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1、破碎岩体带高速公路隧道零仰坡洞口开挖进洞施工工法宋建军 崔建文 詹发成 李连亮 张国军 米小强（甘肃路桥建设集团有限公司）1 前言高速公路的施工越来越重视环境保护工作，随着“以人为本”理念在各行各业的深入，安全生产在高速公路施工中已经占有非常重要的作用，甚至比传统意义上的效益更加重要。破碎岩体隧道的施工安全隐患大，尤其是“进洞”容易发生坍塌，导致进洞失败。武罐八标汪家坝隧道左线出口地质为强风化片岩，节理发育，岩体破碎，呈松散结构，次棱角状，粉质黏土充填，稍湿，中密。隧道开挖易产生坍塌，地下水类型为基岩裂隙水，富水性弱。2 工法特点2.1 “零仰坡”进洞可以减少隧道洞口边仰坡的开挖，实现隧道和周
2、围景观的协调统一。有利于保护仰坡植被，实现生态保护。2.2 进洞前工序少，可以实现快速进洞。2.3 “零仰坡”进洞是遵循“早进洞 晚出洞”的隧道施工原则进行的，有利于隧道施工安全。3 使用范围3.1 适用于旅游景区隧道和环保要求相对较高的隧道工程；3.2 适用于洞口围岩相对较好，没有松散堆积体的隧道工程；3.3 适用于非雨季隧道进洞。4 工艺原理“零仰坡”进洞是充分保护、合理利用生态环境的施工理念，在隧道洞门采用超前大管棚等预支护方式，实现小开挖或不开挖洞口仰坡，保护周边原始地貌、植被的进洞方式。“零仰坡”进洞遵循的的是“矿山法”的理念，也就是以超前大管棚为洞体开挖提供洞顶支撑，辅助以坡体注浆
3、加固，拱部施工后立即进行钢拱架和喷射混凝土，转入“新奥法”施工的理念，即用围岩的自承能力实现荷载的再分布以及平衡。5 施工工艺流程和操作要点“零仰坡”进洞的施工工艺流程如下：确定进洞桩号布设地表位移观测点并进行初始观测开挖洞口掌子面施工套拱施工大管棚大管棚注浆加固上导坑开挖及支护监控量测下导坑开挖及支护封闭成环。5.1 进洞桩号的确定“零仰坡”进洞先要针对洞口地形实测洞口左、中、右3个纵断面，根据实测的地面高程初步确定进洞桩号，然后在此桩号实测横断面，确定能否实现“零仰坡”，如果结果不行需要重新确定进洞桩号，直到实现“零仰坡”。另外在确定的进洞桩号洞口如果有薄层松散堆积体，则应将此堆积体可以部
4、分清除，或采取地表注浆加固后在实施进洞。5.2 布设地表位移观测点在施工前应做好监控量测准备，设置相应观测点，引入高程控制点。编制详细的地表位移观测计划书。洞口浅埋段，布置4-6个观测横断面，地表下沉量测纵向间距S为：H（埋深）15m时，S（断面间距）=5m;15H30m时，S=10m. 在隧道开挖前开始，开挖面离量测断面后2b（隧道开挖宽度）时，2次1d ；开挖面离量测断面前2b时，1次2d；开挖面离量测断面后2b5b时，1次2天；开挖面离量测断面后5b时，1次7d。图5.2-1 汪家坝隧道地表监控量测范围及测点布置示意图5.3 开挖洞口掌子面5.3.1 土方确定好进洞桩号后我们就要确定开挖
5、方案，一般来说土方采用挖掘机直接开挖出套拱轮廓，预留核心土，保持掌子面的稳定。两侧边坡同步开挖，根据土质的不同选择不同的坡率，并喷射混凝土作临时防护，喷射时注意不要污染开挖面以外的地表植被。5.3.2 石方洞口石方开挖一般采用松动爆破。尤其是临空临边的洞口，一般洞口下面有住户或村镇道路、其他建筑物，包括产生的飞石很容易危机其他行人和建筑物的安全。松动爆破设计时要考虑以下原则：一是安全第一，严格控制飞石；二是爆破后岩体松动，大块率低，便于机械装车；汪家坝隧道左线洞口开挖为强中风化片岩，洞口开挖采取风枪人工打眼“浅孔松动控制爆破”和“边坡光面爆破”施工钻爆技术相结合, 使爆破的岩石“松动而不飞散、
6、岩石开裂坍塌而无抛散”。( 1) 炮眼深度隧道洞口采用明挖“零仰坡”进洞，开挖深度一般都在35m。为保证边坡开挖效果，同时确保爆破后的岩石块小宜装车，另外一方面防止飞石，我们采取两层打眼爆破的方法, 炮眼深度为1.52.5m;所有炮眼均从高处往低处打眼, 每次纵向开挖1.52m，布置2排炮眼，两排炮眼均垂直打眼, 在靠近边坡处炮眼走向逐渐趋向边坡开挖线，最后一排炮眼打在边坡线上。( 2) 炮眼布置。炮眼间距临空临边距离为1m，相邻炮眼间间距也为1m，两排炮眼呈梅花状布置。图5.3.2-1 汪家坝隧道洞口开挖炮眼布置示意图( 3) 炮眼装药量计算。药量计算公式为:Q=qabH （式5.3.3-1
7、）式中：Q：每个炮眼装药量( kg) ; q：单位用药量, 根据该工点地质, q 取0.5kg/m3; a：炮眼间距(m) ; b：炮眼排距(m) ; H：台阶高度, H=0.9L, L 为打眼深度。单个炮眼装药量：Q=0.5 kg/m31m1m0.92m（平均钻孔深度）=0.9 kg 根据设计图纸和实际地形实测，洞口平均宽度约14米，则每排布置15个炮眼，共计30个炮眼。炸药总消耗QZ=0.930=27。（4）起爆网络。起爆网络采用塑料导爆管非电起爆系统。起爆网络为“同排同段孔外等间隔控制微差起爆”方法, 即靠近掌子面侧均装第3 段毫秒雷管, 外侧装第1 段毫秒雷管, 孔外用第3 段毫秒雷管
8、串联，一次起爆。此爆破方案在施工现场起到很好的指导作用，松动爆破效果非常好，爆破后可以采用挖掘机直接装车运输。在实际施工中，我们可以根据围岩的地质结构对单孔炸药使用量和炮眼间距可以适当调整，确保爆破效果。5.4 施工套拱洞口土石方开挖到临近进洞桩号2米时停止全断面开挖，改为开挖套拱，套拱开挖时预留核心土，核心土据套拱的护拱50100cm，以方便护拱的支撑和套拱的施工。套拱施工应分台阶进行，我们在汪家坝隧道施工时采用上下台阶法开挖，同时套拱也分两段进行。5.4.1 上台阶拱脚扩大基础施工在一般的隧道设计中，套拱一般都是均匀断面，也就是说套拱的厚度全环都是一致的，但对于“零仰坡”开挖的隧道而言，一
9、次性开挖套拱势必造成临空面过高，进而影响施工安全，为此我们将套拱的施工分阶段进行，为避免下台阶开挖时套拱的稳定，我们在上台阶施工时需要将拱脚1米高的范围放大为扩大基础。扩大基础的平均厚度为1米，高1米，一侧和设计边坡直接连接在一起。详见图5.4.1.1。图5.4.1-1 上台阶套拱扩大基础 扩大基础的开挖由挖掘机配合人工进行，要求扩大基础和边坡相连的部位围岩必须牢靠，将浮渣清理干净。确保套拱拱架在重力作用下不发生水平位移，同时在下台阶开挖时能够起到部分支撑自重的作用。5.4.2 拱架拼装一般套拱长度为2m，为此设计上的套拱的拱架一般为3榀，拱架间距60cm。拱架间用22的螺纹钢作为纵向连接筋，
10、环向间距1m。拱架间用高强螺栓通过连接钢板连接。拱架的制作在加工厂分三段制作，然后在加工厂试拼，满足要求后运到现场安装。拱架安装前要在掌子面上准确放出拱架安装的控制点，确保拱架安装准确。三段拱架先安装拱脚两段，然后用装载机将拱顶一段挑起，用人工和拱脚两段连接。需要注意的时拱脚两段拱架安装的平面和高程位置直接影响整个套拱拱架安装的准确性，因此我们要对拱架拱架的两个点精心测量，高程符合要求采用木板调节，木板调节高度的好处时在下导坑开挖时木板能够自动脱落，方便上下导坑拱架的连接。另外拱架安装要保证拱架的垂直度，将每榀拱架严格控制在同一个平面上，达到拱架的有效支撑作用。三榀拱架从掌子面向外安装，第一榀
11、安装完成后用木棒支撑牢靠，然后安装第二、三榀，每榀拱架安装完成后用纵向连接钢筋和前一榀拱架焊接连接，使三榀拱架连成一个整体。图5.4.2-1 套拱拱架安装图5.4.3 导向管安装导向管在安装前要根据钻具规格选择导向管的大小，设计图纸中有时不会考虑钻头尺寸，一般潜孔钻机的钻头从80mm开始，每10mm一级，即80mm，90mm，100mm，110mm。在导向管选用时我们要根据设计的超前大管棚的钢管尺寸逐级推出导向管的尺寸。在汪家坝隧道施工中，超前大管棚为895的钢管，为保证超前大管棚能够顺利穿孔，孔径至少比管棚外径大5mm，因此计算孔径应该为89+5=94mm，在以上钻头中只能选择100mm的钻
12、头，因此孔径也就是导向管的内径至少为100mm，而设计中的导向管为1065mm的钢管，实际内径为96mm，不满足钻孔需要，我们就根据实际情况选择了1145mm的钢管，内径为104mm，以上在施工中一定要提前计算，否则按设计的导向管安装后就无法钻孔和施工大管棚。另外，导向管的安装角度一定要注意设计纵坡和外插角的问题。在实际施工时外插角考虑23，按照设计的纵坡调整导向管的安装角度。由于角度在施工中比较难测量，实际计算中第一榀拱架和第三榀拱架之间的高差，将第一榀拱架当做基准面，第三榀拱架采取垫支钢板的方法将导向管焊接到拱架上。大管棚的外插角实际就是克服钻头和钻杆重力作用下下垂设定的。所有管棚施工完成
13、进洞开挖后应刚好是设计开挖线，真正起到导向的作用。5.4.4 模板安装套拱混凝土的模板采用内外两层，内层模板采用采用3cm厚木板，上面铺设8mm厚胶木板，胶木板用小钉固定在木板上，木板用铁丝直接固定在护拱上，护拱采用I20工字钢制作，根据套拱尺寸和沉降量详细计算护拱尺寸，制作和安装方法同套拱拱架制作安装方法。外层木板采用5cm厚木板，事先在套拱拱架上方沿拱架焊接固定三根22的螺纹钢，将外模固定在螺纹钢上，外模边浇筑混凝土边安装，以保证有混凝土施工有足够的工作面。图5.4.4-1 护拱、拱架及套拱模板示意图5.4.5 混凝土浇筑混凝土采用汽车吊配料斗浇筑，混凝土浇筑必须从套拱两侧对称进行，防止套
14、拱受侧压力而失稳。混凝土的振捣采用插入式振捣棒，在混凝土振捣过程中，防止振捣棒触及拱架及纵向连接筋、导向管，防止套拱失稳及导向管位移。5.5 施工大管棚管棚施工工序为：搭设施工平台潜孔钻就位钻孔清孔顶进钢管。5.5.1 搭设施工平台用方木搭设钻孔平台架，平台上满铺木板，搭设牢固，以防钻孔时钻机晃动。施工时利用洞口或洞内预留的核心土，减少平台架设高度，具体方法根据现场施工实际情况选定。5.5.2 潜孔钻就位潜孔钻机放在施工平台上，反复调试定位，确保钻杆轴线与导向管轴线重合。5.5.3 钻孔钻头通过导向管向内钻进，严格按照操作规程进行，钻进过程中根据地层不同及时调整操作参数。由于洞口围岩比较松散，
15、钻孔过程中极易卡钻，须严格控制钻进速度。5.5.4 清孔钻孔到位后，用钻头反复推拉扫孔，并用高压风清孔，清除孔道内岩渣、碎石等。5.5.5 顶进钢管管棚前端加工成15 cm 长锥形，便于顶进；每节长3 m、6 m，以15 cm 长的丝扣连接；钢管上按梅花形间距10 cm 钻直径68 mm 的小孔。将钻机用2 台5 t 的手拉葫芦拉紧固定在套拱上，利用钻机将钢管逐节顶入孔内，钻机加压时不可过猛，发现顶进阻力大时，可以旋转顶进，或者借冲洗液协助顶进。要求钢管偏离设计位置的施工误差不得大于20 cm，同一横断面内接头数不大于50%，相邻接头应错开。管棚顶到位后，钢管与导向管间隙用速凝水泥或其它堵塞严
16、密，以防注浆冒出。堵塞时预留进浆孔和排气孔。5.6 大管棚注浆加固大管棚注浆采用从孔口一次注入的方法，将搅拌均匀的浆液通过注浆泵、输送管路、孔口控制阀注入钢管内，同时在孔口上部设一排气孔，以便浆液进入管内时，将空气排出，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔,继续注浆,达到设计注浆压力时,稳定15分钟后停止注浆。注浆工艺要求：注浆材料宜选用42.5级普级硅酸盐水泥，拌和所用的水不应含有影响正常凝结和硬化的有害物质,不得使用污水,不得使用pH4的酸性水，注浆水灰比为1:1。制浆：浆液拌和采用机械搅拌,边拌边用,浆液应在初凝前使用完。浆液搅拌采用专用水泥浆搅拌机，搅拌2分钟。达到规定稠度，然后存入缓慢搅拌
17、的储浆桶中，开始注浆。注浆：一般岩石风化程度不高的采用一次注浆，若围岩破碎，一次注浆达不到设计注浆压力时可以采用二次注浆方法。一次注浆持荷后1015min,然后再次将注浆孔打开进行注浆，使注浆压力达到22.5MPa。5.7 边坡支护边坡开挖后要实行边开挖边支护的方法，一则方便工人操作，二则施工安全，虽然采取“零仰坡”进洞，但边坡也有可能比较高。边坡开挖一级支护一级，边坡临时支护采用打砂浆锚杆挂网喷射混凝土的方法进行防护。5.7.1受喷面的准备边坡开挖完成后，首先对受喷面进行排险，排险采用挖掘机配合人工进行，用挖掘机的斗齿将暴露出来的已爆破开挖的有危险的石块排除。然后人工用钢钎等将挖掘机未排除干
18、净的再次排除。然后用高压风冲洗受喷面。5.7.2 锚杆施工按设计要求进行加工截取锚杆。对注浆设备进行检查，检查合格后才能使用。做浆液配合比的试验工作，并在施工过程中进行调整。以上工作符合满足要求后开始钻孔，钻孔直径应大于锚杆15mm，钻孔深度应大于锚杆长度10mm。钻孔达到设计深度后用高压水冲清锚杆孔，直到无杂物粉尘为止。砂浆搅拌均匀，随拌随用。拌合时按施工配合比施工，一次拌合的浆液在初凝前用完。在注浆过程中，为防止浆液沉淀，要不停的进行搅拌。注浆前对注浆泵进行试运行。注浆压力不得大于0.4Mpa，直到钻孔注满流出为止。注浆开始后中途暂停超过30分钟时，用水润滑注浆管及其管路。注浆管应插至距孔
19、底510cm，随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出，当浆液注满时随即迅速将锚杆插入，锚杆杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%，锚杆插入到设计深度后立即采用锚固剂将锚垫板周围的空隙封堵密实；若插入时孔口无浆液流出，应将杆体拔除重新注浆。所有锚杆安装完成后随即进行钢筋网的安装，钢筋网在加工厂加工成一定规格的网片，然后运送到现场进行安装，网片交叉处和锚杆焊接牢靠。5.7.3 喷射混凝土施工喷射砼前应对空压机、喷射机进行试运转，经检验运转正常后，应对砼拌合料输送管道进行送风试验、对水管进行通水试验，不得出现漏风、漏水情况。喷射混凝土喷射时，喷嘴应尽量垂直于岩面，并偏向于新喷好的部位，倾角控制在10以内，
20、在此角度范围内喷射回弹量小而且喷射混凝土密实度、平整度都比较好。其次，喷嘴距离岩面的距离也是相当重要的，喷射距离最好控制在0.61.2m范围内，为防止喷射混凝土飞溅的石子对喷射手造成恐惧，应给喷射手配备安全防护面罩。5.8开挖及支护级围岩采用预留核心土的方法开挖，核心土的作用除对掌子面和拱部围岩起稳定作用外，还可做为人工操作平台，便于及时施作初期支护，所以核心土的预留必须有一定的长度和宽度，核心土到拱顶的尺寸以满足人工作业为准，高度一般为22.5m，核心土长度35m，上顶面宽度留56m，便于人工对边部工字钢的架设。核心土的刷坡坡率取1:0.50.75，以保证核心土体稳定，如果核心土体有滑动面或
21、破碎时，可对土体进行临时支护和喷射混凝土封闭处理，以确保人工在平台上作业时的安全。隧道洞身采用短台阶法开挖，台阶总长度815m，开挖循环进尺控制0.75-1.0m，初期支护紧跟开挖面，开挖方法为光面爆破。上台阶 1-1上台阶 1-2核心土下台阶 2-2核心土 2-12-1图5.7.1 V级围岩隧道开挖示意图5.8.1 开挖支护步骤开挖导坑上半断面（留核心土弧形开挖1-1）上导坑拱部初期支护开挖上台阶核心土(1-2) 交错开挖下半段面左，右侧壁导坑2-1下半段面左、右侧壁导坑交错初期支护下半断面核心土开挖2-2仰拱初期支护仰拱二次衬砌、仰拱填充。5.8.2 开挖注意事项5.7.2.1 施工中严格
22、控制各开挖分部循环进尺，开挖和支护工序必须衔接紧密，以减少围岩变形。5.7.2.2 各部的开挖必须在邻近作业面的初期支护达到一定强度后进行。5.7.2.3 加强对围岩和支护的动态监测，根据量测数据及时判断围岩和支护的稳定情况，如有异常及时处理。5.7.2.4充分利用掌子面变化情况，分析、预报前方地质情况。5.9 监控量测现场监控量测，是在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为喷锚支护和二次砼衬砌的参数调整提供依据，及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案，以达到安全、经济、快速施工的目的，围岩量测是施工管理中的一个重要环节，是施工安全和质量的保障。5.9.1 现场监控量
23、测的作用了解围岩、支护变形情况，以便及时调整和修正支护参数，保证围岩稳定和施工安全；提供判断围岩和支护系统基本稳定依据，确定二次砼衬砌施作时间。5.9.2 洞内观察隧道开挖后，立即进行工程地质状况的观察，内容包括：工作面附近围岩岩性，断层破碎带、变质带及岩石种类的观察；节理发育程度、接触面充填物的性质、开挖面稳定状态的观察；开挖面有无松散坍塌剥落现象、有无地下水等观察。以上观察内容均需做好记录。初期支护完成后，对初期支护的状况进行观察，必测内容为拱顶下沉量测、净空收敛量测等，包括支护锚杆是否被拉曲，喷层是否产生裂缝，剥离和剪切破坏，钢支撑有无被压曲现象等。5.9.3 洞外观察洞外观察包括对洞口
24、地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定以及地表水渗透等的观察。6 材料与设备6.1 材料本工法涉及的材料都是建筑用普通材料，无特别需要说明的材料和新材料的应用。6.2 设备6.2.1 混凝土设备混凝土在拌和站集中搅拌，混凝土搅拌机采用JS-750型，自动电子计量配料系统。混凝土搅拌完成后用810 m3混凝土罐车运送到现场。用25T吊车吊运入模。6.2.2 大管棚施工设备序号名称规格型号单位数量备注1潜孔钻台22电动空压机L-20/8台2表6.2.2-1 大管棚施工主要设备一览表6.2.3 土石方开挖设备序号名称规格型号单位数量备注1挖掘机大宇225台12装载机ZL50台23自卸汽车12-15T辆
25、2表6.2.3-1 土石方施工主要设备一览表7 质量控制7.1 质量标准7.1.1 公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）；7.1.2 公路隧道施工技术细则（JTG/T F60-2009）；7.1.3 公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1-2004）7.2 质量保证措施7.2.1 在软弱地层中，开挖循环进尺恪守短进尺、弱爆破、快封闭的原则。7.2.2 最大限度地利用围岩本身具有的支承能力，采取对围岩扰动少的开挖方法和方式。7.2.3 开挖过程中严格按设计控制开挖断面，不得欠挖，最大允许超挖量拱部为15cm,边墙10cm。当出现超挖时，采用C25混凝土回填密实。7.2.4 注浆
26、过程中，注浆终压为2.02.5MPa，并派专人做好记录。注浆结束后检查其效果，不合格者应补注浆。注浆达到需要的强度后方可进行开挖。8 安全措施8.1 建立以项目经理为组长，技术负责人和质检负责人为副组长，安全部、工程部、质检部、设材部、施工处负责人为组员的安全领导小组，配置专职安全员日常巡视。8.2 每班开挖完成后加强观测，发现异常及时汇报。开挖中随时检查边坡仰坡的稳定情况，如有滑动、开裂等现象，应适当放缓坡度，并且在开挖完上层后及时对边坡进行喷锚支护，保证边（仰）坡稳定和施工安全。8.3 电工每天检查电缆、电线，发现破损采取措施后再开工，确保人员安全，电力线路实行“三相五线”制，实现可靠接地
27、。8.4 爆破作业必须做到统一指挥，爆破前调度人员通知受影响的相关人员、车辆撤离到安全距离外，一般距爆破工作面的距离不少于200m。尤其是临空作业，要注意洞口下方行人和车辆，在路口设置警戒岗，爆破作业时通过对讲机确定具体作业时间，将行人和车辆隔离在安全范围内。爆破期间，所有动力及照明电路均断开或改移到距爆破点不小于50m的地点。爆破后立即洒水降尘。9 环保措施9.1配备专用洒水车，对运输便道经常洒水湿润，防止产生扬尘。9.2 对施工使用的工程机械和运输车辆加强维修保养，提高尾气排放标准，降低噪声。10 效益分析10.1 环保效益：汪家坝隧道采用“零仰坡”进洞方式，采用超前大管棚法施工，有效地支
28、撑住了拱顶围岩，防止了开挖过程中围岩的坍塌，保证了施工安全，也使工程质量得到了提高，进洞获得了成功。实施“零仰坡”进洞后，取消了隧道洞口仰坡的大量土方开挖，减少了弃渣也节约了耕地，同时“零仰坡”进洞后洞门与周围环境更加协调，具有较好的生态效益。10.2 技术效益：10.2.1利用大管棚作为松散围岩的超前支护，为安全、顺利地进洞施工创造了条件。通过注浆将松散的围岩固结起来，利用大管棚支护围岩，注浆体和管棚形成一个整体而受力，在隧道开挖轮廓线外构成一个环向的支撑体，有效地阻止了松散体坍塌。10.2.2在洞口浅埋段施工时，要特别强调监控量测，将实地观察与仪器量测并重，并根据收集到的信息及时调整施工工艺参数，做到动态地管理，才能为安全进洞提供有效保障。10.2.3 松散围岩中实施“零仰坡”进洞应注意选时，尽量避开雨季施工，因为松散体在被水渗入后，逐步软化，自稳能力进一步降低，同时孔隙水压力对初期支护产生新的附加应力，将严重影响隧道施工安全。超前大管棚法“零仰坡”进洞相较于传统的大仰坡进洞而言，虽然增加施工时间和工艺难度，但更安全、更环保，具有良好的社会、生态效益。11 应用实例兰州至海口国家高速公路武都至罐子沟段小石村隧道左线进口，洞口左侧为碎石土，右侧为强风化片岩，洞口距离下方人行通道60多米，上坡陡峭。隧道进洞采用“零仰坡”方案，取得了比较好的效果，成功进洞。
