软弱围岩双跨连拱隧道开挖与支护技术

软弱围岩公路双跨连拱隧道

开 挖 与 支 护 技 术

————元磨项目经理部 王武斌

一．工程概况

云南省元（江）～磨（黑）高速公路第1合同段元江二号隧道是一座带中墙的整体式双跨连拱隧道。位于K216+147～K216+345之间，全长198m。元江端26.33m 位于R=240m，Ls=90m，I=0.2～2%的曲线上，其余171.67m为直线，纵坡-5.763%。

该隧道单跨净宽10.24m，净高为7.2m。单跨采用两心圆，边墙侧为曲线，中墙为直线，中墙厚2.5m，隧道净宽为22.98m。

隧道围岩为灰黑色板岩夹青灰色砂岩，在洞身段局部夹有泥岩，强风化厚度10～40m，隧道最大埋深46m。元江端洞口有一发育断裂，受其影响，隧道围岩破碎，对洞室稳定极为不利。地下水位较低，对隧道影响较小。洞身除K216+185～K216+206.5段21.5m为Ⅲ类围岩外，其余为Ⅱ类围岩，隧道按Ⅶ度地震设防。

该隧道由云南省公路规划勘察设计院设计，北京华通公路桥梁监理咨询公司监理，中铁三局铁科公司施工。

二．施工方法及步骤

元江二号隧道由于埋深浅，围岩破碎，跨度大，故采用三导洞半断面先墙后拱法施工。（见附图一：施工程序示意图）

施工步骤：根据山体走向及隧道埋深情况，先开挖左导洞和中导洞，作好左侧边墙格栅钢架喷锚支护，中导洞开挖后灌注中墙模筑混凝土，为平衡左侧隧道大拱拱圈推力，要求在左大拱开挖前即完成中墙顶部防水层，并在中墙右侧用钢管支顶，左侧壁导洞初期支护及中墙建成后，

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打设超前管棚注浆并施作左侧大拱进洞套拱，与此同时开挖右侧导洞，并作好右边墙防水，左侧隧道完成超前管棚注浆后，随后进行上断面大拱开挖，施作挂网喷锚，支立格栅（工字钢）钢架初期支护，整体挂设左洞防水板，然后采用整体式衬砌台车施作模注衬砌，超前30m左右，再进行右侧大拱进洞的施工。

（一）开挖

因本隧道均为Ⅱ、Ⅲ类围岩，故采用短台阶法控制爆破，每次开挖长度0.75～1.0m，局部软弱地段可采用挖掘机或人工开挖，遵循新奥法“弱爆破、短进尺、少挠动、早喷锚、勤量测、紧封闭”的原则。

1．洞口工程开挖及支护

隧道进出口端覆盖层较薄，围岩破碎，按照设计要求，进口端右侧设置3m浆砌片石挡墙，5m明洞衬砌，正交台阶式洞门，出口端左侧设置10m浆砌片石挡墙，正交台阶式洞门。

施工前，首先开挖，砌筑完成边仰坡的截水沟，以防地表水流入隧道。明洞地段施工，采用明挖法施工，边仰坡采用预裂爆破技术，尽量减少对围岩的扰动。

洞口边仰坡及明洞边坡开挖完毕后，及时打设锚杆挂网，喷射混凝土封闭坡面，局部地段边开挖边支护，并尽早砌筑挡墙及洞门，因本隧道洞口开挖支护后较稳定，洞门及挡墙均为洞身衬砌后施工。

2．管棚打设

洞口段覆盖层较薄，约为2～5m，围岩风化严重，节理发育，开挖前先施作超前管棚支护，长度25.1m。

管棚采用φ108×6的热轧钢管，每节长6m，以长15cm的丝口连接，其打设仰角为1o~2o，钢管上间隔25cm钻8mm的小孔，打设完毕后，注入水泥—水玻璃浆液，其水泥—水玻璃体积比=1：0.5，水灰比=0.7～0.9，水玻璃模数m=3，波美度Be’=35，注浆初压力=0.5～1Mpa,

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终压力为2～2.5MPa，注浆结束后用10号水泥砂浆填充，以增强钢筋的强度和刚度。

3．洞身开挖及支护

根据设计意图，隧道按新奥法施工，初期支护要承受全部的荷载，二次衬砌作为保险系数施作，所以对洞身开挖提出较高要求。

两侧壁导洞采用预裂爆破技术，中导洞和左右洞大拱开挖采用光面爆破技术（中导洞断面轮廓要求较低，大拱因拱顶超前管棚的切割作用，无需采用预裂爆破）。 （1） 中导洞开挖

为确保施工安全和节省材料，中导洞的开挖尺寸以满足中隔墙（3.2m×4.98m）结构尺寸及施工作业必要空间，施工中确定选用5.28m（宽）×6.05m（高）。在此选定尺寸时要特别注意，顶部预留工作空间不能小于1m，围岩过软时，合理预留应为1.2～1.5m，以保证中隔墙顶部安设透水管和中墙混凝土浇筑振捣时，作业人员有足够的操作空间，否则会给下道工序回填混凝土造成困难。进口端中导洞开挖100m时，转往出口端中导洞的开挖，进口端开始浇筑中隔墙衬砌混凝土。中导洞开挖采用全断面开挖，开挖炮眼布置如附图二所示，采用一字型直孔掏槽（见下图），炮眼残留率85%左右。循环进尺控制在0.8~1.0m，以刚好支立一榀格栅钢架为宜，同时应严格控制周边孔药量，以减少对围岩的扰动。

④ ⑥ ⑧ ② ③ ① ③ ② ⑦ ⑤ ⑨

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中导洞掏槽眼布置图

装药系数0.43L

爆破顺序1#～3#1段 4#～5#3段 6#～9#5段 （2） 中导洞临时支护

开挖钻眼前先打设拱部超前小导管（φ42×4热轧无缝钢管）15根，尾端穿过格栅与格栅焊接牢固，然后注浆（注：注浆机应选用活塞式）。开挖后立即初喷一层3~5cm早强混凝土封闭围岩，随后利用自制台架人工安设格栅支撑，打设自进式WTD25锚杆，挂网，注浆，最后复喷混凝土，将格栅钢架全部喷满。

中导洞格栅钢架断面采用正方形，主筋为4根φ22螺纹钢筋（主筋中~中间距14cm），连接主筋的斜筋为φ12圆钢筋，格栅钢架由4段组成，采用连接垫板连接，格栅钢架纵向间距根据围岩状况选用0.8m，局部可适当调整，各榀之间用φ20圆钢筋连接。锚杆长度 3.5m，纵向间距0.8m，横向间距2.5~3m，钢筋网采用φ8钢筋，网格间距20×20cm。注意：中导洞临时格栅钢架支立要与边导洞永久支护钢架间隔设置，以便于在支立左右大拱钢架时不发生干扰。

中导洞因是临时支护，中隔墙完成后要拆除，故对中导洞开挖支护的监控量测频率可适当放宽，重点要勤观察。

（3）两侧壁导洞开挖

根据地形及结构整体均衡受力条件，应先开挖左侧壁导洞（覆盖层较薄侧）。开挖尺寸为6.5m×5.4m(高×宽)，左侧导洞超前完成20～30m后，开始右侧壁导洞施工。

两侧壁导洞开挖采用预裂爆破，开挖炮眼布置如图二所示，掏槽眼采用楔形掏槽，以保证周边成型，减小围岩扰动。全断面预裂爆破，循

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环进尺1.0m。

（4）两侧壁导洞支护

1．开挖后立即喷射一层3～5cm厚的早强混凝土，随后人工安设格栅支撑，导洞的永久侧壁打入系统锚杆，临时侧壁及拱部打入局部锚杆，挂网并喷射混凝土，将格栅全部喷满，临时侧壁可适当减少喷层厚度。然后开始打设超前小导管（φ42×4 L=4m），注浆完毕开始进入下一循环钻眼、放炮。导洞中需衬砌的一侧边墙的支护为永久性初期支护，要严格按照设计要求施工，拱部及另一侧临时支护可适当降低标准。支护顺序同中导洞，在此工序中，关键要注意：格栅钢架底脚应打设2根锁脚锚杆，做到注浆密实、焊接牢固。在软弱围岩中，支护系统破坏多由格栅底脚开始。

中导洞及两侧壁导洞格栅及工字钢钢架的设计见附图三~九。 （5）大拱环形开挖及支护

洞口超前管棚地段采用正台阶光面爆破，工字钢架与管棚焊接牢固，软弱围岩地段一般采用人工风镐开挖，开挖前先打入超前小导管（φ42×4）并注浆，注浆压力1.0MpA﬌澟󰀀㇬傉瀀﬌﬌D잉㇬﬌﬌﬌ 詀鸉憢体。开挖时，要挖一段，喷一段。第一遍喷3～5cm的早强混凝土，及时封闭开挖面，每次开挖循环进尺0.4～1.0m，不宜过长。核心土台阶长度一般5～8m，采用挖掘机及自卸汽车开挖运出。

大拱的初期支护是永久性的，其体系与导洞基本相同，在此要注意的一点，拱部的格栅钢架应做成二段，可有效减小拱顶下沉和钢架变形。

支护完成后，监控量测要及时跟上，并及时进行二次衬砌。 三．监控量测

现场监控量测是新奥法喷锚施工的重要组成部分，它不仅能指导施

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工，预报险情，确保安全，而且还可通过现场监测获得围岩动态和支护工作状态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌提供信息依据，还能为隧道工程设计与施工积累资料，为今后的设计与施工提供类比依据。

1．本隧道测量项目及要求 应测项目：

（1） 地质及支护状态观察 （2） 周边位移 （3） 拱顶下沉 （4） 地质超前预报 选测项目 （1） 地表下沉 （2） 围岩内部位移 （3） 围岩压力 （4） 锚杆轴力 （5） 钢支撑内力及外力

在实际施工中，应测项目除地质超前预报因无地质超前预报仪TSP202，采用平推法预测（根据超前导洞）外，其余三项均按照规定仔细进行了量测。量测断面布置一般10~15设一个断面。

2．净空位移和拱顶下沉的量测频率如下

位移速度 距工作面距离 量测频率 10mm/日以上 0～12m 1～2次/日 10～5mm/日 12～24m 1次/日 5～1mm/日 24～60m 1次/日

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1mm/日以下 60m以上 1次/周

3．量测数据的整理与应用

（1）净空位移（拱顶下沉和周边位移）量测

量测后对量测数据通过及时整理，绘制位移（u）——时间（t）的关系曲线。

（2）当隧道喷射混凝土出现大量的明显裂缝或隧道支护表面任何部位的实测收敛值已达到允许值的70%，且收敛速度无明显下降时，应及时根据实测值找出回归方程，绘出回归曲线，由回归方程推算最终位移值，若最终位移值接近或超过下表的净宽允许相对位移时，应立即采取补强初期支护措施，并改变支护设计参数。

净空允许相对收敛值（%）

允许相对位移值 围岩类别 Ⅱ类 Ⅲ类 覆盖层厚 ＜50m地段 0.2~0.8 0.15~0.50 覆盖层厚 50~300m地段 0.60~1.60 0.40~1.20 注：表中的数字是无量纲数（最大位移值/主洞跨度）来表示的，硬岩取表中上限，软岩取表中下限

（3）当隧道净值收敛值的速度明显下降，收敛量已达总收敛量的80%～90%，且水平收敛速度小于0.15mm/d，或拱顶位移速度小于0.1mm/d时，一般可认为围岩基本达到稳定，此时方可进行二次衬砌。 （4）洞内施工监控量测流程

施工设 计 图 监 控 量 测 施 工 是 判别

否 理论与数值分析 ７ 工程结束

四．施工特点修 改 设 计 监控量测结果 三导洞法是软弱围岩状态下公路双连拱隧道最佳的施工方法，尤其是在覆盖层较薄，围岩破碎的情况下，在施工中采用分部开挖，分部封闭，自下而上完成开挖、支护和衬砌，减少了对围岩的扰动，使围岩的变形得到有效控制。

其中关键施工技术主要包括：

1．保证合理的分部开挖断面和平顺的开挖轮廓线，减少对围岩的扰动；

2．及时施作符合质量要求的初期支护，并使开挖断面尽早闭合，控制围岩变形。

3．加强对围岩和支护结构的监控量测，并通过收集、整理、分析，指导施工。

其优点：

1．能有效控制围岩变形和地表下沉量。由于采取分部开挖，分部支护封闭，将大断面改为小断面施工，支护体系能及时、充分地发挥作用，减少对围岩的扰动，使围岩的变形和地表下沉量得到控制，尤其是在软弱围岩状态下，必须按照三导洞法施工，左右侧壁导洞的边墙支护先期完成，才可进行大拱开挖。同时要考虑地表山体走向。

2．作业安全可靠。在施工过程中，充分利用中间核心土（留5～8m）的支撑作用，以格栅锚喷混凝土为支护段，自下而上地逐步完成开挖。支护衬砌作业，使大拱部开挖后的支护结构座落在坚实的基础上，不会产生大的下沉坍落，提高了施工的安全度。关键：在大拱开挖过程中，必须留核心土。

3．采用格栅（工字钢）钢架与锚杆、挂网、喷混凝土相结合的柔

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性支护，能很好适应围岩的变化，而且支护刚度能随喷混凝土强度的增长而增大，使支护结构与围岩形成一个整体，充分发挥围岩自身的承载能力。

4．应用监控量测作为指导设计施工、确定工艺参数的依据，通过信息反馈，使整个施工过程处于受控状态。

5．超前开挖的中导洞，可起到地质超前预报作用。

6． 此三导洞法适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩无水的各种软弱土质，对于浅埋、大跨度的公路双连拱隧道尤为适用。

其不足：

中墙完成顶部铺设防水层后，在左右洞大拱格栅钢架支立焊接时，中墙侧格栅拱脚垫板因与中墙顶预埋钢板连接，而将中墙顶防水层破坏，造成部分地段中墙顶施工缝渗水。

五．施工安全措施

在软弱围岩状态下，采用三导洞法施工大跨度双连拱隧道，除应遵照《铁路隧道施工安全规则》执行外，为确保施工安全，还应采取以下措施。

1.全员安全意识教育。

2.针对三导洞施工特点，参照有关安全规则制订相应安全规章制度。 3.强化量测人员的安全技术素质，完善其岗位职责。

4.各分部开打基础开挖在完成严格规定的进尺后，必须立即架设格栅支撑，并喷射3~5厘米厚的早强砼，以减少围岩松弛变形。

5.相邻导洞或大拱的开挖必须在邻近作业面的初期支护具有一定刚度后实施。

6.开挖侧壁导洞后，大拱开挖不能滞后太长，应迟早使大拱初期支护闭合。

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7.局部过度松散破碎地段，应根据量测分析结果，适时加强超前支护。

8.在左右大拱开挖之前，必须作好中隔墙砼另一侧的平衡支撑工作，以防止中隔墙偏压开裂。

9.利用超前导洞，加强地质分析及预防工作。

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2002-02-18