桥隧道群复杂条件下隧道工程关键施工技术研究

桥隧道群复杂条件下隧道工程关键施工技术研究

钟思宁

保利长大工程有限公司，广州  511431

摘  要：以某高速桥隧连接工程的实例，从连接特点、结构分析、施工工艺等角度，阐述桥隧相连程序、方法，隧道群掘进工艺，短距离进洞出洞工艺，环境敏感区适应技术，论证山区高速公路桥隧连接隧道施工方式的可行性和合理性，为制定桥隧连接工程的施工优化，保证其施工安全性提供参考。

关键词：桥隧道群  复杂条件  施工技术

1工程概况

某高速公路项目主要施工任务包括路基、桥涵、隧道工程，桥隧占比93.3%。标段共有8座山岭隧道，隧道单洞长度12295.5m，隧道长度占比65%，桥隧道群共有九处桥隧短接施工作业点。

项目所在区域位于粤东北地区，地形变化大，构造发育，线路跨越地貌单元多，地形受构造影响强烈，山脉、沟谷走向基本呈北东向，山体破碎，沟谷呈狭长条形分布于山脉间，整条线路地势起伏不定。项目区内地质分布和相关关系复杂多变，隧道群洞口段浅埋偏压、断裂带等不良地质段形态明显。

2桥隧连接的类型和特点

桥隧连接工程的主体是隧道与桥梁，将两者稳定的连接，才能提高交通运行水平。在桥隧连接路段设计中，是过渡性阶段，而连接路段的长度设置，要根据现场的地质条件、公路线形确定。对于山区地带的高速公路项目，桥隧连接路段长度较短，桥梁与隧道存在相互影响。有些桥隧结合的部位没有设置连接路段，而把桥台与隧道洞门设计为整体结构。分析桥台与相邻隧道洞门紧密性，按照该标准进行分类，主要分为整体型、紧靠型与连接型。

2.1整体型桥隧连接

从组成结构角度分析，桥梁的桥台与隧道洞口可以组合形成统一的整体，并未分离，可见图1所示。从受力、变形方面分析，两者共同承担外部荷载，且变形是保持连续性的。因为这些融合结构形式，要满足桥台与隧道洞门基础效果，但是该结构承受荷载比较复杂，且无法准确的判定，计算难度较高，如果结构出现问题，会造成严重后果，产生的危害也是极其大的。

图1  整体型桥隧连接示图

2.2紧靠型桥隧连接

从空间角度分析，桥台与隧道洞口只不过是形式上的紧靠连接，但是结构还是分离存在的，两者之间设置有施工缝结构，可见图2。因为设置施工缝结构，桥台与隧道洞口变形、位移是没有任何联系的。从施工方面分析，因为设置施工缝，所以两者并不存在直接的联系，可以单独施工后组合成为整体。

图2  紧靠型桥隧连接

2.3连接型桥隧连接

桥梁和隧道从结构、受力、变形等方面分析，均没有任何联系，两者是利用衔接路段组合形成的，可见图3所示。桥梁、隧道、衔接路段是单独存在的，路面是连接的，但是路基结构是完全不同的，桥梁路面与隧道路面的基层为刚性形式，而连接路段则比较灵活，刚性或者半刚性都可以满足要求。车辆行驶中，驾驶人员也不会了解到路面连接性，但是三者路面是关联存在的。

图3  连接型桥隧连接

2.4桥隧连接工程有限元分析

选择应用整体性桥隧连接形式，这种形式较为特殊，技术人员根据需要采用有限元分析方法确定。通过有限元分析软件MIDAS/GTS开展整体性桥隧连接工程的作用力、应力、位移、三维树脂分析，了解和掌握不同工况条件之下的结果数据信息，从而得出简要的数据信息，如果发现数据变化比较大，在方案设计以及现场施工时，都要提起足够的重视。根据计算结论，可以得出如下结论：

1）开挖隧道环节，使得顶部与脚部发生应力集中的问题，这是导致洞室失稳的主要原因，所以必须加强这些部位的质量管理；

2）桥台开挖环节，会有空洞效应的发生，桥台区域的影响最大，而相邻区域影响比较小；

3）在桥台开挖的环节，围岩应力会逐步的释放，支护结构荷载也会出现增大的情况，支护结构轴力会有所增大；

4）隧道拱墙结构来说，除了拱顶、拱脚相对受力比较为敏感的，边墙腰部受力相对较大。

3  桥隧连接的程序、方法

桥隧连接施工顺序要求：先进行隧道洞口施工，必要时在隧道洞口陡峭路段填筑进洞时的机械施工平台，待隧道洞口施工完毕，施工机械进洞后再开挖施工平台进行桥梁桥台基础施工。

1）隧道洞口段的开挖方法根据可行性，安全性，工期可控性及经济性统筹兼顾，全面考虑，选择最优的方法。

2）洞口段完成施工后，可有效的为桥梁施工提供了相应的施工作业平台，同时为桥梁施工提供相应的施工作业基础。

3）桥隧衔接施工，具有相当的独立性，施工过程中，各结构的自身建设仍然是重要的主体。

4）桥隧施工同时又具有的相互干扰性，施工过程中，需根据桥隧施工的相关进度要求，现场合理调整工序，确保隧道施工的循环施工及桥梁下部构造施工不影响标段总体施工进度；

5）桥隧衔接点施工的后续性。桥隧连接工程作为一种特殊的结构形式，在高速公路的运营过程中，表现出了很强的后续性。最为突出，主要表现为：由于桥梁、道路、隧道所处的地质状况的不同，桥墩桥台、路面和隧道围岩的地质沉降不一，造成高速公路的路面铺装在桥隧连接段凹凸不平，许多地方跳车严重；桥梁、道路、隧道排水设施由于长期运营和地质情况的变化出现排水不畅甚至隧道水上路上桥、桥梁无法排水、桥隧连接段积水等现象。

4  短距离隧道群进洞出洞工艺

标段短距离隧道群在施工时，采用隧道出口向隧道进口方向掘进，待开挖至离进口端20～30米时（具体位置根据现场地质实际情况而定），从进口端反向开挖至贯通整个隧道。对于这样的进出洞方式选择，无疑有效的确保了隧道进出洞的时效性及安全性。

在以往的公路隧道项目中，比较普遍的是应用大洞口开挖的方式，所以会给山体、植被造成严重的破坏。如果是隧道群施工，洞口部位会有较大的局限性，这就使得很多工程都会选用“零开挖”的进洞方式。该方法的影响相对较小，洞口、植物不会产生严重破坏，保持洞口地形条件的协调化，还能够达到隧道“早进晚出”的基本原则，符合安全、美观、环保性要求。

4.1隧道进出洞思路

洞口段现场施工应按照“早进洞、晚出洞”的原则，从而可以更好的保障开挖的效果和质量，提升山体稳定性，避免给周边自然环境造成破坏和影响。现场施工应进行实地地面层测量，确定路线标高，从而明确相应明暗洞交接点，在交接点部位之外，不需要开挖山脚山体，制作套拱拱部，在施工后设置长管棚。管棚设置结束后，在两侧开槽分台阶方式开挖，制作临时衬砌工字钢拱脚基础，并结合不同台阶高度设置钢拱架，逐一开始靠近山体明暗洞交接点，拱架之间布置纵向钢筋形成整体结构，浇筑混凝土后进行封闭处理，再进行衬砌处理，形成前置式洞门结构，最后是开挖施工。

为了防止现场施工出现结构损坏或者植被破坏的情况，且达到洞口通行安全性要求，一般需要利用砌筑挡墙的方式处理隧道偏压，通过地表回填注浆的方法处理浅表覆盖不良地质，并遵循“零开挖进洞”方式施工。

4.2洞口施工工艺

1.全套拱进洞法施工工艺

正交进洞施工方式，隧道洞口轴线和地面等高线相交角控制在40°以上，通常应用“套拱法”施工。该方法需要在洞口修筑作业前，进行施工槽的开挖施工，并及时进行套拱处理。如果必要，现场施工还要进行超前管棚、小导管设置，再开挖进洞施工。

1）全套拱的作用

边仰坡形成支护结构，在洞口开挖阶段，避免出现坍塌问题；套拱设置时，应先布置到导向管的结构，且管棚施工中，应用到管棚钻进环节要定向布置；避免出现仰坡落石等危险，保护现场人员、设备的安全；明洞随着二次衬砌从外到内逐步进行施工，达到结构安全性标准，还能防止发生渗漏的问题。

2）“套拱法”具体的施工顺序

隧道洞口现场进行套拱施工，其作为管棚的导向结构使用，所以采用混凝土结构形式，一般长度为200cm，内部需要布置4榀Ⅰ18工字钢拱架，间距50cm，每榀钢拱架由3或5节弧形Ⅰ18工字钢组成，每一个阶段的弧形工字钢都会采用高强度螺栓焊接形成拱形的形式，相邻拱架交错设置，每一榀钢拱架都应用22纵向钢筋按照环向间距100cm设置，组合形成整体部分，安装127热轧钢管根据1°-5°外插角布置，根据40cm的环向间距焊接，制作管棚孔口管，并设置套拱模板，采取泵送方式施工。在浇筑环节，两侧对称施工，分层浇筑方式，确保两侧混凝土面高差不超过0.5m。

2.半套拱进洞法施工工艺

斜交进洞施工过程中，隧道洞口轴线与地面等高线夹角不会超过40°，结合现场地形条件选择合适方式，一般是半套拱的形式，可以设置挡墙，也可以不设置挡墙。半套拱的方式是洞口轴线和地形斜交设计中，因为地形方面的影响，减少开挖作业量，套拱只能是部分施工，将其设置在地基稳固的岩石上，从而制作成为“半套拱”的形式。根据施工工艺要求，按照下述顺序开展施工：

1）施工前详细检查洞口结构，并设置必要的防排水设施。

2）提前进行挡墙结构的修筑施工，挡墙基础一般都要设置在稳定性较高的基础上。如果现场承载性能不合格，应扩大基础尺寸，也可以使用钢筋混凝土基础或者地基加密措施，分析了解挡墙部分的偏压荷载，增加必要的结构钢筋以达到结构性能的要求。

3）“半套拱”现场施工中，设置几榀拱架，一侧需要设置在挡墙上，另外一侧应设置在岩石上，还要保持基础结构稳定性，通过锚杆支护方式提升稳定性。

4）设置下挂模板结构，并进行套拱混凝土浇筑施工。

5）初始套拱作为导向架使用，设置管棚结构。

6）由外到内开始设置拱架，一侧还保持在挡墙上，另外一侧根据地形条件布置在稳定的岩石上，直到隧道洞口轴线和前部岩石面达到垂直的标准。

7）设置下挂模板结构，并且浇筑混凝土，将裸露管棚包裹进去。

8）进洞开挖。“半套拱法”施工完毕。

5  隧道掘进施工艺

5.1总体思路

目前的隧道施工中，新奥法—钻爆施工工艺依然是以隧道掘进为重要工艺，该标段隧道通过新奥法施工，引入大型机械设备，形成完善的作业线；通过光面爆破技术开展钻爆施工，形成完善的施工作业体系。出渣通过使用无轨运输的方式，侧卸式装载机装渣作业，自卸车完成运输。现场通风系统设计尤为重要，通过使用大功率风机、软管达到通风效果。

5.2相关钻爆参数设计

通过试爆的方式确定相应技术参数，并考虑到现场情况做出改进调整，隧道Ⅳ级围岩掘进爆破综合炸药单耗为1.10kg/ m3

。最大单响药量控制在27kg以内，单次起爆总药量：上台阶控制在124.9kg以内，下台阶控制在88.2kg以内。

爆破参数经试爆后，根据现场实际情况进行调整，隧道Ⅴ级围岩采用CD法掘进爆破综合炸药单耗为0.95kg/ m3。最大单响药量控制在5.8kg以内，单次起爆总药量：右侧导洞上台阶控制在11.9kg以内，右侧导洞下台阶控制在11kg以内，左侧洞身上台阶控制在16.8kg以内，左侧洞身下台阶控制在10.5kg以内。

5.3相关隧道掘进工艺总结

隧道掘进作业环节，应严格落实光面爆破技术方案，加强初期支护安全性建设，随时监控现场情况，提高衬砌质量水平。当前的隧道施工中，应用人工联合液压台车钻孔爆破的方式，挖掘机联合装载机出渣作业，使用无轨车辆完成运输。

洞身开挖与支护多工种、机群施工工作规律的稳定，同时借助于施工管理人员对作业模式与相关工艺的掌握与熟练掌握，并通过调整机械设备的作业参数，使各施工机群保持良好的配套，保证隧道的正常施工。

6  环境敏感区相关隧道适用技术

6.1水袋爆破施工的利用

为了预防在现场爆破出现严重的粉尘污染问题，爆破作业中，尽量采用水袋爆破作业方案。水袋爆破的方法，方案设计与以往光面爆破方案是一致的，需要在装药结构和炮孔堵塞方面做出必要调整。其主要原理是在炮眼内注入一定量的水，再应用专用炮泥封堵处理，通过水中冲击波给水产生作用力，利用水的不可压缩性，将爆破能力通过水传输到各个围岩中，同时，水受到膨胀性作用而形成“水楔”效应，从而可以破碎岩石，炮眼内水达到降尘效果，保护生态环境。

6.2隧道洞渣的综合利用技术

隧道洞渣可以作为道路工程建设材料使用，有较大的使用范围，比如路堤填料、机制砂、碎石加工、软土地基加固等。在归纳隧道洞渣利用技术方法以及最新进展的基础上，系统和全面地总结了洞渣综合利用对应的材料要求。针对洞渣石料应用于路堤填筑给出了选料和级配、施工工艺、质量控制与检测；在挡墙、桥台、排水沟、仰拱填充、机制砂生产和碎石加工等方面提供了选材、级配、强度等质量标准等具体技术指标；从而尽量做到料尽其用、节约成本，更好地保护生态环境。

7  结束语

桥隧群的复杂条件下隧道工程关键技术，通过对2个隧道群8条隧道施工作业，开展隧道群作业模式、作业程序和相关技术条件以及配套设施的研究；实现隧道复杂条件下安全、降耗、环保的经济作业要求，同时对着力研究隧道复杂洞口条件下，桥隧相连情况下，隧道掘进技术研究具重要的实践意义。

参考文献

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[3]黄海洪. 复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[J]. 工业：00077-00077.