[日期：2009-05-15]来源：台村隧道经理部 作者：[字体：
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一、工程概况
1、工程介绍
阌乡隧道地处黄河二级阶地，全长770m，洞口段60m采用明挖法施工，下穿连霍高速公路段274m采用双侧壁导坑法施工，其余436m采用CRD法施工。隧道开挖断面积为164m2，净空断面积为100m2。
2、地质
全隧位于第四系砂质黄土层中，均为V级围岩。土质为灰黄色，疏松、孔隙率大，节理发育，土体间粘结力极差。本隧道施工区域内主要不良地质有黄土陷穴、黄土冲沟及水源抽水井，特殊岩土有湿陷性黄土、松软土及弃填土。
3、连霍高速公路通行情况
下穿连霍高速公路段洞顶覆盖层为10.3m。路面宽度24.5m，公路中线与隧道中线的交角为15°。连霍高速公路是我国东西走向的运输大动脉之一。车流量大，重车多，交通繁忙。通行车辆最大的载重量为450T，平均每天车流量为2240次。
4、施工重难点分析
隧区秦人古墓穴分布密集，且围岩分布不均匀，下穿段高速公路路面要求沉降量控制在5cm之内。因此有效控制沉降是施工的重难点。
二、下穿段支护参数介绍
作业项目
作业内容
拱部超前支护
￠159大管棚双层支护，两环管棚中至中间距为0.4m，管棚环向间距为0.4m，每环127根；大管棚超出设计开挖轮廓线0.3m以上时，掌子面拱部边缘加设￠50超前小导管加固土体。小导管长3.5m，每2.5m施作一环，环向间距为0.4m，每环46根。
掌子面预加固
下穿连霍高速公路段掌子面采用￠25纤维锚杆进行预加固,锚杆长度分为12、8m、4m三种长度，第一环三种长度的锚杆均打设，各约占锚杆总数的1/3，其后每开挖4m打设约1/3的12m长锚杆，保证掌子面前方总有约1/3的锚杆长度大于8m。纤维锚杆间距分2层设置，上部0.8m，下部1.0m，采用等边三角形布置。
初期支护
第一层
拱墙设￠8钢筋网，网格间距为20*20cm。全环喷C25砼35cm厚，拱墙砼内掺入聚丙烯微纤维，设全环I25a型钢钢架加强支护，钢架间距为0.5m，钢架间纵向设¤22连接筋，环向间距为1m，并间隔1m设¤22加强连接筋进行加强，每榀钢架两侧大拱脚处各设4根￠42锁脚锚杆,每根长为4m。
第二层
拱墙设￠8钢筋网，网格间距为20*20cm。全环喷C25砼25cm厚，拱墙砼内掺入聚丙烯微纤维。设全环4肢¤22格栅钢架加强支护，格栅间距为1m，格栅钢架间纵向设¤22连接筋，环向间距为1m。
临时支护
临时侧壁喷C25砼35cm厚，设I25临时钢架，钢架间距为0.5m，临时钢架间纵向设¤22连接筋，环向间距为1m，并间隔1m设¤22加强连接筋进行加强；临时侧壁上半断面设￠50超前小导管，长3.5m,环向间距0.5m，纵向间距2.5m一环。
仰 拱
C35钢筋砼 ，65cm厚。
二次衬砌
C35钢筋砼 ，55cm厚。
三、下穿连霍高速公路段施工方法
1、拱部超前预支护
拱部超前预支护设计为施作双层￠159大管棚。常规管棚的作业方法为湿式钻进，即先钻孔，待钻孔达到设计深度后，一次性安装导管，最后注浆。阌乡隧道下穿段由于土层极其松散，采用湿式钻进成孔后安装管体的过程中塌孔现象严重。按照常规方法难以施作，为此我们采用跟管钻进法来施工大管棚。所谓跟管钻进法指的是边钻孔边安装导管。即管棚体分节制作，待钻进深度够一根导管长度后，就安装一节导管，然后接着钻进，每够一节导管长度后就安装一节，以免塌孔。
跟管钻进法的原理是利用有线导向方法，回旋钻进破碎孔前黄土结构，使用压缩空气排渣，最大限度减小打设施工对周围土体的影响。钻进过程中控制风压，保持出渣通畅。钻进采用一次成孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，钢管前端安装有线导向仪，钢管随进度连续接长，直到设计位置。
采用常规湿式钻进法作业时导管管壁要钻溢浆孔，采用跟管钻进法作业时由于要靠导管作为高压风管排渣，因此管壁上没有溢浆孔。
2、掌子面超前预支护
阌乡隧道前期施工时，通过监控量测我们发现，在离掌子面10多米远的地方地表即开始出现下沉，另外洞内掌子面有外移的现象。鉴于此设计上掌子面按等边三角形布设￠25纤维锚杆，以此一方面来控制掌子面的位移，另一方面通过对纤维锚杆杆体注浆来固结掌子面前方的土体。
纤维锚杆的施作工艺同中空注浆锚杆，即采用煤电钻成孔，插入杆体后注浆而成。
3、下穿段开挖方法
阌乡隧道下穿连霍高速公路段全部采用双侧壁导坑法施工。该双侧壁法是参照台湾高铁的作业方法优化而成的。
3.1与传统双侧壁法的区别
一是侧导洞的大小设置不同。阌乡隧道双侧壁法侧导坑设置的较小，中间导坑5号洞室较大。这样设置的目的是使先行施做的两侧导坑尽可能地减小到围岩的扰动。
二是侧导的初支仰拱封闭时间不同，传统的双侧壁法是在最后才进行仰拱的封闭，而阌乡隧道双侧壁法是在开挖中间导坑之前先封闭侧导初支仰拱，而后再行施作中间洞室，以此来控制沉降量。
三是大拱脚结构不同，传统的双侧壁法大拱脚为素砼结构，而阌乡隧道双侧壁法大拱脚内加设有型钢支撑。
四是临时支撑的弯制弧度不同，阌乡隧道临时支撑弯制的弧度更为圆顺，更有利于控制围岩变形。
3.2阌乡隧道双侧壁法各洞室开挖顺序及步长关系
Ⅰ、⑴拱部及掌子面进行超前预加固。⑵人工开挖①部。⑶必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面。⑷施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚混凝土，架立型钢钢架和I25临时钢架，敷设钢筋网并设锁脚锚杆，安设I25横撑。⑸复喷混凝土至设计厚度。
Ⅱ、⑴在滞后于①部2-3m后（①部由人工开挖，平台过长不利于出碴），机械开挖②部，人工配合整修。⑵必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面。⑶导坑周边初喷4cm厚混凝土。⑷接长型钢钢架和I25临时钢架，敷设钢筋网并安装锁脚锚杆。⑸复喷混凝土至设计厚度。
Ⅲ、在滞后于②部1.5m后（预留1.5m主要是减小②部的一次开挖高度，防止②部坍塌），对侧导小仰拱进行封闭。
Ⅳ、在滞后于①部2m后开挖③部，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同①部。
Ⅴ、在滞后于③部2-3m距离后，机械开挖④部，人工配合整修，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同②部。
Ⅵ、在滞后于④部1.5m后，对侧导小仰拱进行封闭。
Ⅶ、⑴在滞后于④部6m后,机械开挖⑤部，人工配合整修。⑵必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面。⑶导坑周边初喷4cm厚混凝土，架立拱部型钢钢架，安装钢筋网及连接筋后复喷混凝土至设计厚度。
Ⅷ、在滞后于⑤部2m后,开始⑥部、⑦部的施作。
Ⅸ、⑴在滞后于⑦部满足一次仰拱模注长度后开始⑧部的施工，机械开挖，人工配合整修。⑵隧底周边初喷4cm厚混凝土。⑶安设型钢钢架仰拱单元，并接长Ⅰ25临时钢架,复喷混凝土至设计厚度，使之封闭成环。
四、下穿段施工监控量测变形规律
1、地表沉降规律
地表监控量测点位的布设情况：纵向每隔5m布设一量测断面，横向间隔5m布设一个监控点位，每个里程断面共布设9个监控点位。
隧道地表监控量测资料表明：当隧道掌子面未开挖到该断面时，沿隧道开挖方向的地表各点已产生了沉降，开挖掌子面对前方土体的影响范围一般为 0.5h~0.8h(其中：h为洞顶覆盖层厚度)，从布点至洞内掌子面到达地表观测点断面止一般下沉量为4~10mm。地表最终沉落量一般为洞内沉落量的110%~140%，另外地表沉降时间主要取决于围岩情况，一般二衬施作完后75~100天地表沉降趋于稳定。随着隧道的开挖，洞顶地表距隧道中线两侧0.5h~0.9h会出现一条贯通的裂缝，裂缝两侧会出现明显的错台，裂缝宽度为1~2cm。如果开挖暂停5d以上，则对应掌子面的地表会出现一条细微的横向裂缝，与纵向裂缝连通成为怀抱式。地表的横向沉降曲线为一抛物线，距离隧道横向距离越大，沉降越小，在边缘处地表有隆起现象。
监控量测资料显示：开挖期间隧道内拱顶下沉趋势与地表下沉趋势基本一致。地表与洞内沉降时间差一般不超过2个小时。
2、洞内拱顶下沉规律
洞内纵向布设点位与地表位于同一里程断面，横向3个洞室拱顶各布设一个监控点位。
隧道拱顶监控量测资料表明，侧导洞从掌子面开挖到侧导初支仰拱封闭期间，下沉量比较显著，平均3~5mm/d，之后下沉量逐渐减小，平均1~2mm/d。侧导洞下部2、4号洞室落底及侧导初支仰拱封闭作业期间下沉量明显，平均为4~6mm/d。中间导坑5号洞室从开挖到施作大仰拱前下沉较为均匀，平均1~2mm/d，大仰拱开挖期间，下沉量比较明显，平均为4~6mm/d。仰拱施作完成后至中隔壁拆除期间，整个初支形成了封闭的受力结构，拱项下沉趋于稳定，平均下沉量为0~1mm/d。中隔壁拆除后前3d下沉量比较明显，平均为2mm/d，之后逐渐趋于稳定。整个开挖断面侧导下沉量比中间导坑下沉量大，中间导坑拱顶下沉量一般为侧导坑拱顶下沉量的64%~87%。
3、洞内收敛规律
洞内收敛观测点在侧导1、2、3、4号洞室各布设一对量测点位。量测方法为全站仪无接触式量测。
隧道监控量测资料表明，侧导的两个上部洞室收敛量较小，开累为5~8mm。开挖初期3~4天内较为明显，随后每天的变化几乎都在1mm以内。侧导2、4号洞室施作后，布设的量测点位收敛量变化较为明显，2、4号洞室从施作到侧导封闭前平均为3~5mm/d。施作侧导初支仰拱期间，收敛量最大，平均为6~8mm/d。其后逐淅趋于稳定。侧导下部洞室布设的收敛点开累收敛量为19~33mm。中隔壁拆除后整个断面收敛变形前3d较为明显，平均为2mm/d，其后逐淅趋于稳定。
五、下穿段变形控制措施
1、控制开挖进尺及步长间距
根据围岩的稳定情况，下穿段1、2、3、4、5号洞室开挖循环进尺均为一榀钢架间距即0.5m。侧导初支仰拱开挖循环进尺严禁超过3榀钢架间距。仰拱的循环作业长度为5.2m。通过监控量测数据表明：仰拱及时封闭是控制沉降的最有效手段。为此施工中应严控下列步距关系，一是控制侧导初支仰拱的封闭，一般要求侧导初支仰拱距前方掌子面的距离小于5m。二是控制大仰拱的封闭时间，要求中间洞室大仰拱距5号洞室掌子面的距离小于17m。三是控制5号洞室距侧导初支仰拱的距离，一般要求封闭的侧导初支仰拱距5号洞室掌子面的距离为2~3m，两者之间距离过小，势必导致侧导初支封闭期间下沉量增大，距离过大势必延长大仰拱的封闭时间。四是控制二衬距最前方掌子面的距离，一般要求控制在45m以内。
2、控制工序施工质量
建立隧道各工序的质量卡控表，使每道工序质量都处于受控状态，以质量保证隧道施工的安全和达到控制变形的目的。各工序质量要求如下：
开挖：1号、3号、5号洞室掌子面核土面应尽可能的留大。1号、3号洞室底部临时横撑应采用掏槽法进行安装。
钢架安装：拱墙脚下垫槽钢纵向应连成一个整体，钢架应尽可能的贴紧掌子面的土体，钢架接头垫板应密贴，连接螺栓应上紧、数量上足。同一榀钢架各单元拱架应位于同一里程断面内。1号、3号洞室底部临时横撑应紧跟核心土。
锁脚锚杆：一是严控锁脚的下插角度，一般与水平面成45°角；二是严控锁脚的施作长度和数量；三是严控锁脚锚管的注浆饱满度；四是锁脚与钢架的连接必须焊接牢固。设计院在对开挖过程采用大型三维岩土有限差分软件FLAC3D进行模拟计算时，发现锁脚在整个开挖过程中，一直处于受压状态，受到的压力值比较大，而且处于增大的趋势，充分说明锁脚的作用是明显的，锁脚锚杆施作质量的好坏对变形量影响较大。
喷射砼：一是严控喷砼的密实度；二是各洞室接头砼接茌部位的虚碴、浮土应清除干净；三是临时钢架与主拱架的接点部位应加喷砼，该接点部位是应力较为集中的部位，也是施工最薄弱的地方,故而应通过喷射砼来补强。
临时支护：设计上主拱圈为双层支护，而临时隔墙为单层支护，通过前期的施工我们也发现，临时隔墙是引起变形的薄弱环节。因此施工中应严控临时隔墙的喷砼厚度。
加强对洞内施工用水的管理，严禁积水浸泡初期支护基础。
3、洞内初支补强
洞内初支补强采取的措施主要是：增加临时支撑的喷砼厚度；增加锁脚锚杆的数量；水平临时横撑满喷砼；加密钢拱架的间距；加打法向锚杆。
4、初支背后注浆
为了使地层与支护结构密贴，减小地层沉降变形，改善结构受力情况，在初期支护拱部背后进行压浆回填。第一层初期支护施工时拱部预埋φ42钢管，长L-0.5m，环向间距3.0m，纵向间距1.0m，梅花型布置。注浆材料采用1：1水泥砂浆，注浆压力为0.3~0.5MPa，注浆孔喷射砼前应以编织袋封口，以免喷混凝土时堵塞注浆孔。初支背后回填灌浆应分期进行，第1期在开挖1#、2#洞室以后；第2期在3#、4#洞室完成后；第3期在5#～7#洞室完成后,第4期仰拱封闭成环完成以后，施作二次衬砌以前。
5、洞顶地表处理
隧道洞内施工前应对洞顶地表的冲沟、陷穴、人工洞穴、已探明的墓穴等及时进行回填处理，并应完善地表的排水系统。另外施工过程中对于地表出现的裂缝应及时进行灌浆处理，防止雨水顺着裂缝下渗。
6、监控量测数据指导施工生产
围岩监控量测应贯穿于施工的整个过程。监控量测应安排专人进行，过程中要及时对量测数据进行分析,及时绘制各种变形～时间关系曲线，参照收集的以往量测断面施工各阶段的变形量及变形速率来综合预测变形发展趋势及围岩和隧道结构的安全状况，以此来指导施工生产。
监测管理值包括设计值(DD)、警戒值（DT）及允许值（DA）,警戒值（DT）及允许值（DA）是依设计预估变形量的百分比制定。隧道的允许值为100％～125％的设计预估变形量，实际监测变形量不得超过允许值的范围。
①初支监测断面变形量的管理值如下：
开挖阶段
设计值（mm）
警戒值（mm）
日变形速率（ mm）/日
工程措施
侧导坑开挖
40
20
〈6
（1）加设锁脚锚管（2）临时侧壁砼厚度增加（3）水平临时横撑满喷砼（4）增加法向锚杆（5）加密钢架间距
中间上半断面开挖
40
20
〈6
（1）加设超前小导管（2）加密钢架间距（3）初支砼厚度增加
仰拱闭合
20
10
〈6
（1）加设锁脚锚管
②地表沉降观测的监测管理值如下：
项目
离隧道中线距离m
设计值（mm）
警戒值（mm）
允许值（mm）
1
-20
4
2
5
2
-10
20
10
25
3
-5
36
18
45
4
0
40
20
50
5
5
36
18
45
6
10
20
10
25
7
20
4
2
5
8
沉降坡度
1：679
1：350
1：280
③监测警戒等级与应对措施
隧道开挖过程中，当监测值分别超过三级（警戒、设计、允许）监测管理值时，参照下表所示监测警戒等级划分，采取相应的对策。
项目
警戒等级
监测值
工程措施
1
等级I
（1）监测值超越警戒值。
（2）地表或隧道有导常现象，例如位移突然增加或位移加速。
（3）隧道内轻微的突发事件，如发生损坏、表面轻微滑动等。
（1）检查监测程序。
（2）确定发生变形的隧道位置。
（3）提交每日监测报告。
（4）检查是否需要变更施工方法或设计。
2
等级II
（1）监测值超越设计值。
（2）位移情形严重加剧。
（3）对喷砼衬砌或开挖面稳定性有疑虑，喷砼压力过大发生裂痕等。
（1）立即停止开挖施工，采取必要的补强措施。
（2）通知各相关单位人员，立即启动应急预案。
3
等级III
（1）监测值超越允许值。
（2）位移情形严重加剧。
（3）对喷砼衬砌或开挖面稳定性有较大疑虑，喷砼压力过大发生掉块等。
（1）采取等级II的措施。
（2）于事故区域内，禁止任何车辆进入，确保该区域安全。
④变形速率（加速度）管理
变形速率分为日变形速率、月变形速率及日变形加速度。
日变形速率为监测频率的变形量与时间之比值，以R=d/t表示。
日变形加速度（A）为日变形速率的变化率，即后续变形的斜率A=R/t，以显示围岩处于稳定或不稳定状态。日变形速率达到R＞RA(RA--日变形速率注意值，定义为支护架设后3日内的变形量达到警戒值，以DA=DT/3表示)，且后续变形加速度A＞0时，作为补强的施工依据。其变形加速度的判断标准如下表所示：
日变形监测管理基准表
项目
变形加速器
初支状态
判断
1
A﹤0
趋于稳定
依据日变形速率可接受
2
A﹥0
趋于不稳定
预期出现问题
月变形速率决定是否趋于平稳，进而开始施作防水板及后续二衬施工，其监测管理基准如下表所示。此外，最终累计变形量与设计预估变形量的对比，作为监测回馈参考，以决定是否应加强二衬设计，例如增加钢筋配筋量，混凝土厚度或强度等。
月变形监测管理基准表
项目
月变形速率
初支状态
判断
1
0～1
稳定
初支整体稳定完成
2
1～2
趋于不稳定
持续量测
3
2～3
潜变中
考虑后续补强措施
4
﹥4
不稳定
采取必要补强措施
7、高速公路路面防护
路面防护主要是尽可能的减少车辆对初支结构的作用力。具体采取的措施一是对车辆进行限速，在隧道穿越高速公路轴线两侧500m的位置设置减速及警示标语，现场安排高速交警24小时值班，进行强制限速；二是对隧道穿越区段实行间断封闭半车道的方式通过车辆。
六、取得的经验教训及下一步需探讨的问题
1、小导管代替大管棚。小导管技术是我国隧道施工中发明总结出来的一整套成熟的技术成果，日本在学习我国小导管技术的基础上，将大管棚改成小导管修建了“粟山、大贯、第一原、旭丘，北四番丁等城市隧道，横滨市地铁区间及地铁站等，获得了极大成功。台村隧道、阌乡隧道在多次处理小范围的坍塌冒顶时均是通过打设小导管后穿过坍塌段的。大管棚施作时由于对围岩的多次扰动，导致控制沉降的实际作用不大，特别是采用跟管钻进法施工后管壁没有溢浆孔，导管四周存在空腔，虽然最后也要注浆，但由于塌孔等多种原因导致浆液注的饱满度较差。另外在开挖时大管棚只不过承受每榀开挖段（0.6m～0.8m）的荷载，两头都有围岩支撑，因此采用Φ159mm的大管棚也是不经济的。可以考虑采用小导管超前支护及其他辅助措施（如小导管背后背小木板）的综合应用以提高施工速度，降低造价，这样对工程来说才是最有益的。小导管开挖后可以立即施作，有效控制了沉降的应力变化阶段。小导管背后背木板的方法可以在塌方的第一时间对塌落松散土体进行束缚，抵住上部土体防止再次塌方，在函谷关进口下穿流砂段施工中得到了成功的应用，效果很好，相比较阌乡隧道采用Φ159mm管棚，则出现了管棚对其支撑面以下的土体扰动，开挖后支撑面以下土体经常塌方，下方土体塌方又引起管棚缺少支撑，继而管棚发生变形甚至断裂的现象，另外管棚施工周期长影响进度，增加了沉降的时间。当然大管棚也有它自身的优点，在控制大面积塌方的恶性事故和事故的善后补救方面有很好的效果。
2、纤维锚杆的实际效果较差。纤维锚杆的作用本来是为了依靠注浆粘合开挖面土体，使锚杆和围岩粘结形成整体受力，但是在砂质黄土地层，注浆时浆液渗透效果极不理想，与土体粘结较差。相反纤维锚杆的打设扰动了土体，更容易造成塌方，而且拉长了工序的作业时间反而不利于控制沉降。现场我们曾经反复试验注水泥砂浆、水泥净浆、水玻璃、水泥加水玻璃，但实际效果都不理想。
3、中隔壁喷砼35cm后，拆除时较为困难，现场作业时可提前预留“弱点”以利于后续施工。可以在临时钢架与永久钢架连接处、竖撑与横撑连接处填塞空心砖，空心砖抗压强度大可以替代喷砼，拆除时用钢钎打碎即可，大大地加快了拆除速度。
4、临时支撑的加工弧度设计上与初支仰拱的拱架加工弧度不同，现场作业时，可将临时支撑的加工弧度调整为仰拱的拱架加工弧度，这样临时钢架拆下后可用于仰拱之中，便于临时钢架的回收利用。
5、合理划分各洞室的断面大小及钢架节点位置是加快施工进度的有效途径。1、3洞室由于作业空间的原因不能采用机械开挖，因此应尽量减小1、3洞室的开挖断面，适当增大2、4洞室的开挖断面，以利于加快施工进度。
6、设计上要求1号距3号的距离为10m，3号距5号的距离为10m，现场实际作业时，将1号与3号的距离拉近至2m，步距调整后通过对量测数据进行分析，我们发现1号、3号步距拉近对地表的沉降影响极小，1号、3号步距拉近后，整个断面的成环时间可以提前8-10天时间，反而大大地减小了最终沉落量。
