人员逃生困难，设备被水淹没，损失会很大；竖井施工，井外井下的通讯联络非常重要，密切关系到井内人员的安全问题，一般都要双保险，既要有步话机或无线电话，还要装视频设像头。

十四、隧道监理的重点、难点
隧道监理的难点在于方案的审查和确定，重点在于防止偷工减料：
1、围岩级别、断层的判断，是监理的重点和难点。

准确判断围岩级别、断层，正确确定施工支护参数，指导施工，确保施工安全，也是监理的任务和责任。

新奥法施工强调动态管理，岩变我变，设计院提供的分段围岩的级别只能作为参考，甚至在同级围岩中局部围岩支护结构也要进行调整或加强，这就要求现场监。