隧道施工工艺控制

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　摘要：本文认为加强隧道施工工艺控制是确保隧道工程质量的重要方法。

　　前言

　　近年来，随着我国西部大开发力度的加大，在快速发展的公路建设中，在多山的地区，隧道工程在公路工程中就变成一个重要的组成部分。而且隧道工程相对路面，桥梁工程来说有它的特殊性：一般地质条件都比较复杂而且很难预测，完工后隐患不易察觉，这就须在施工过程中加强施工管理，做好工艺控制。

　　隧道施工主要包括开挖和支护两大部分。在勘察设计过程中，根据实际地质，地貌，符合路线顺接要求的基础上，本着路线最短，成本最低的原则确定具体的施工线路。施工就要严格按照设计方案，保证每一步骤实现设计的意图。

　　1、开挖

　　开挖是隧道施工的龙头，质量，进度，安全，效益等无不与之密切相关，开挖符合要求，支护才有一个顺利的保证基础。

　　1.1开挖的辅助手段开挖的最大困难是隧道围岩、地质构造、渗水等情况复杂多变，很难完全了解。为了及时掌握变化的情况，指导施工，就要重视测量和地质超前预报。

　　1.1.1测量某省最长的一座3.3km的公路隧道，为上、下行分离式隧道，从两头同时对向开挖，四个开挖工作面，测量用同一系统控制，保证两端有同一目标，而且每二个月通过三角网或精密网对导线点校核一次，避免在施工过程中误差累积而产生较大的偏差。随着隧道开挖的进程加大，单洞单幅导线就象一根甩出的绳子，越长越容易偏离控制的中轴位置，也可以通过联络洞，把测出的导线值代入后相互验证，当隧道开挖长度超过500米时，两端如不能相互连通纠偏，就须在一条洞中建立两条独立的导线以便相互纠偏。

　　1.1.2地质超前预报隧道开挖过程中，每前进一步都有意想不到的情况发生，所以超前预报就显得尤为重要，目前我们能够采用的地质超前预报手段有：打超前探孔法，地震波法和超声波探测法，也可以借鉴有经验的地质专家根据地貌特征，掌子面岩石产状，地质构造特征对前方地质情况的判断。

　　1.1.2.1超前探孔法在掌子面最少布三个钻探孔，如右图：详细记录每个孔的进钻速度，每种不同粉尘的出现部位及钻粉岩性，钻孔涌水量的大小。根据进钻速度可以判断不同部位的岩石强度及裂隙，节理发育情况；根据钻粉岩性可以判断不同岩性的里程桩号；根据涌水情况就可以知道不同区域的含水情况；由1，2，3号孔的布孔位置，可以计算出岩石在整个面上的发育情况，这种方法一次可以预报20米，操作简单有效，一般施工单位通常喜欢采用。

　　1.1.2.2地震波和超声波探测法根据波速在不同强度的岩体，空气，水等介质中传播速度差异来判断前方围岩情况。这种方法做出的结论在离发射波30米以内准确性较高，但随着距离渐长渐差，而且投入人力物力相对较高，业主曾在隧道施工中进行过几次超前探测。

　　专家预测有时准确性高，有时也会产生较大的出入，因为影响产生地质变化的因素很多，而个人经验不同，主观倾向性不同可能会得出不同的结论。如果几种方法综合使用，相互映证，准确性就会提高。以超前预报来指导开挖，就可以避免一些可能的塌方。

　　1.2开挖掘进，开挖一般采用爆破的方式，但特殊地段须用风镐或钢钎等撬挖。

　　1.2.1 Ⅲ类以上的围岩，都采用全断面爆破形式的开挖，为了保证不欠挖，少超挖，控制光面须采用光面爆破，周边光爆孔孔距为50cm左右，采用不偶合装药，不偶合系数为1.25～2.5（按硝铵炸药考虑），中间偏下布掏槽孔，掏槽孔按锥形布置效果最好，如图一，但这种布置在实际当中上部和下部造孔施作不方便，所以一般采用“八”字掏孔，如图二。光爆孔和掏槽孔中间布辅助孔，以掏槽孔为圆心呈环向布置，间距75～100cm，在孔深小于2米时光爆孔，辅助孔，掏槽孔轴向深度相同，如深度超过2米时掏槽孔深度在轴线方向适当加深10～30cm，因为掏槽孔的起爆率一般为85%左右，所以具体加深深度根据不同围岩的起爆率不同而定，把握的标准是起爆后三种爆破孔的孔底在同一掌子面上为宜，掏槽孔的装药量相对光爆孔和辅助孔都高，单耗为4～7kg/m³.视围岩强度、整体性、风化程度差异而调整，钻孔深度可控制在0.8～3.5米，装药连线采用由内向外分圈扩散，响炮采用毫秒雷管微差逐级引爆，掏槽孔、辅助孔、光爆孔逐级爆破的时间间隔为0.05～0.1秒，当中间拉出临空面后周边依次向里面爆破，每一轮爆破的强力冲击波都向中部的临空面方向，这样减少对围岩的震动破坏。

　　1.2.2 如果说Ⅲ类以上围岩主要强调光面爆破效果的话，那么Ⅱ～Ⅲ类围岩在此基础上还要加强安全施工，防止掉块或掉块而引发的塌方，因为Ⅱ类围岩是处于强烈挤压破碎带围岩，有明显的滑动面，而且滑动面在失去支撑后会产生相对滑动，所以对隧道稳定带来严重威胁。开挖时布孔方式同1，周边孔有必要采用预裂爆破，而且整体要短进尺，弱爆破，每循环掘进不应超过80cm，单位体积耗药量适当减少，以免引起大的震动，对围岩的整体稳定造成更大的破坏。

　　1.2.3 Ⅱ类弱或Ⅰ类围岩可以撬挖，这种围岩是大型断层带的挤压的断层泥或断层充填物，大型褶皱的轴部岩石，当失去支撑后完全没有自稳能力；这种围岩开挖方式有：留核心土法开挖，小导洞法开挖（又叫眼睛法），上部分台阶法开挖。

　　（1）留核心土法开挖掌子面核心的部分先不动，在周边环向用风镐或锹撬挖宽约1米的圆环，支撑钢架，喷钢纤维混凝土施作初期支护，再开挖下一格栅钢架的位置，边掘进边扩大环向开口，掘进几个循环后机械配合挖掉一部分核心土，再进行下一个循环。

　　（2）小导洞法开挖（眼睛法）

　　两侧开挖宽约2米，高2米的导洞，开挖后先支护两边，在从两边向拱顶扩挖，边挖边支护，等挖到一定深度后，一般4～5米，在挖中堵墙，依此推进。

　　（3）上部台节法开挖在下部筑封堵墙，拱部人工开挖高1.5～2米的前导洞，先支护拱顶，顶部挖出一定深度后，再向两边依序下挖支护，这种开挖方式导洞不易过深，因为人工开挖，速度较慢，而且空顶太长，顶部沉降变形太大。

　　这种围岩在地下水的作用下还可能产生吐泥涌水现象，更为严重会吐泥通顶，甚至引发整个隧道垮塌，。大风垭口隧道下行线K254+871桩号就发生了突泥现象，可计算的突泥量达2000m³，地表兰溪河滩也产生了塌陷，是一次隧道涌泥的典型事故。

　　开挖这种围岩，就不可避免地遇到支护的问题。

　　2、支护支护包括超前支护、初期支护和二次支护。

　　2.1超前支护超前支护在两种情况下必须用到，一种情况是隧道在开始成洞时须用超前支护，另一种情况是遇到较宽软弱带，断层或褶皱等地质构造带，因为遇到这两种情况时就不是只采用短进尺就能避免坍方，还须提前采取支护措施，打超前小导管或大管棚。

　　2.1.1 小导管一般有3m、4.5m.、6m等不同长度，具体长度根据滑裂面的深度和围岩破碎情况而定，导管孔直径42mm，孔壁打梅花形小孔，以便进入围岩后注浆用，这种支护相对施工条件简单，循环快，但支护深度浅，如果滑裂面较深时会遭遇整个小导管垮塌的现象。

　　2.1.2 大管棚一般长度20m，管径φ105，φ135，φ150，管孔选择可以根据现有的施工条件而定，一般都能满足要求。大管棚一般用在大型断层带内施工，拱顶以50～75cm间距顺洞轴线方向打入，然后注浆，如遇到涌水严重可加速凝剂（又名水玻璃），可以起到堵水和固结顶部围岩的作用，使得前方待开挖的围岩20m内形成一个3m左右厚的固结圈，再进行下一步开挖。在隧道开洞时，因为洞口埋深较浅，加之地表岩石风化破碎，如不进行大管棚超前支护，一般都会在顶部产生边挖边塌的现象，甚至引起边坡的大面积失稳，对施工造成很大的威胁。如果超前支护过程中，前方围岩完全松软呈塑性状，整个掌子面不能保证稳定的情况极有可能引发突泥涌水。前面举例某隧道下行线K254+871处，由于进行了地质超前准确预报，开挖之前及时采用大管棚超前注浆。但当突泥发生后只用大管棚作超前支护也不能保证施工的正常进行，就须采用最强的一种超前支护形式：掌子面浇筑封堵墙，实行全断面注浆，注浆管的分布形式可以参照全断面开挖过程中放炮孔的布孔形式，注浆完毕后，再根据围岩效果采用分台式开挖，留核心土开挖或眼睛法开挖。

　　2.2  初期支护初期支护包括喷钢纤维混凝土，工字钢架和锚杆支护几种形式。适用不同种类的围岩。

　　2.2.1  Ⅲ类以上围岩的支护形式在围岩好的情况下，可以在开挖后直接喷混凝土，喷射厚度10cm～14cm，为了保证喷射混凝土的标号达标，回弹率在控制的范围以内，必须使用湿喷机喷射，钢纤维采用佳密克丝RC6535BN型，掺量为30Kg/m³.喷射的平均厚度要大于设计值，最小厚度大于6cm.径向用WTD25锚杆锁固，长3～3.5m，因为Ⅲ类以上围岩在光爆开挖后的松动圈厚度为1m左右，所以完全可以满足初期支护的要求。

　　2.2.2  Ⅱ～Ⅲ类围岩的支护在喷钢纤维混凝土后架设格栅钢架，间距100cm左右。

　　这两种支护形式的围岩在开挖过程中的预留变形量为0～8cm，根据围岩的变形情况而定，以免开挖后的拱顶在二次稳定变形后收缩侵入净空。

　　2.2.3  Ⅱ类以下围岩的支护形式中，喷射混凝土厚度增至18～22cm，钢纤维掺量根据情况可增至35Kg/m³，格栅变成工字钢，可用16～22cm钢架，钢架间距在50～80cm之间，预留变形量8～18cm，锚杆长度可采用3.5～6m的规格，必要时也可用张拉锚杆，以减少稳定变形。如遇到大型断层带，在初期支护完成后，还须加强边墙的稳定强度，可打4.5～6m长的径向小导管，间距80～150cm，梅花形布孔，进行固结灌浆，以代替径向锚杆。

　　在整个初期支护的过程中，如有富水段，须打排水管进行引水，然后喷射混凝土。一般来说，初期支护完成后，不允许喷射混凝土有开裂，拱架不许有较大变形，不能有成线状的漏水现象。

　　2.3 二次支护二次支护是一次支护的加强，彻底防止水渗漏的重要保证。

　　2.3.1  二次支护的条件初期支护完成后，进行二次支护、衬砌和仰拱浇筑，撑控支护的时间，直接关系到衬砌结构的安全，过早施作会使二次支护和初衬承受较大的围岩压力；过晚支护又不利于初期支护的稳定，施工时应满足以下几点：

　　（1）监控量测的位移速率明显减慢，围岩基本稳定。

　　（2）产生的位移已达预计总位移的80%～90%.

　　（3）边墙的位移速率小于0.1～0.2mm/d，拱顶的下沉速率小于0.07～0.15mm/d.

　　（4）稳定性很差的围岩，在较长时间不能达到以上要求，喷混凝土后出现大量明裂缝，应用较强的二衬支护形式及早施作二次衬砌，以改善围岩的变形条件。

　　2.3.2 仰拱浇筑仰拱的圆心在隧道公路的垂直平分线上，半径是隧道拱顶半径的2～3倍，增大半径主要考虑减少开挖和回填浇筑量，仰拱厚度一般为40cm ，布双层钢筋，上下保护层各5～6cm.上面填充路基混凝土。这样可以同二衬混凝土形成一个圆形环，我们知道在承受周边挤压时，环形是最理想的形状，仰拱施作主要就是基于这一点考虑。所以大风垭口隧道在Ⅲ类以下围岩都设有仰拱。但在Ⅲ类以上的围岩支护中，由于围岩自身稳定性好，出于节约成本考虑，可以不设仰拱。

　　3、二衬混凝土

　　二衬混凝土是起到对初衬的加强和彻底防止渗水的作用，如果说开挖和初衬的隧道只是个半成品，那么二衬后就基本为成品了。二衬包括土工布，防水板和二衬混凝土。

　　3.1 土工布，规格350g/m²，铺设在初衬混凝土上，主要起到一个对防水板的保护作用。

　　3.2 防水板，厚1mm，它主要起到防止二衬漏水的作用，是二衬中很重要一环，沿隧道延伸方向的粘结，搭接长度不能小于50cm，环向搭接不能小于10cm，胶结必须密实，不能有漏洞或斑眼。

　　3.3 二衬混凝土为钢筋混凝土，厚度因围岩类别不同有所不同，范围35～50cm厚，通过矮边墙、仰拱和路基混凝土连为一体，形成完整的环向拱。

　　在初衬和二衬之间，须要把引出的排水管从土工布后面引到排水沟，二衬的环向部位在同一桩号设完整一道排水管，正常情况最少每15m设一道，在特别的富水区域可以根据实际情况增设，以利于顺畅排水。每两段二衬混凝土的连接缝处必须设一道止水带，以防接缝处漏水。

　　隧道的整个施工过程中，开挖是主要控制规格，初期支护和二次支护的主要目的是变被动支护为主动支护。以达到堵水、引水、排水、防止渗漏。