高速公路隧道施工技术与质量控制分析

窦晨阳

（中交建冀交高速公路投资发展有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

长期以来，隧道施工存在断面大、工程量多、现场条件复杂等特征，国外学者以分离式长隧道为研究主体，采用先拱后墙法部署主洞开挖方案， 配合松动爆破工法减轻对中隔墙及隧道拱部的冲击[1]。 国内多采用明挖法执行隧道开挖作业，但在实际施工环节可能使边仰坡偏高，易引发洞口失稳问题，对隧道开挖方案的编制提出了更高的要求[2]。 基于此，本文拟结合隧道工程实例探讨软弱围岩、复杂地基等工程条件下的最优开挖及支护方案，为隧道施工方案编制与现场管理提供指导。

2 项目实例

2.1 工程概况

某高速公路项目， 施工地点位于秦皇岛市抚宁区大新寨镇， 路基起止桩号为K123+977/ZK124+072~K131+629.5/ZK131+619， 建安费预算为125 亿元。 高速公路设计速度为100 km/h，总长度为7.828 km，采用六车道形式设计，设计荷载等级为Ⅰ级，地震动峰值加速度系数为0.05~0.10g。 在研究标段内含有一条特长隧道，属重点控制性工程。 隧道左线长5 342 m、右线长5 386 m，主洞净宽度为14.75 m，净高5.0 m，分为总体及装饰装修、洞口工程、洞身开挖、洞身衬砌、防排水、路面、辅助通道等分部工程。

2.2 水文地质条件

隧道施工区域属构造剥蚀中低山地地貌，山坡连续迭起，自然坡度较陡，边坡切割较深。 线路段最高、最低标高分别为689.5 m 和197.5 m，相对高差为492.0 m。 进洞口为缓坡地貌，坡度为10°~15°，其余区域为越岭段；出洞口为较缓坡地貌，坡度为15°~20°。 区内地下水类型包含松散岩类孔隙水、碳酸岩类裂隙岩溶水与基岩裂隙水，以降水为河流主要补给源，占据全年径流量的80%。 综合地形地貌与水文条件，该项目具有工期紧、断面大、施工难度高、地质条件复杂等特征，施工安全风险系数较高。

3 分离式隧道开挖与支护施工技术

3.1 隧道开挖施工技术

根据项目现场情况， 基于新奥法原理编制隧道施工方案（其工艺流程见图1），采用复合式衬砌结构，在洞口段选用超前大管棚+ 小导管作为超前支护， 洞身为型钢拱架+ 钢格栅+ 超前小导管支护结构，配合锚、网、喷混凝土作为初期支护手段。 按照隧道开挖方案设计，安排施工人员沿隧道进、出口两端同时掘进，左、右两洞均保持30~50 m 距离错开掘进，严格控制施工步距， 并通过超前地质预报与监控量测实现对围岩变形的准确判断[3]。

图1 隧道施工工艺流程图

3.2 隧道支护施工技术

以洞口段支护作业为例， 该项目在洞口段采用超前大管棚+ 小导管施工技术方案，其施工流程及技术要点如下。

3.2.1 超前大管棚施工

1）明洞开挖。 针对明洞工程洞口段采用上台阶环形开挖作业法，待开挖结束后安排施工人员清理仰坡表面分布的危石，参考设计文件对边仰坡执行锚喷支护作业，并预留作业平台。 在钢架混凝土套拱制作环节，选用C30 混凝土浇筑成长2 m、厚75 cm 的混凝土套拱，在混凝土套拱内埋设4 榀I20 b工字钢拱架，按测放位置安装导向钢管，并选用HRB400 钢筋以双面焊接形式分别与拱架、 导向管连接， 确保焊缝长度≥11 cm；对于未安装套管部位，选用HRB400 连接筋以1 m 间距沿环向连接。

2）管棚定位。 考虑到钻进过程中可能使孔位下垂，拟沿钢管设计方向偏1°左右确定钻孔方向与倾角度数， 并完成孔口位置定位。

3）钻孔施工。 选用RPD-150C6 型钻机沿导向管安装方向以低速低压钻进，先完成奇数孔位管棚的钻进作业，在钻进过程中严格控制钻孔作业，完成一孔位开钻后及时顶进钢管，待完成奇数孔位注浆后再开始偶数孔位施工， 并注意检查注浆效果，使终孔的管棚上一节段偏移量控制在20 cm 内，保证钻孔深度与质量均满足施工要求。

4）钢管推进。 待钻孔结束后执行扫孔作业，保证孔内清洁、无杂物，准备开始钢管安装。 选用φ108 mm×6 mm 无缝钢管作为施工材料，沿隧道垂直方向安装钢管，按奇、偶数孔分别选用长3 m 和6 m 的钢管， 利用丝扣完成各节管之间的连接，将相同断面的接头数量控制在1/2 以内，且相邻钢管之间的接头至少应错开1 m。 在浅孔施工段，由人工方式将钢管向前推进；在深孔施工段，改用机械形式将钢管顶进。 待钢管就位后，选用棉纱等材料完成管缝填充处理，将管道固定。

5）注浆作业。 按设计水灰比1∶1 制备纯水泥浆，在正式施工前预先完成注浆实验，待确认浆液质量合格后，利用注浆机以初压0.5~1.0 MPa、终压2.0 MPa 向导管内注浆，完成注浆作业。

3.2.2 超前小导管施工

1）导管选材。选用φ50 mm×5 mm 热轧无缝钢管作为导管材料，导管长度为4.5 m，环向布设间距为35~40 cm，纵向搭接长度≥1 m， 沿拱部120°角范围内以10°~15°外插角布设双层超前小导管。

2）小导管加工。 采用工厂预制方式制作超前小导管，导管前端呈锥形， 沿管壁以15 cm 为间距开设若干φ8 mm 注浆孔，在尾部焊接φ6 mm 加劲箍，制成钢花管。

3）导管安装。 基于双层结构制作超前小导管，先以10°~15°外倾角将首层小导管打入围岩内， 沿环向将小导管布设间距控制在约40 cm；再以25°~35°将第二层小导管打至围岩内，使两层导管沿纵向、环向分别错开150 cm 和20 cm 距离。 由施工人员现场利用风枪在型钢架表面钻出若干锚杆孔， 将超前小导管钢架顶部居中打入钻孔， 使导管外露长度恰好支撑在后部钢架处，借此在小导管与钢架之间形成预支护结构体系。

4）注浆作业。 按设计水灰比1∶1 制备水泥砂浆，每完成一层超前小导管施工后，以0.5~1.0 MPa 的注浆压力向钻孔内注浆，待满足设计注浆量条件后，停止注浆作业。 当测得管内泥浆达到设计强度的75%后，开始掌子面试挖作业，确认未见渗水等质量问题方可正式开挖拱部，并落实初喷及钢架安装。

3.3 隧道开挖施工技术

该项目中针对Ⅳ级围岩段引入CD 法施工方案， 其施工技术要点如下。

1）初期支护。 待开挖先行导坑后，及时喷射混凝土，实行软弱围岩的封闭处理，并架设钢架，做好临时支护结构。

2）喷锚混凝土施工。 采用湿喷法将水泥、砂石等材料按设计配合比拌和后， 利用混凝土罐车运送至施工现场执行喷射作业，将混凝土喷射频次控制在3~5 次，单次喷射时间不超过20 min。 随后设立钢支撑结构，做好间隙充填。 接下来采用凿岩机执行钻孔作业，将组装后的锚杆送入孔内至设计深度，并拧紧螺母，灌注水泥砂浆。

3）导坑开挖。 沿喷射混凝土的另一侧执行开挖作业，将两侧导坑开挖作业面的上台阶部位错开20 m 距离，现场开挖形成全断面，落实初期支护闭合作业。

4）仰拱施工。 在完成初期支护结构施工的基础上，以3 m 为间隔开展仰拱施工，按左、右半幅分别填充至15 m 深度，并拆除临时支护结构，按由中部向两侧的顺序完成仰拱混凝土浇筑。

5）二次衬砌作业。 逐段拆除中隔壁与临时支撑结构后，采用液压衬砌台车执行全断面混凝土浇筑作业， 并选用插入式振捣棒对混凝土浇筑部位执行分区振捣， 保证混凝土密实度达标，落实后期养护作业。

4 施工质量控制要点及现场监测

4.1 质量控制难点与措施

由于隧道埋深约500 m 区域处洞室围岩为花岗岩， 地应力较高，地质勘察报告显示局部可能存在Ⅰ级、Ⅱ级岩爆的可能性。 为预防施工安全事故的发生，该项目中采用隧道分段质量控制措施：针对可能存在轻微岩爆区域，采用全断面开挖+光面爆破施工工艺，将循环进尺控制在2~3 m，配合挂网喷锚支护结构； 针对可能存在中等岩爆区域， 采用台阶法开挖方案，在掌子面、洞壁处适时洒水，并利用超前钻孔工艺释放应力。 同时，在施工过程中选取初期钢拱架与二次衬砌之间增设EVA 泡沫减震材料，减少开挖过程中对已施工结构的扰动，发挥对刚性结构的保护作用。

4.2 现场质量监测结果

在该项目中采用莱卡全站仪、DSZ2 苏一光水准仪、收敛计等仪器设备实行隧洞施工监测，其中，在周边收敛监测中，每间隔5~50 m 布设1 个断面，各断面布设2~4 对测点，落实对洞身位移、收敛与断面变形情况的量测；在拱顶下沉监测中，同样以5~50 m 间隔布设断面， 利用水准仪等工具量测隧道拱顶下沉量。 以CD 法开挖段为例，其断面测点布设情况如图3 所示。

图3 CD法开挖测点布置示意图

观察监测断面的周边收敛情况可知， 洞身的水平收敛基本不超过1 mm， 在7~10 d 掌子面推进22~30 m 后进入稳定状态。 观察监测断面的拱顶下沉情况可知，左、右洞的平均下沉量分别为14.9 mm 和21.5 mm， 说明在施工过程中对隧道右洞产生一定偏压，洞口段拱顶下沉量最大值约为34 mm，且在锚喷支护15 d 掌子面推进33~34 m 处于稳定状态，符合质量控制要求。

5 结语

结合隧道施工项目实例， 围绕隧道支护与开挖作业梳理施工技术要点， 采用全断面法与台阶法两种施工方案强化对局部可能发生岩爆区域的分段治理， 并现场布设测点落实对隧道断面周边收敛及拱顶下沉情况的动态监测， 实现对隧道施工质量的有效控制，最终使该项目简化施工工序、减少冗余支护结构、节约人工与耗材使用、降低施工造价与工期，施工效益显著。 未来还需结合隧道结构形式与场地构造条件，引入无中导洞连拱隧道等新型施工方案， 并完善施工质量控制措施编制，为同类隧道施工管理工作提供良好示范经验。