砂卵石地质隧道两次模筑施工工法

范星亮

【摘要】以渭武高速公路13标项目部高桥隧道为例，研究在砂卵石地层隧道中采用两次模筑法的施工方法，给予同类型隧道施工一些借鉴。

【关键词】砂卵石地层隧道;两次模筑;施工技术

1、前言

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。这种地层一旦被开挖，极易破坏原来相对稳定或平衡的状态，使开挖面和洞壁失去约束而失稳，特别是隧道顶部大块卵石剥落会引起上覆地层的突然沉陷。砂卵石地层地下隧道的开挖与支护是地下工程施工中比较特殊的问题，无论理论研究还是实际施工都还较多的问题需要解决。砂卵石地层开挖后随着围岩塑性区范围的不断扩大，将会引发支护及衬砌混凝土的变形破坏，稳定期相对石质隧道而言较短，隧道结构设计中都把加强支护刚度、控制变形及其发展放在首位，从最大限度地保护围岩天然结构强度，减少变形产生裂缝、掉块造成围岩强度的损失出发，选择能有效控制变形的支护型式。

中铁十二局集团承建的渭武高速公路高桥隧道左线全长798m，其中V级围岩248m，IV级围岩550m;右线全长731m，其中V级围岩231m，IV级围岩500m。隧道在进出口段为砂卵石及碎石地层，自稳能力差，支护不当易坍塌，侧壁易失稳。该隧道设计采用了两次模筑衬砌结构型式，即初期支护采用钢拱架+模筑混凝土衬砌，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构。为了保证施工安全和质量，中铁十二局集团有限公司在施工方法、工艺等方面合理优化，在施工参数、设备配套、组织协调等方面积累了经验，取得了较好的经济、社会效益，在工程实践的基础上总结完善形成了本工法。

2、工法特点

2.1本工法结合了新奥法和矿山法，能够有效地解决砂卵石地质隧道施工的沉降问题。

2.2由上台阶整体一衬、左右下台阶一衬、仰拱组成稳定的结构受力体系，在其支护下实现隧道土体开挖和衬砌作业，结构稳定、安全系数高。

2.3本工法施工工序简单，施工难度较低，效率高，经济合理。

2.4本工法利用预留三角槽后浇筑法减少了防水板纵向接头，提高了施工质量和工效;减少了二衬钢筋接头，提高钢筋整体线型并能保证二衬的受力性能。

3、适用范围

本工法适用于砂卵石、自稳性差的碎石土地层公路或铁路隧道施工。

4、工艺原理

采用“新奥法”中挂网喷锚的柔性支护结合“矿山法”模筑砼的刚性支护来控制围岩的变形及应力重分布，使达到新的平衡，减少砂卵石地层沉降，保证施工安全。上台阶一衬砼利用开挖台架+支撑工字钢+组合钢模板施工，下台阶利用整体大模板施工，施工工序简单，施工难度低且效率较高，并能保证一衬砼施工质量。预留三角槽后浇筑，实现了防水板整体挂设，减少钢筋接头且提高二衬钢筋整体线型并能够保证二衬的受力性能，保证施工质量并提高施工工效。

5、施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程（见图5.1）

5.2施工程序及操作要点

5.2.1施工程序（见图5.2.1）

5.2.2操作要点

5.2.2.1上台阶开挖及一次模筑施工

采用短台阶法，机械配合人工进行开挖。一般情况下拱部弧形导坑一次开挖长度按2-3榀钢架间距控制，不宜大于3榀。核心土导坑台阶控制在2-2.5m为易，总长度控制在3-5m，保证安全的情况下也有利于后续工作。

若围岩极度松散且自稳性极差，则开挖按照1榀/次进行，开挖后立即进行挂网初喷并架立一衬内钢架，钢架需紧贴初喷面，并施工好锁脚锚管，完成后再进行下一循环开挖、支护，直至3榀完成后进行一衬混凝土施工。为确保安全，视围岩及支护情况，也可缩短一衬混凝土一次施工长度。由于围岩自稳能力较差，故施工控制的关键是“快”，工序衔接必须专人负责，确保工序衔接紧凑。

一次衬砌需紧跟开挖面，上台阶一衬模筑采用在上台阶开挖台架上架立工字钢作为支撑骨架，拼接小型模板作为面板。上台阶钢拱架间距0.75m，每循环进尺为3榀钢架距离，即2.25m，考虑施工方便定制的钢模板每块尺寸为：长2.5m×宽0.5m、面板采用3mm钢板、加强肋板采用6mm钢板、法兰采用5cm角钢制作，上台阶共38块。模板接缝处做成子母扣搭接，减少模板缝漏浆同时增加一衬外观质量，模板子母扣搭接示意见图5.2.2.1-1。在距上台阶底部1.2m处及2.5m高处预留40cm*40cm窗口，以便混凝土入模并保证混凝土下落距离不超2m。拱顶模板需预留125mm接口，采用输送泵泵送砼入模，支撑杆件可选用钢管、方木或组合使用。

在架设工字钢时需在钢拱架拱脚支垫槽钢，确保钢拱架拱脚不悬空。在钢拱架两侧拱脚处平铺15cm砂层，并人工夯实平整，保证钢拱架能与下台阶拱架连接。一衬混凝土强度达到设计的70%以上才可拆除模板。拱脚填充砂层示意图见图5.2.2.1-2。

图5.2.2.1-1     模板搭接处示意图

图5.2.2.1-2     拱脚填充砂层示意图

上台阶核心土开挖完成后，如拱顶、两侧拱墙收敛变形较大，可施作临时仰拱（临时喷射混凝土）或水平、竖向支撑。如遇地下水，先喷射混凝土封閉开挖面，然后打孔、插PVC管引排，同时超前注浆要采用水泥-水玻璃双液浆，注浆分一序、二序间隔跳孔灌注，注浆结束后待初凝期间，上台阶掌子面暂停开挖，若围岩含水量大、软弱的情况，注浆需换为纯水泥浆。

5.2.2.2下台阶交错开挖及一次模筑施工

下台阶左右侧导坑交错开挖，每次开挖长度以3-4榀钢架控制，不得大于4榀，且左右侧导坑错开至少3m。下台阶施工缝与上台阶施工缝至少错开1榀钢架距离。

下台阶一衬模筑采用整体大模板施工，左、右侧台阶各配1副模板，模板效果图见图5.2.2.2-1。

图5.2.2.2-1   下台阶整体模板效果图

由于下台阶下端曲线半径较小，只有1.5m，在浇筑下台阶一衬混凝土时上浮力较大，故在立模板前，将Φ22mm钢筋焊接在钢拱架上，并在模板上切割Φ25mm孔，将钢筋伸出模板外，并与模板加固牢固，能够有效的防止涨模。由于一次施作下台阶混凝土方量较小，混凝土输送泵泵送压力过大，会导致涨模，故不宜采用混凝土输送泵。在上台阶施工时，预留斜向槽口，下台阶混凝土由此处溜槽入模。下台阶混凝土浇筑示意图见图5.2.2.2-2。

图5.2.2.2-2    下台阶混凝土浇筑示意图

5.2.2.3仰拱及仰拱填充施工

上台阶掌子面超前20-30m后，开挖仰拱。仰拱一次开挖长度为3-4榀钢架，修整至设计轮廓后及时架立钢架，并进行仰拱衬砌施工。同样的仰拱施工缝要错开下台阶施工缝至少1榀钢架距离。仰拱及填充施工不能分幅施工，必须全断面一次浇筑且在填充混凝土强度达到100%后方可允许车辆通过。

该段设计仰拱中无钢筋，只是二衬内有钢筋。仰拱填充与初支边墙存在三角槽部位，在浇筑填充混凝土时，应预留出三角槽，待防水层及钢筋绑扎完毕后再浇筑三角槽混凝土，三角槽示意图见图5.2.2.3-1。

三角槽优点：

1.利用预留三角槽，防水板实现了一次全断面铺通，减少了纵向接头，确保了防水层施工质量，消除了运营期间可能发生渗水等质量安全隱患。

2.二衬钢筋实现一次性整体安装，减少了钢筋接头，有利于钢筋整体线型的实现，保证了二衬的受力性能。

3.按一环二衬12m分析，原来爬焊机需焊接两道纵向防水板接头，需要2个人1.5小时，改进后直接节省该工序。三角槽施工制作专用钢模板，确保边缘线型同时也便于整体安装，模板采用6mm钢板制作，内部采用钢管或工字钢加固，模板示意图见图5.2.2.3-2。

图5.2.2.3-1  三角槽示意图

图5.2.2.3-2  三角槽钢模板示意图

5.2.2.4防水层及模筑混凝土施工

（1）防水层设在一次衬砌与二次衬砌混凝土之间，材料一般由土工无纺布及防水板组成，为减少防水板搭接焊缝均采用单幅4m宽防水板。施做防水层时先清理一次衬砌表面，割除表面钢筋头，坑洼处采用抹砂浆找平。同时若在隧道开挖后有出水成股状处，则先采用注浆堵水，对较小线状出水或滴、渗水点布设φ100半圆排水管，将水引入纵向排水盲沟。排水盲管长度、方向可根据实际灵活布设，设计中按Ⅴ级围岩9m间距设一道，实际施工时可适当调整。对于渗漏水、富水地段，则将φ100半圆排水管加密布设;在一衬表面铺设TMF7×3.5cm环向排水盲管，集中渗漏水处可2～3根并排铺设，并导排至纵向排水管，挂设防水板之前，初支表面不能见明水。

（2）防水层铺设完成以后，绑扎钢筋，完成后浇筑三角槽混凝土。待三角槽混凝土终凝后，立模浇灌二次衬砌混凝土。二次衬砌施工采用整体式液压模板台车施工，以提高工效和质量。

5.2.2.5监控量测

为了解隧道开挖及一衬过程中岩体松动情况、围岩变化规律利支护结构的稳定性，选择以下项目为主要施工监测项目，各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15-20d结束。见表5.2.2.5。

6、材料与设备

6.1材料

本工法所用材料均为隧道常规材料。

6.2设备

施工机具应根据地质、隧道断面及长度配备。单口作业所需参考设备见表6.2。

7、质量控制

7.1质量控制标准

7.1.1《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）

7.1.2《公路隧道施工技术细则》（JTG/TF60-2009）

7.1.3《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）

7.1.4《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）

7.2质量措施

7.2.1制定工程创优规划，设专职质量检查人员，配合监理工程师对原材料、各工序质量进行全面检查。特殊工种实行持证上岗，实行全过程质量控制。

7.2.2严格按规范施工，可详细参阅公路隧道施工技术规范。

7.2.3对混凝土骨料级配、含泥量、外加剂、钢材、防水材料等的质量严格把关，坚持进一次料，抽查一次，不合格的坚决清退。

7.2.4钢拱架连接板需采用切割机与冲孔机集中加工，连接板与钢拱架焊接时需采用二氧化碳保护焊，保证焊缝质量。

7.2.5泵送混凝土应严格控制坍落度损失，严禁擅自加水，外加剂应严格计量。

7.2.6钢拱架安装过程中，要确保每一节点准确到位且钢拱架连接板螺栓需上紧，保证钢拱架连接板之间没有张口。

7.2.7上下台阶锁脚锚管打设时需注意打设角度以及锚管与钢架的“U”型连接。

7.2.8加强监控量测管理，及时反馈信息，提高应变能力。在确定开挖轮廓时，应按照图纸预留变形量，在施工过程中通过施工监测及时加以调整。

7.2.9加强混凝土养护工作，现场采用洒水车上安装雾炮来对混凝土进行养护，现场制作同条件养护试件，结合试压强度（符合拆模强度值后），确定拆模时间。

7.2.10严格材料进场制度，保证混凝土原材料质量同时严格按照施工配合比拌制混凝土;施工过程中要注意砼对称浇筑，控制逐层浇筑厚度和振捣时间，确保砼外观质量。

7.2.11加强工序衔接管理，尤其是掌子面和仰拱开挖完成后，及时施作下道工序。同时在施工过程中，要加强对开挖工作面地质的观察和记录，判断其稳定性并结合超前地质预报来判定开挖面前方的地质情况，以指导施工。必要时采取喷锚或注浆等有效措施确保开挖工作面的稳定。

8、安全措施

8.1安全控制标准

8.1.1《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）

8.1.2《公路工程施工安全技术规范》（JTGF90-2015）

8.1.3《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ80-91）

8.1.4《安全施工管理规程》（DB11/382-2006）

8.2安全措施

8.2.1加强岗前安全教育及培训，现场做好安全警示标志的设置，并对危险源进行辨识和公告，提高全体操作人员安全意识。

8.2.2必须加强全员安全意识教育，交叉施工地段应设调度员加强调度。

8.2.3掌子面开挖后，必须缩短掌子面暴露时间，及时施作初期支护，即工序衔接要快。洞内值班人员要经常巡视洞内初支情况，发现异常情况及时汇报。

8.2.4加强监控量测，及时反馈监测信息，随时对量测数据进行分析，根据信息反馈指导施工。

8.2.5抓强对车辆及人员管理，遵守交通管理规范，坚持文明施丁。

8.2.6加强洞内外电力、通风、给排水管线的管理，防止漏电、漏风伤人。

8.2.7加强机械保养维修，降低机械的废气排放，不符合排放标准的车辆不允许上路，噪声大的机械改装消声器。

8.2.8隧道內所有台架、台车以及仰拱栈桥上均有人行爬梯和护栏，放置灭火器;上台阶按要求设置安全通道并放置应急救援物品。

8.2.9采用智能门禁系统，实行人车分离。施工人员进入隧道内需刷卡进入，洞内在开挖台车及二衬台车上安装球形监控器和危险气体检测探头，监控室内监控系统能够查看洞内人员、车辆、施工及洞内气体情况。

9、环保措施

9.1环保控制标准

9.1.1《中华人民共和国环境保护法》

9.1.2《中华人民共和国水污染防治法》

9.2环保措施

9.2.1通过风量计算，选用具有高效率、低噪音、节能和易修等特点的隧道施工专用轴流通风机，合理选择通风方式和风管直径。

9.2.2成立卫生清洁队，专门每天负责对隧道洞口场地及隧道洞内进行洒水清扫防止扬尘。

9.2.3施工营地和施工现场的生活垃圾集中堆放，联系市政垃圾清运部门进行清运。

9.2.4采用在洒水车上安装雾炮，对洞内混凝土养护同时，也起到降尘作用。

9.2.5喷锚作业时粉尘较大，施工作业人员必须佩戴好防尘口罩。

10、效益分析

采用砂卵石地质隧道两次模筑施工工法，成功的解决了砂卵石地质隧道施工难题降低施工成本，加快施工进度，取得了显著的经济效益和社会效益。

10.1经济效益

10.1.1该工法能够保证快速安全的通过砂卵石地质段，节约了工期。

10.1.2本工法的成功运用，与常规的利用上台阶定制衬砌小台车的方案相比，每个洞内进出口段增加人工费共20万元，但减少了台车费用35万元，且采用定制台车在上台阶不规整的岩石面上也不易于行走及加固;高桥左右洞共节省费用30万元;

采用整体式大模板施工单侧施工只需要3个人配合挖机吊装到位，模板支撑简单，缩短加固时间，比常规采用模板拼接、加固节省费用左右洞共20万元。

采用预留三角槽后浇筑法，按一环二衬12m分析，原来爬焊机需焊接两道纵向防水板接头，需要2个人1.5小时，改进后直接节省该工序，左右洞进出口共160m一衬段共节省人工费和材料费共8万元;

节省二衬钢筋搭接接头4m/环，左右洞进出口共160m一衬共节省Φ22钢筋9.6t;节省仰拱施工时绑钢筋工序费用，每板仰拱施工按3m，钢筋焊接绑扎需要4人3小时完成，改进后直接节省该工序，进出口160m一衬段共节省人工费和材料费共12万元。

综合节约成本近70万元。

10.2社会效益

采用“新奥法”中挂网喷锚的柔性支护结合“矿山法”模筑砼的刚性支护来控制围岩的变形及应力重分布，使达到新的平衡，减少砂卵石地层沉降，保证施工安全。上台阶一衬砼利用开挖台架+支撑工字钢+定制小模板施工，下台阶利用整体大模板施工，能保证一衬砼施工质量，具有工艺简单实用、作业操作方便、方法易于掌握等优点，为今后砂卵石地质隧道施工提供了成功的施工经验，具有很好的推广价值。

10.3环保、节能效益

采用挂设完成土工布、防水板及绑扎完成二衬钢筋后浇筑预留三角槽混凝土，减少了钢筋、防水板、土工布搭接量，避免资源浪费。

11、工程实例

11.1工程概况

渭源至武都高速公路武都段WW13标的高桥隧道自2016年7月份运用了本工法开始进洞施工，用30天的时间，完成了40米砂卵石地层开挖施工，比一般方法能够节约至少20天工期，出洞同进洞。施工过程中未出现任何安全事故，监控量测数据显示地表沉降和洞内收敛均在规范要求之内，对本工法实用性进行了有效验证。同时施工过程中的其它各项数据均满足设计及规范要求，尤其防排水施工质量也得到了保证，实现了砂卵石地质隧道简单、安全、快速施工，有效的防止了地层沉降，保证隧道施工顺利、有序的进行，获得了业主及业内人士的高度评价，被渭武高速陇南项目办指定为推荐使用工法，并为类似工程施工提供借鉴和参考。