浅谈隧道单向掘进出洞施工实践

浅谈隧道单向掘进出洞施工实践

张文涛

黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院河南洛阳471002

摘要：本文以某隧道单向掘进出洞施工的成功实践为例，隧道出口位置围岩处于偏压状态，且地表揭露岩石破碎，鉴于隧道出洞时出现局部塌方现象，我部决定对隧道的安全出洞做一个详细的施工方案，本文全面叙述了隧道单项掘进中出洞的一般思路及施工措施。

关键词：隧道；单向；掘进；安全；出洞；施工；实践

1工程概况

1.1工程简介

某工程1号、2号隧道是对外交通道路的重要组成部分，其中：1号隧道总长919m，起点桩号K10+007.000，设计高程2647.096m，终点桩号K10+926.000，设计高程2649.598m；2号隧道总长994m，起点桩号K10+994.000，设计高程2649.445m，终点桩号K11+988.000，设计高程2642.245m。隧道设计等级为公路四级，设计行车速度20km/h，按单洞双车对向交通设计，隧道建筑限界为7.5m×4.5m，洞内路面横坡采用双向坡1.5%，隧址区内地震动加速度为0.19g，隧道结构抗震设防烈度为Ⅷ度。

1.2地形地貌

场区为中山区，属侵蚀地貌，地面最大高程3050m，河床高程2559m，高差491m。场区山体地形较陡峻，地形坡度一般40。～50。，靠近黑河侧可形成近直立基岩陡坎，陡坎高度约10m。

1.3隧道出口处施工情况调查

在开工前编写的1号、2号隧道施工整体方案中，计划在1号隧道进口、2号隧道出口两个工作区正常施工后，还要在1号隧道和2号隧道连接部位设置第三个工作区。该工作区主要进行1号隧道出口、2号隧道进口处理和洞内Ⅴ级围岩段、Ⅳ级围岩段开挖、临时支护及连接段施工。

在进场施工后，经过对1号、2号隧道连接部位进行查勘、测量，发现该部位地形狭窄、两岸山体陡峭，修建临时进场道路线路长（约1.5km）、造价高（初步估算约为600万元），即使临时道路建成后，在施工及运行期间也存在较大的安全风险。同时连接段处于两个冲沟交汇的最低部，面积小、汛期降雨时易被水淹；右岸山体（2号隧道进口侧）表面岩石风化、脱落严重，常有石块滚入沟底。鉴于上述种种不利因素，最终认定1号隧道和2号隧道连接部位不具备作为一个施工工作面的条件。只能采用从1号隧道进口、2号隧道出口分别进行单头掘进的方式，从洞内往外施工出洞。

根据1号隧道设计图纸，出口段前20m为明洞。明洞起始桩号K10+906部位的地表高程为2662.000m，设计出口洞顶高程2656.365m，上覆岩（土）体厚度仅为5.635m。考虑到上覆岩体由表及里分别由表层土（平均厚度1.5m左右）、全风化及强风化的Ⅴ类围岩组成，稳定性极差，钻爆施工时易出现坍塌、冒顶等安全事故。给洞挖施工带来极大的安全风险。

2．出洞开挖施工方案

2.1洞外施工

先对K10+906～K10+926明洞段进行部分开挖，深度至隧道中台位置，即“揭盖子”开挖。然后对洞口段进行清表刷坡，清除表层松散坡积物和松散岩体，边坡按1：0.5坡度进行刷坡，小导洞于K10+906处出洞后，立即对临时边仰坡进行防护施工，在边坡挂设25cm×25cmφ6.5钢筋网片，喷射一层10cm厚C20混凝土，并打设4m长φ22螺纹钢，间排距2.0m，梅花形布置，以保证破面稳定。

边坡防护施工完毕后，从洞外往小里程方向，沿隧道开挖轮廓线外50cm布设两排φ25，长4.5m砂浆锚杆，间距0.5m，排距0.5m，梅花形布置。先从洞外往洞内开挖1.2m，架设2榀I18工字钢拱架，打锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土、做好初期支护工作，并预留核心土。然后从洞外往洞内按两台阶进行开挖掘进，直至出洞贯通。

2.2洞内施工

根据现场围岩情况，掌子面爆破还采用全断面，在掌子面里程已接近至K10+906，距离约15m时，采用两台阶开挖，台阶长度尽量减短，控制在3m以内，当上台阶掘进至K10+891，即距贯通面15m时，为减小对围岩的扰动，保证安全，每循环进尺控制在1.0m以内，每开挖1米，立即支护一榀钢拱架。施工中严格按照“短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则进行施工，严格控制装药量，增加周边眼和辅助眼的数量。当掌子面往大里程掘进10m至K10+901时，停止开挖，喷射混凝土封闭掌子面。转入小导洞施工。小导洞位于隧道上台阶中间位置，导坑尺寸为3m（宽）×4m（高），采用弱爆破，人工开挖，网喷混凝土进行初期支护，并每2m设置一道I18工字钢拱架，以加强支护抗力，保证导洞的稳固。由于出口段覆盖层较薄，围岩自稳性较差，为防止洞口坍塌，小导洞施工时，要突出一个“快”字，即“快开挖、快支护、快封闭”。

隧道小导洞贯通后，按两台阶施工法，从洞内向洞外逐步扩挖至设计轮廓，及时按照设计要求进行初期支护，并尽早封闭成环，控制好安全步距，确保隧道出洞段施工安全。

3．施工步骤

3.1洞口边仰坡开挖及防护

3.1.1边、仰坡刷坡

为保证洞口边坡的稳定，防止后期被雨水冲刷，出洞后先对仰坡进行刷坡。边仰坡施工时采用人工配合挖掘机开挖，施工洞口边仰坡外的截水沟，截水沟距仰坡边坡线的距离不少于5m。

3.1.2锚杆及钢筋网

在边坡挂设25cm×25cmφ6.5钢筋网片，并打设4m长φ22螺纹钢，间排距2.0m，梅花形布置，以保证破面稳定。

3.1.3混凝土

边坡部位锚杆及钢筋网施工完毕后，喷射一层10cm厚C20混凝土，。喷射作业应分层分片、由上而下顺序进行，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，坡面有较大凹洼时，应结合初喷予以找平。喷射混凝土终凝2ｈ后，应喷水养护，养护时间不少于7ｄ。

3.1.4截水沟、排水沟的砌筑

洞口5m范围外设置截水天沟，天沟排水沟相连接，保证排水畅通，流到山梁以外。砌筑砂浆采用M7.5水泥砂浆，片石的最小截面不应小于100cm，应及时勾缝，并进行洒水养护。

根据现场地形，左低右高，左侧采用自然排水，通过天沟将水引致山谷低洼处自然排走，右侧设置沟槽，将水引至左侧排走。

3.2小导洞施工

3.2.1开挖

小导洞位于隧道上台阶中间位置，导坑外轮廓尺寸为3m（宽）×4m（高），顶部为一半径1.5m的半圆形拱。开挖采用光面爆破，减小装药量，进行弱爆破，人工辅助出碴。每循环开挖不超过1m，开挖后及时进行初支，每1m设置一榀钢拱架，加强支护。

3.2.2初期支护

小导洞采用φ22砂浆锚杆＋φ8钢筋网片＋喷射厚混凝土进行初期支护，锚杆长3.5m，间距1m，梅花形布置，钢筋网格间距20cm×20cm，并每1m设置一道I18工字钢拱架，纵向连接钢筋采用φ22螺纹钢，间距为1.0m，喷射C20混凝土22cm厚。初期支护施工工序流程为：开挖后初喷砼→系统支护（锚杆、钢筋网、钢架）施工→复喷砼。

1、打设砂浆锚杆

采用φ22砂浆锚杆，长3.5m，间距1m，梅花形布置。锚杆施工时与岩面垂直，锚杆须与钢筋网片连接牢固。

2、钢筋网铺设

钢筋须经试验合格，使用前必须除锈，在洞外分片制作，安装时搭接长度不小于1至2个网格。

人工铺设贴近岩面，与锚杆和钢架绑扎连接（或点焊焊接）牢固。钢筋网和钢架绑扎时，应绑在靠近岩面一侧，确保整体结构受力平衡。

喷混凝土时，减小喷头至受喷面距离和控制风压，以减少钢筋网振动，降低回弹。

3、钢架施工

（1）制作：钢架按设计尺寸在洞外下料分节焊接制作，制作时严格按设计图纸进行，保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求，每节两端均焊连接板，节点间通过连接板用螺栓连接牢靠，加工后必须进行试拼检查，严禁不合格品进场。

（2）安装：钢架按设计要求安装，安装尺寸允许偏差：横向和高程为±5cm，垂直度±2°。钢架的下端设在稳固的地层上，拱脚高度低于上部开挖底线以下15～20cm。拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。安装后利用锁脚钢管定位。超挖较大时，拱背喷填同级混凝土，以使支护与围岩密贴，控制其变形的进一步发展。两排钢架间用Φ22钢筋拉杆纵向连接牢固，以便形成整体受力结构。

4、喷射混凝土

开挖后找顶、撬帮完成，立即进行初喷封闭围岩，充分发挥围岩的自稳能力，喷砼采用湿喷机配机械手进行作业。

（1）喷混凝土料由洞外自动计量拌和站生产。混凝土搅拌车运输混凝土，卸入湿喷机，机械手配合湿喷机喷混凝土。

（2）施工技术措施

喷射前将松动的围岩处理干净，检查开挖断面净空尺寸，检查电路、设备和管路。在不良地质地段，设专人随时观察围岩变化情况，当受喷面有涌水、淋水、集中出水点时，先进行引排水处理。

喷混凝土前设置砼厚度标识，并采用高压水冲洗受喷面；遇水易泥化地段采用高压风吹净岩面。喷射作业采取分段、分片、分层自下而上顺序进行。对于较大的凹洼处，首先喷射填平。喷嘴与岩面保持垂直，且距岩面0.8～1.2m。喷砼时控制好风压和速凝剂掺量，减少回弹，喷射压力控制在0.15～0.2MPa。

4．监控量测

4.1监控量测项目

（1）洞外地表沉降观测；

（2）周边收敛量测；

（3）拱顶沉降量测。

4.2点位布设

在K10+891～K10+926段地表，沿中线方向纵向每10m设置一处沉降观测点，横向两侧各20m范围内每5m设置一处沉降观测点。洞内没5m布置1个拱顶下沉点和2个净空水平收敛量测点，用全站仪观测点位的动态变化。

4.2.1地表下沉点的布置要求

1）高程基准点设置在开挖线影响范围以外2～3个。

2）监控点的埋深：在埋设点挖长、宽、高均为200mm的坑，然后放入沉陷测点，测点一般采用Ф20～30mm，长300～400mm圆头钢筋制成。测点四周用混凝土填实。

3）控制点的测量时间：地表下沉量测采用水准仪加测微器观测，在衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。

4.2.2拱顶下沉及周边收敛

洞口内每隔5m作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面，每断面2对测点用收敛计和水准仪分别观测水平收敛值和拱顶下沉值。

4.2.3量测频率

洞内观测分为开挖工作面观测和初期支护状态观测两部分。开挖观测应在每次开挖后进行，地质情况基本稳定无变化时，可每天进行一次。对初期支护的观测也应每天至少进行一次。

量测数量的处理与反馈：根据量测数据及时绘制拱脚水平相对净空变化、拱顶相对下沉和地表下沉的时态曲线及其与开挖工作面距离的关系图。

对初期支护时态曲线进行回归分析，选择与实测数据拟合性好的函数进行回归，预测可能出现的最大位移。

5.总结

本文以隧道某出洞施工实践介绍了隧道单向掘进出洞的一般思路及施工措施，可供其它后续单向掘进施工进行出洞的工程项目进行参考。实际施工过程中根据地形、地质围岩特征采取一系列的防护措施，保证了隧道顺利安全出洞。

参考文献：

[1]吴立，闫天俊，周传波.凿岩爆破工程[M].中国地质大学出版社.2004

[2]JTGF60-2009，公路隧道施工技术规范[S]

[3]JTGTF60-2009《公路隧道施工技术细则》[S]