1、高速公路黄土隧道出洞方案磨湾 1#隧道左线出洞方案1.隧道概况吕梁环城高速公路磨湾 1#隧道位于山西省吕梁市离石区信义镇磨湾村，隧址位于黄土残垣丘陵区，围岩为离石组黄土，岩性为粉质粘土，坚硬状态块状整体结构， 隧道采用分离式断面， 净宽 10.25 米，净高 5.0 米，两侧设检修道，内轮廓考虑结构受力有利及便于施工，一般衬砌断面内轮廓采用三心圆。 洞门形式采用端墙式， 明洞段设置偏压挡墙。隧道右线起讫里程： K23+326至 K23+655，长度 329 米，隧道左线起讫里程： ZK23+315至 ZK23+605，长度 290 米。结合磨湾 1#隧道左线出口洞地势地质情况，洞门采用端墙式洞
2、门，无偏压挡墙。2.出洞方案的确定2.1 施工条件磨湾 1#隧道左线出口地势较陡，树木较多， ZK23+315-ZK23+400 段，洞顶埋深 0-43.9 米，围岩由第四系中更新统（ Q2）坚硬 - 可塑黄土（粉质粘土）组成。洞口仰坡（ Q2）黄土破碎，垂直节理发育，受雨水冲刷易形成溜滑， 仰拱稳定性差， 地表及洞身范围内未见地下水分布。施工面临的困难是：场地狭小，且林地居多，征地困难，代价高，桥梁施工已经占用较多场地；工期紧张，隧道不能停工；出口地势陡峭，临时设施选址无果；桥隧紧连，施工平台不能满足需要；施工便道不能满足材料与设备的运输；辅助施工措施风、水、电无法从临近接通；2.2 地质条
3、件分析项目部实地测量并结合施工设计图纸与现场刷坡揭露的地层进行比较，地质条件与设计相符，结合进口段的施工实际情况，以及监控量测数据分析，出口端地质条件洞口土体较稳定， 垂直节理较发育。 2.3 洞口施工方案结合现有的施工条件， 项目部对出洞方法进行了大胆的构想 -单向出洞。具体施工情况如下：严格按设计支护参数施工， 精心组织，步步为营，确保安全出洞。及时组织出口端的施工， 做好洞口边仰坡防护及洞口临时排水系统，排查洞顶的冲沟、暗穴等隐患。按设计要求施作出口端超前管棚，要求在洞内开挖至 ZK23+350 前十四天完成，以保证管棚的支护强度，充分发挥管棚的作用，如果管棚施工滞后，则要求洞内上台阶开
4、挖至 ZK23+350后停止掘进，等待管棚施工， 管棚施工后要保留管棚施工的原始土体平台， 以保证贯通时的土体稳定。进入出口端浅埋段时， 仰拱、二衬的安全距离要符合建管处要求，分别控制在 30 米， 40 米以内。上台阶每循环开挖一榀， 先行贯通，在贯通前要保证管棚在大里程端有至少 5 米的仰拱成环。上台阶贯通后， 第一时间施作洞口仰拱， 在最短的时间里消除逆坡开挖的不利因素，最大限度的提高管棚的支护作用；待洞口段仰拱施作完成后， 由内向外按建管处要求的安全距离和开挖步距，上台阶每循环开挖一榀，下台阶三榀，仰拱三米，依次开挖贯通；在此过程中，必须加强地表和洞内监控，地表设四排监控桩，监控边坡稳
5、定性， 根据检测结果适当提高监控频率， 发现异常及时停止开挖，修正开挖出洞方案；施工过程中，必须保证设计支护参数，加强锁脚，控制好沉降，根据进洞时监控变形量结果，适当调整预留变形量，坚持 “短进尺、强支护、早成环，勤量测”的原则。2.4 单向出洞可行性分析针对单向出洞施工的可行性，项目部综合分析如下：（1）地质条件：结合施工设计图纸与现场刷坡揭露的地层进行比较，地质条件与设计相符，结合进口段的施工实际情况，以及监控量测数据分析，出口端地质条件洞口土体较稳定，垂直节理较发育，采取防护措施后，边仰坡稳定性易于控制。（2）地形特征：洞顶地形较缓，隧道洞口覆盖层较厚，逆坡开挖的风险较小，利于边坡稳定，
6、利于出洞施工。（3）洞口设计：磨湾 1#隧道进出口均采用 30 米长的大管棚作为主要超前支护形式。大管棚用钢管为 1086 热轧无缝钢管，钢管上按梅花形间距 75cm钻 8mm的小孔，钢管节长为 3m和 6m，用长15cm丝扣连接，设上抬角度 1。管棚设计增加了单向出洞缩短保险距离的安全性与可操作性。（4）开挖方法：综合对比了各种开挖方法，项目部拟定采用台阶分部环形留核心土法施工，既能确保掌子面与边仰坡的整体稳定，又能及时封闭拱架确保安全， 结合进洞的时的经验， 此法工人操作极为熟练，可控性较好，措施比较到位。（5）施工实践：在磨湾 1#、2#隧道进洞段成功的克服了严重偏压、浅埋段长、地形条件
7、极差、 暗穴、初支变形量大等众多不利因素，通过各种措施，安全进洞。（6）出洞口轻微偏压：从现场地形可以看出，出洞口略有偏压，可以通过及时施作明洞回填避免。综合上述分析，项目部拟定的单向出洞施工方案是可行的。2.单向出洞施工3.1 出洞施工顺序为确保隧道单向出洞安全实施，项目部拟定施工顺序如下：上台阶掘进 下台阶落底隧道出口边坡防护、管棚施工仰拱跟进至管棚 二衬跟进大里程段 5 米隧道贯通 洞内二衬跟 洞内仰拱向 隧道出口明进贯通 外掘进贯通 洞暗 洞仰拱3.2 管棚施工超前管棚施工磨湾 1#隧道和磨湾 2#隧道均采用 30 米长的大管棚作为主要超前支护形式。大管棚用钢管为 1086 热轧无缝钢
8、管，钢管上按梅花形间距 75cm钻 8mm的小孔，钢管节长为 3m和 6m，用长 15cm丝扣连接，设上抬角度 1。主要施工工序：套拱施工、设备进场设备安装、调试定位、定角度钻孔清孔检查钻孔质量装入钢管、堵孔高压注浆。套拱施工：混凝土套拱作为管棚的导向墙，在明洞外轮廓线以外施作，套拱内埋设 I18a 工字钢支撑， 钢支撑与管棚导向管焊成整体，导向管安设的位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚质量，用全站仪以坐标法在工字钢架上定出平面位置， 用水准仪配合坡度板设定导向管的倾角，用前后差距法确定导向管的外插角。钻孔：利用潜孔钻进行钻孔，钻头直径采用 115mm。每钻进一节续接下一节钻杆，直至钻到设
9、计位置。钻进时产生塌孔、卡钻现象时，必须注浆后再钻进。在钻孔过程中认真作好钻孔记录，及时对岩屑进行地质判断，做出管棚段的地质预报。清孔：利用高压风或高压水将孔内余碴清洗干净，以防插管时卡管。检查钻孔质量：对正在钻进的钻孔及插入钢管的弯曲度进行测定，必要时加以修正。装入钢管：钻孔检查合格后，将钢管连续接长装入钻孔，管棚顶进采用挖掘机顶进。由于接头是薄弱环节，钢管连接要确保质量，以防开挖过程中脱节断裂，引起塌方。为使相邻钢管的接头前后错开，首节钢管采取 3m和 6m两种规格间隔进行安装， 保证同一断面内的接头数不大于 50%，相邻钢管接头至少错开 1m。堵孔注浆：堵孔质量的好坏，直接关系到注浆的效
10、果。堵孔包括钢管自身的封堵和钢管与孔壁之间空隙的封堵。 钢管自身封堵时， 在钢管最外端 1.5 2.0m 范围内不设置注浆孔， 管口用一块 35mm厚，其上凿孔的钢板封堵。 钢板上焊接一根与注浆管等直径的小导管。 钢管与孔壁之间空隙封堵时， 利用自制工具将早强水泥砂浆塞入孔口封堵，同时插入 10 的塑料排气管。 封堵材料装入孔内长度不小于 1m，以确保封堵质量。注浆：利用注浆泵将注浆液压入孔内， 注浆初压力控制 0.5-1Mpa 左右，终压达到 2Mpa，持压 15 分钟后停止注浆，在注浆结束后清除管内浆液，并用 M10水泥砂浆充填，以增强钢管的刚度和强度。在注浆结束后与设计注浆量对比分析，
11、以便调整注浆参数，保证注浆效果。开挖：待水泥浆硬化固结后，先行开挖上半断面，为减少对围岩的扰动和不破坏注浆帷幕， 采用人工配合挖掘机开挖。 开挖按照短进尺、多循环、及时支护的原则施工，力求最大限度地限制岩体的松弛变形。当管棚长度埋入围岩中还余 1.5 2.5m 长度时，终止开挖，准备施工超前小导管。管棚施工注意事项：为保证施工质量，必须做好钻机定位，要求钻机与设定好的导向管方向平行， 精确核定钻机位置， 确保钻机钻杆轴线与导向管轴线相吻合。在进行正式钻孔前，选 2 个以上钻孔先行试钻，而后进行正式钻进。超前大管棚施工工艺框图：钢花管制备制备试件施工套拱、导向管钻孔机具就位钻孔清孔安装钢花管安装
12、注浆阀压注化学浆液压注水泥砂浆安装止浆塞钻孔机具准备浆液制备合格 试件试压开挖在进行高压注浆之前，一定要将各孔口封堵完好，并在封堵时插入 10 的塑料排气管，以便管内空气顺利排出，保证注浆效果和管棚施工质量。钢管间的连接要保证质量，以免在开挖过程中钢管脱节，引起塌方。在注浆过程当中，认真记录各孔的注浆量和注浆压力。3.2 正洞施工隧道出洞采用台阶分部弧形开挖法施工，严格执行 “先探测、管超前、短进尺、弱扰动、强支护、快封闭、勤量测”的原则。先探测洞口段垂直、柱状节理较发育，易受大气降水的冲蚀而滑坡，边坡稳定性较差，且可能存在黄土陷穴、落水洞等，开挖前必须先进行探测，探明是否存在不利的地质因素，
13、为洞口段施工方案的确定，提供依据。探测可结合管棚施工进行，以节约成本。施工时，可以根据探测需要在开挖面布设三个及以上探测孔，利用潜孔钻进行超前探孔，做好探孔掘进记录，进行合理的数据分析，判断是否存在不良地质情况。管超前超前管棚、超前小导管对于隧道施工安全尤为重要， 在黄土隧道施工中更加凸显其重要意义。超前小导管采用 42 的无缝钢管制成小导管。 每根小导管 3.5m，管头呈 30的锥形体，端头花管长 2.5m，花管部分钻有 8mm的孔眼，为保证钢管强度，杜绝烧孔，必须钻孔，交叉排列。注浆是超前支护过程中一个很重要的环节，直接影响加固效果和超挖控制效果。黄土隧道中浆液的扩散半径有限或没有，但注浆
14、后浆液可以将钢管内、钢管和钻孔间隙之间填满，达到较好的超前支护效果。施工中要注意以下几点要求：1、采用超细水泥制作浆液，浆液中添加适量的膨胀剂，必要时添加速凝剂；2、严格的控制注浆压力，应根据地质条件、工程所需加固范围等，通过现场试验确定，一般控制在 l.0MPa 1.5MPa之间；3、注浆必须安装止浆阀，顺序本着“先两边，后中间，先下后上”的原则逐次对小导管进行注浆， 然后等待一段时间才可以进行弧形开挖；4、拱顶适当缩短小导管间距，以保证拱部注浆效果，即确保了施工安全，也有效的减少掉块、坍塌，保护了“自然拱” ，最大限度的发挥围岩的自承能力， 减少了喷射混凝土的浪费， 有效的控制了成本，缩短
15、了工序循环时间；5、严格的控制钻孔、注浆等环节，最大限度的保护小导管的刚度，使其达到梁的作用，开挖过程中对拱顶上部起到较大的约束作用；6、在小导管超前支护的施工过程中，适当安排施工工序，合理选择小导管的直径、长度、外插角等参数，控制好影响施工进度、施工质量的关键。 同时，根据实践经验对小导管布置参数进行一系列优化，在保证施工质量的前提下减少循环次数。短进尺黄土隧道开挖综合考虑施工安全、质量、可操作性，根据实际施工情况和地质条件，我们制定了台阶分部弧形开挖法。台阶分部弧形开挖法的实施必须牢牢的坚持短进尺的原则， 台阶长度控制在 4-6 米，开挖进尺为 1 榀拱架间距， 尽量缩短上下台阶施工间隔时
16、间。施工过程中，上台阶开挖 8-10m，下台阶开挖 5-8m，安排仰拱施工，仰拱与掌子面的距离不大于 30 m，二次衬砌距离掌子面不大于40m，并尽量缩短仰拱、二次衬砌与掌子面的距离。根据监控量测情况，根据进洞经验洞口段仰拱与掌子面的距离需控制在 20m-25m，才有效的控制了洞口段的沉降，确保了施工安全。弱扰动上台阶轮廓线内采用挖机配合环刀开挖，轮廓线范围内人工开挖，避免机械开挖对土体的扰动，洞口 15 米，已人工开挖为主，辅以机械。为了保证掌子面稳定，减少扰动，核心土必须严格按要求预留，不小于开挖面的 50%，厚度不小于 2m（核心土预留成 “凸”字形，便于喷射手施工，保证喷射混凝土局部平
17、整度） 。拱脚预留 50cm，人工开挖，保证地基承载力，控制沉降，土体恶化时，应适当放大。仰拱中部采用机械开挖，基底、两端采用人工开挖，尽量减少对围岩的扰动。强支护拱架制作严禁使用扭、 弯等变形失去应有刚度的工字钢， 严格控制拱架间距，保证支护参数，注意螺栓松紧程度。保证连接筋的连续性、搭接长度、焊接质量，连接筋与钢拱架、钢筋网经纬交错，纵横交织，使初期支护形成整体，发挥其最佳的支护效果，有效地的克服偏压、沉降给隧道安全带来的隐患，保证工程质量，确保施工安全。喷射混凝土源头控制， 严格执行配合比， 严格控制喷射砼表面平整度，避免应力集中，上下台阶连接处，喷射砼时，必须用高压风或水，将表面的粘结
18、土清除干净，保证上下台阶喷射砼的良好连接。根据黄土隧道的特点， 适当的调整系统锚杆数量， 增加锁脚的数量，控制好锁脚与拱架的焊接质量，避免开挖时，机械对初支面的碰损。特殊地段根据实际情况，进行初衬背后注浆，增强支护强度。快封闭依据磨湾隧道台阶分部弧形开挖法施工过程中变形测试结果， 结合陕西省交通建设集团公司和长安大学黄土隧道支护设计与关键施工技术研究的成果， 发现拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值， 根据黄土隧道的变形规律，提出了“快挖、快支、快封闭，二次衬砌仰拱、边墙基础紧跟，二次衬砌适时施作”的黄土隧道施工原则。“快”，快挖、快支、快封闭；“封”，二次衬砌仰拱、边墙基础紧跟；“闭”，二次衬
19、砌适时施作，成环。勤量测1、加密监控量测点，尤其是洞口段，要准确的掌握掌子面每一榀拱架，拱顶沉降的数据；2、增加测量频率，每天三次，及时掌握拱架的沉降情况；3、加强收敛监控，及时的发现拱架变形情况；4、缩短断面检查的距离，掌握好拱架的变形情况；5、加强地表观测，发现裂缝及时填充；6、加强超前地质预报，及时调整支护参数，制定应急预案，防范未然；7、利用 Excel 对监控数据进行及时、准确、形象的处理，最真实的体现隧道的变形情况；8、根据测量结果，及时调整支护参数，预留量、沉落量。4.质量保证措施1、初期支护初期支护的施工要严格按照设计的钢拱架支护间距。钢架制作安装纵向连接筋锁口锚杆施工方法1.
20、1 衬砌钢架在洞外加工房内按设计加工， 根据设计图纸衬砌钢架外轮廓尺寸为喷射砼外缘尺寸加预留变形量减去主筋净保护层， 现场利用特制模具加工成型，每节两端焊上连接板，用螺栓连接。在旁边平整的场地上用全站仪根据设计尺寸放出衬砌钢架大样， 加工好的衬砌钢架应在大样上进行试拼装，控制平面翘曲度在允许的范围内。检查焊点是否符合规范要求，是否漏焊；符合要求的要编号，避免混用。1.2 开挖完成后， 经检查超欠挖及支护面初喷 4cm砼后，测量人员用全站仪放出隧道中心线及衬砌钢架的拱脚位置， 并在衬砌钢架的拱顶中心作上记号。操作工人根据放样安设衬砌钢架。1.3 衬砌钢架片与片之间用钢板螺拴连接，钢架焊接在钢板上
21、，支撑面均采用双面焊接， 焊脚高度不小于 6mm。用22 钢筋作为纵向连接钢筋，与钢架焊接牢固。1.4 先安装上部的钢架，安装时在拱脚处垫上垫板和砂垫层并用锁脚锚杆锁固， 便于安装和开挖下部。 两边边墙分左、右侧错开开挖，相继安装墙部钢架。 安装好的钢架用纵向连接筋连成一体， 将锚杆的尾部焊于钢架上。 安装好的钢架在拱脚处打好锁口锚管， 用早强锚固剂锚固。1.5 钢筋网片施工按设计要求网格间距 20 20cm，在加工场加工的钢筋网片（网片尺寸应超出各形式衬砌的钢架或格栅的间距 20cm，作为搭接长度），待钢拱架安装完成后再安装钢筋网片， 钢筋网片应紧贴岩层面， 钢筋网片之间是焊接的，纵向连接筋
22、应与钢筋网、锚杆头焊接，防止喷射砼时，网片负重而跌落。1.6 喷射混凝土1.6.1 喷砼紧跟掘进工作面，在初喷砼之前，首先将土块清除，然后应用高压风将开挖面的杂物清理干净；1.6.2 砼干料严格按配合比拌制， 严格控制速凝剂掺量， 并添加均匀，确保喷砼的后期强度；1.6.3 混合料拌和均匀，随拌随用；1.6.4 喷射中发现松动土块或遮挡砼喷射的物体时，及时清除；1.6.5 喷射作业严格执行潮喷工艺，分段、分片密封岩面。1.6.6 喷头与受喷面应垂直，并宜保持 0.8 1.2m 距离 ;1.6.7 喷射机的工作风压， 应根据具体情况控制在一个适宜的压力状态，一般为 0.1 0.15Mpa；1.6
23、.8 喷射时，喷射手应严格控制水灰比， 使喷层表面无干斑或滑移流淌现象；1.6.9 有钢筋时，宜使喷咀靠近钢筋，喷射角度也可偏一些，喷射砼应覆盖钢筋 2cm；1.6.10 钢架与围岩之间的间隙必须用喷射砼填充密实，喷射砼应将钢架覆盖；1.6.11 钢架保护层厚按外侧 4cm，内侧 3cm控制。1.6.12 喷射作业以适当厚度分层进行，后一层喷射在前一层砼终凝后进行，若终凝后间隔 1h 以上且初喷面已蒙上粉尘时，受喷面用高压气体浸洗干净，若有较大的凹洼时，结合初喷予以找平；1.6.13 停止喷射作业后，喷射机和输料管内积料及时清除干净，以免混合料结块堵管；1.6.14 喷射砼终凝 2h 后，喷水
24、养护，一般不少于 7d。2、仰拱施工2.1 测量放线测量队确定仰拱底面位置， 要求严格控制仰拱底面标高。 施工前于隧道每隔 3m测放测量控制点，作为仰拱开挖及混凝土施工控制点。2.2 开挖采用挖掘机主体开挖， 人工配合边角开挖。 要求严格按测量队设置的测量控制点或控制线进行开挖，控制好超挖、欠挖，超挖部分由与仰拱同级砼回填。 开挖过程中避免破坏初期衬砌及拱架， 另外要减小开挖时间，加快仰拱施工进度。2.3 清底必须将隧道底部虚碴、杂物清理干净。2.4 作业队技术人员检查标高虚碴清理干净后，作业队技术人员要认真检查底部标高是否正确，避免超、欠挖，保证仰拱砼厚度。2.5 钢筋加工及安设仰拱底经测量
25、员、 现场质检工程师、 监理工程师检查合格后即可进行仰拱钢筋安设。仰拱钢筋采用洞外加工，洞内安设，仰拱钢筋采用洞外加工，洞内安设，严格执行设计要求。钢筋下料时应考虑二衬钢筋连接时的绑扎要求 , 钢筋绑扎同一断面接头不大于 50%，钢筋绑扎的搭接长度满足 25 d35d 的要求且两接头的间距不小于 1.3 倍的搭接长度。2.6 仰拱立模仰拱模板采用 2cm厚木模，模板后背 22 螺纹钢或 42 钢管，用铁丝固定在仰拱钢筋上， 防止浇筑砼时模板跑模。 立模尺寸必须按测量队放线及作业队细部量测线进行， 误差应控制在 5mm之内。模板支撑必须牢固，拼缝间用双面胶带、海绵条连接止浆，拼接完成后须对模板面
26、及拼缝进行仔细检查， 拼缝处如有错台， 须调整至消除错台为止。防止跑模，还应避免来回车辆碰撞。模板架设前应注意在于下一循环仰拱施工的施工缝处应按要求安设止水带，止水带设在仰拱厚度的 1/2 处。将加工成型的 10 钢筋卡由待模筑混凝土的一侧向另一侧穿入，内侧卡紧止水带的一半，另一半止水带平贴在挡头板上， 待模筑混凝土凝固后拆除挡头板， 将止水带靠中心钢筋拉直，然后弯曲 10 钢筋卡套上止水带，模筑下一环混凝土。灌注砼时应设木工值班， 发现问题及时处理。 模板立好报现场质检工程师、监理工程师检查合格后，方可进行下道工序。2.7 浇筑混凝土仰拱采用 C25混凝土，砼施工应严格按砼施工要求进行， 计
27、量要准确。砼由第二拌合站生产，砼运输车运输至工作面，人工浇筑（浇筑前将浮土清理干净，积水全部排除） ，边浇筑边捣固密实，插入式捣固器均匀振捣，捣固棒要竖直，快入慢出，捣固点均匀分布，间距不超过捣固棒振捣范围（ 50 型振捣棒振捣范围在直径 1.1m 左右），并远离模板不小于 10cm，无法用捣固棒的地方使用钎子。捣固以砼不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆为准，防止捣固不密实或泛砂。要求混凝土厚度达到设计要求。2.8 脱模待砼强度达到 2.5Mpa 时（一般为 24 小时后）即可进行脱模，有回填侧可不拆模，待回填后一并脱模。脱模时应注意不要损伤砼，脱模后应对后序砼施工接触面进行凿毛， 将砼表面浮浆凿
28、除， 凿毛以砼碎石半嵌半露为准， 凿毛后用高压水将表面松碴冲洗干净， 并覆盖土工布或彩条布碘钨灯保温养护。5.安全保障措施1、监控量测洞口处覆盖层薄，开挖后围岩自稳性较差，地表易发生沉降，因此隧道邻近贯通时要特别加强对围岩沉降、收敛等的监控量测工作。1.1 拱顶下沉及收敛量测拱顶下沉及净空变位收敛量测， 根据围岩级别、 洞身开挖横断面尺寸和埋深等， 沿隧道纵向在拱顶和两侧墙中布设测点， 以了解地表沉降的横向影响范围。量测断面及测点数量，级围岩按照 5m布设，水平净空变化观测 2 条测线，拱顶下沉量测 3 个测点。水平净空量测在每次开挖后尽早进行，洞内外量测点一定要布设在同一横断面内。 测点布设见下图：拱顶下沉量测收敛量测起拱线位移量测净空变化速度持续大于 1.0mm/d，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统；净空变化速度小于 0.2mm/d 时，围岩达到基本稳定。1.2 位移与支护状态的观察开挖工作面需进行围岩岩质、 断层破碎带、 节理裂隙发育程度
