砂卵石地質隧道兩次模筑施工工法

范星亮

【摘要】以渭武高速公路13標項目部高橋隧道為例，研究在砂卵石地層隧道中采用兩次模筑法的施工方法，給予同類型隧道施工一些借鑒。

【關鍵詞】砂卵石地層隧道;兩次模筑;施工技術

1、前言

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，其基本特征是結構松散、無膠結，呈大小不等的顆粒狀。這種地層一旦被開挖，極易破壞原來相對穩定或平衡的狀態，使開挖面和洞壁失去約束而失穩，特別是隧道頂部大塊卵石剝落會引起上覆地層的突然沉陷。砂卵石地層地下隧道的開挖與支護是地下工程施工中比較特殊的問題，無論理論研究還是實際施工都還較多的問題需要解決。砂卵石地層開挖后隨著圍巖塑性區范圍的不斷擴大，將會引發支護及襯砌混凝土的變形破壞，穩定期相對石質隧道而言較短，隧道結構設計中都把加強支護剛度、控制變形及其發展放在首位，從最大限度地保護圍巖天然結構強度，減少變形產生裂縫、掉塊造成圍巖強度的損失出發，選擇能有效控制變形的支護型式。

中鐵十二局集團承建的渭武高速公路高橋隧道左線全長798m，其中V級圍巖248m，IV級圍巖550m;右線全長731m，其中V級圍巖231m，IV級圍巖500m。隧道在進出口段為砂卵石及碎石地層，自穩能力差，支護不當易坍塌，側壁易失穩。該隧道設計采用了兩次模筑襯砌結構型式，即初期支護采用鋼拱架+模筑混凝土襯砌，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結構。為了保證施工安全和質量，中鐵十二局集團有限公司在施工方法、工藝等方面合理優化，在施工參數、設備配套、組織協調等方面積累了經驗，取得了較好的經濟、社會效益，在工程實踐的基礎上總結完善形成了本工法。

2、工法特點

2.1本工法結合了新奧法和礦山法，能夠有效地解決砂卵石地質隧道施工的沉降問題。

2.2由上臺階整體一襯、左右下臺階一襯、仰拱組成穩定的結構受力體系，在其支護下實現隧道土體開挖和襯砌作業，結構穩定、安全系數高。

2.3本工法施工工序簡單，施工難度較低，效率高，經濟合理。

2.4本工法利用預留三角槽后澆筑法減少了防水板縱向接頭，提高了施工質量和工效;減少了二襯鋼筋接頭，提高鋼筋整體線型并能保證二襯的受力性能。

3、適用范圍

本工法適用于砂卵石、自穩性差的碎石土地層公路或鐵路隧道施工。

4、工藝原理

采用“新奧法”中掛網噴錨的柔性支護結合“礦山法”模筑砼的剛性支護來控制圍巖的變形及應力重分布，使達到新的平衡，減少砂卵石地層沉降，保證施工安全。上臺階一襯砼利用開挖臺架+支撐工字鋼+組合鋼模板施工，下臺階利用整體大模板施工，施工工序簡單，施工難度低且效率較高，并能保證一襯砼施工質量。預留三角槽后澆筑，實現了防水板整體掛設，減少鋼筋接頭且提高二襯鋼筋整體線型并能夠保證二襯的受力性能，保證施工質量并提高施工工效。

5、施工工藝流程及操作要點

5.1施工工藝流程（見圖5.1）

5.2施工程序及操作要點

5.2.1施工程序（見圖5.2.1）

5.2.2操作要點

5.2.2.1上臺階開挖及一次模筑施工

采用短臺階法，機械配合人工進行開挖。一般情況下拱部弧形導坑一次開挖長度按2-3榀鋼架間距控制，不宜大于3榀。核心土導坑臺階控制在2-2.5m為易，總長度控制在3-5m，保證安全的情況下也有利于后續工作。

若圍巖極度松散且自穩性極差，則開挖按照1榀/次進行，開挖后立即進行掛網初噴并架立一襯內鋼架，鋼架需緊貼初噴面，并施工好鎖腳錨管，完成后再進行下一循環開挖、支護，直至3榀完成后進行一襯混凝土施工。為確保安全，視圍巖及支護情況，也可縮短一襯混凝土一次施工長度。由于圍巖自穩能力較差，故施工控制的關鍵是“快”，工序銜接必須專人負責，確保工序銜接緊湊。

一次襯砌需緊跟開挖面，上臺階一襯模筑采用在上臺階開挖臺架上架立工字鋼作為支撐骨架，拼接小型模板作為面板。上臺階鋼拱架間距0.75m，每循環進尺為3榀鋼架距離，即2.25m，考慮施工方便定制的鋼模板每塊尺寸為：長2.5m×寬0.5m、面板采用3mm鋼板、加強肋板采用6mm鋼板、法蘭采用5cm角鋼制作，上臺階共38塊。模板接縫處做成子母扣搭接，減少模板縫漏漿同時增加一襯外觀質量，模板子母扣搭接示意見圖5.2.2.1-1。在距上臺階底部1.2m處及2.5m高處預留40cm*40cm窗口，以便混凝土入模并保證混凝土下落距離不超2m。拱頂模板需預留125mm接口，采用輸送泵泵送砼入模，支撐桿件可選用鋼管、方木或組合使用。

在架設工字鋼時需在鋼拱架拱腳支墊槽鋼，確保鋼拱架拱腳不懸空。在鋼拱架兩側拱腳處平鋪15cm砂層，并人工夯實平整，保證鋼拱架能與下臺階拱架連接。一襯混凝土強度達到設計的70%以上才可拆除模板。拱腳填充砂層示意圖見圖5.2.2.1-2。

圖5.2.2.1-1? ? ?模板搭接處示意圖

圖5.2.2.1-2? ? ?拱腳填充砂層示意圖

上臺階核心土開挖完成后，如拱頂、兩側拱墻收斂變形較大，可施作臨時仰拱（臨時噴射混凝土）或水平、豎向支撐。如遇地下水，先噴射混凝土封閉開挖面，然后打孔、插PVC管引排，同時超前注漿要采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿分一序、二序間隔跳孔灌注，注漿結束后待初凝期間，上臺階掌子面暫停開挖，若圍巖含水量大、軟弱的情況，注漿需換為純水泥漿。

5.2.2.2下臺階交錯開挖及一次模筑施工

下臺階左右側導坑交錯開挖，每次開挖長度以3-4榀鋼架控制，不得大于4榀，且左右側導坑錯開至少3m。下臺階施工縫與上臺階施工縫至少錯開1榀鋼架距離。

下臺階一襯模筑采用整體大模板施工，左、右側臺階各配1副模板，模板效果圖見圖5.2.2.2-1。

圖5.2.2.2-1? ?下臺階整體模板效果圖

由于下臺階下端曲線半徑較小，只有1.5m，在澆筑下臺階一襯混凝土時上浮力較大，故在立模板前，將Φ22mm鋼筋焊接在鋼拱架上，并在模板上切割Φ25mm孔，將鋼筋伸出模板外，并與模板加固牢固，能夠有效的防止漲模。由于一次施作下臺階混凝土方量較小，混凝土輸送泵泵送壓力過大，會導致漲模，故不宜采用混凝土輸送泵。在上臺階施工時，預留斜向槽口，下臺階混凝土由此處溜槽入模。下臺階混凝土澆筑示意圖見圖5.2.2.2-2。

圖5.2.2.2-2? ? 下臺階混凝土澆筑示意圖

5.2.2.3仰拱及仰拱填充施工

上臺階掌子面超前20-30m后，開挖仰拱。仰拱一次開挖長度為3-4榀鋼架，修整至設計輪廓后及時架立鋼架，并進行仰拱襯砌施工。同樣的仰拱施工縫要錯開下臺階施工縫至少1榀鋼架距離。仰拱及填充施工不能分幅施工，必須全斷面一次澆筑且在填充混凝土強度達到100%后方可允許車輛通過。

該段設計仰拱中無鋼筋，只是二襯內有鋼筋。仰拱填充與初支邊墻存在三角槽部位，在澆筑填充混凝土時，應預留出三角槽，待防水層及鋼筋綁扎完畢后再澆筑三角槽混凝土，三角槽示意圖見圖5.2.2.3-1。

三角槽優點：

1.利用預留三角槽，防水板實現了一次全斷面鋪通，減少了縱向接頭，確保了防水層施工質量，消除了運營期間可能發生滲水等質量安全隱患。

2.二襯鋼筋實現一次性整體安裝，減少了鋼筋接頭，有利于鋼筋整體線型的實現，保證了二襯的受力性能。

3.按一環二襯12m分析，原來爬焊機需焊接兩道縱向防水板接頭，需要2個人1.5小時，改進后直接節省該工序。三角槽施工制作專用鋼模板，確保邊緣線型同時也便于整體安裝，模板采用6mm鋼板制作，內部采用鋼管或工字鋼加固，模板示意圖見圖5.2.2.3-2。

圖5.2.2.3-1? 三角槽示意圖

圖5.2.2.3-2? 三角槽鋼模板示意圖

5.2.2.4防水層及模筑混凝土施工

（1）防水層設在一次襯砌與二次襯砌混凝土之間，材料一般由土工無紡布及防水板組成，為減少防水板搭接焊縫均采用單幅4m寬防水板。施做防水層時先清理一次襯砌表面，割除表面鋼筋頭，坑洼處采用抹砂漿找平。同時若在隧道開挖后有出水成股狀處，則先采用注漿堵水，對較小線狀出水或滴、滲水點布設φ100半圓排水管，將水引入縱向排水盲溝。排水盲管長度、方向可根據實際靈活布設，設計中按Ⅴ級圍巖9m間距設一道，實際施工時可適當調整。對于滲漏水、富水地段，則將φ100半圓排水管加密布設;在一襯表面鋪設TMF7×3.5cm環向排水盲管，集中滲漏水處可2～3根并排鋪設，并導排至縱向排水管，掛設防水板之前，初支表面不能見明水。

（2）防水層鋪設完成以后，綁扎鋼筋，完成后澆筑三角槽混凝土。待三角槽混凝土終凝后，立模澆灌二次襯砌混凝土。二次襯砌施工采用整體式液壓模板臺車施工，以提高工效和質量。

5.2.2.5監控量測

為了解隧道開挖及一襯過程中巖體松動情況、圍巖變化規律利支護結構的穩定性，選擇以下項目為主要施工監測項目，各項量測作業均應持續到變形基本穩定后15-20d結束。見表5.2.2.5。

6、材料與設備

6.1材料

本工法所用材料均為隧道常規材料。

6.2設備

施工機具應根據地質、隧道斷面及長度配備。單口作業所需參考設備見表6.2。

7、質量控制

7.1質量控制標準

7.1.1《公路隧道施工技術規范》（JTGF60-2009）

7.1.2《公路隧道施工技術細則》（JTG/TF60-2009）

7.1.3《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF80/1-2004）

7.1.4《錨桿噴射混凝土支護技術規范》（GB50086-2001）

7.2質量措施

7.2.1制定工程創優規劃，設專職質量檢查人員，配合監理工程師對原材料、各工序質量進行全面檢查。特殊工種實行持證上崗，實行全過程質量控制。

7.2.2嚴格按規范施工，可詳細參閱公路隧道施工技術規范。

7.2.3對混凝土骨料級配、含泥量、外加劑、鋼材、防水材料等的質量嚴格把關，堅持進一次料，抽查一次，不合格的堅決清退。

7.2.4鋼拱架連接板需采用切割機與沖孔機集中加工，連接板與鋼拱架焊接時需采用二氧化碳保護焊，保證焊縫質量。

7.2.5泵送混凝土應嚴格控制坍落度損失，嚴禁擅自加水，外加劑應嚴格計量。

7.2.6鋼拱架安裝過程中，要確保每一節點準確到位且鋼拱架連接板螺栓需上緊，保證鋼拱架連接板之間沒有張口。

7.2.7上下臺階鎖腳錨管打設時需注意打設角度以及錨管與鋼架的“U”型連接。

7.2.8加強監控量測管理，及時反饋信息，提高應變能力。在確定開挖輪廓時，應按照圖紙預留變形量，在施工過程中通過施工監測及時加以調整。

7.2.9加強混凝土養護工作，現場采用灑水車上安裝霧炮來對混凝土進行養護，現場制作同條件養護試件，結合試壓強度（符合拆模強度值后），確定拆模時間。

7.2.10嚴格材料進場制度，保證混凝土原材料質量同時嚴格按照施工配合比拌制混凝土;施工過程中要注意砼對稱澆筑，控制逐層澆筑厚度和振搗時間，確保砼外觀質量。

7.2.11加強工序銜接管理，尤其是掌子面和仰拱開挖完成后，及時施作下道工序。同時在施工過程中，要加強對開挖工作面地質的觀察和記錄，判斷其穩定性并結合超前地質預報來判定開挖面前方的地質情況，以指導施工。必要時采取噴錨或注漿等有效措施確保開挖工作面的穩定。

8、安全措施

8.1安全控制標準

8.1.1《公路隧道施工技術規范》（JTGF60-2009）

8.1.2《公路工程施工安全技術規范》（JTGF90-2015）

8.1.3《施工現場臨時用電安全技術規范》（JGJ80-91）

8.1.4《安全施工管理規程》（DB11/382-2006）

8.2安全措施

8.2.1加強崗前安全教育及培訓，現場做好安全警示標志的設置，并對危險源進行辨識和公告，提高全體操作人員安全意識。

8.2.2必須加強全員安全意識教育，交叉施工地段應設調度員加強調度。

8.2.3掌子面開挖后，必須縮短掌子面暴露時間，及時施作初期支護，即工序銜接要快。洞內值班人員要經常巡視洞內初支情況，發現異常情況及時匯報。

8.2.4加強監控量測，及時反饋監測信息，隨時對量測數據進行分析，根據信息反饋指導施工。

8.2.5抓強對車輛及人員管理，遵守交通管理規范，堅持文明施丁。

8.2.6加強洞內外電力、通風、給排水管線的管理，防止漏電、漏風傷人。

8.2.7加強機械保養維修，降低機械的廢氣排放，不符合排放標準的車輛不允許上路，噪聲大的機械改裝消聲器。

8.2.8隧道內所有臺架、臺車以及仰拱棧橋上均有人行爬梯和護欄，放置滅火器;上臺階按要求設置安全通道并放置應急救援物品。

8.2.9采用智能門禁系統，實行人車分離。施工人員進入隧道內需刷卡進入，洞內在開挖臺車及二襯臺車上安裝球形監控器和危險氣體檢測探頭，監控室內監控系統能夠查看洞內人員、車輛、施工及洞內氣體情況。

9、環保措施

9.1環保控制標準

9.1.1《中華人民共和國環境保護法》

9.1.2《中華人民共和國水污染防治法》

9.2環保措施

9.2.1通過風量計算，選用具有高效率、低噪音、節能和易修等特點的隧道施工專用軸流通風機，合理選擇通風方式和風管直徑。

9.2.2成立衛生清潔隊，專門每天負責對隧道洞口場地及隧道洞內進行灑水清掃防止揚塵。

9.2.3施工營地和施工現場的生活垃圾集中堆放，聯系市政垃圾清運部門進行清運。

9.2.4采用在灑水車上安裝霧炮，對洞內混凝土養護同時，也起到降塵作用。

9.2.5噴錨作業時粉塵較大，施工作業人員必須佩戴好防塵口罩。

10、效益分析

采用砂卵石地質隧道兩次模筑施工工法，成功的解決了砂卵石地質隧道施工難題降低施工成本，加快施工進度，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

10.1經濟效益

10.1.1該工法能夠保證快速安全的通過砂卵石地質段，節約了工期。

10.1.2本工法的成功運用，與常規的利用上臺階定制襯砌小臺車的方案相比，每個洞內進出口段增加人工費共20萬元，但減少了臺車費用35萬元，且采用定制臺車在上臺階不規整的巖石面上也不易于行走及加固;高橋左右洞共節省費用30萬元;

采用整體式大模板施工單側施工只需要3個人配合挖機吊裝到位，模板支撐簡單，縮短加固時間，比常規采用模板拼接、加固節省費用左右洞共20萬元。

采用預留三角槽后澆筑法，按一環二襯12m分析，原來爬焊機需焊接兩道縱向防水板接頭，需要2個人1.5小時，改進后直接節省該工序，左右洞進出口共160m一襯段共節省人工費和材料費共8萬元;

節省二襯鋼筋搭接接頭4m/環，左右洞進出口共160m一襯共節省Φ22鋼筋9.6t;節省仰拱施工時綁鋼筋工序費用，每板仰拱施工按3m，鋼筋焊接綁扎需要4人3小時完成，改進后直接節省該工序，進出口160m一襯段共節省人工費和材料費共12萬元。

綜合節約成本近70萬元。

10.2社會效益

采用“新奧法”中掛網噴錨的柔性支護結合“礦山法”模筑砼的剛性支護來控制圍巖的變形及應力重分布，使達到新的平衡，減少砂卵石地層沉降，保證施工安全。上臺階一襯砼利用開挖臺架+支撐工字鋼+定制小模板施工，下臺階利用整體大模板施工，能保證一襯砼施工質量，具有工藝簡單實用、作業操作方便、方法易于掌握等優點，為今后砂卵石地質隧道施工提供了成功的施工經驗，具有很好的推廣價值。

10.3環保、節能效益

采用掛設完成土工布、防水板及綁扎完成二襯鋼筋后澆筑預留三角槽混凝土，減少了鋼筋、防水板、土工布搭接量，避免資源浪費。

11、工程實例

11.1工程概況

渭源至武都高速公路武都段WW13標的高橋隧道自2016年7月份運用了本工法開始進洞施工，用30天的時間，完成了40米砂卵石地層開挖施工，比一般方法能夠節約至少20天工期，出洞同進洞。施工過程中未出現任何安全事故，監控量測數據顯示地表沉降和洞內收斂均在規范要求之內，對本工法實用性進行了有效驗證。同時施工過程中的其它各項數據均滿足設計及規范要求，尤其防排水施工質量也得到了保證，實現了砂卵石地質隧道簡單、安全、快速施工，有效的防止了地層沉降，保證隧道施工順利、有序的進行，獲得了業主及業內人士的高度評價，被渭武高速隴南項目辦指定為推薦使用工法，并為類似工程施工提供借鑒和參考。