上台阶双侧壁导坑法进洞施工技术在特大断面公路隧道浅埋偏压复杂地质条件下的应用

上台阶双侧壁导坑法进洞施工技术在特大断面公路隧道浅埋偏压复杂地质条件下的应用

王春云丁小鹏

中交一公局第二工程有限公司（永嘉上瓯项目）

摘要：文章结合在建金钱龙隧道进口端工程实例详细的研究了特大断面公路隧道在浅埋偏压复杂地质条件下上台阶双侧壁导坑法进洞施工技术，根据实际的周边环境、地质构造及围岩情况，本工艺工法在优先保证安全和施工质量的前提下，减少了工序转换的次数，有效提高了施工效率，加快了施工进度，节约了施工成本。

关键词：特大断面；浅埋偏压；上台阶双侧壁导坑法；进洞；施工技术

1、前言

隧道洞口段施工一直是隧道施工的难点，特别是洞口地质条件比较复杂的隧道，洞口工程顺利完成确保安全进洞是隧道后续施工的基础。随着我国基建、交通工程的不断拓展，公路隧道中设计的多车道大断面隧道越来越多，隧道开挖断面的增大，一定程度上增加了洞口的施工难度，再加上多数隧道洞口存在软弱围岩、地质复杂、浅埋、偏压、周边环境干扰等种种不利因素，洞口施工更加困难。由于成洞条件差，围岩自稳能力差，极易产生坍塌、冒顶等事故，为保证施工安全，设计的进洞方案一般偏于安全保守，洞口段设计通常采用传统双侧壁、单侧壁导坑法（CD工法）、预留核心土法等施工工法进洞，以确保洞口段的顺利安全通过。

当隧道跨度较大，地表沉降要求较高，围岩条件极差，洞口上方周边环境复杂时，特别是洞口段围岩地质条件较差存在不均匀、不对称分布时，采用单侧壁导坑法进洞施工难以控制围岩变形时，可综合考虑采用双侧壁导坑法进行洞口软弱围岩段进洞施工。但是双侧壁导坑法同样存在工序转换频繁、结构受力变化较多、拱顶下沉大、周边收敛大、施工进度慢等问题。根据不同工程实际围岩情况，洞口地质条件，如何在现有众多成熟工艺工法中通过不断的技术革新、微改进、细节优化，更有效的解决隧道在不对称围岩地质情况、特大断面、浅埋偏压、自稳能力差、位于冲沟等一系列不利条件限制下的安全进洞施工这一难题，达到施工成本更经济、施工安全风险更低、施工进度更快的目标，另外根据本隧道的相关地质特性及周边环境有针对性的采取对应的工艺工法应该是后续施工中探讨和研究的对象。

2、工程概况

金钱龙隧道进口位于永嘉县黄田镇下白岩村，出口位于瓯北镇安丰村，采用上、下行分离的隧道形式。其中右洞起止桩号为YK6+456-YK10+088，长3632m，左洞起止桩号为ZK6+457-ZK10+082，长3625m。净宽/净高为14.0/5.0m，纵坡为人字形坡，左线坡率+2.4%，-0.64%，右线坡率+2.25%，-0.67%，进出口均采用端墙式洞门结构形式。本隧道是我项目的关键性节点工程，也是重点、难点控制性工程。

金钱龙隧道进口端右洞，原设计YK6+476-YK6+538段为中隔壁法施工，进口端由于洞顶正上方有一条改沟（宽4.5m×高2.5m）以及自身浅埋、偏压等地质特性，地质比较复杂，根据项目右洞管棚施工钻孔的地质情况看，山体围岩地质情况复杂，为土夹岩石松散结构，并且在一定位置存在比较大的孤石，为了洞口段施工过程安全，确保安全正常跨过破碎复杂地质构造段以减小施工安全险，确保施工及隧道贯通后后期的运营安全，根据实际的地质构造和围岩情况，我项目部最终跟设计院沟通变更为双侧壁导坑法进洞施工。在不断掘进的过程中，围岩也是在不断的由差变好，特别是下台阶围岩，一直为极坚硬的凝灰岩，自稳能力、承载能力极大，进过多方技术探讨后，我项目初步决定取消下台阶按照双侧壁工法掘进，下台阶开挖掘进则按照台阶法左右侧错开依次前进，不仅在取得安全、质量双保障的前提下，洞口段施工功效和进度也得到了极大的提升。

3、上台阶双侧壁导坑法进洞施工技术简述、流程

3.1工法简要概述

上台阶双侧壁导坑法是在双侧壁导坑法的基础上，根据施工现场的实际地质构造、围岩情况及监控量测信息，对下台阶的开挖支护掘进方式进行了优化调整。取消原有的侧壁临时支撑，下台阶直接按照原始的台阶法左右侧错开依次前进。

上台阶双侧壁导坑法其原理就是利用左右侧两个中隔壁把整个隧道断面分成左中右3个小断面、上下两半部分部掘进施工。其中左、右侧导坑先行，中部核心土紧跟其后；拆除两侧导洞临时支撑，下台阶两侧错开交替开挖掘进，完成初支，然后仰拱封闭成环，形成全断面，最后完成全断面衬砌混凝土的浇筑。两侧导洞皆为倒鹅蛋形，不仅可保护中部围岩的自稳，充分发挥围岩的自身受力变形，而且有利于控制拱顶下沉。

上台阶双侧壁导坑法一般将断面分成四大模块：其中具体分割为左、右侧壁导）（1部、3部）、上部核心土（5部、6部）、下台阶（2部、4部、7部）（模块具体见图1上台阶双侧壁导坑法开挖立断面示意图）。侧壁导坑开挖断面尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件具体根据施工现场条件而定。但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。高度以到起拱线为宜，这样，下导坑可分二次开挖和支护，不需要另外增设相应的开挖支护台架，机械配合人工安装钢支撑也较方便。导坑与台阶的距离可根据现场施工条件自行调整，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法拟定。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

3.2该工法的适用范围

该工艺主要适用于围岩分层明显，上层为残坡积土等软质岩土，自稳能力较差，一般可采用机械开挖或者微爆破，下层为硬质凝灰岩，强度极高，自稳能力和承载能力较强，能够很好的支撑上部左右侧导坑的初支系统。

3.2该工法施工作业顺序

图1上台阶双侧壁导坑法开挖立断面示意图

上台阶双侧壁导坑法开挖立断面、纵断面示意图见图1和图2，具体施工流程见图3。

①施做超前地质预报，根据预报信息及时调整对应的施工工艺。

②开挖掘进1部，每进尺0.5m，掌子面及时初喷4cm厚C20喷射混凝土封闭围岩面。

③施作1部导坑周边的初期支护，同时安装侧壁临时钢支撑（包括导坑的竖向临时钢架，必要时设置底部临时横撑），并设置锁脚锚杆，拱架底部设置混凝土预制垫块确保钢架不悬空。锚杆安装完成后复喷至设计厚度，对于拱顶位置的锚杆，采用锚杆机钻孔，确保孔位和方向符合设计要求。

④开挖3部，步骤及工序同②。

⑤施作3部导坑周边的初期支护，同时安装侧壁临时钢支撑，步骤及工序同③。

⑥两台阶法施工第5、6部，及时初喷4cm厚C20喷射混凝土封闭掌子面（下一循环拱部超前支护掌子面处）。拱部架设拱部钢架，锚杆安装完成后复喷至设计厚度。

⑦拆除两侧侧壁导坑临时竖撑。

⑧台阶法开挖2部并施作边墙初期支护，拱脚斜向下45度设置Ф42锁脚锚管，拱架底部设置混凝土预制垫块确保钢架不悬空。锚杆安装完成后复喷至设计厚度。

⑨台阶法开挖4部，步骤及工序同⑧。

⑩及时进行仰拱初支并封闭成环Ⅸ部，使初次支护全断面闭合。

⑾及时进行仰拱衬砌施工Ⅹ部和对应的仰拱填充混凝土浇筑。

⑿及时进行拱墙衬砌施工Ⅺ部封闭成环。

图2上台阶双侧壁导坑法开挖纵断面示意图

上台阶双侧壁导坑法与传统的双侧壁导坑法之间相比存在如下优点：

（1）相对于特大断面三车道公路隧道，由于隧道净空较大，上台阶双侧壁导坑法不仅传承了传统的双侧壁导坑法安全系数高的一大提点，也延续的台阶法施工工序转换减少，施工进度较快的特点，不仅很大程度上功效得到提高、也简介的降低施工成本。

（2）下台阶取消临时侧壁支撑，第一可以节约钢材投入，第二大大节省了支立和拆除该区域临时支撑的耗时。

（3）对于施工进度压力较大，围岩总体地质情况良好，特别是分层比较明显的地质条件下，采用该种施工方法，可以大幅度提高开挖支护功效，通过统计本工程数据分析，采用上台阶双侧壁导坑法施工10m较传统的双侧壁导坑法可以缩小30天的工期。

（4）每延米可节约临时竖撑刚才约521kg（Ⅰ18工字钢+2.5m砂浆锚杆+E6钢筋网片+Ф22纵向连接筋等材料）。

图4施工现场工程照片

4、上台阶双侧壁导坑法进洞施工质量、安全控制要点

（1）开挖应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的施工原则。

（2）围岩地质情况较差不适宜采用爆破钻爆开挖掘进时，可采用机械配合人工的方式掘进，局部需要爆破时，采用弱爆破，开挖方式均采用弱爆破加机械配合开挖，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。爆破时严格控制炮眼深度及装药量每循环进尺控制在0.5m。施工过程中做好钻爆设计分析总结，及时调整优化钻爆设计，严格执行光面爆破，严格控制隧道成形质量，避免出现围岩应力集中，提高围岩的自稳能力，一定程度上避免裂隙扩大或者产生新裂隙，造成落石伤人等。光面爆破还可以控制隧道超欠挖，减少初期支护喷射混凝土的用量和对应的时间消耗，人工投入，节省项目成本。

（3）洞身开挖后必须安排挖机进行掌子面围岩排险，机械清除大块易于掉落的块石，已坍塌围岩后，可安排人工细部排危，在清除浮石后应及时进行初喷4cmC20喷射混凝土封闭岩面，严禁出现围岩长时间大面积暴露。

（4）侧壁导坑开挖后，应及时施工初期支护并尽早完成初支封闭。

（5）工序变化处钢架（或临时钢架）设锁脚锚管，且必须对锁脚锚管注浆，以确保钢架基础稳定。钢架应架设在坚实基面上，拱脚悬空采用混凝土预制垫块，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆（管）采用“U型钢筋”焊接牢固，焊缝饱满度、长度必须严格控制。钢拱架必须保证间距、环向垂直度、各个单元之间的连接板采用高强度螺栓可靠连接，纵向连接筋、钢筋网片等焊接部位必须满足要求。在拱架安装过程中最容易出现的就是连接钢板螺栓未拧紧或者螺栓数量不够，连接板出现“V”型口现象，纵向连接筋间距不够，与拱架的焊接质量较差，竖直度局部较差等。

（6）当需要对现场导坑开挖断面及台阶高度进行适当调整时，应保证侧壁导坑临时支护与主体洞身钢架连接牢固，竖向临时钢支撑可根据监控量测结果适当调整其位置，并考虑侧壁导坑自身的稳定及施工的便捷性。

（7）喷射混凝土必须采用湿喷混凝土技术。

（8）等洞身两侧侧壁主体结构初期支护施工完毕并监控量测数据显示稳定后方可拆除临时钢架、临时支撑必须逐榀拆除人工拆除。

（9）施工过程中必须按相关规范及标准图的要求进行超前地质预报和监控量测，必须将超前地质预报和监控量测工作纳入工序管理，并及时反馈结果，分析洞身围岩及结构的稳定，为支护参数的实时调整提供依据，根据现场实际监控量测资料对预留沉降变形可以进行适当调整。施工过程中注意对隧道预留沉降量的控制，

（10）当前方地质情况有变化迹象时，必须用地质雷达、超前探孔等方法及时探明隧道的工程地质和水文地质情况，才能进行下一循环的开挖掘进作业。

（11）严格按《公路工程质量检验评定标准》对钢拱架架设、混凝土浇筑等各个工序进行质量控制。

（12）加密洞顶沉降及位移观测点的设置，并在洞顶上方水沟墙身位置设置震动监测点，密切关注爆破震动的影响，及时调整爆破参数，以减少对洞顶上方水沟的影响。

（13）及时做好洞顶及洞口周边的防排水系统，防止地表水及施工用水下渗，影响结构施工过程中及后期运营中的质量安全。并及时完善洞内临时排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低影响初支结构的受力。

（14）施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过0.5m；开挖后立即初喷4cm厚C20喷射混凝土封闭围岩，以减少围岩暴露时间。

（15）临时支撑拆除时必须采用人工拆除，严禁采用机械拖拉的形式强行拆除。

（16）必须做好超前地质预报和洞内监控量测循作业，为隧道的下道工序施工提供指导性的技术资料。

5、总结

2017年7月11日开始左侧导坑开挖掘进，2017年8月9日完成洞口段24mⅤ级围岩双侧壁导坑进洞施工，本项目在该段落施工中采用上台阶双侧壁导坑法施工工法，在施工过程中创造了良好的社会效益及环境效益；同时加快了施工进度，很好的完成了业主及项目制定的施工任务，取得了设计、建设及监理单位的认可。

上台阶双侧壁导坑法进洞施工在本工程金钱龙隧道进口端得到了成功的应用，但是其实施的条件要以实际的围岩情况为基础、以超前地质预报和监控量测提供的实时数据为强有力的支撑，本工程右洞洞口段最有利的特点就是围岩分层明显，上层为残坡积土，局部为后期施工新增虚土，下层为硬质凝灰岩，强度极高，自稳能力和承载能力较强，这些条件都是该施工工法有利实施的关键，希望通过本文能够简要的介绍上台阶双侧壁导坑法进洞施工技术的适用条件及施工流程，为同类型工程提供借鉴。

参考文献

[1]关宝树《隧道工程施工要点集》北京：人民交通出版社，2011年；

[2]双向八车道公路隧道双侧壁导坑法施工优化/郝小苏金露、何远康//《现代交通技术》2008年01期；