變截面大跨度隧道快速施工技術(shù)研究

蔡曉明

摘要：在隧道的建設(shè)發(fā)展過程中，隧道快速施工已經(jīng)成為主要的趨勢。本文以毛蓬崗隧道施工工程為例，介紹了變截面大跨度隧道施工過程中的總體施工方案，包括施工關(guān)鍵技術(shù)、施工內(nèi)容，其中詳細介紹了二次襯砌施工工藝流程，實踐表明，二次襯砌施工使得毛蓬崗隧道在施工工期內(nèi)順利建成，這種施工技術(shù)不僅能夠提高施工效率，還具有明顯的經(jīng)濟效益，對變截面大跨度隧道的快速施工提供較高的參考價值，值得推廣。

Abstract： During the construction and development of tunnels， rapid tunnel construction has become a major trend. Taking the construction of Maopenggang tunnel as an example， this paper introduces the overall construction plan of the construction process of variable-section large-span tunnel， including the key construction technology and construction content. The process of secondary lining construction is introduced in detail. The lining construction makes the Maopenggang tunnel successfully built during the construction period. This construction technology not only improves the construction efficiency， but also has obvious economic benefits. It provides a high reference value for the rapid construction of the variable-section large-span tunnel and is worthy of promotion.

關(guān)鍵詞：變截面；大跨度；隧道；快速施工技術(shù)

Key words： variable cross section；large span；tunnel；rapid construction technology

中圖分類號：U455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0139-03

0 引言

隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，高速鐵路和客運專線的修建對現(xiàn)場施工技術(shù)和建設(shè)規(guī)模提出了更高的要求，由于鐵路交叉、上跨等因素影響，隧道設(shè)計演變出多種形式，其中單洞單線合并為大跨度單洞雙線段支護形式多、開挖難度大、變截面較多等因素影響到整個隧道的施工進度，因此，研究大跨隧道快速施工技術(shù)對整個隧道貫通節(jié)點工期起到非常重要的作用。

1 隧道分類簡介

隧道按照開挖的深度不同可以分為小跨度隧道、中跨度隧道、大跨度隧道和特大跨度隧道，按照國際隧道協(xié)會ITA給出的隧道換段面積的大小來劃分隧道主要有以下幾種：①極小斷面隧道，橫斷面積為2-3平方米。②小斷面隧道，橫斷面積為3-10平方米。③中等斷面隧道，橫斷面積為10-50平方米。④大斷面隧道，橫斷面積為50-100平方米。⑤特大斷面隧道，橫斷面積為大于100平方米。本文的研究對象是大跨度隧道同時是變截面的隧道施工技術(shù)，包含了開挖方式、支護方式、建設(shè)過程等等。

2 工程概況

毛蓬崗隧道單、雙線全長9883m，隧道大跨段起止里程為DK31+200～DK32+065，總長度865m，施工方向是自大里程向小里程施工，此段共8個變截面，加寬寬度1.0m～6.6m，由于需要施工的隧道截面變化頻繁、施工跨度逐漸變大，針對隧道的開挖工作難度系數(shù)和危險系數(shù)較大，增加了大跨段的施工難度，研究大跨段快速施工技術(shù)可以提高大跨段施工各道工序的施工效率，滿足施工過程中的各項技術(shù)要求，從而保證整個隧道施工貫通節(jié)點工期，建設(shè)高質(zhì)量的隧道工程。

3 總體施工方案

3.1 施工關(guān)鍵技術(shù)

在上述工程中開展變截面大跨度隧道快速施工技術(shù)研究，其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點：

①利用兩套軟件根據(jù)實際的工程地質(zhì)情況分別建立詳細的三維分析模型，模擬開挖和支護過程，準(zhǔn)確有效地計算沉降變形，確保施工安全。最后將數(shù)值分析結(jié)果結(jié)合實際監(jiān)控量測結(jié)果，建立大跨度隧道工程施工安全等級判別方法和評估體系，建立大跨隧道開挖、支護施工對監(jiān)控量測及沉降影響的預(yù)測方法。

②利用應(yīng)變測量技術(shù)針對型鋼鋼架不同施工階段受力情況進行分析，為保證隧道施工安全和動態(tài)施工提供依據(jù)。

③根據(jù)模擬分析和實測數(shù)據(jù)選擇合適的施工工法，提高施工效率。

④變跨段二次襯砌快速施工技術(shù)。

3.2 施工內(nèi)容

①監(jiān)控量測分析系統(tǒng)的建立及使用。毛蓬崗隧道大跨段變截面較多，地質(zhì)較復(fù)雜，隧道淺埋等地質(zhì)條件，給變截面大跨度隧道快速施工帶了很多不可預(yù)見的不穩(wěn)定因素。

利用MIDAS/FEA和ADINA有限元軟件對大跨段隧道施工進行動態(tài)開挖及沉降的數(shù)值模擬。建立三維空間模型，考慮復(fù)雜的地質(zhì)情況，模擬開挖過程以及支護結(jié)構(gòu)的有效性，計算沉降大小以及其影響。根據(jù)有效數(shù)據(jù)，為下步施工進度提供可靠依據(jù)。

②變截面隧道施工方案優(yōu)化。為了保證大斷面隧道自身的施工安全，需要建立大跨度隧道工程施工安全等級判別方法和評估體系，建立大跨隧道開挖、支護施工對監(jiān)控量測及沉降影響的預(yù)測方法，根據(jù)隧道開挖、支護、襯砌不同的施工階段，建立安全控制指標(biāo)和控制標(biāo)準(zhǔn)及評估與控制體系，形成大跨隧道施工基于監(jiān)控量測的施工控制措施。從而，對變截面隧道施工方案進行優(yōu)化是保證隧道安全施工的前提。同時，根據(jù)建立的風(fēng)險評估體系，需建立相應(yīng)的監(jiān)督機制，以確保該體系在隧道施工整個過程中的有效運用。

③應(yīng)變測量分析。建立大跨段隧道施工監(jiān)控量測和沉降變形的觀測系統(tǒng)。對沉降變形的觀測系統(tǒng)的建立要結(jié)合數(shù)值分析進行，在不同工序施工及轉(zhuǎn)換的時候考慮其對監(jiān)控量測數(shù)值的影響。

對大跨段初期支護鋼架受力系統(tǒng)分析采用埋設(shè)應(yīng)變片的方式，通過實測應(yīng)力分布變化和結(jié)合模擬軟件分析，給大跨隧道施工支護提供一定的參考依據(jù)。

④變跨二次襯砌快速施工技術(shù)研究。大跨隧道快速施工離不開二次襯砌的跟進。根據(jù)鐵道部120號紅頭文件和隧道施工安全九條規(guī)定的要求，針對軟弱圍巖嚴(yán)格控制安全步距。大跨度隧道開挖斷面大，且斷面尺寸復(fù)雜多變，如何能快速高效，保證安全和質(zhì)量的前提下加快二次襯砌施工進度，保證隧道安全步距的要求也是一項重要研究內(nèi)容。

二次襯砌施工前，應(yīng)當(dāng)進行初期支護的驗收工作，主要包含以下幾項：錨桿拉拔力檢測試驗、初期支護混凝土取芯檢查、初支混凝土背后孔洞掃描以及初支斷面尺寸掃描及監(jiān)控測控制情況等等。待驗收合格后，再按照圖1所示的流程進行二次襯砌施工。

第一，工程測量控制。應(yīng)當(dāng)確保隧道中線、標(biāo)高、斷面尺寸以及凈空大小的準(zhǔn)確性，同時還應(yīng)當(dāng)在保證隧道監(jiān)控量測符合相關(guān)規(guī)定的條件下開展二次襯砌；在放樣過程中，可以對襯砌輪廓進行適當(dāng)?shù)臄U大，但是需要保證襯砌不能進入隧道建筑界限。

第二，防排水施工。防排水施工應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，建立完善的防排體系。

第三，鋼筋工程。采用防水板臺車進行二次襯砌鋼筋施工，固定鋼筋頂部可以先進行試拼，自下而上在底部仰拱處預(yù)留出鋼筋進行焊接固定，并通過加設(shè)混凝土墊塊，來保證混凝土保護層的厚度。

第四，襯砌臺車定位。完成襯砌臺車的拼裝，并且驗收合格后再進行洞內(nèi)定位。臺車定位可以分為初步定位、精確校正定位兩步。前者通常通過拱頂標(biāo)高、拱腳標(biāo)高以及中線3點確定。

第五，二襯混凝土施工。該環(huán)節(jié)主要包含混凝土拌和、混凝土運輸、混凝土澆筑、混凝土振搗、二次襯砌混凝土拆模養(yǎng)護等工序。

4 施工進展情況

目前已完成了監(jiān)控量測分析系統(tǒng)的建立和施工方案的優(yōu)化。工作進展情況如下：

①毛蓬崗隧道大跨段地質(zhì)較復(fù)雜、隧道淺埋地段較長，隧道施工過程中不可避免的會遇到各種各樣復(fù)雜的地層，隧道施工方法各不相同。為確保作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全，在進入隧道施工前對其進行有效探測，可防范和規(guī)避風(fēng)險。為保證在安全的前提下加快變截面大跨度隧道施工，利用MIDAS/FEA和ADINA有限元軟件對大跨段隧道施工進行動態(tài)開挖及沉降的數(shù)值模擬。建立三維空間模型，考慮復(fù)雜的地質(zhì)情況，模擬開挖過程以及支護結(jié)構(gòu)的有效性，計算沉降大小以及其影響。結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)，建立了監(jiān)控量測分析系統(tǒng)，根據(jù)有效數(shù)據(jù)，為下步施工進度提供可靠依據(jù)。

②利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，科研小組對大跨段的開挖、出渣、支護、襯砌等工序進行了進一步的研究，完成了施工方案的優(yōu)化工作。

5 施工效果

①對突變斷面應(yīng)用縱橫導(dǎo)洞法施工，采用這種方式可以較好地實現(xiàn)隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面到大斷面的突變，達到工程的預(yù)期目標(biāo)。并且可以有效地縮短工程工期、降低工程造價、施工難度也會有明顯的降低，這些特點都比隧道變由小到大的漸變面方案優(yōu)異許多，在今后的同類工程中也可以大力推廣。

②扁平大斷面隧道開挖后，會造成隧道巖體內(nèi)部空間的壓力分布不均勻，隨著對隧道開挖深度和高度的增加，要求產(chǎn)生的拱作用發(fā)揮作用變小，截面會產(chǎn)生較大的松弛地壓，從而造成拱頂范圍的土體不穩(wěn)定，因此，在施工過程中，需要加強超前支護措施，堅持“先支后掘”的原則，從而有效地保證施工安全。

③變截面大跨度隧道在施工過程中由于采取了正確的開挖方式、有效的支護手段和小導(dǎo)管注漿固結(jié)圍巖及有利的安全保障措施，順利度過了大跨段施工階段，確保了工程質(zhì)量和施工進度，受到了業(yè)主和監(jiān)理單位的一致好評。

6 結(jié)語

通過針對變截面大跨度隧道快速施工這一課題的研究，在研究過程中發(fā)現(xiàn)了工程的復(fù)雜性、變化性和多樣性，在工程前期需要進行詳細、縝密的勘察工作，針對后期可能出現(xiàn)的任何問題與變量都要充分的考慮情況，否則很可能隨著工程的開展使得問題擴大化，同時，在針對變截面和地勢變化情況較為復(fù)雜的地段施工時，要充分地利用好信息技術(shù)建模，對井下巖體環(huán)境做到全面掌握，提高施工質(zhì)量，降低施工過程中的阻力。今后，在隧道施工方面還有許多的實踐研究工作需要加強，尤其是在施工工藝的操作細則和標(biāo)準(zhǔn)以及新技術(shù)、新方法、新設(shè)備和新工藝的結(jié)合方面。

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