摩天嶺特長隧道快速掘進施工技術

摘要:隨著基本建設標準的不斷提高，公路工程特長隧道也不斷增多，為了加快投資回報，業主會壓縮工期，同時承包商為追求更好的經濟效益，會加快進度。摩天嶺隧道全長7353米，為在建西南第二長高速公路隧道，隧道圍巖主要為Ⅱ級和Ⅳ、Ⅴ級圍巖，根據圍巖實際情況和施工情況，Ⅱ級圍巖采用全斷面開挖，同時，Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖突破設計和規范，也采用全斷面開挖。本文就摩天嶺隧道出口實際施工情況，在快速掘進方面總結了成功的經驗和體會，便于同類工程提供借鑒。

關鍵詞:公路 隧道 掘進 技術

1 概述

國家重點公路杭州至蘭州線重慶巫奉高速公路A19合同段，位于重慶市奉節縣雙潭鄉境內，主要工程項目有摩天嶺特長隧道出口及右線2號斜井。摩天嶺隧道全長7353m，其中我合同段承擔右線出口YK49+808~YK46+200(長3608米)，左線出口ZK49+755~46

+227.215(長3527.785米)的施工任務。隧道左線縱坡為1.864%，右線縱坡1.871%。

隧道設計凈寬10.25m，凈高5.0m。設計行車速度為80Km/h。

我合同段隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占53%，Ⅱ級圍巖占45%。Ⅴ級圍巖設計支護參數為18工字鋼架，縱向間距0.75m，φ42超前小導管，單根長L=3.5m，拱部133°設置，環向間距40cm，中空注漿錨桿L=3.5m，環縱間距為1.0×0.75m，Φ8鋼筋網，網眼間距20×20cm，噴C20混凝土26cm，二次襯砌為45cm厚C25混凝土。Ⅳ級圍巖設計支護參數為Φ22格柵鋼架，縱向間距1.2m，Φ22藥卷錨桿L=3.0m，環縱間距為1.0×1.2m，Φ6鋼筋網，網眼間距20×20cm，噴C20混凝土22cm，二次襯砌為40cm厚C25混凝土。Ⅱ級圍巖設計支護參數為Φ22藥卷錨桿L=3.0m，局部設置，Φ6鋼筋網，局部設置，噴C20混凝土5cm，二次襯砌為30cm厚C25混凝土。

2 工程地質與水文地質概況

2.1 地形地貌 隧址區位于重慶市東部，地貌形態受地質構造、巖性控制明顯。進洞口至樁號K47+800為三疊系嘉陵江組地層構成的溶蝕侵蝕中低山地貌;樁號47+800至隧道出口，為三疊系中統巴東組地層構成的溶蝕侵蝕低山地貌。

區內山勢走向受構造線和地層巖性控制，山體兩側坡勢陡峭，自然坡度在40°~55°，山頂寬緩，形成峰叢、槽谷、巖溶洼地、落水洞等巖溶地貌形態，峰叢多成渾圓狀，槽谷、巖溶洼地連續呈脈狀展布，主槽和主要溝谷及脈狀峰叢受構造控制，與構造線走向基本一致;山脈頂部為寬緩的構造溶蝕峰叢洼地地貌，標高900~1400m，峰叢沿構造走向分布，峰叢高度30~50m，峰叢之間有山間溶蝕洼地，洼地四周為崖壁，高出鄰區100~300m。隧道穿過地帶最高點為摩天嶺，高程1792.7m，最低點為隧道出口，高程為498.53m左右，隧道穿過地帶高差達1297m，隧道最大埋深897.04m。

2.2 氣象 本區氣候屬中亞熱帶季風氣候區，其特點是春早、夏熱、秋涼、冬暖多霧，四季分明，無霜期長，光照適宜，雨量充沛，風速較小。多年平均氣溫16.5℃，歷年最高氣溫43.1℃(7月)，最低氣溫-9.2℃(1月)，多年平均降雨量1261.9mm。偶有霜凍、冰雹等襲擊。

2.3 地層巖性 隧址區穿過的地層由新到老有第四系沖洪積、坡殘積，三疊系中統巴東組、下統嘉陵江組。其中巴東組地層占隧址區全線的27%，嘉陵江組地層占隧址區全線的73%。隧道內的巖性以灰巖、砂巖、頁巖為主。

2.4 地質構造 隧址區跨越新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之結合部。齊耀山基底大斷裂通過本區，在本區域形成齊耀山背斜，在背斜兩側形成“入”字形構造體系，在齊耀山背斜南東側，形成北北東向構造;在齊耀山背斜北西側，形成弧形構造。調繪區內褶皺發育，斷裂構造較多，總體方向為北東-北東東向。隧道穿越22個斷層，較大斷裂有劉家灣斷層(F22)、邵家洼斷層(F18)、大樹嶺斷層(F19、F20)等。隧道穿越受構造影響帶段，受構造影響裂隙發育。

2.5 水文地質

2.5.1 地表水 隧址區的地表水系屬長江流域的北岸支流。主要支流有大寧河和草堂河等。它們的一般特點是:豐水期6-9月，枯水期12月-3月，水位變幅大，徑流量豐沛。隧址穿過地段發育幾條季節性沖溝，枯水期基本干涸，雨季流量大。

2.5.2 地下水 隧址區地下水類型及富水性較復雜，構成兩種基本的地下水類型為碳酸鹽巖類巖溶水和松散巖類孔隙水。各類型地下水的埋藏條件、分布、富水性受地質構造、地形地貌及裂隙發育程度控制。

隧址區地下水補給來源為大氣降水。大氣降水除地面蒸發、植物蒸騰、人畜利用、少量地表逕流外，均入滲地下。入滲方式視地質條件不同有所差異，其一是通過裂隙、溶隙以網狀入滲補給，其二是經槽谷、洼地匯集后，通過落水洞等以點注狀補給，補給迅速。

降水入滲補給巖溶水后的運移方式受地質條件的制約有一定差異。受背斜和斷層影響，隧址區巖溶地下水以順地層走向、順層裂隙及斷裂為主要逕流形式，以泉和地下河出口進行排泄。地下水從入滲到排泄，逕流快，溶濾時間短。

隧道涌水量采用大氣降水入滲法進行推算，正常涌水量為3282.57m3/d、最大涌水量預測為17699.07m3/d。

3 Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖施工方案選擇

Ⅳ、Ⅴ級根據圍巖情況在臺階法和全斷面法之間進行比選。

按照設計文件和相關施工規范要求，“Ⅴ級圍巖地段要求采用超短臺階法施工，臺階長度控制在5~10米，保證初期支護及時落底封閉，以確保初期支護的承載能力。由于二次襯砌是按主要的承載結構設計，因此二次襯砌應緊跟開挖面:在初期支護落底后應及時施作二次襯砌仰拱和仰拱回填層，然后施作二次襯砌。在Ⅳ級圍巖地段要求采用短臺階法施工，臺階長度控制在10～15米，注意上半斷面及基礎鎖腳錨桿的施工質量。由于二次襯砌是按承受少量荷載進行設計，因此二次襯砌的施作可滯后開挖面20～30米，在初期支護基本穩定后施作，但是二次襯砌仰拱和仰拱回填層應緊跟初期支護。在Ⅲ級圍巖地段推薦采用臺階法施工，當機械化程度較高，各道施工工序能及時完成時，也可以采用全斷面法施工。”

臺階法開挖適應于軟弱圍巖，當遇到地層變化(變好與變壞)，都能及時更改、變換成其他方法;有足夠的作業空間和較快的施工進度，臺階有利于開挖面的穩定，尤其是上部開挖支護后，下部作業則較為安全。但上下部作業互相干擾，不利于大型機械設備的進入，對裝碴、運輸、造成很大影響，同時工序銜接時由于工序多、相互干擾造成銜接時間過長，下部不能及時成環導致上部失穩。

臺階法施工應注意下部作業時對上部穩定性的影響，同時注意臺階開挖會增加圍巖被擾動的次數。因此臺階法施工要解決好上下部半斷面作業的相互干擾的問題，做好作業施工組織、質量監控及安全管理工作;采用光面爆破和振動量測技術來控制振速，以減少擾動圍巖的次數。

全斷面法可以減少開挖對圍巖的擾動次數，有利于圍巖天然承載拱的形成;工序簡單，便于組織大型機械化施工;施工速度快，防水處理簡單，缺點是對地質條件要求嚴格，圍巖必須有足夠的自穩能力。

根據隧道地質情況，隧道出口自進洞有1900米的Ⅳ、Ⅴ級圍巖，圍巖走向多為300-320°，傾角為40-70°，對隧道穩定性較為有利，圍巖多為中厚層泥巖、泥灰巖、頁巖、泥質粉砂巖，為不透水層，隧道水量多集中在灰巖地段。因此隧道進洞20米，根據圍巖以及監控量測情況，為了加快施工，立即大膽嘗試采用全斷面進行施工，并取得了成功。

4 施工方案

根據確定的方案，隧道全部采用全斷面施工方法，利用自制作業臺架，手持YT-28風鉆鉆眼，非電毫秒雷管起爆，光面爆破。隧道采用ZLC-50C裝載機裝碴，挖掘機爬碴，采用無軌運輸，18t自卸汽車運輸。

4.1 開挖臺架的改進 摩天嶺隧道出口段施工中，采用工字鋼、槽鋼、鋼筋等焊接加工的輪胎式開挖臺架，臺架上安裝有高壓風、水鋼管，通過閘閥，連接風鉆、照明配電盒及照明燈具，臺架共分四層，可以24臺風鉆同時施工。下部安裝輪胎，將鋼絲繩套在裝載機斗上，帶動臺架前行，行動方便、迅速。工人在臺架的各個區域作業，互不影響。出碴后，開挖臺架到位立即進行測量放樣，出碴完到開鉆只需20min，鉆眼時間大大縮短。鉆孔臺架結構比較簡單，加工需15個工日，各種鋼材約13噸。

4.2 開挖進尺的確定 Ⅴ級圍巖鋼拱架間距為75cm，因此進尺控制在1.5米左右，Ⅳ級圍巖格柵鋼架間距為1.2米，進尺控制在2.5米左右，Ⅱ級圍巖進尺控制在3-3.5米。

4.3 超欠挖控制 隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖超欠挖控制的好壞，對后步工序(立拱架和噴混凝土)的施工造成影響，欠挖后尺寸不夠造成拱架沒法架立，處理欠挖耽誤時間;超挖后對支護不利，錨桿錨固深度受到影響，噴混凝土時間過長，因此，超欠挖的控制是非常關鍵的環節。隧道Ⅱ級超欠挖控制的好壞將對二次襯砌的施工造成很大影響。

對隧道超欠挖，從以下幾個方面進行控制:

4.3.1 正確標示開挖輪廓線 在爆破前畫開挖輪廓線時充分考慮施工誤差和圍巖設計預留變形量及畫線誤差等因素，在設計輪廓線外要據以加大尺寸。

預留變形，Ⅴ級圍巖淺埋地段為15cm，Ⅴ級圍巖正常地段為10cm，Ⅳ級圍巖地段為7cm，Ⅱ級圍巖巖爆段為5cm，正常段為0，施工時根據量測變形情況對實際數據進行調整。

4.3.2 優化爆破設計 由于隧道工程其圍巖本身的復雜性和不可預見性，期望地質勘察和施工圖設計階段將隧道所有地質問題搞清楚是極其困難的，尤其是長大和地質復雜隧道工程。因此根據不同的圍巖情況采用不同參數的光面控制爆破技術，不斷總結、修正爆破參數，使之達到最佳效果。

4.3.3 保證鉆孔質量 炮孔間距符合鉆爆設計，周邊眼間距的誤差不大于5cm，輔助眼間距的誤差不大于10cm，周邊眼的外插角1~2度;除掏槽眼、周邊眼、底板眼外的其它眼孔方向應與隧道方向平行，要求孔底在同一平面上;鉆孔結束后清孔，炮眼用炮泥堵塞，確保單孔裝藥質量。

4.3.4 建立嚴格的激勵、約束機制 實行超欠挖獎罰制度，定人定眼，將獎罰數量與炮眼殘留痕跡、超欠挖范圍、超欠挖數量、炸藥用量等直接掛鉤，形成一套強有力的控制超欠挖管理辦法。

4.4 噴混凝土 噴混凝土采用潮噴混凝土工藝，早期強度上升很快，和鋼架支護利于及時支護封閉，減少早期變形。

4.5 鋼拱架、格柵鋼架和超前支護 Ⅳ、Ⅴ級圍巖段初噴后立即進行架設鋼拱架或格柵鋼架，根據架設情況快速施做定位錨桿，并可作為系統錨桿。底部加設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿一邊兩根。系統錨桿從下部向上部施做，為噴混凝土提供條件。

Ⅴ級設超前支護，超前支護為Φ42小導管。鉆眼時進行施做。

4.6 機械設備優化配置 公路隧道雙線同時修建，為了建立獨立核算、引入競爭機制，因此機械設備盡量單獨配置。混凝土生產、供風供水、通風系統建立一套，共用使用。一個工作面挖裝運機械配置見表1。

4.7 循環時間控制 根據摩天嶺隧道出口實際施工情況，根據圍巖情況其循環時間見下表2:

5 快速掘進施工管理

有利的自然條件對快速掘進提供了很好的外在條件，但真正達到快速掘進，跟整個項目的管理水平、隊伍組織管理模式、安全質量管理、施工機械配套和管理情況、通風排水情況、技術水平、隊伍管理、施工現場管理、機械設備管理密不可分。

5.1 隊伍管理模式 為了建立競爭機制，體現一線工人“按勞分配、多勞多得”的原則，按工序進行內部承包，分別設置左、右線開挖分隊。分隊負責日常人員管理、做好安全、質量、文明施工等工作，負責承擔二、三項材料的費用，對主材如鋼材、水泥、砂石料進行考核。同時將與進度關系密切的工種列入分隊，如測量工、施工質檢工程師、裝載機司機、挖掘機司機，分隊負責其日常管理，參與其收入分配。

內部承包責任的確定，極大地促進了工人的主觀能動性，在進度方面有很大的促進作用。

5.2 安全質量管理 隨著國內一些重大安全質量事故的發生，政府也加大了對企業管理和處理的力度，同時，安全質量對項目的進度也會起到推動作用。

樹立“安全就是質量、安全就是效益、安全就是企業的生命”的思想，把安全意識真正貫徹到每一個參建人員中去。建立安全保證體系，完善各種規章制度，對制定的制度措施要貫徹，要真正落實。施工要杜絕事故的發生，關鍵在于制度的制定合理、細化，并得以落實。

制定并不斷完善質量保證措施，明確各級質量管理部門的職責，制定了嚴格的工程質量保證措施和相應的獎懲辦法，將質量目標及責任落實到每道工序、每個環節、每個崗位，甚至到某一個周邊眼上。把隧道防坍放在首位，根據圍巖情況盡可能變化支護參數。

5.3 進度管理 抓循環時間制度，根據圍巖的不同，確定合理的循環時間，對各工序時間進行考核，提前獎勵，超時罰款，同時左、右線兩個分隊展開技術交流和競爭。調度每日對循環時間進行登記上報，考核兌現。

5.4 超前地質預報管理 施工中能了解前方的地質情況，避免安全事故發生，對進度也起到很好的推進作用。

施工中采取物探、鉆探相結合，長、短預報、長、短鉆探，做到互相應證，全隧采用TSP203進行長距離預報，預報長度內異常地段采用地質雷達短距離預報手段。鉆探采用30米潛孔鉆機進行預報預探，每循環采用長鉆桿(5米)進行預探，同時可用于炮眼使用，可以完全掌握涌水情況。超前預報預探對施工安全、施工工序調整起到先導作用。

5.5 現場管理 隧道開挖工序包括了測量放線、鉆眼、裝藥、爆破、通風、排煙、找頂、出碴、初期支護(錨桿、鋼筋網、噴混凝土)等為一個循環，因此在抓各工序的進度外，要盡量縮短各工序之間的銜接時間，現場要做到交替施工，這就要求現場管理人員(調度)安排要合理。左右線為兩套施工作業人員和機械設備，這可以在一方出現問題時另一邊作為備用。

車行橫通道和人行橫通道根據隧道掘進的進度，要盡早施工，保證左右線之間的聯系，為通風和行車提供好的條件，同時又為安全提供保障。

洞口設立值班室，建立值班制度，建立現場交接班制度，對違反各種管理辦法和制度的人員進行張榜公布，情節嚴重的人員立即清退。

5.6 機械設備配套管理 對該生產線的施工機械配備應合理，而且盡量配備新設備，減少因維修耽誤生產，同時左右線單獨配備，能獨立使用的獨立使用，建立競賽機制，確因機械故障，另一邊可以做一個應急、補充，費用獨立核算。

5.7 技術管理 根據設計和規范的要求，對每一道工序均制定嚴格得質量標準、嚴格得作業程序和時間，尤其是鉆眼、爆破、找頂、立拱、鋼筋網、噴混凝土工序，確保施工標準、優質、安全和高效。

對軟弱圍巖段，圍巖變化頻繁，給施工造成很多不確定性，因此在處理時做到提前考慮，備足應急材料，在支護參數調整后立即進行現場交底，立即變更施工方法，避免斷面不夠造成二次爆破或缺少材料造成停工的現象。

6 總結與體會

良好的施工管理是實現隧道快速施工的必要條件。技術創新、設備科學優化配套、質量安全保證、文明施工等都需要良好的施工管理做保證。

摩天嶺隧道出口自2006年6月開工以來，截止目前左線已開挖2905米，右線2760米，經歷了洞口近2000米的軟弱圍巖段，其中2007年4月11日隧道左線揭露一個大型溶洞，5月6日右線穿越破碎帶一個，5月22日右線揭露巖溶塌陷體一個，處理時間共計約50天。軟弱圍巖段單洞平均進度達到130米，其中2006年12月~2007年2月連續三個月單洞進度超過160米的好成績。后期Ⅱ級圍巖月進度保持在260米左右。隧道預計提前一年率先掘進至分界里程，可取得很好的經濟效益和社會效益。我合同段在業主組織的安全、質量、文明施工綜合評比中連續四次獲得一等獎。

但Ⅳ、Ⅴ級圍巖是否可以采取全斷面掘進，應以隧道地質條件、施工水平進行綜合考慮，不能貿然采用。同時，根據地質條件變化及時改變施工方法，例如隧道處治溶洞、破碎帶和巖溶塌陷體時，立即改為微臺階法，改變支護參數，確保施工安全。

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