大断面山岭隧道进洞方案优化技术

大断面山岭隧道进洞方案优化技术
陈建中
摘要:在修建河北省保阜高速公路长城岭大跨度公路隧道中，选择进洞方案时，反复对比，充分优化，进洞后洞口围岩最大变形为16mm，小于模拟计算值，从而确保了施工安全，加快了工程进度，综合成本与社会效益均较好。
关键词:土木建筑工程施工山岭隧道进洞方案优化技术
1 概述
长城岭隧道为分离式隧道，位于河北省与山西省的边界，是保阜高速公路工程项目最长的隧道，是控制工程之一。隧道左洞全长4680米，右洞全长4625米。由进口到出口纵坡2%,路面横坡2%，平面位于直线与缓和曲线上，最小曲线半径为1100m。隧道按山岭区、左右线分离，单向三车道进行设计，设计行车速度为80km/h。隧道净宽14.00米，净高8.065米，隧道建筑限界高度5.0米，洞内路面设计采用公路—I级。开挖净空最大面积达到了165.8m2。隧道口年平均气温9.17℃，隧道右线洞口处于与半明半暗偏压段，正常进洞周期长，而且在冬季无法进洞。为此我们将结合长城岭隧道工程实例，对进洞方案进行优化。
2 进洞方案的确定
总结多年的现场经验，对于山岭隧道选择好进洞方案对安全、进度与成本有着很大的影响，本项目根据地形地质与进洞时的气候条件对按设计洞口进洞与增加导洞进洞方案进行了详细比选。选择导洞进洞具有较好的安全性，缩短了施工工期，虽然直接成本有所增加，但综合成本与社会效益都相对较好。
3 设计导洞安全性模拟计算
依照设计图中所提供的隧道洞口地段地质资料，该地段围岩类别定为Ⅴ类围岩，建模参数（弹性模量取1300Mpa，泊松比取0.3，容重取2.3t/m3），结合标准断面开挖和导洞开挖设计图和交叉连拱后隧道断面的相关尺寸建立了二维有限元计算模型（未考虑初期支护）。二维有限元计算模型所取地层的范围是:水平方向上距隧道开挖断面两边的长度分别去42m和37m，垂直方向上，隧道下的距离为洞底的11m，隧道上方按实际地形尺寸取20m埋深。

图 3-1开挖模型（红线范围为导洞边线，绿线填充部分为正洞即将开挖部分）

图 3-2模拟施工位移变形图

由模拟计算图可以看出，位移发生在蓝色区域（洞顶部位），且最大位移变形值19mm，为施工监测提供了依据。
4 导洞与正洞处换拱施工
4.1 换拱施工步骤与方法
先把洞口段半明半暗里程开挖施工至K146+111且初期支护紧跟,且在此断面施做φ50超前注浆小导管；仰拱及仰拱回填施工至K146+110.5；二次衬砌施工至K146+109段。
由内向外换拱区，见下图I区：

图 4-1换拱平面布置图
从K146+136～K146+125段由内向外进行换拱，做到“剥1榀、立1榀、支护1榀”。此段正洞右侧壁由于与导洞右侧壁间距过小无法单独施做支护挡墙，所以取消右侧设计的φ25中空注浆锚杆，改用φ25砂浆锚杆代替，以锁脚锚杆的形式布设，且埋入山体的长度不小于2.5m，在两侧壁间空隙处布设双层φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm，通过喷C25混凝土与山体形成一体。
左侧侧导坑，如图所示Ⅱ区，此段施工里程K146+111～K146+125，由外向内施工，参照设计图纸双侧壁的施工参数，对导坑右侧用I18工字钢及喷20cm厚的C25混凝土进行临时支护。每次进尺不超过70cm，遵循弱爆破、强支护、勤量测的原则。

图 4-2支护挡墙（如图所示Ⅲ区）
从K146+111～K146+125段正洞右侧壁由于与导洞右侧壁间距比较大，可以施工砼支护挡墙，支护挡墙最薄处不小于1.2m；在曲面侧（正洞右侧）按初期支护要求立设钢拱架（22b工字钢），并在拱架外侧处布设φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm，再按设计厚度和强度喷砼支护；直面侧设φ10钢筋网，网格尺寸10×20cm；按立10：1的立模（可采用木模）灌筑C20砼，砼支护墙是由喷砼和C20灌筑砼构成，锚杆作为两层间的连接钢筋。
由外向内换拱区，即中上部台阶的开挖、支护施工，如图所示IV区。此段进尺同样不得超过70cm，采用弱爆破。根据现场实际施工情况，必要时加设竖向临时钢支撑或木支撑。
拆除侧导坑及导坑支撑，开挖如图所示V区岩土。此段根据现场实际情况及监控数据可适当加大开挖进尺。
仰拱施做，如图所示VI区，此段施工由外向内施工，原因主要是排水的问题，同时兼顾围岩收敛。开挖进尺控制在2.5m以内，两个循环之内及时施做仰拱及填充。
4.2 施工监测
为了掌握围岩力学形态的变化和规律，掌握支护结构的工作状态。作出工程预报，确定施工对策，监视险情，确保施工安全。校核理论，完善工程类比方法，为隧道工程设计与施工积累资料。在隧道进洞施工前，必须编制好施工监测方案，对地质和支护状态现场观察；对岩体(岩石)力学参数测试；对周边位移及拱顶下沉进行量测。
现场施工监测项目、方法及频率表4-1

图 4-3位移与时间及开挖面距离关系曲线

4.3 重要注意事项
（1）.根据确定的方案必须做好施工前的一切材料与设备准备工作。
（2）.施工前必须对现场技术人员、施工人员进行培训，并广范征求大家的意见，确保每个环节安全可靠。
（3）.在喷浆之前，必须对需要拱架衔接部位的法兰盘连接的质量进行逐一检查，确保拱架连接可靠。
（4）.现场技术人员必须做好围岩的监测工作，认真听取现场施工人员的意见，通过选判，将有益的意见上报经理部决策层，以便及时调整方案。
（5）. 要求施工队严格按照既定方案施工，杜绝偷工减料及野蛮施工的现象发生。
（6）. 要严格遵循“实事求是”的原则，一切从现场实际情况出发，实行动态控制，确保方案贯穿施工全过程。
（7）.根据既定方案制定出相应的应急预案，以防突发事件的发生，并应配备相应的应急物资。
（8）.实施施工过程全程监控，制定相应值班人员监控表，以便实现动态化施工方案以及原始数据的积累，为以后累计相应的施工经验。
（9）. 发现量测数据有突变或异变时，及时通知现场负责人，并采取应急措施，保证施工作业安全。
（10）.施工中临时结构必须向员工进行安全技术交底，对大型临时结构须进行安全设计和技术鉴定，合格后方可使用。

5 结束语
大断面山岭隧道进洞相对比较困难，如果方案不合理往往会影响工期，严重时还会造成山体滑坡而引起安全事故。因此，拿到设计图纸后，必须认真复核现场的地形、地貌及山体围岩情况。在确保安全的前提下，充分考虑进度与成本，对进洞方案深入优化。本项目在集中团队的智慧后，提出了科学合理的优化方案，隧道进洞后，洞口处围岩最大变形为16mm，小于模拟计算值，确保了进洞安全，同时节省施工时间4个月，综合施工成本节约287万元。为以后类似工程施工将提供更加成熟的经验。

6 参考文献
[1]《隧道施工机械简明手册》第一册，铁道部隧道工程局，1984；
[2]《弹性和塑性力学中的有限单元法》，机械工业出版社，1988；
[3] 《机械设计手册》第三版，化学工业出版社，1994；
[4] 关宝树 . [隧道工程施工要点集.] 人民交通出版社，2003年
[5] 《公路工程质量检验评定标准》人民交通出版社2004年第1版
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