高速公路隧道施工技術與質量控制分析

竇晨陽

（中交建冀交高速公路投資發展有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

長期以來，隧道施工存在斷面大、工程量多、現場條件復雜等特征，國外學者以分離式長隧道為研究主體，采用先拱后墻法部署主洞開挖方案， 配合松動爆破工法減輕對中隔墻及隧道拱部的沖擊[1]。 國內多采用明挖法執行隧道開挖作業，但在實際施工環節可能使邊仰坡偏高，易引發洞口失穩問題，對隧道開挖方案的編制提出了更高的要求[2]。 基于此，本文擬結合隧道工程實例探討軟弱圍巖、復雜地基等工程條件下的最優開挖及支護方案，為隧道施工方案編制與現場管理提供指導。

2 項目實例

2.1 工程概況

某高速公路項目， 施工地點位于秦皇島市撫寧區大新寨鎮， 路基起止樁號為K123+977/ZK124+072~K131+629.5/ZK131+619， 建安費預算為125 億元。 高速公路設計速度為100 km/h，總長度為7.828 km，采用六車道形式設計，設計荷載等級為Ⅰ級，地震動峰值加速度系數為0.05~0.10g。 在研究標段內含有一條特長隧道，屬重點控制性工程。 隧道左線長5 342 m、右線長5 386 m，主洞凈寬度為14.75 m，凈高5.0 m，分為總體及裝飾裝修、洞口工程、洞身開挖、洞身襯砌、防排水、路面、輔助通道等分部工程。

2.2 水文地質條件

隧道施工區域屬構造剝蝕中低山地地貌，山坡連續迭起，自然坡度較陡，邊坡切割較深。 線路段最高、最低標高分別為689.5 m 和197.5 m，相對高差為492.0 m。 進洞口為緩坡地貌，坡度為10°~15°，其余區域為越嶺段；出洞口為較緩坡地貌，坡度為15°~20°。 區內地下水類型包含松散巖類孔隙水、碳酸巖類裂隙巖溶水與基巖裂隙水，以降水為河流主要補給源，占據全年徑流量的80%。 綜合地形地貌與水文條件，該項目具有工期緊、斷面大、施工難度高、地質條件復雜等特征，施工安全風險系數較高。

3 分離式隧道開挖與支護施工技術

3.1 隧道開挖施工技術

根據項目現場情況， 基于新奧法原理編制隧道施工方案（其工藝流程見圖1），采用復合式襯砌結構，在洞口段選用超前大管棚+ 小導管作為超前支護， 洞身為型鋼拱架+ 鋼格柵+ 超前小導管支護結構，配合錨、網、噴混凝土作為初期支護手段。 按照隧道開挖方案設計，安排施工人員沿隧道進、出口兩端同時掘進，左、右兩洞均保持30~50 m 距離錯開掘進，嚴格控制施工步距， 并通過超前地質預報與監控量測實現對圍巖變形的準確判斷[3]。

圖1 隧道施工工藝流程圖

3.2 隧道支護施工技術

以洞口段支護作業為例， 該項目在洞口段采用超前大管棚+ 小導管施工技術方案，其施工流程及技術要點如下。

3.2.1 超前大管棚施工

1）明洞開挖。 針對明洞工程洞口段采用上臺階環形開挖作業法，待開挖結束后安排施工人員清理仰坡表面分布的危石，參考設計文件對邊仰坡執行錨噴支護作業，并預留作業平臺。 在鋼架混凝土套拱制作環節，選用C30 混凝土澆筑成長2 m、厚75 cm 的混凝土套拱，在混凝土套拱內埋設4 榀I20 b工字鋼拱架，按測放位置安裝導向鋼管，并選用HRB400 鋼筋以雙面焊接形式分別與拱架、 導向管連接， 確保焊縫長度≥11 cm；對于未安裝套管部位，選用HRB400 連接筋以1 m 間距沿環向連接。

2）管棚定位。 考慮到鉆進過程中可能使孔位下垂，擬沿鋼管設計方向偏1°左右確定鉆孔方向與傾角度數， 并完成孔口位置定位。

3）鉆孔施工。 選用RPD-150C6 型鉆機沿導向管安裝方向以低速低壓鉆進，先完成奇數孔位管棚的鉆進作業，在鉆進過程中嚴格控制鉆孔作業，完成一孔位開鉆后及時頂進鋼管，待完成奇數孔位注漿后再開始偶數孔位施工， 并注意檢查注漿效果，使終孔的管棚上一節段偏移量控制在20 cm 內，保證鉆孔深度與質量均滿足施工要求。

4）鋼管推進。 待鉆孔結束后執行掃孔作業，保證孔內清潔、無雜物，準備開始鋼管安裝。 選用φ108 mm×6 mm 無縫鋼管作為施工材料，沿隧道垂直方向安裝鋼管，按奇、偶數孔分別選用長3 m 和6 m 的鋼管， 利用絲扣完成各節管之間的連接，將相同斷面的接頭數量控制在1/2 以內，且相鄰鋼管之間的接頭至少應錯開1 m。 在淺孔施工段，由人工方式將鋼管向前推進；在深孔施工段，改用機械形式將鋼管頂進。 待鋼管就位后，選用棉紗等材料完成管縫填充處理，將管道固定。

5）注漿作業。 按設計水灰比1∶1 制備純水泥漿，在正式施工前預先完成注漿實驗，待確認漿液質量合格后，利用注漿機以初壓0.5~1.0 MPa、終壓2.0 MPa 向導管內注漿，完成注漿作業。

3.2.2 超前小導管施工

1）導管選材。選用φ50 mm×5 mm 熱軋無縫鋼管作為導管材料，導管長度為4.5 m，環向布設間距為35~40 cm，縱向搭接長度≥1 m， 沿拱部120°角范圍內以10°~15°外插角布設雙層超前小導管。

2）小導管加工。 采用工廠預制方式制作超前小導管，導管前端呈錐形， 沿管壁以15 cm 為間距開設若干φ8 mm 注漿孔，在尾部焊接φ6 mm 加勁箍，制成鋼花管。

3）導管安裝。 基于雙層結構制作超前小導管，先以10°~15°外傾角將首層小導管打入圍巖內， 沿環向將小導管布設間距控制在約40 cm；再以25°~35°將第二層小導管打至圍巖內，使兩層導管沿縱向、環向分別錯開150 cm 和20 cm 距離。 由施工人員現場利用風槍在型鋼架表面鉆出若干錨桿孔， 將超前小導管鋼架頂部居中打入鉆孔， 使導管外露長度恰好支撐在后部鋼架處，借此在小導管與鋼架之間形成預支護結構體系。

4）注漿作業。 按設計水灰比1∶1 制備水泥砂漿，每完成一層超前小導管施工后，以0.5~1.0 MPa 的注漿壓力向鉆孔內注漿，待滿足設計注漿量條件后，停止注漿作業。 當測得管內泥漿達到設計強度的75%后，開始掌子面試挖作業，確認未見滲水等質量問題方可正式開挖拱部，并落實初噴及鋼架安裝。

3.3 隧道開挖施工技術

該項目中針對Ⅳ級圍巖段引入CD 法施工方案， 其施工技術要點如下。

1）初期支護。 待開挖先行導坑后，及時噴射混凝土，實行軟弱圍巖的封閉處理，并架設鋼架，做好臨時支護結構。

2）噴錨混凝土施工。 采用濕噴法將水泥、砂石等材料按設計配合比拌和后， 利用混凝土罐車運送至施工現場執行噴射作業，將混凝土噴射頻次控制在3~5 次，單次噴射時間不超過20 min。 隨后設立鋼支撐結構，做好間隙充填。 接下來采用鑿巖機執行鉆孔作業，將組裝后的錨桿送入孔內至設計深度，并擰緊螺母，灌注水泥砂漿。

3）導坑開挖。 沿噴射混凝土的另一側執行開挖作業，將兩側導坑開挖作業面的上臺階部位錯開20 m 距離，現場開挖形成全斷面，落實初期支護閉合作業。

4）仰拱施工。 在完成初期支護結構施工的基礎上，以3 m 為間隔開展仰拱施工，按左、右半幅分別填充至15 m 深度，并拆除臨時支護結構，按由中部向兩側的順序完成仰拱混凝土澆筑。

5）二次襯砌作業。 逐段拆除中隔壁與臨時支撐結構后，采用液壓襯砌臺車執行全斷面混凝土澆筑作業， 并選用插入式振搗棒對混凝土澆筑部位執行分區振搗， 保證混凝土密實度達標，落實后期養護作業。

4 施工質量控制要點及現場監測

4.1 質量控制難點與措施

由于隧道埋深約500 m 區域處洞室圍巖為花崗巖， 地應力較高，地質勘察報告顯示局部可能存在Ⅰ級、Ⅱ級巖爆的可能性。 為預防施工安全事故的發生，該項目中采用隧道分段質量控制措施：針對可能存在輕微巖爆區域，采用全斷面開挖+光面爆破施工工藝，將循環進尺控制在2~3 m，配合掛網噴錨支護結構； 針對可能存在中等巖爆區域， 采用臺階法開挖方案，在掌子面、洞壁處適時灑水，并利用超前鉆孔工藝釋放應力。 同時，在施工過程中選取初期鋼拱架與二次襯砌之間增設EVA 泡沫減震材料，減少開挖過程中對已施工結構的擾動，發揮對剛性結構的保護作用。

4.2 現場質量監測結果

在該項目中采用萊卡全站儀、DSZ2 蘇一光水準儀、收斂計等儀器設備實行隧洞施工監測，其中，在周邊收斂監測中，每間隔5~50 m 布設1 個斷面，各斷面布設2~4 對測點，落實對洞身位移、收斂與斷面變形情況的量測；在拱頂下沉監測中，同樣以5~50 m 間隔布設斷面， 利用水準儀等工具量測隧道拱頂下沉量。 以CD 法開挖段為例，其斷面測點布設情況如圖3 所示。

圖3 CD法開挖測點布置示意圖

觀察監測斷面的周邊收斂情況可知， 洞身的水平收斂基本不超過1 mm， 在7~10 d 掌子面推進22~30 m 后進入穩定狀態。 觀察監測斷面的拱頂下沉情況可知，左、右洞的平均下沉量分別為14.9 mm 和21.5 mm， 說明在施工過程中對隧道右洞產生一定偏壓，洞口段拱頂下沉量最大值約為34 mm，且在錨噴支護15 d 掌子面推進33~34 m 處于穩定狀態，符合質量控制要求。

5 結語

結合隧道施工項目實例， 圍繞隧道支護與開挖作業梳理施工技術要點， 采用全斷面法與臺階法兩種施工方案強化對局部可能發生巖爆區域的分段治理， 并現場布設測點落實對隧道斷面周邊收斂及拱頂下沉情況的動態監測， 實現對隧道施工質量的有效控制，最終使該項目簡化施工工序、減少冗余支護結構、節約人工與耗材使用、降低施工造價與工期，施工效益顯著。 未來還需結合隧道結構形式與場地構造條件，引入無中導洞連拱隧道等新型施工方案， 并完善施工質量控制措施編制，為同類隧道施工管理工作提供良好示范經驗。