寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术.doc

特长隧道现场观摩与施工技术交流会 寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团有限公司 第 1 页共 7 页寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团第四工程有限公司 胡利平【内容提要】天恒山隧道作为国内第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道，从施工工艺到施工组织，国内没有同类工程经验可供借鉴，规范性的标准和要求几近空白，国外可供借鉴的类似工程也不多见 项目针对该隧道特点，在深入调研和借鉴国内外先进经验 基础上，优化并创新寒区浅埋土质隧道的施工工艺、支护参数，实现严寒地区浅埋大跨度土质公路隧道的快速施工关键词】土质隧道 设计 施工1.工程简介1.1 工程概况天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界，是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程哈尔滨绕城公路东北段的建设，使环路贯通，“一环五射”发挥整体功能对省会哈尔滨及其周边地区的社会、经济发展创造了良好的交通运输环境。

隧道为双洞分离式设计,单向双车道，单洞上行线长 1660m，下行线长 1690m建筑限界为净宽11.5m，净高 5m，考虑本地区的特点，隧道净空断面为三心圆曲墙断面（隧道净面积 A=76.782㎡）隧道设计人行横通道 4 处，车行横通道 1 处，上行线和下行线各设置一处紧急停车带隧道设计行车速度 80km/h，路面采用单面横坡，坡度 2%，上行线和下行线纵坡为双向人字坡，坡度均为1.775%和-0.900%1.2 地形地貌隧道所处地貌单元为岗阜状平原区，地面侵蚀较强，起伏较大，呈坡缓、顶平漫岗式，局部“V”型冲沟发育，切割深度 10～25m前缘与松花江高漫滩后缘以陡坎相接，高差近 40m隧道处植被主要为人工林及耕地1.3 隧道工程地质隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内，地层分区为松嫩平原分区，地层分布主要有白垩系（K）及第四系（Q），本区缺失第三系地层根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果，隧道处岩土主要为亚粘性土，局部见砂层，地基承载力综合评价表显示，5-1、5-2、7-1 和 8-2 地层为软可塑状态的软弱夹层，对隧道施工极为不利1.4 气候、水文地质特性隧区位于北寒带气候区，冬季长达五个月之久，春秋季节较短,年平均气温为 5.7℃，极端最高气温 39.1℃,极端最低气温－41.4℃；年平均降雨量为 523.3mm，降雨期集中在 6～8 月份；年平均蒸发量 1507.7mm；最大冻深 2.05m，地面稳定冻结日期为 11 月下旬，稳定解冻日期为翌年 4 月中旬。

特长隧道现场观摩与施工技术交流会 寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团有限公司 第 2 页 共 7 页隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水，赋存于软可塑及软塑压粘土层中，钻孔后出现渗水现象，经测量计算 24 小时渗水量为 12.2L/m2，受大气降水补给，受季节影响，水量变化大2.隧道主体设计与施工2.1 隧道主体设计方案2.1.1 围岩分类隧道围岩比较单一，主要为粘性土，局部见砂层隧道处构造不发育，隧道围岩受地质构造影响程度为轻微影响根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中规定，天恒山隧道围岩分级以Ⅴ、Ⅵ级为主，其中Ⅴ级围岩占 57％，Ⅵ级围岩占 43％2.1.2 衬砌支护参数暗洞衬砌结构按新奥法原理设计，采用复合式支护结构形式初期支护以型钢拱架、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水层，二次衬砌表面设保温防火层。

2.1.2.1 初期支护初期支护参数的选取主要依据工程类比确定，各种围岩及断面条件下的支护参数见表 1表 1 隧道衬砌结构支护参数表初期支护 二次衬砌围岩类型锚杆喷混凝土钢筋焊接网 钢拱架 拱圈 仰拱备注Ⅵ级及洞口段φ25 长 4m(0.5m×1.0m)28cmφ8 间距(两层)20cm×20cm20a#工字钢架(间距0.5m)55cm 55cmΦ50 双层小导管注浆支护标准断面Ⅴ级φ25 长 3.5m(0.75m×1.0m)25cmφ8 间距(两层)20cm×20cm18#工字钢架(间距0.75m)50cm 50cmΦ50 小导管注浆支护过渡段 Ⅴ级φ25 长 3.5m(0.75m×1.0m)25cmφ8 间距(两层)20cm×20cm18#工字钢架(间距0.75m)55cm 55cmΦ50 小导管注浆支护加强段 Ⅴ级φ25 长 3.5m(0.5m×1.0m)25cmφ8 间距(两层)20cm×20cm18#工字钢架(间距 0.5m 60cm 60cmΦ50 小导管注浆支护汽通扩大断面Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 4.0m(0.5m×1.0m)30cmφ8 间距(两层)20cm×20cm20a#工字钢架(间距0.5m)65cm 65cmΦ50 小导管注浆支护紧急停车带Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 4.0m(0.5m×1.0m)30cmφ8 间距(两层)20cm×20cm20a#工字钢架(间距0.5m)65cm 65cmΦ50 小导管注浆支护汽通加强段Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 3.0m(0.5m×1.0m)20cm φ8 间距 20cm×20cm12.6#工字钢架(间距0.5m)45cm 45cmΦ42 小导管注浆支护汽通过渡段Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 3.0m(0.75m×1.0m)16cm φ8 间距 20cm×20cm 10#工字钢架(间距 1.0m) 40cm 40cmΦ42 小导管注浆支护人通加强段Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 3.0m(0.75m×1.0m)16cm φ8 间距 20cm×20cm10#工字钢架(间距0.75m)40cm 40cmΦ25 超前锚杆人通过渡段Ⅴ级Ⅵ级φ25 长 3.0m(1.0m×1.0m)16cm φ8 间距 20cm×20cm 10#工字钢架(间距 1.0m) 35cm 35cmΦ25 超前锚杆 特长隧道现场观摩与施工技术交流会 寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团有限公司 第 3 页 共 7 页2.1.2.2 二次衬砌二次衬砌采用 C30 泵送自防水混凝土结构，抗渗标号为 S10。

2.2 隧道施工方案2.2.1 开挖方案在开挖施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则，项目部多次组织相关人员外出参观学习并邀请专家对隧道施工方案进行多次论证根据工程地质特征采用了微台阶法和 CRD法等施工方案2.2.1.1 微台阶法隧道标准断面的标准段，在土体含水量较大、地基承载力较低，开挖后围岩变形较大、自稳能力差，易塌方，需要初期支护尽快封闭成环，仰拱及填充紧跟段采用微台阶法施工微台阶法施工纵断面见图 1； 微台阶法施工横断面见图 2； 微台阶法施工平面见图 3；微台阶法施工照片见图 4ⅡⅡⅡ ⅡⅡ1Ⅱ2Ⅱ4ⅡⅡ1下 台 阶 核 心 土 14 Φ42Φ422超 前 小 导 管超 前 小 导 管Ⅱ Ⅱ栈 桥图 1 微台阶法施工纵断面图 图 2 微台阶法施工横断面图Ⅱ中 台 阶 核 心 土Ⅱ12栈 桥图 3 微台阶法施工平面图 图 4 微台阶法施工照片微台阶法是在超前支护完成后，首先进行上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错位开挖下台阶并及时施作边墙初期支护；适时挖除上下台阶核心土，然后紧跟仰拱开挖和初期支护封闭成环。

上下台阶每循环进尺为一榀拱架间距，仰拱每次开挖支护 2 榀拱架长度；上台阶长度3～5m，掌子面距仰拱初支距离控制在 12m 以内，掌子面与仰拱钢筋混凝土及仰拱回填的距离控制在 15m 以内采用微台阶法施工，同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭，施作时间可以控制在 10 天之内， 特长隧道现场观摩与施工技术交流会 寒区浅埋大跨粘土公路隧道的设计与施工技术中铁十三局集团有限公司 第 4 页 共 7 页到仰拱砼浇筑，施作时间可以控制在 12 天之内微台阶法施工，由于下台阶与仰拱初支距离控制在 6～7m，影响挖掘机对上台阶和仰拱的开挖，同时开挖时仰拱钢筋混凝土施工无法平行作业 2.2.1.2 CRD 法施工天恒山隧道穿越的 5-1、5-2、7-1 和 8-2 软可塑状态的软弱夹层，地基承载力极低，5-2 地层仅 110KPa试验表明：软塑夹层对隧道开挖的变形和稳定性影响较大，其所处的位置不同对隧道的变形影响也不同；拱顶有软塑夹层时，土体无成拱能力；拱腰处有软塑夹层时，上覆土的成拱高度受到影响；在标准断面存在软弱夹层地段，采用台阶法施工，尽管初支拱脚采取了加固措施，但仍发生了下沉，核心土发生整体破坏，没有自稳能力，对稳定掌子面不起作用，洞顶最大沉降18cm，水平最大位移 3.6cm；在跨度 16.83m，高 12.06m 的紧急停车带加宽段和车行横通道口扩大断面段，采用台阶法施工，有支护情况下，拱顶最大沉降约为 30cm，在支护全断面封闭后，隧顶的最大沉降仍然超过 15cm；当采用 CD 法施工有软塑夹层、大跨度段时拱脚的切入变形较大，掌子面的稳定性较台阶法施工好，隧道施工过程中竖向变形较小，但拱肩处变形仍然较大。

因此，为了保证施工安全，对标准断面有软弱夹层段和隧道加宽段采用 CRD 法施工CRD 法是将大断面隧道分部分块开挖，分部封闭成环，先开挖隧道一侧的上部并施作封闭的初期支护和临时支撑，再开挖隧道另一侧的上部且施作封闭的初期支护和临时支撑，最后进行隧道下部的开挖支护，最终形成隧道初期支护和临时支撑网状封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法CRD 法施工工序示意见图 5附 注 ： 1、 本 施 工 方 法 适 用 于 采 用 法 施 工 地 段 2、 侧 壁 导 坑 施 工 中 采 用 钢 架 、 超 前 小 导 管 、 钢 筋 网 、 喷 射 砼 等 临 时 支 护 3、 施 工 工 序 ：① 、 开 挖 右 侧 导 坑 上 半 断 面 ② 、 开 挖 左 侧 导 坑 上 半 断 面Ⅰ 、 右 侧 上 导 坑 拱 部 初 期 支 护 Ⅱ 、 左 侧 上 导 坑 拱 部 初 期 支 护右 侧 上 导 坑 中 隔 墙 临 时 初 期 支 护 及 临 时 仰 拱 支 护 左 侧 上 导 坑 临 时 仰 拱 支 护③ 、 开 挖 右 侧 导 坑 下 半 断 面 ④ 、 开 挖 左 侧 导 坑 下 半 断 面 Ⅲ 、 右 侧 下 导 坑 边 墙 初 期 支 护 Ⅴ 、 左 侧 下 导 坑 边 墙 初 期 支 护 右 侧 下 导 坑 中 隔 墙 临 时 初 期 支 护 Ⅵ 、 右 侧 下 导 坑 仰 拱 初 期 支 护Ⅳ 、 右 侧 下 导 坑 仰 拱 初 期 支 护4、 完 成 隧 道 开 挖 及 初 期 支 护 后 ， 再 进 行 。