隧道“零开挖”进洞施工技术研究

隧道“零开挖”进洞施工技术研究

张建波

中铁六局集团广州工程有限公司   广东  广州   510000

摘要：依据习近平总书记于2017年10月18日召开的十九大会议报告中的指示，为贯彻资源节约、环境保护的基本国策，坚持人与自然和谐共生，树立和践行绿水青山就是金山银山重要理念。项目施工对传统隧道进洞方式采用边仰坡开挖、配合长管棚支护进洞的方式，其需要对施工区域原地貌采取先开挖后回填的施工工艺。此施工方式不仅对区域性自然环境破坏大，同时导致自然及施工机械设备等资源较大的浪费，与我国确立的基本国策背道而驰，并因为位于埋深较浅的洞门地段施工，施工环节存在坍塌、滑坡等危险隐患，不利与施工安全质量控制。项目便结合我国的发展趋势，逐步推动隧道“零开挖”进洞施工技术代替传统长管棚进洞施工工艺。总结项目现场施工工艺及方法，本文便围绕隧道进洞施工工艺，对“零开挖”进洞施工工艺与传统隧道进洞施工工艺展开分析与总结，并以宜都至来凤高速公路宜昌段YLYCLX-3标长乐坪隧道为施工样本，详细讲述隧道“零开挖”进洞施工技术的施工内容、要求和施工工艺。

关键词：隧道 进洞施工 “零开挖”施工工艺 传统施工工艺 实际应用

一、工程概况

宜都至来凤高速公路工程YLYCLX-3标长乐坪隧道位于湖北省五峰土家族自治县长乐坪镇洞口村，为一座分离式隧道。隧道洞轴线走向方位角为300°～292°。左幅起讫桩号为ZK29+454～ZK30+980，长1526米，最大埋深204米；右幅起讫桩号为YK29+396～YK30+954，长1558米，最大埋深217米。隧道净空：10.50m×5.0m。照明方式采用电光照明，机械通风。隧道进、出口附近均有村村通道路经过，公路宽3m左右，隧道进口为斜坡地带，坡面多为灌木丛，少量乔木，进口坡面较缓，出口坡面较陡，总体来说，交通条件较便利。

隧道进出口均采用端墙式洞门，隧道洞门、明洞段采用整体式衬砌。现场进洞施工采用“零开挖”施工工艺由来凤端开始施工，左右幅同时施工。

二、长管棚进洞施工

一般来说，根据松弛荷载理论对管棚支护结构进行设计，适用于软弱地层和特殊困难地段，如极破碎岩体，塌方体，砂土质地层，强膨胀性地层，强流变性地层，裂隙发育岩体，断层破碎带，浅埋段等围岩，并对地层变形有严格要求的工程。

钢管直径主要选用8～18cm，钢管中⼼之间的距离一般为0.3m～0.5m。钢管的长度取决于松散破碎的围岩厚度，一般为1000cm～4500cm。钢管以一定向上的角度沿钻孔打入，形成支撑周围围岩的梁结构。为保证钢管的强度，应采用注水泥浆、化学浆液或者细石混凝土、劲性骨架。

长乐坪隧道原设计为长管棚预支护进洞开挖施工，长管棚与套拱组合体系，共同受力。

图一、长管棚套拱支护断面图

图二、长管棚套拱支护纵断图

图三、套拱钢支撑纵断图

管棚采用外直径10.8cm，壁厚0.6cm热轧无缝钢管，前面有一个尖锥，尾部焊加筋箍，管壁四周钻φ12mm压浆孔，孔与孔之间的距离为0.2m，梅花形布置，尾部2.5m范围内不设压浆孔，L=18m，环向50cm布置，共35根，18根为有孔管，17根无孔管，内置φ22钢筋笼，注入M30砂浆，增强钢管的强度与刚度。

图四、长管棚大样图

图五、钢管内置钢筋笼大样图

套拱采用I18型钢，沿隧道方向布置4榀，间距50cm。型钢上布置φ127*4mm孔口管用于长管棚定位，孔口管与型钢采用φ25钢筋固定。钢拱架榀与榀之间采用φ22连接，增强整体性。

图六、套拱钢拱架组装大样图

图七、孔口管固定图

施工程序为：开挖放样周边布孔→机械就位→钻进、安装管棚体→第一节管棚体安装结束→钻杆退回原位→接长管棚→继续钻进安装至设计长度→下一根管棚钻进、安装管棚体→所有管棚钻进结束→安放钢筋笼→注浆→隧道开挖。

（1）钻孔平台搭设、钻机就位

管棚钻孔机必须与放样孔呈水平状，且精准校核管棚钻孔机位置。管棚钻孔机和杆的轴线与定位钢管轴线相重合。

（2）钻孔

①钻孔前，应对放样孔为逐个编号。

②钻孔由拱顶向两侧进行，开始钻进时应该保持低钻速低风压，等成孔 100cm后，钻孔速度以及风压应按照相关地质情况来进行逐步调整。

③一次性成孔需要较好的岩性，钻进过程中产生坍孔或者卡钻时，应进行补注浆后再钻进。

④在钻孔过程中应常用仪量对钢管进行测量钻进的角度，发现偏差超出了设计的要求，必须及时进行纠正，并根据钻机的钻孔情况来判断成孔质量，如在钻孔进过程出现问题应及时解决。如果终孔偏差值仍然超过设计值，原孔位必须用浆液封堵，然后在原来位置进行钻孔。

（3）清孔

①在钻孔过程中应使用地质岩芯钻杆与钻头的配合下进行反复清除浮渣，保证孔的直径和孔的深度，防止孔位堵塞。

②用高压风从孔底向孔口清理钻渣，确保孔内无残留杂物。

（4）验孔

用测量仪器测斜仪检验孔的深度、倾斜的角、钢管与隧道纵向之间的夹角，检查钻孔的间距、深度、直径等，允许偏差为：方向角误差不得大于 1°，孔与孔之间的距离±5cm，孔的深±5cm。

（5）管棚顶进

①孔位验收合格后需对钢管进行编号，并根据编号顺序及时进行分段施工。孔位检验合格后钢管应该及时安装，每个孔的钢管在安装前必须配上编号，安装钢管必须对应编号分段施工

②棚管顶进采用机械和钻机钻进配合施工，这意味着先钻一个比钢管直径的导向管，然后用机械和工人的配合下安装导管。最开始采用工人手动安装钢管，后采用机械和工人的配合下安装导管，直到孔底，满足设计长度。

（6）管棚连接、搭接

①钢管连接采用丝扣连接牢固，丝扣长15cm。

②接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开至少100cm。同一横断面内的接头数不大于二分之一。

③为使钢管接头错开，第一节钢管如编号为单数长度为3m，编号为双数的长度为6m，后续每一节长度为6m。钢管顶端必须打入较好的围岩2m以上。

④单环或终环大管棚尾部5m范围内一般宜设小管棚搭接，纵向两组管棚间的搭接长度视开挖空间大小，掌子面封闭与否确定，搭接长度不小于 3m。

⑤钢管焊接采用单面帮条焊，焊缝宽度不小于2cm；钢管焊接时，电焊机线路做到“一机一闸、一箱一保护”。

（7）管棚注浆

①采用高压水对管棚内的杂物进行冲洗，由下至上的顺序进行。

②可在管道内增设钢筋笼，从而提高钢管的抗弯矩强度，钢筋笼采用3根φ22mm钢筋及环向固定钢筋组成，环向固定钢筋与主筋焊接按照100cm间距布设。

③安装好有孔钢管、放入钢筋笼后，采用砼对孔口的缝隙进行封堵，确保孔口封闭。

④注浆顺序按照从低处向高处、从下往到上，错位注浆。在施工过程中，所有的密封件和阀门在拆卸下来后，应进行及时清洗，为后续施工做好准备工作。

注浆过程中，所有拆卸下来的接头、阀门，安排专人及时清洗干净，以备轮换使用。

⑤注浆压力控制：开始值0.5～1.0MPa，结束值2.0MPa，压力范围一般为1.0～2.0MPa，管满的浆液应该保持15分钟后再停止。

⑥注浆量必须达到设计要求，一般为钻孔圆柱体的 1.5 倍；当注浆量超过限制，但仍未能达到压力要求时，需要对注浆液的浓度进行调整后再进行注浆，以保证孔位岩体与钢管附近的孔隙充填饱满。注浆时先灌注编号为奇数的孔位，再灌注编号为偶数的孔位。

三、“零开挖”帽檐进洞施工

“零开挖”帽檐进洞施工工艺以减少对洞口边仰坡开挖破坏施工，从而保证洞口原生态环境减弱人为扰动，达到施工人与自然和谐共生的一种方法。

“零开挖”帽檐进洞施时，作业队伍无需对洞门以上标高边仰坡土体进行开挖，只需要沿隧道边坡线两侧简易放坡开挖；并在隧道明暗交界处采用φ22砂浆锚杆与喷射混凝土组合形成帽檐支护形式，确保山体稳定性。此施工方式对洞口原生植被破坏小，施工开挖土方量相较于传统管棚进洞施工工艺大大减少，同时因对原地貌人为扰动较小，帽檐支护形式同时施作，保证洞口边仰坡的稳定，阻挡山体可能造成的滑坡、落石，保障隧道施工安全。

（1）施工工艺流程

测量放线→开挖作业平台→帽檐基础地基承载力检测→地基处理→安装钢拱架→安装钢筋网片→安装砂浆锚杆→喷射混凝土→混凝土养护

（2）施工方法

①作业平台施工

现场采用机械对作业平台进行开挖，开挖方式为两阶梯式开挖。第一级平台开挖范围为距离拱部1.4m，高2m，开挖坡比为1:0.5；第二级平台开挖范围高度为2.8m，开挖坡比为1:0.5。每级开挖平台台阶宽度不低于1m，并保证坡比不能大于设计要求。

②帽檐基础地基承载力检测

基础开挖至设计标高后，现场技术员通知项目试验室以及监理单位进行地基承载力试验检测及见证，帽檐基础地基承载力设计要求不得小于0.3MPa。长乐坪隧道洞口帽檐基础地基承载力经现场检测后，地基承载力平均值为0.35MPa,符合设计要求，能够进入洞口下一步施工。

③钢拱架加工

钢拱架根据设计图纸及规范要求，统一于长乐坪隧道钢构厂内加工完成。主拱架采用I20b钢拱架，联结钢板采用220*220*15mm A3钢板联结，钢板之间采用M22*70高强螺栓螺母及垫圈联结。分节加工完成后拱架在标准胎膜上进行试拼装，验收合格后分节运至现场拼接。

A.钢拱架下料：钢拱架分节制作，网格员在下料前进行计算长度且考虑弯曲伸长量以节约钢材，后采用数控弯曲机进行试弯，每次弯曲都应对其校核，直到合格，精准做好转周位置的标记

表一、钢架质量检验要求

图八、钢拱架技工大样图

图九、钢板联结大样图

  图十、型钢分节弯制 图十一、首榀钢拱架胎膜试拼装验收

④钢拱架安装

钢拱架安装前先对隧道中线及拱脚进行放样，效验无误后安装拱架，钢拱架共3榀，每榀中心间距40cm，安装先用临时支撑固定后，及时通过螺栓螺母将各节工字钢连为一整体，然后对拱架平面位置、竖直度及高程进行调整，在确保平面位置、竖直及高程满足规范要求后，用Φ22连接筋焊接连成整体,每榀钢拱架在拱脚径向打入φ22锁脚锚杆稳定钢拱架。连接螺栓必须拧紧。为保证整体稳定，钢拱架一次性安装完成。

图十二、钢拱架机械辅助定位图十三、钢拱架分节拼装

⑤安装钢筋网片

钢筋网片采用φ8钢筋，统一在钢构厂加工，钢筋网片宽为1.1m，长根据现场进行调整,网格间距15cm*15cm，搭设长度30d（d为钢筋直径），焊接牢固，喷射混凝土时不得晃动。钢筋网进行验收，合格后运至现场安装。

图十四、钢筋网片验收 图十五、钢筋网片安装

⑥安装砂浆锚杆

第一榀钢拱架架设完成后，施打Φ22砂浆锚杆，长L=450cm，与第一榀钢拱架形成20°角度施打，环向40cm，拱部120°范围，打入土体深度不少于4.0m，共35根。砂浆锚杆施工要求同边仰坡砂浆锚杆施工要求。

图十六、钢拱架分节拼装

图十七、帽檐纵断面图

⑦喷射混凝土

喷射混凝土采用湿喷工艺，由湿喷机械手完成作业。需喷射30cm厚的C25砼，分层喷射，每层10cm。湿喷作业时应符合以下规定：

A.分层喷射时，待前一层喷射混凝土终凝后吹洗干净下层工作面后进行喷射。

B.喷射混凝土存储时间如未没有添加速凝剂不得超过2小时。

C.喷射混凝土不得挂模喷射。

图十九、帽檐喷射混凝土作业现场图二十、喷头作业

图二十一、帽檐结构现场示意

四、功效对比

长乐坪“零开挖”进洞施工2022年3月25日开始，于2022年4月10日结束，工期17天，期间消耗人工135人次，机械23个台班。相比传统大管棚套拱进洞施工，缩短了工期，节省人工消耗及机械台班，提高了企业效率。具体数据如下：

表二、工期对比分析表

表三、人工消耗对比分析表

表四、机械台班对比分析表

综上表所述，“零开挖”帽檐结构进洞相比传统施工工艺大管棚套拱结构进洞施工，长乐坪隧道进洞施工工期缩短了20天，共计缩减了人工200个工日消耗，节省了机械37个台班。根据现场施工人工平均费用260元/人，综合所有机械平均2000元/台班计算，“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺节约成本12.6万元。

根据现场地质情况排查，宜都至来凤高速公路工程YLYCLX-3标能使用“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺隧道共计四座，洞口总计8座，总共预计能为项目节省成本100.8万元。

五、结语

“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺通过减弱对洞口边仰坡土体或山体人为扰动，最大化维持环境原生态化，并配合帽檐结构支护形式，从而充分确保施工安全、质量。通过对“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺与传统大管棚套拱进洞工艺方案比选，“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺能缩短工期、大幅度减少人机材消耗，并有效减弱对隧道洞口原生态环境的破坏。“零开挖”帽檐结构进洞施工工艺具备高效、节能、环保、经济等优点，能在所有隧道进洞方式选择施工工艺大力推荐。