土質燕尾隧道施工技術研究

孫文濤

長春宏建工程設計有限公司天津分公司 天津 300142

1 工程概況

鄭家灣1號隧道位于山西臨縣城莊鎮境內。隧道區位于呂梁山西坡梁峁區，地形起伏較大，沖溝發育。本隧道為雙單線并為雙線隧道，隧道進口里程分別為SZDK3+068（輕車線）、ZDK3+045(重車線)，兩進口距離89m，出口里程為ZDK4+270，輕車線單線段長202m，重車線單線段長225m，隧道全長1225m(以重車線計)。

ZDK3+270處為燕尾交叉處，ZDK3+270～ZDK3+310為雙線大跨段， 長40m。地質情況為：粉質粘土，棕紅色，硬塑，土質不均，含鈣質結核和圓礫土，局部段落圓礫土層窩狀賦存，且含水；粉質粘土具弱膨脹性；下伏粗圓礫土層，透水性強；圍巖分級為IV級[1]。燕尾段平面示意圖見下：

圖1 鄭家灣1號隧道燕尾段平面示意圖

2 施工方案

2.1 總體施工方案

重車線單線部分先按三臺階法施工至變斷面里程ZDK3+270，中臺階跟齊掌子面，下臺階距掌子面控制在5m距離。然后挑頂施工過渡進入雙線部分。挑頂分為挑高和挑寬，同步進行，每循環進尺0.5m。通過9個循環進尺4.5m，前8個循環平均挑高0.23m，第9個循環調高0.05m，里程至ZDK3+274.5后累計調高1.89m，達到正洞雙線拱頂高度；第1個循環向右側挑寬0.66m，達到正洞雙線右側邊墻開挖寬度標準，第2～8個循環每循環向左側輕車線方向挑寬0.2m，累計挑寬1.4m，到達輕車單線右邊墻范圍，第9個循環不再挑寬，而是將臨時支護調整成豎撐。

繼續按第9個循環標準，以每循環0.6m進尺繼續向大里程開挖支護10.5m，里程至ZDK3+285，洞身空間達到寬8.7m，高7.3m，滿足挖機旋轉作業條件后，暫停向大里程掘進，對掌子面噴錨封閉，在左側臨時支護表面里程ZDK3+277.5～+282.3范圍橫向施做一棚洞。棚洞門架高5.0m，上寬3.8m，下寬4.2m。棚洞頂部輪廓線在正洞初期支護外。先將棚洞內7榀正洞鋼架拼接到位，然后挖機主機緊靠大里程掌子面，通過棚洞向小里程輕車線方向開挖，逐榀安裝拼接雙線鋼架并拆除臨時支護鋼架，永久支護施工至SZDK3+270（=ZDK3+270）后，臨時支護拆除完畢；再向大里程方向開挖，逐榀安裝拼接雙線鋼架并拆除臨時支護鋼架，至里程ZDK3+285，臨時支護全部拆除完成。

按三臺階法將ZDK3+270～ZDK3+285中下臺階按設計逐步完善初期支護，然后繼續按三臺階增設臨時仰拱法施工完剩余大跨段部分。

大跨段二襯采用工字鋼后背木模法施工，工字鋼支撐在普通雙線段襯砌臺車上。襯砌臺車既作為大跨段二襯支撐受力點，又作為掌子面施工車輛通道。

2.2 具體施工方法

2.2.1 挑頂施工前準備

重車線單線部分按三臺階法施工，上臺階施工至里程ZDK3+270后暫停掘進，中臺階跟齊上臺階至ZDK3+270，下臺階跟進至ZDK3+265，臺階長度控制在5m左右，中臺階下部增設臨時橫撐。重車線單線ZDK3+265～ZDK3+270段為IV級粘土復合式襯砌。

挑頂施工之前盡量縮短掌子面與仰拱、二襯的距離。保證仰拱距掌子面距離不超過20m，二襯距掌子面距離不超過30m[2]。

2.2.2 挑頂施工

從重車線掌子面向大里程雙線范圍挑頂施工，由挖機開挖，人工修整輪廓到位，正洞初期支護采用I20工字鋼拱架，臨時支護采用I20工字鋼，鋼架間距0.5m，鋼架尺寸漸變設計。挑頂分為挑高和挑寬，同步進行，每循環進尺0.5m。通過9個循環進尺4.5m，前8個循環平均挑高0.23m，第9個循環調高5cm，里程至ZDK3+274.5后累計調高1.89m，達到正洞雙線拱頂高度；第1個循環向右側挑寬0.66m，達到正洞雙線右側邊墻開挖寬度標準，第2～8個循環每循環向左側輕車線方向挑寬0.2m，累計挑寬1.4m，到達輕車單線右邊墻范圍，第7個循環不再挑寬，而是將臨時支護調整成豎撐，方便下一步施做橫向棚洞。因正洞部分鋼架永久保留，支護措施按設計施做到位，臨時支護部分可適當減弱，鋼架支護后及時噴射C25砼封閉。

2.2.3 開挖棚洞

挑頂過渡段施工完第9榀鋼架后，按第9榀鋼架尺寸及支護參數以每循環0.6m進尺繼續向大里程開挖支護10.8mm，立架18榀，里程至ZDK3+285.3，洞身空間達到寬8.7m，高7.3m，滿足挖機旋轉作業條件后，暫停向大里程掘進，對掌子面超前支護，并噴射5cm厚砼封閉巖面。在左側臨時支護表面，里程ZDK3+277.5～+282.3范圍橫向施做一棚洞。棚洞口設I20型鋼門架，高5.0m，上寬3.8m，下寬4.2m，棚洞最深處7.06m。頂部輪廓線在正洞初期支護外。棚洞內初期支護設4榀I18鋼架，鋼架間距1.2m，每榀鋼架左右側各設置鎖腳錨管2根，長3.0m；邊墻系統錨桿長3.0m，1.2＊1.2布置；Φ6＊φ6鋼筋網片，網格間距25＊25cm；網噴C25砼20cm。洞內剩余部分網噴C25砼5cm，不立拱架。

棚洞開挖支護完成后，先將棚洞范圍內7榀正洞鋼架上臺階部分拼接安裝完成，并按設計施做系統錨桿、鋼筋網片、超前小導管、鎖腳錨管并噴射C25砼封閉。

2.2.4 通過棚洞向輕車線大、小里程開挖支護

棚洞范圍正洞支護完成后，挖機主機靠近大里程掌子面方向，大臂及挖斗深入棚洞內，向小里程按正洞設計輪廓開挖，拆除棚洞小里程側的初支，逐榀安裝拼接雙線正洞上臺階鋼架并拆除臨時支護鋼架，永久支護施工至SZDK3+270（=ZDK3+270）后，臨時支護拆除完畢；再向大里程方向開挖，拆除棚洞大里程側的初支，逐榀安裝拼接雙線正洞上臺階鋼架并拆除臨時支護鋼架，至里程ZDK3+285，臨時支護全部拆除完成。在安裝正洞鋼架時必須按設計施做系統錨桿、鋼筋網片、鎖腳錨管并噴射C25砼封閉。超前小導管按掘進方向決定超前支護方向。每循環只許開挖1榀鋼架距離，且必須安裝完成正洞鋼架后才可拆除臨時鋼架支撐。

2.2.5 雙線正洞三臺階法開挖支護

挑頂過渡段臨時支護全部拆除完成后，右半部分施工至中臺階，左半部分施工至上臺階。

上臺階暫停施工，里程為ZDK3+285；中臺階左側按每循環施工2榀鋼架進尺施工至ZDK3+282.3，距掌子面2.7m；中臺階右側暫停施工，里程為ZDK3+285；下臺階左側按每循環施工2榀鋼架進尺施工至ZDK3+278.7，距中臺階端頭3.3m；下臺階右側按每循環施工2榀鋼架進尺施工至ZDK3+282.3，距中臺階端頭2.7m；這樣掌子面基本調整為三臺階形狀。

斷面形狀調整完畢后，掌子面恢復掘進，按三臺階增設仰拱法施工大跨段剩余ZDK3+285～ZDK3+310，共25m。具備條件后及時施工仰拱，使初支封閉成環。

2.2.6 二次襯砌施工

ZDK3+270～+310段二襯設計為50cm厚C35鋼筋砼。因斷面加寬值太大，項目部現有襯砌臺車尺寸及結構受力無法滿足，根據以往成熟經驗和，本段襯砌計劃采用型鋼拱架后背木板作為襯砌模板。型鋼拱架通過短工字鋼支撐在普通襯砌臺車面板上，臺車既作為襯砌受力支撐，又能作為掌子面施工車輛通道。

襯砌臺車長9.0m，斷面加寬值為130cm。ZDK3+270-ZDK3+285段需施做2板二襯，ZDK3+285-ZDK3+310段需施做3板二襯。

型鋼拱架采用I18工字鋼在工地加工廠加工制作，拱架間距0.75m；木模尺寸長4m，寬0.3m，厚0.05cm，一次性采購到位，木模表面打磨光滑。

臺車面板背面背設I16工字鋼拱架，間距1.5m,榀間使用同型號型鋼縱向連接，縱連型鋼環向間距1.2m。短工字鋼支撐也使用I16工字鋼，一端與背模板的拱架焊連，另一端與臺車上拱架或縱連型鋼焊連，環向間距1.0m，為保證支撐的穩定，短工字鋼之間采用φ42鋼管三角形連接。

臺車拼裝完成后，按規范要求進行襯砌施工。

3 超前地質預報工作

根據本隧道工程地質、水文地質特征，并結合設計文件要求，隧道的超前地質預報實施以洞內地質素描、超前5m鉆孔相結合的綜合地質預報的方法指導施工[3]。

4 監控量測

根據本隧道燕尾段地形地質條件、支護類型和施工方法等特點，確定將圍巖及支護狀態觀察、拱頂下沉、周邊位移及收斂做為必測項目。

4.1 地質和支護狀況信息的觀察

觀察記錄工作面的工程地質與水文地質情況，作地質素描。觀察開挖面附近初期支護狀況，判斷圍巖、隧道的穩定性和初期支護的可靠性。

4.2 拱頂下沉及收斂量測

拱頂下沉及凈空變位收斂量測, 根據圍巖類別、隧道尺寸，沿隧道縱向在拱頂和墻中布設測點。大跨段設計均為IⅤ級圍巖，按V級標準量測斷面間距為5m。凈空位移量測在開挖后盡早進行，初讀數在開挖12小時內且在下一循環開挖前讀取，采用全站儀量測。

4.3 拱頂下沉及周邊收斂測線（點）布置

拱頂下沉及周邊收斂測線（點）布置應根據施工方法、地質條件、量測斷面所在位置確定。

5 質量控制措施

施工前，技術人員向施工人員進行交底。講述該項工程的設計要求、技術標準、定位方法、幾何尺寸、施工方法、注意事項等，使作業人員在徹底明了施工對象的情況下投入施工。

建立嚴格的原材料、成品和半成品采購、進場驗收及存放管理制度，不合格原材料堅決不允許進場。

初期支護的工程質量必須高度重視，超前小導管、型鋼鋼架、錨桿、鋼筋網及噴砼支護必須按設計要求施做，一次到位。

臨時支護是施工中確保安全和受力體系轉換的關鍵工序，必須確保工程質量。

6 安全控制措施

（1）洞內施工時，洞內外都必須配備專職安全人員，并用對講機保持聯系；專職安全人員上崗必須佩戴安全人員袖標，凡進洞人員必須戴安全帽。

（2）施工時應對洞內拱部進行定點（含縱向和橫向）監測，發現變形量加大或變形量加快時，應暫停開挖，分析原因并采取穩定圍巖的有力措施。

（3）加強本段的超前地質預報，注重圍巖監測和觀察，對目測觀察予以足夠的重視，隨時注意圍巖變化情況，噴混凝土是否產生裂隙，拱架是否壓彎。當圍巖變形量無變緩趨勢或噴射混凝土產生較大的剪切狀態時立即停止開挖，采取輔助加固措施。

（4）隧道施工各班組間，應建立完善的交接班制度。在交接班時，交班人應將本班組的施工情況及有關安全事宜及措施向接班人詳細交待，并記載于交接班記錄本上，工地值班負責人應認真檢查交接班情況。每班開工前未認真檢查工作面安全狀況，不得施工。

（5）按設計放置逃生通道，且不得超過規定距離。逃生通道內存放部分應急食物及醫療用品；洞內存放足量方木或型鋼等應急搶險物資。

（6）隧道掌子面掘進人員到達工作地點時，應首先檢查工作面是否處于安全狀態，如有松動的土體，應立即加以支護或處理。

（7）當噴射砼尚未達到一定強度即趨失穩的圍巖，或噴錨后變形量超過設計容許值以及發生突變的圍巖，宜用鋼架支撐進行支護。

（8）把噴層的異常裂縫作為主要安全檢查內容之一，經常進行觀察與檢查，并作為施工危險信號引起警惕。

（9）如發現隧道內有險情，必須在危險地段設置明顯標志或派專人看守，并迅速報告施工現場負責人及時采取處理措施并應立即將工作人員全部撤離危險地區。

（10）對臨時支撐的偏移、傾覆及不均勻沉降要進行重點監測。

（11）加強工序銜接，及時封閉巖面，避免圍巖長時間暴露。

7 結語

隧道燕尾段是隧道施工的重難點部位，必須采用行之有效的施工方案，確保施工安全，鄭家灣1號隧道通過采用單線段挑頂棚洞反向施工法，順利完成燕尾段施工，取得了不錯的技術經濟效益，具有一定的參考意義。