连拱隧道施工工艺的研究

连拱隧道施工工艺的研究
引言
公路连拱隧道的基本特点主要有：1）连拱隧道在高速公路主要修建在埋深不大的山岭重丘区和市区受特殊地形条件限制或有特殊要求的区域。

2）公路连拱隧道的特点突出的表现在形态上的两洞洞身紧紧相连，只有一墙相隔，两洞的钢支撑拱脚搭建在中隔墙之上。

3）连拱隧道普遍长度较短，埋深浅，具有围岩强风化破碎、地质条件差等一系列特点。

4）连拱隧道开挖跨度大，易产生偏压，施工工序较多，施工难度大，工期较长。

1、工程简介
1.1工程概况
天鹅隧道为麻竹高速上唯一一座连拱隧道，进口位于保康县黄堡镇天鹅村，出口位于保康县砟峪村二组，隧道轴线方向约302o，呈南东-北西向展布，里程桩号：K72+694～K72+943，全长249米，最大埋深约83.8米，其中III级围岩30米，Ⅳ级围岩149米，Ⅴ级围岩70米。

进出口各设2米明洞（端墙式），单洞净空（宽×高）：10.5×5.0m。

隧址区属构造剥蚀低中山区，地形起伏较大植被发育，隧道进出口斜坡较陡。

1.2地质构造
隧址区区域位于新华夏系第三隆起带与淮阳山字形西翼反射弧东段的复合部位，构造较为复杂。

附近无明显的断裂构造迹象，出露、揭露的地层主要为志留系下统马溪组（S11）。

1.3 工程特点
隧址区地层岩性复杂多样，主要为强～中风化页岩，属极软岩类，岩体极破碎，岩体稳定性差，地下水主要为裂隙水，水量大小受季节影响，雨季可能出现淋雨状滴水。

天鹅隧道为本项目唯一一条连拱隧道，施工难度大，而且作为本标段的控制性工程之一，直接关系到后期桥梁T梁的运架。

2、总体施工工序
目前连拱隧道开挖方法分为两大类：一类是按两个独立单洞考虑的开挖方法，适用于较好的围岩条件，不需要单独先开挖中导洞；另一类是三导洞施工方案，
即先开挖中导洞再修建中隔墙的开挖法，适用于对于浅埋和软弱的围岩条件。

结合天鹅隧道埋深浅、受偏压且岩层主要以强-中风化页岩地层岩性为主，最终选择了三导洞施工方案，即中导洞先行，进行超前开挖，双侧导洞随后跟进的方案。

2.1中导洞开挖
本隧道中、侧导洞工程设计、施工均以新奥法为指导原则。

根据设计图纸，Ⅴ级围岩导洞段，开挖采用上下台阶方法；Ⅳ级围岩导洞段采用全断面法施工。

开挖后及时进行导洞支护，形成封闭自稳的环状结构体。

2.1.1 V级围岩导洞开挖
（1）开挖方法
①中导洞上台阶开挖，并及时施做临时初期支护；
②中导洞下台阶开挖（与上台阶间隔5～10m），并施工对应临时支护；
④⑤错开至少50m，进行侧导洞开挖，并施工對应临时支护。

施工顺序：中导洞上台阶开挖→中导洞下台阶开挖→侧导洞上台阶开挖→侧导洞下台阶开挖。

施工中要严格控制每次开挖长度和支护距掌子面的距离，导洞V级围岩最大不超过1.2m。

2.1.2 IV级围岩导洞开挖
（1）开挖方法
①中导洞全断面开挖，并及时施做临时支护；
②错开至少50m进行侧导洞开挖，并施工对应临时支护。

施工顺序：中导洞全断面开挖→侧导洞全断面开挖。

施工中应采用光面爆破，要严格控制每次开挖长度和支护距掌子面的距离，导洞IV级围岩最大不超过1.5m。

中导洞开挖注意事项：
考虑到隧道设计导洞只有宽5m，渣车与装载机，挖掘机，同时在洞内作业，渣车存在无法调头，错车的问题，故导洞开挖时每间隔50m，设置一道错车带，错车带宽7m。

中导洞的先行开挖施工，为正洞的地层岩性，提供了最准确的超前地质预报，所以在中导洞开挖过程中要对每个断面的围岩情况，进行详细的记录、分析。

2.2中隔墙施工
中隔墙已承载竖向压应力为主，在整个施工阶段由轴线受压逐渐转化为偏心受压，后又恢复为轴线受压。

最大弯距出现在先行隧道完成二次衬砌时，最大轴力出现隧道施工完工后。

过在施工过程中应考虑中隔墙的抗倾覆、抗开裂等问题。

2.2.1中隔墙施工工序及流程
中导洞贯通后，应立即进行中隔墙施工。

为便于人员操作和机械设备等作业，方便材料运输，减少工作中的交叉干扰。

本隧道采用从进口端向出口端进行倒退式的方式进行中隔墙施工。

这样有利于洞口段的中隔墙浇筑完毕且混凝土达到设计强度后，尽快的开始主洞开挖，从而缩短工期。

中隔墙流程：
测量放线→清理中导洞基底→用高标号砂浆找平基底→测量定位放线→绑扎钢筋、预埋排水管、止水带→立基础模板→中隔墙基础混凝土灌注→绑扎钢筋、立墙身模板、预埋止水带→中隔墙墙身混凝土灌注→中隔墙拱顶回填注浆→下一循环
2.2.2中隔墙施工要点
中隔墙施工前应该对中隔墙的中线进行复测，并应清理基底的残渣积水，为防止中隔墙下沉，要及时的施作基础加固锚杆。

中隔墙施工缝是受力的软弱面，每模中隔墙施工前、应对施工缝处进行凿毛处理，并按设计要求埋设止水条。

中隔墙两侧模板加固采用Φ12对称拉杆，并在正洞两侧内采用1.5m以上采用横向支撑防止跑模。

中隔墙钢筋混凝土施工，由于基础和墙身两部分的断面形状和尺寸大小不同，从立模板和施工方便考虑，宜先后分两次施工。

先浇筑中隔墙基础，在设计强度后可做施工作业平台，然后在浇筑墙身。

在中隔墙混凝土墙身浇筑至顶部后，应每隔5米预埋Φ42.5mm注浆导管，方便后期中隔墙顶部注浆、回填密实。

中隔墙施工应注意预埋主洞钢支撑连接钢板及连接螺栓，预埋的纵向间距应同主动钢支撑纵向间距保持一致。

中隔墙防偏压处理：由于连拱隧道左右洞的不对称施工，以及爆破的震动，分步施工的反复扰动，通过侧导洞和正洞的初期支护将压力传递至中隔墙，易造成中隔墙受力不平衡。

因此在先行洞开挖前必须进行中隔墙防偏压处理，采取的措施是在中隔墙一侧夹层处进行回填，即在先行开挖的洞室与中隔墙相反一侧回填。

2.3主洞开挖
根据设计图纸及施工技术规范，Ⅴ级围岩段开挖采用上下台阶预留核心土的方法；Ⅳ级围岩导洞段采用台阶法施工。

开挖后及时进行导洞支护，形成封闭自稳的环状结构体。

考虑到本项目整体的施工计划安排，决定左洞作为先行洞，先行开挖，贯通后作为天鹅特大桥的架梁通道。

（1）本隧道为连拱隧道，整体开挖支护顺序为
中导洞开挖→初期支护→中隔墙施工→侧导洞开挖→侧导洞初期支护→中隔墙回填、支撑→开挖主洞上台阶→上台阶初期支护→开挖核心土及下台阶→下台阶初期支护→二次衬砌。

暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式。

（2）Ⅴ级围岩连拱隧道总体施工步骤：
Ⅴ级围岩总体施工步骤
①中导洞上台阶开挖，并施工对应临时支护，中导洞开挖采用台阶法
②中导洞下台阶开挖，并施工对应临时支护；
Ⅲ中导洞贯通后，由进口端向出口端进行中隔墙施工，墙身施工完成后应进行顶部回填注浆；
④⑤错开至少50m进行侧导洞开挖，并施工对应临时支护，侧导洞开挖采用台阶法。

Ⅵ中导洞回填和临时支撑；
⑦开挖拱部围岩，并施工支护和及时架设钢拱架，要求左、右洞拱部至少错开2倍洞径；
⑧⑨错开2倍洞径开挖核心土及落底，施作相应支护
⑩拆除临时支护；
Ⅺ施工仰拱混凝土；
Ⅻ施工防水系统和二衬模筑混凝土。

（3）Ⅳ级围岩连拱隧道总体施工步骤：
Ⅳ级围岩总体施工步骤
①中导洞全断面开挖，并及时施做临时初期支护。

；
Ⅱ中导洞贯通后，自进口端向出口端浇筑中隔墙，顶部回填、注浆；
③错开至少50m进行侧导洞开挖，并施工对应临时支护；
Ⅳ中导洞回填和临时支撑；
⑤开挖主洞上台阶，并施工支护和及时架设钢拱架，要求左、右洞上台阶开挖至少错开2倍洞径。

此时应严格控制开挖循环进尺和及时支护，并注意量测洞内、地表的变形；
⑥错开2倍洞径开挖下台阶；
⑦拆除临时支护；
Ⅷ施工仰拱混凝土
Ⅸ施工防水系统和二衬模筑混凝土。

主洞开挖注意事项
为减少爆破震动对中隔墙的影响，因此，靠中隔墙侧，爆破参数需进行必要的控制，减少药量或采用预留爆破方式。

由于双联拱隧道跨度大、且易产生偏压，即使在围岩好的情况下也要坚持短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”的开挖施工原则，以减少或杜绝坍方。

2.4 初期支护
初期支护由系统导管（锚杆）、钢筋网、钢架和喷射混凝土组成的一种联合受力结构。

天鹅隧道初期支护主要形式有：C25（C20）喷射砼、φ8或φ6钢筋
网、系统导管（φ42注浆导管）、系统锚杆（中、侧导洞φ22砂浆锚杆），型钢钢架等。

初期支护顺序：
通风一排险一处理欠挖一初喷砼一打设系统锚杆挂设钢筋网一安装钢拱架一打设超前小导管一复喷至设计厚度一监控量测。

2.5监控量测
监控量测在埋深浅、偏压大的连拱隧道中显得非常重要，因连拱隧道工序繁多、爆破开挖扰动次数多等特点，隧道初期支护受力形式和变形影响因素复杂，施工风险高。

因此，连拱隧道施工过程中必须重视监控量测工作，并及时进行监控量测的数据分析及信息反馈，以保证施工安全。

对于埋深浅、跨度大的连拱隧道，主要的必测项目有：地表下沉、掌子面围岩、支护状况观察、周边位移和拱顶下沉。

选测项目：围岩体内位移、围岩压力、初期支护和二次衬砌两层支护间压力、钢支撑内力及外力、支护、衬砌内应力、表面应力等。

监控量测断面的布设要求：
洞口浅埋段10-15m范围之内，应布置不少于3-5个测点进行位移监测。

？
水平收敛和拱顶下沉量测，V级围岩每12～20米一个，IV级围岩每20～40米布设一个，监测应在爆破后24小时内技术进行。

中隔墙内应力、表面应力及裂缝量测，结合周边收敛位移监测中隔墙位移。

每个洞口浅埋段，应不少于3个断面，每个断面不少于3个测点。

2.6二次衬砌
对于浅埋及偏压大的连拱隧道，及时的进行二次衬砌混凝土浇筑尤为重要，本隧道二衬施作采用12m液压钢模台车，整体式浇筑。

衬砌参数：采用C25自防水混凝土，厚55cm，主筋为Φ22螺纹钢，纵向间距20cm，纵向筋为Φ12螺纹钢，纵向间距为20cm。

二次衬砌施作应符合下列条件：
（1）隧道周边位移明显有放缓的趋势；
（2）Ⅰ至Ⅳ级围岩的二次衬砌施工时，周边围岩速率小于0.2mm/d，拱顶下沉速率小于0.15mm/d；
（3）施做二次衬砌前的位移值已达总位移的80%以上；
（4）初期支护无继续变形、开裂等情况。

3、结语
天鹅隧道连拱隧道在施工过程中，能够结合不同围岩采用不同的开挖方法，在中隔墙施工中采用进口向出口倒退式的浇筑方式，为主洞提前开挖提供了有力条件，大大缩短了工期，衬砌施工中能够有效的结合超前地质预报和监控量测的信息来指导施工。

从施工进度、工程质量和安全都得到有效保障，对类似的高速公路连拱隧道施工具有一定参考价值。

参考文献
[1] 交通部公路科學研究所.公路隧道施工技术细则.北京：人民交通出版社，2009.
[2] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2011.。