1、黄土双连拱隧道施工技术要点浅析中铁十一局集团四公司 夏伟云摘要：双连拱隧道因具有其不可替代的优点而越来越普遍，但双连拱隧道的施工技术还很不完善。本文阐述了黄土双连拱隧道的一些重要施工工序，分析了黄土双连拱隧道在施工过程中应特别注意的诸如施工用水的控制、开挖方式及开挖机具的选择、中隔墙施工、监控量测等施工技术要点。关键词黄土 双连拱隧道 施工技术要点 浅析1 概述1.1 工程概况王家会连拱隧道位于山西省柳林县境内，是青岛至银川国道主干线山西省离石军渡段高速公路的一项重点工程，起讫里程 K3+590K3+802.5，全长212.5m，属双连拱隧道，是目前国内最长的黄土双连拱隧道之一，设计车速80K
2、m/h，隧道建筑限界净高为 10.25m，行车道宽为 7.5m，限高 5m。中隔墙的断面结构形式采用经改进和优化的复合式曲中墙，中隔墙厚 2.6m；隧道衬砌为曲墙式复合衬砌，初期支护采用喷、锚、网、钢拱架支撑、格栅钢架支撑；并增加超前小导管或超前锚杆预加固措施，隧道洞口浅埋段采用 108 长管棚超前支护（见复合衬砌支护参数表） 。复合衬砌支护参数表III类 备 注喷 砼 厚 25# 20直 径 22砂 浆 锚 杆 土 质长 度 350锚 杆 布 置 80100直 径 8钢 筋 布 置 20204 25， H-15纵 向 间 距 80二 次 衬 砌 25#钢 筋 砼 45仰 拱 厚 度 25#钢
3、 筋 砼 50类 型 50小 导 管 108长 管 棚 25自 钻 式 锚 杆间 距 30 40 50长 度 m 4.1 20 4.7倾 角 10 1 107555357575 81515I20a超 前 支 护项 目 单 位工 字 钢 拱 架格 栅 钢 架 支 撑钢 筋 网钢 支 撑径 向 锚 杆 400围 岩 类 别II类 浅 埋25 22砂 浆 锚 杆1.2 地质概况隧址区位于晋陕黄土高原吕梁山脉中低山区，基岩全被黄土覆盖，隧址区地层主要为第四系上更新统马兰组（Q3m） ，浅灰黄色黄土（亚砂土） ，中更新统离石组（Q2L ） ，浅棕红色黄土（亚粘土、亚砂土）组成，硬塑坚硬状，柱状节理发育，
4、夹古土壤层及钙质结核层；微地貌为黄土梁、陡坎、冲沟，冲沟多呈“V”字型；地表水主要为大气降水，地下水埋藏较深。1.3 施工工序简介本隧道采用最为安全的三导洞法施工方案，即中导洞先行，进行超前开挖，双侧导洞随后跟进的方案。主要施工工序如下（见施工工序示意图）：（1）中导洞施工： 开挖中导洞； 施工中导洞初期支护； 浇筑中隔墙； 1 2 3（2）左侧主洞施工： 开挖左侧导洞； 施工左侧导洞初期支护； 回填 4 5 6中隔墙右侧； 开挖左侧主洞上半断面； 施工左侧主洞顶部初期支护； 开 7 8 9挖左侧主洞下半断面； 浇筑仰拱及二次衬砌；10（3）右侧主洞施工： 开挖右侧导洞； 施工右侧导洞初期支护
5、； 开挖11 12 13右侧主洞上半断面； 施工右侧主洞顶部初期支护； 开挖右侧主洞下半断面；14 15浇筑仰拱及二次衬砌；16 12364579008 1235614施 工 工 序 示 意 图2 施工技术要点2.1 施工用水的控制施工用水的控制贯穿在施工的全过程，对黄土隧道而言，黄土的含水量大小对施工的影响很大，直接影响围岩稳定、开挖安全、初期支护稳定以及二次衬砌的变形。本隧址区的黄土主要是亚砂土和亚粘土组成，当受水浸湿后黄土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉，这是黄土的湿陷特性。一般而言，隧道工程的受力特点是以支护结构作为承载主体，围岩对支护结构的变形起约束作用，或者是以围岩为承载主体，支护
6、结构限制围岩向隧道内变形。由于本隧道的围岩类别属类、类的黄土，受力特点要复杂得多。但是围岩的承载能力越高，它给予支护结构的主动压力越小，这是无庸置疑。这就要求我们在施工过程中尽量保护好围岩的原有结构，提高围岩的自稳能力（即承载能力） ，这也是新奥法施工的精髓。对于黄土围岩而言，水的控制对提高围岩的自稳能力是至关重要的。有经验表明，如果在开挖中（未初期支护）没有控制好施工用水，使其肆意横流，轻者使工作面的地面黄土浸水成淤，不利于施工作业；甚者是围岩因浸湿而湿陷失稳，导致局部坍塌；更有甚者围岩因水浸泡自稳能力不断丧失，导致大坍方直至冒顶；即使隧道在开挖后已施作初期支护，如果没有控制好施工用水，使水
7、浸入边墙或隧底，初期支护两侧拱脚的基础就会因水湿陷，承载能力不断下降直到完全丧失，最终会导致初期支护拱墙豉涨、拱顶下沉、周边开裂等危害。施工中对水的控制应该在每道工序中加以注意，开挖施工中要少用水甚至不用水，这只要改变开挖机具即可做到；开挖后在初喷混凝土施工时，为了清洁岩面，我们往往是用高压水和高压风吹洗岩面，但对于黄土围岩而言，用高压水来清洗岩面会使围岩初喷面软化，初喷混凝土与围岩的粘结极为薄弱，因此要避免用水来清洗岩面；在施作注浆锚杆、砂浆锚杆、中空锚杆或超前小导管时需对孔眼注浆（或砂浆） ，为减少浆液中水对围岩的破坏作用应该尽量降低浆液（或砂浆）的水灰比，在浇筑仰拱混凝土时也应该严格控制
8、混凝土的坍落度（即控制水灰比） ，加强对混凝土的捣固，避免隧底围岩因水湿陷而沉降。还有一点必须提醒的是，洞室开挖前务必做好洞口的防排水措施，以防雨季的雨水流入洞内，造成不可挽回的损失。2.2 开挖方式及开挖机具的选择双连拱隧道与分离式隧道相比较，双连拱隧道开挖跨度大，本隧道的跨度就大于 22m；隧道埋深浅，多次开挖必然导致围岩受多次扰动，尤其是中隔墙顶部，多次扰动后在施工后期承载着巨大的围岩压力，稍有不慎易引起隧道围岩坍方；双连拱隧道施工工序较多，结构特殊又复杂，且结构受力状态变化频繁，施工技术难度大；但双连拱隧道有着一个最大的优点是：它避免了隧道洞口桥隧或路隧分幅即避免了线路从整体到分离再到
9、整体的复杂转换。因此，虽然双连拱隧道施工风险大，技术难度高，但它有着不可替代的优点，所以我们在施工过程中要高度重视、精心组织，重视本隧道施工的每一道工序，尤其要重视“开挖”这道走在隧道施工前头的工序。中导洞、侧导洞的开挖我们均选择全断面开挖，因为它们的开挖断面较小，作业面狭小，单洞内的各道工序几乎无法平行作业。而且黄土隧道的掘进必须遵循“短进尺、强支护”的原则，施工中应严格控制每次开挖的进尺量：类围岩控制在 1 米之内，类围岩控制在 1.5 米之内，同时开挖工序必须尽快完成以便进行下一步工序初期支护施工，经验表明，这样的全断面开挖施工是可行的。虽然单洞内的各道工序无法平行作业，但各个导洞的施工
10、却互不干扰，在实际施工中，可以先行开挖掘进中导洞，滞后一定距离后再开挖左、右侧导洞，从整体施工上实现交叉施工、平行作业。主洞的开挖必须在中隔墙浇筑好之后方可进行，这是因为中隔墙是主洞开挖后最重要的受力承载部位。开挖分上、下断面依次开挖，上断面我们选择弧形开挖法，保留核心土（见主洞施工工序示意图） ，滞后一定距离开挖下断面。由于上断面空间狭小，不利于机械作业，为了方便施工，下断面的开挖必须紧跟上断面（见主洞施工工序示意图） ，根据我们的施工经验，上下断面的开挖距离选择为米时即能保证安全又利于机械开挖作业，围岩较好时取较小值，反之取较大值。 核 心 土 132654主 洞 施 工 工 序 示 意
11、图 说 明 :1.上 半 断 面 开 挖 2初 期 支 护3下 半 断 面 开 挖 4临 时 支 护 拆 除5仰 拱 施 工 6二 次 衬 砌 5米左、右主洞的开挖必须错开一定距离，这是由于左右主洞开挖后，隧道拱部的围岩压力主要由中隔墙来承载，当左（或右）主洞超前开挖后，围岩对中隔墙的产生偏压力，且这个偏压力是较复杂的，但我们可以简单的认为是一个向右（或左）水平分力和一个向下垂直分力的合力，水平分力由右（或左）主洞未开挖的围岩和中隔墙共同抵抗，而垂直分力基本上全部由中隔墙承载，在这个围岩压力未趋于稳定之前开挖右（或左）主洞，使大部分向左（或右）抵抗力消失，则横向水平分力会引起中隔墙向右（或左）
12、位移、倾斜、开裂等危害，这将会导致非常严重的后果。因此当左（或右）主洞开挖并初期支护完成、围岩压力趋于稳定后方可开挖右（或左）主洞。洞口浅埋段或偏压段主洞的开挖更值得提高注意，只有在左（或右）主洞二次衬砌好之后才能进行右（或左）主洞的开挖。从上面的分析我们可以看出，在左（或右）主洞开挖过程中，中隔墙受到了一个横向水平分力的影响，为抵抗这个横向水平分力，我们在开挖主洞之前，在中隔墙右（或左）侧施作一个反向支撑（见施工工序示意图中第 道工序） ， 6反向支撑由下层夯填土和上层浆砌片石构成，或由桁架结构（可用直径 25cm 以上的圆木）横向支撑在中隔墙和中导洞侧墙上作为反向支撑物。双连拱隧道的开挖比
13、分离式隧道的开挖还多了一道重要的工序，那就是临时支护的拆除：侧导洞内侧和中导洞两侧的初期支护在主洞仰拱开挖前必须拆除。临时支护的拆除必须以主洞监控量测的结果为指导，因为主洞的开挖使隧道结构受力状态发生变化，临时支护还是一个重要的受力结构，必须在受力状态趋于稳定之后方可拆除，如盲目施工，就会使开挖过程中隧道结构受力频繁发生变化，这将成为双连拱隧道坍方最严重的安全隐患。开挖施工我们选用挖掘机开挖作业（较小断面采用 PC220，较大断面采用CAT320B） ，而放弃采用爆破作业，一是因为要控制施工用水，不宜使用风动凿岩机等需要用水的机具，避免黄土围岩因水湿陷、失稳；二是因为爆破作业对围岩扰动大，易产
14、生超挖、围岩掉块等现象，极不利于围岩稳定，而机械开挖作业对围岩扰动极小，开挖后由人工用风镐或十字镐对开挖面稍做处理，即可使开挖面圆顺，大大提高了围岩的自稳能力。注浆（砂浆）锚杆、超前小导管等孔眼的钻孔机具，我们采用 ZM-15T 岩石电钻，避免施工用水。2.3 中隔墙的施工中隔墙是整个双连拱隧道结构稳定的关键，是双连拱隧道最重要的结构体。中隔墙在左右主洞施工过程中，将受到压、拉、弯、剪应力等复杂的作用力，承载着隧道拱部的荷载。因此对中隔墙的施工必须引起高度重视，特别要注意施工质量。本隧道的中隔墙对称居中于中导洞，是对称断面的曲中墙。中隔墙的位置和断面大小确定了中隔墙在施工中作业空间非常狭小，由
15、于作业空间的限制，中隔墙的施工只能由中导洞的中间向两端或由中导洞出口向进口进行倒退式的施工。同时，中隔墙混凝土也因空间的限制无法整体浇筑，分为基础和墙身两部分，但中隔墙钢筋由于起着十分重要的作用，务必整体绑扎，以增强中隔墙结构的稳定性和抵抗能力。在施工中我们采用弯制的弧形工字钢作为模板支架、钢制小模板立模，输送泵泵送混凝土入模。但由于中隔墙顶部呈弧形，作业空间又极其狭小，浇筑混凝土时通常无法使中隔墙顶部密实，往往在弧形顶部留有空洞。因此我们在中隔墙顶部预先埋设注浆管，当混凝土浇筑后及时注浆回填空腔，使中隔墙顶部顶紧岩面。在处理较大的顶部空腔时，我们先采用易于操作的喷射混凝土回填，然后再注浆，即
16、提高了中隔墙顶部混凝土的密实度又提了混凝土的强度，这在实际施工中取得了良好的效果。中隔墙顶部回填是至关重要的一道工序，务必严格要求、加以高度重视，因为中隔墙是主要受力结构，如果中隔墙顶部回填不密实，无法承受围岩压力和初期支护施工后带来的不对称作用力，极易引起中隔墙顶部围岩失稳、坍塌，甚至会使中隔墙倾斜、开裂等严重后果，从而引起主洞坍塌。2.4 监控量测众所周知,隧道开挖前围岩处于应力平衡状态，隧道开挖后，洞壁形成临空面，原始的应力平衡状态被打破，引起应力重分布，在开挖施工过程中随着围岩应力的变化，同时伴随着围岩位移（变形）的变化。因此在施工过程中，我们要使用各种仪器设备和量测元件对地表沉降、围
17、岩与支护结构的变形、应力、应变进行量测，据此来判断隧道开挖对地表环境的影响范围和程度、围岩和稳定性和支护的工作状态，并预报预测围岩稳定性、检验施工方案、修正支护参数和结构形式、指导实际施工。黄土隧道其变形具有“蠕变特性” ，它有一个发展过程，必须在施工过程中密切注意。本隧道施工中我们通过对中导洞拱顶下沉和净空收敛量测，判断和预报了围岩的稳定性、修正了支护结构形式、指导着中导洞每循环开挖的进度；通过对主洞拱顶下沉和净空收敛量测，判断主洞支护结构和中隔墙的稳定性，指导开挖、初期支护、临时支护的拆除等工序的施工。结束语:双连拱隧道在运营和管理上有着突出的优点，它避免了隧道洞口桥隧或路隧分幅，节省了进出口洞口路基和桥梁分幅所占土地面积，也避免了线路从整体到分离再到整体的复杂转换，有利于路桥隧总体的线形流畅。因此在今后的隧道设计、建设中，双连拱隧道必将越来越普遍，随着隧道工程的日益发展，双连拱隧道的施工技术将越来越完善，对于黄土双连拱隧道的施工技术、工艺也必将越来越成熟。
