大跨径单拱四车道高速公路隧道施工工序优化

大跨径单拱四车道高速公路隧道施工工序优化

摘要：根据牛头山隧道施工实践，对大跨径单拱四车道高速公路隧道施工工序进行对比分析，形成优化方案，缩短了围岩封闭时间，加快了施工进度，为施工创造了良好的经济和社会效益。

关键词：大跨径单拱四车道隧道；工序；优化 近年来，随着交通量的日益增长和国家西部开发战略的实施，高速公路建设向山区不断延伸。为适应山区复杂的地质条件和车辆通行量，单拱四车道隧道渐渐步入设计者们的图纸之中。由于四车道公路隧道在我国尚处于起步研究阶段，因此在设计理论与施工工艺上只是借鉴三车道公路隧道的建设方法，目前没有统一的标准执行。因断面较大，四车道公路隧道施工时，不可能全断面一次成洞，所以必须根据运输出渣设备、施工机械类型和岩石的特性等条件，选择开挖方式，这就决定了必须分层分块开挖、逐步形成隧道设计形状的特点。在开挖时间上就有分期开挖过程，在分期开挖过程中，每一个施工分期对应不同的开挖顺序，就将意味着围岩对应一种暂时加载方式，由于在施工期间不断变化的洞型和加载方式，不仅影响了施工期间围岩的应力、破坏区、洞周位移，而且影响洞体成型后的应力分布、破坏区大小以及洞周位移情况。

广深沿江高速牛头山隧道为双洞分修小净距短隧道。左线隧道起讫桩号为ZK45+691~ZK46+060，全长369m；右线隧道起讫桩号为YK45+695~YK46+068，全长373m。存在超大跨径（最大开挖宽度为21.58米）、浅埋、围岩等级高等特点。该隧道III、IV级围岩地段工程地质为：强风化混合片麻岩，岩石风化强烈，呈褐黄色，碎块状，受地质构造影响较重，虽然局部岩层受挤压，发生扭曲，但原岩体产状基本清晰，左倾70º~80º，走向与隧道中线夹角较小。整个掌子面岩体软硬均匀，水文地质不发育，较干燥。

一、原设计工法介绍：

原设计工法采用三台阶七步法（见下图），施工工序为：在超前小导管的掩护下，开挖⑴部，施作型钢及锚喷支护，为对抗拱顶来压，加I18工字钢临时竖撑→依次开挖⑵、⑶、⑷、⑸部，施工初期支护体系→拆除I18临时支撑，开挖⑹部核心土→施工⑺部仰拱。

该设计工法成功分解了大断面隧道开挖空间，实现了分部开挖、分区闭合的设计意图，但在实际施工过程中，由于工序衔接、施工组织可操作性等方面的原因，造成了较大的施工困难，具体表现为：

1、该工法对第一步开挖后初期支护受力分析不充分，第一步开挖A单元型钢安装后，两拱脚与水平方向角度过小，仅靠锁脚锚管的悬吊支撑无法正面对抗拱部垂直向下的岩体内应力，存在安全隐患。

2、为对抗垂直向下的岩体内应力，增加了⑴部的I18工字钢临时竖撑，但此竖撑高度高，重量大，安装难度较大，更重要的是安装临时支撑后对下循环掘进和初支施工造成较大干扰，开挖台车、装载机等大型机械更是无法进入。

⑶、原设计工法第一步开挖空间最大高度仅3.9m，开挖后因空间不足，拱部4.5m长系统锚杆无法及时施作。

⑷、根据新奥法隧道施工原理，隧道应遵循预支护、短开挖、少扰动、强支护、早封闭、勤量测的原则施工，原设计三台阶七步法恰恰对围岩，尤其是拱部围岩进行多次扰动，一定程度上破坏了拱部围岩自稳能力，存在一定安全隐患。

⑸、原设计工法每部断面较小，且形状不规则，作业台车及人、机、料摆布困难，机械利用率极低，出渣和初支安装时间较长，这也一定程度违背了新奥法原理中早封闭的施工原则，且很大程度影响工程进度。

二、工法优化介绍：

针对以上不足之处，施工单位提出了针对性的工法优化方案。

优化原则：

⑴、遵循新奥法“少扰动”施工原理，减少对拱部围岩扰动次数、及时施作初期支护，最大限度发挥围岩自承能力。

⑵、遵循新奥法“早封闭”原理，展拓第一步作业空间，发挥机械利用效率，短时间完成初期支护。

⑶、优化图中第一步A单元型钢支撑受力方式，在型钢支撑封闭成环前最大程度承受拱顶来压。

⑷、掌子面围岩整体性较差时，采取喷射砼封闭掌子面，适当预留核心土等措施，防止掌子面外凸造成塌方。

优化方案：

⑴、仍采用原设计三台阶七步法施工，调整各台阶和步骤施工断面尺寸（见优化工法示意图）。根据原设计图纸原则，施工时型钢拱架各单元长度可根据实际情况调整，将第一步开挖适当扩大，高度以系统锚杆能正常施工、挖掘机、装载机等机械能进入作业为宜，暂定5.5m，横向为拱顶以下5.5m范围内一次开挖到位，如此第一单元拱架与上台阶底面角度加大，可以结合系统锚杆最大程度对抗拱顶垂直来压。

由于拱顶有超前注浆小导管预支护掩护，拱顶片帮冒顶风险较小；但由于第

一步开挖后迎头临空面扩大，存在开挖后掌子面向临空面外凸引起塌方的风险，故在必要时可采用喷射砼封闭掌子面，并适当预留核心土，增强掌子面自稳能力。

单循环进尺控制在2m以下，以防大爆破震动对拱顶产生较大扰动导致塌方。 ⑵、中台阶和下台阶均采取居中拉马口供车辆通行，单侧挑边接腿的方法施工，单循环接腿不得超过三榀型钢，严禁两侧同时开挖接腿，以防上台阶型钢支撑整体垮落。各步具体施工断面尺寸可根据现场围岩情况作适当调整，围岩条件较好时，中、下台阶亦可分左右两步施工作业，左右步错开10m距离，开展平行作业。

下台阶与仰拱同时开挖，并及时施作仰拱，确保初期支护尽快封闭成环。

三、优化工法施工总结

在采用优化以后的工法施工的全过程中，施工单位对牛头山隧道拱顶下沉、周边收敛进行了不间断量测，根据量测数据分析，30天拱顶下沉最大值13.94mm，水平收敛最大值14.11mm，变形速率及时间-沉降曲线无突变，日平均沉降/收敛速率逐渐下降，15天日均沉降/收敛速率普遍低于0.2mm/天，30天日均沉降/收敛速率低于0.1mm/天，围岩趋于稳定状态。表明隧道施工的整个过程是安全的。

1 本工法已在广深沿江高速公路A2合同段B8标牛头山左线隧道、牛头山右线隧道及B9标宴岗左线隧道、宴岗右线隧道成功运用。此工法拓展了作业空间，有利于大型机械的作业，施工机械化程度大大提高，并且有利于三台阶拉开距离同时施工开展平行作业，大大提高了施工进度。月进度可达到45m。牛头山左线隧道长369m,右线隧道长373m,宴岗左线隧道长310m,右线隧道长300m,全长1352米，提前三个月安全贯通。

2 本工法施工中由于机械化程度的提高，大大缩短了围岩封闭时间，减小了围岩开挖后的二次风化现象；且优化了型钢支撑的受力结构，可最大程度承受开挖后的拱顶应力释放，大大减少了冒顶塌方风险，有效保证施工安全。

3 通过采用本工法，牛头山左、右线隧道、宴岗左、右线隧道施工全过程处于安全、快速、优质的可控状态，不仅解决了特殊地段施工困难，工期紧张等问题，并且带来了可观的经济效益。每月完成产值比活动前增加45m×8万元-20m×8万元=200万元，由于施工速度的提高，使每延米的成本降低6000元，合计节约成本411万元，圆满完成了隧道施工任务，获得各方的好评，证明该工法具有很强的先进行和实用性。

参考文献：

1、葛琳延等浅埋大跨径连拱隧道施工工序对比优化分析中外公路2007,4

2、喻渝等客运专线超大断面隧道施工过程三维力学分析现代隧道技术2005,4

3、王毅才隧道工程人民交通出版社2006