惠龍高速紅花頂隧道施工組織設計優化策略

張華濤 吳漢超

為了保證隧道的安全性與施工進度，對惠龍高速紅花頂隧道進行襯砌設計，包括初期支護與二次襯砌。按照新奧法施工要求，對其進行支護與施工組織設計，即確定施工方案與施工工序，完成勞動組織和設備配置，采取防排水技術措施，對施工準備階段和施工過程進行風險控制保證隧道設計的技術安全性，制定隧道施工通風方案確保施工人員安全。然后制定施工全過程的監測方案，通過對圍巖與支護的觀察和動態量測，達到合理安排施工程序、確保施工安全、修正設計參數、進行日常施工管理與積累資料的目的。

施工組織設計； 襯砌設計； 風險控制； 監測

U455.2 A

［定稿日期］2022-02-28

［作者簡介］張華濤（1989—），男，本科，工程師，從事高速公路建設管理工作；吳漢超（1988—），男，本科，工程師，從事高速公路建設管理工作。

近些年，隧道工程在設計方面逐步呈現出長大、特長的特點，具有隱蔽性與危險性，且隧道工程的施工空間狹窄，施工環境惡劣，直接導致了施工難度的增加。為了保證隧道的質量和施工進度，施工組織設計與施工管理成為了隧道工程建設的重點和難點。在豐富施工組織設計的內容方面，鮮國［1］在成蘭鐵路躍龍門隧道建設中提出了動態施工組織管理；李術才等［2］總結出隧道施工過程超前地質預報，在傳統TSP、地質雷達等基礎上發展可實現含水構造定位定量預報的復合式激發極化和全空間瞬變電磁技術，汲取地質素描、物探鉆探動態信息。

本文以惠龍高速紅花頂隧道為依托，秉持著“安全、實用、經濟合理”的原則進行開挖。在隧道施工過程中，進行動態設計與信息化施工，及時對開挖面進行地質核對。由于地質條件復雜所以進行超前地質預報，根據相關信息對相地段的圍巖分級、施工開挖方法以及支護參數進行調整。對已完成開挖的地段進行監控量測，以確保施工安全，為隧道動態設計提供支撐。

1 工程概況

擬建紅花頂隧道為分離式隧道，洞室凈空（寬×高）15.59 m×8.0 m，起訖樁號左線 ZK50+250～ZK51+346，左線長度為1 096 m；右線 K50+260～K51+364，長度為1 104 m；對于進出洞口標高進行分別設置，左線進洞口設計標高為87.72 m，出洞口設計標高設置為80.32 m；右線進洞口設計標高為87.57 m，出洞口設計標高設置為80.28 m。隧道左線最大埋深為142.95 m、隧道右線最大埋深為144.26 m，紅花頂隧道屬于長隧道。隧道進出口的坡腳均可由鄉村道路抵達，隧道周邊的交通狀況一般。

2 隧道襯砌設計方案

該隧道的支護方式為：初期支護是噴錨支護方式，二次襯砌支護是現澆模筑混凝土的方式。參照隧道縱斷面圖，可以得到圍巖分布情況，如表1所示。其中復合襯砌按照圍巖級別分別進行支護設計。

2.1 初期支護

錨噴支護主要由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網和鋼架組成，結合隧道自身的地質條件進行不同的組合。采用的錨桿為全長粘結錨桿，根據規范，紅花頂隧道初期支護的噴射混凝土采用的是C25級混凝土。對比超前支護，Ⅳ級圍巖采用22 mm超前錨桿支護，長度為4.0 m，環向間距為0.4 m，而Ⅴ級圍巖采用50 mm超前小導管支護，長度為4.5 m，環向間距為0.4 m。初期支護參數取值見表2。

2.2 二次襯砌

二次襯砌支護對于不同的圍巖等級，噴射混凝土的厚度存在一定的差別。IV級圍巖現澆混凝土厚度為50 cm，對于圍巖狀況差的V級圍巖，現澆混凝土厚度為55 cm。

3 隧道施工組織設計

3.1 超前地質預報

超前地質預報的設置是為了施工的安全性與穩定性，根據初勘物探解譯結果，區域內的不良地質現象主要為富水區及裂隙發育帶，因此應該將超前地質預報納入隧道施工的正常工序，保證施工安全［6］。本隧道設計主要對洞內涌突水等不良地質進行實時監測。

3.1.1 TSP 超前地質預報

每隔150 m左右探測一次，初步查明前方不良地質體的位置。該探測手段探測距離較長，且洞內操作不干擾施工。

3.1.2 地質雷達探測

地質雷達每隔20～30 m 探測一次，該種探測手段對軟弱圍巖夾層、空洞較為敏感，結果較準確。

3.1.3 超前地質鉆孔

當通過物探手段初步推斷前方富水或斷層破碎帶時，采用超前鉆孔核實。鉆孔長度20～30 m，保護段長度不小10 m，根據探孔探測和出水情況，確定處理措施。

3.1.4 瞬變電磁儀法探測

在富水區域采用瞬變電磁儀法每隔30～50 m 探測一次，該種探測手段對地下水較為敏感，結果較為準確。輔助配合紅外探測法，用紅外線探水。在隧道中，圍巖向外部發射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，場有密度、能量、方向等信息，巖層在向外部發射紅外輻射的同時，必然會把內部的地質信息傳遞出來。干燥無水的地層和含水地層發射強度不同的紅外輻射，紅外線探水儀通過接收巖體的紅外輻射強度，根據圍巖紅外輻射場強的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。 對正洞各涌突水點的水溫、水量、水壓、水質與同位素化學、位置、地層巖性、裂隙與巖溶發育特征等進行實時監測。對正洞各涌突水點的地質檔案、空間分布、涌水量及其動態特征進行監測，指導施工。

3.2 施工內容

3.2.1 施工方案

惠龍高速紅花頂隧道Ⅳ級圍巖采用正臺階法（短臺階法），Ⅴ級圍巖采用三臺階七步開挖法，爆破方法為光面爆破，初期支護采取鋼筋網聯合噴錨支護，二次襯砌為C30現澆模筑混凝土混凝土。

3.2.1.1 Ⅳ級圍巖施工方案

圖1為Ⅳ級圍巖施工方案。圖2為臺階法施工流程。

3.2.1.2 Ⅴ級圍巖施工方案

圖3為V級圍巖施工方案。圖4為三臺階七步法施工流程。

3.2.2 施工工序

惠龍高速紅花頂隧道進口洞口施工工序為：清除洞口危石—施作截水溝—臨時邊仰坡開挖支護—洞門結構施工—洞口排水工程。

隧道出口洞口施工工序為：清除洞口危石—施作截水溝—臨時邊仰坡開挖支護—管棚套拱施工—超前大管棚施作—洞門結構施工—暗洞開挖。

3.3 隧道勞動組織和設備配置

3.3.1 隧道施工勞動力組織

如表3所示，為工班任務分配及勞動力配置。

3.3.2 隧道施工機械設備

通過靈活組合大、中、小型機械設備，形成配套的機械施工方案，達到機動靈活機械化施工的目的。結合紅花頂隧道實際情況，采取以機械施工為主，同時配備一小部分人力為輔進行科學施工。見表4，為擬投入的主要施工機械設備。

4 監控量測

監控量測是新奧法三大核心內容之一，根據JTG F60—2009《公路隧道施工技術規范》規定，選擇洞內外觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉4個必測項目為量測項目。各測試項目的測點盡可能布置在同一橫斷面上，以便于對各測試項目測試結果進行對比分析（表5）。

4.1 量測斷面間距與測點數量

根據紅花頂隧道具體情況，分為Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖，初步擬定必測項目量測斷面間距及每斷面測點數量見表6。

4.2 量測斷面布置

隧道每個量測斷面各布置一個拱頂下沉測點和2條水平凈空收斂量測基線，根據圍巖情況不同各自設計。量測斷面測點布置見圖5與圖6，IV級圍巖臺階法開挖地段取2條水平測線，采用圖5；V級圍巖三臺階七步法開挖地段取3條水平測線，采用圖6。

4.3 量測頻率

洞內觀察分為開挖工作面觀察和支護表面狀況觀察2部分。開挖工作面觀察在每次開挖后進行，地質情況基本無變化時，可每天進行一次。對支護的觀察每天至少進行一次，觀察內容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的表面外觀狀況等。洞外觀察包括邊仰坡穩定、地表水滲透等觀察。

凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測采用相同的量測頻率。量測頻率見表7，實際量測頻率從表中根據變形速度和距開挖工作面距離選擇較高的一個量測頻率。

4.4 監測方法

監測方法與要求見表8，在隧道拱頂下沉和水平收斂量

測中采用水平儀、收斂計或目前比較先進的無尺量測技術。

4.5 監測資料整理、數據分析及反饋

每次量測后應及時進行數據整理和數據分析，并繪制量測數據時態曲線和距開挖面距離圖；應繪制地表下沉值沿隧道縱向和橫向的變化量與變化速率曲線。

5 結論與討論

惠龍高速紅花頂隧道采用復合式襯砌，由錨噴支護和模筑混凝土襯砌2部分組成，解決了在設計、施工方面的問題，為公路隧道的設計工作提供設計參數和理論依據。

（1）初期支護是噴錨支護方式，二期襯砌支護是現澆模筑混凝土。

（2）施工組織設計保證了隧道的質量與施工進度。

（3）通過現場量測獲得圍巖力學動態和支護工作狀態的有關數據，通過數理統計和力學分析，來判斷圍巖和支護結構體系的穩定性和工作狀態，選擇和修正支護參數指導施工。

參考文獻

［1］ 鮮國.成蘭鐵路躍龍門隧道動態施工組織管理研究［J］.隧道建設（中英文），2020，40（3）：452.

［2］ 李術才，劉斌等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報2014，33（6）：1090-1113.

［3］ 田偉，王文星.公路隧道設計階段風險評估中的問題與對策［J］.公路與汽運2020（1）：134-138.

［4］ 洪開榮，馮歡歡.中國公路隧道近10年的發展趨勢與思考［J］.中國公路學報，2020，33（12）：62-76.

［5］ 林航臣.我國隧道及地下工程技術的發展和展望［J］.建筑技術開發，2020，47（3）：107-108.

［6］ 田洪義.復雜巖溶地區隧道超前地質預報模式的應用與研究［D］. 湘潭：湖南科技大學， 2014.

［7］ 周宗慶.新涼風埡隧道監控量測技術［J］. 設備管理與維修， 2016（5）：83-85.

［8］ 趙壽基.黃土公路隧道新奧法施工防排水控制［J］. 交通科技， 2014（2）：105-107.

［9］ 豆紅強，王福建，韓同春.超高韌性水泥基復合材料在隧道二次襯砌中的應用分析［J］.交通科技， 2013（4）：87-90.

［10］ 余錢華，青磊.短隧道監控量測及數據分析［J］. 公路與汽運， 2013（4）：220-223.

［11］ 趙幫亞，王逵明.地質預報與監控量測技術在元寶山隧道中的應用［J］.現代交通技術， 2012（3）：63-66.

［12］ Zhao Liang，Qu Shaocheng，Zhang Weigang. Design of multi-channel data collector for highway tunnel lighting based on STM32 and Modbus protocol［J］.Optik，2020.

［13］ Qi Li， Mingyang Chen， Wenjing Xie， et al. Study on Energy-saving Lighting Design Method for Interior Zone of High-altitude Highway Tunnel［J］.E3S Web of Conferences，2020，189.

［14］ 林志，劉旺，陳川，蔣樹屏. 我國交通隧道技術進步及前沿科學問題［J］.隧道建設（中英文）， 2020（S1）：1-8.

［15］ 李金龍.高速公路隧道掘進爆破施工技術應用研究［J］.居舍，2021（11）：63-64.