复杂地质环境下隧道明洞暗做施工工艺

摘要

本发明公布了一种复杂地质环境下隧道明洞暗做施工工艺，按以下步骤进行，一、测量放线和施工放样，二、洞顶截排水施工，三、边仰坡开挖及其支护；四、土胎模成型施工；边仰坡挖至接近明洞顶标高时，停止大范围开挖，测量人员现场定出明洞衬砌轴线和高程，沿明洞轴线纵向采用预留核心土法挖除两侧土石方；五、现浇混凝土；在成型好的土胎模的外表面设置隔离层，隔离层从内到外依次包括8cm厚级配碎石基层、2cm厚的1:3水泥砂浆找平层和彩条布隔层；六、明洞护拱施工；七、明洞开挖及支护；八、明洞衬砌。该施工方法可有效防止隧道开挖时滑坡、坍塌，保护隧道周围环境，施工便捷、安全可靠。

说明书

技术领域

本发明属于隧道掘进技术领域，尤其涉及一种隧道的挖掘施工工艺。

背景技术

现代隧道建设中，隧道洞口大都埋深较浅、洞顶覆盖层薄、地质条件复杂，为便于早日进洞、确保安全，通常会在隧道进出口两端设置一定长度的明洞。作为隧道明暗交界处的过渡，明洞是隧道的重要组成部分，具有地面地下建筑物双重特点，其作用为衔接明暗隧道，抵抗塌方体、滑坡体外力，支撑边坡稳定等。按隧道“早进晚出”的施工原则，明洞施工是隧道进出洞的关键，直接影响到正洞工期和施工安全，因此，在洞外施工的同时，必须确保洞口明洞早日形成，为后续隧道主体施工创造条件。传统的隧道明洞施工大都采用明挖法，首先开挖明洞段土石方，按设计坡率刷边仰坡并锚喷防护，再向下开挖形成明洞基槽，坑壁支护后立模浇筑明洞结构，最后回填土石方以稳定边、仰坡。然而，隧道明洞所处位置往往存在偏压、地质条件复杂等情况，明挖施工会形成高切坡，基槽开挖造成坡脚削弱，引起滑坡、坍塌和山体失稳等灾难，导致施工中断，这种情况下，设计一种加快进度、保护环境、保障安全几个方面效果均明显的施工工艺显得迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种复杂地质环境下隧道明洞暗做施工工艺，该施工方法可有效防止隧道开挖时滑坡、坍塌，保护隧道周围环境，施工便捷、安全可靠。

本发明的技术方案如下：

一种复杂地质环境下隧道明洞暗做施工工艺，按以下步骤进行，

一、测量放线和施工放样；按照“先复测后控制、先整体后局部、先控制后细部”的步骤，在即将开挖的隧道洞外建立平面和高程控制网，根据设计坐标和直、曲要素进行联测，确保隧道贯通精度要求，随后进行细部测量、实地放样，测放出明暗洞交界里程、边仰坡开挖边线、隧道轴线和洞口高程等，并作明显标识；

二、洞顶截排水施工；截水沟距测放出的边仰坡坡顶线边缘间距不小于5m；截水沟的修建按“避免重复、永临结合”的原则，根据现场具体地形，按设计要求布设，一步到位，基础必须坚实稳固，软弱部位采用换填、夯实等方式处理；

三、边仰坡开挖及其支护；根据测放出的边仰坡开挖边线进行边仰坡挖掘，开挖时应分层分段、自上而下开挖，严禁逆序开挖；为便于坡面支护，开挖分层高度控制在3.0m以内，随挖随支、及时封闭；边坡支护采用锚喷支护，坡面经人工清刷成型；初喷混凝土厚度为3～5cm；锚杆采用砂浆锚杆或自进式锚杆，梅花型布置，铺设钢筋网片并与锚杆联结牢固，然后继续喷覆混凝土至设计厚度，喷射混凝土时采用湿喷工艺，从下往上、分段分片进行；

四、土胎模成型施工；边仰坡挖至接近明洞顶标高时，停止大范围开挖，测量人员现场定出明洞衬砌轴线和高程，沿明洞轴线纵向采用预留核心土法挖除两侧土石方；开挖过程中及时校核，逐步形成土胎模雏形，土胎模表面及明洞起拱线以上30cm范围采用人工开挖；复核明洞轴线，参照明洞顶标高、中心线及两侧起拱线标高，实地放出明洞衬砌外轮廓线，人工修整土胎模，将多余土石方挖除，不平整处用原土修补；

五、现浇混凝土；在成型好的土胎模的外表面设置隔离层，所述隔离层从内到外依次包括8cm厚级配碎石基层、2cm厚的1:3水泥砂浆找平层和彩条布隔层，所述隔离层总厚度与洞身段预留变形量保持一致；

六、明洞护拱施工；钢拱架为在冷弯机上弯制成与明洞相适应的拱形结构，钢拱架由明洞端头往洞身方向逐榀安装，单榀按先顶后腰的顺序安装，首拱以土胎模轴线定位、分中安放；单榀拱架间利用连接钢板螺栓连接，相邻两榀拱架采用纵向钢筋焊接，拱脚处应插入锚杆锁脚固定拱架；所有拱架安装到位后，在钢拱架上放出各管棚位置，安装并调整每根管棚导向管方向，用铁丝临时固定，根据设定外插角逐根检查其角度和偏离距离，合格后采用U型钢筋焊接固定；待导向管安装完成后即可进行明洞护拱结构浇筑并回填；

七、明洞开挖及支护；对设置好明洞护拱的土胎模进行挖掘，将混凝土包裹的拱形土方去除以形成隧洞雏形；开挖过程中，应严格控制掘进进尺，每循环进尺控制在1.0m，以每次安装1～2榀拱架距离控制，每个循环开挖完成后及时清理侧墙，安装固定并接长侧墙拱架，由下至上喷射混凝土来覆盖隧道侧墙，当掘进开挖至15～20m时，依次浇筑仰拱、仰拱填充及矮边墙、侧墙及拱部混凝土，使之封闭成环、形成整体；

八、明洞衬砌；明洞衬砌施工方法同洞身段二次衬砌，采用全断面自行式液压模板台车整体浇筑，泵送入模，人工结合机械振捣密实。

进一步地，洞顶截排水施工时，截水沟沟底、沟墙采用混凝土现浇或块片石砌筑，沟底平顺，纵坡不小于0.3％，平、纵转角处设曲线过渡，确保流水顺畅，沟顶迎水面侧2m范围宜硬化处理。

进一步地，边仰坡开挖时应避开雨季，开挖前，严格按设计要求，实地放样确定出开挖范围，准确放出坡顶线、坡比、坡脚线等；

进一步地，边仰坡采用非爆法机械开挖，人工配合清理坡面。

进一步地，边仰坡采用爆破法开挖，采用控制爆破手段，以浅层松动爆破方式开挖，开挖后的浮石、危石及时清除，坡面凹凸不平处整修平顺。

进一步地，所述钢拱架采用工字钢加工，钢拱架两端焊接连接钢板，钢拱架在运输到工地之前应保证试拼接合格。

进一步地，在明洞护拱施工中浇筑混凝土时，根据现场环境和条件，护拱混凝土采用喷射或立模现浇方式，混凝土拌制时加入早强剂。

进一步地，采用立模现浇则应按水平左右对称、纵向由低到高，连续浇筑成型，混凝土浇筑完毕后及时洒水养护。

进一步地，回填料应选用级配粗粒土，回填时两侧同时进行，对称填筑、分层夯实，回填后与原地形接顺。

进一步地，在施工的全过程中都要进行监控量测，在日常监控量测过程中，应将洞内、外观察、地表沉陷、内空变形以及衬砌内应力、表面应变及裂隙监测作为必测项目进行监测，并视情况对初支内力、围岩内部位移、建筑物变形进行监测。

本发明的有益效果：本发明是预先形成明洞护拱(承载拱)，在承受自重的同时将荷载向两侧地层传递，与拱部回填土石方联合作用，起到反压坡脚、支撑边坡、稳定山体作用，保障施工和作业环境安全。和传统的明挖法比较，明洞暗做法的最大特点就是避免了土石方大开挖，将施工对山体的扰动减至最小，可有效防止开挖切削边坡引起山体滑坡、边坡垮塌、落石等险情的发生，对保持边坡稳定起着重要作用。此外，本发明所提供的施工方法还具有以下优点：

1、本施工方法占地面积少，可有效节约土地，减少征地和复垦工作量，避免征地、拆迁、补偿等费用支出，节省投资；同时缩短了进场和施工准备时间，有利于明洞结构尽早形成，为后续隧道主体施工创造条件。

2、本施工方法减少山体开挖，避免了对场地周围原始植被的破坏，对保护生态环境，节约自然资源，防止水土流失等意义重大；能有效控制洞口周边围岩变形和地表沉降，有利于保护临近设施和建构筑物。

3、本施工方法操作简单、施工灵活，可大大减少土石方挖运工程量和边、仰坡支护(锚、网、喷等)工作量，有利于节约工程造价、加快施工进度，杜绝不必要资源的浪费。

附图说明

图1为施工流程图。

图2为本发明第一施工断面图。

图3为本发明第二施工断面图。

图4为图3所示结构的侧视图。

图5为明洞开挖支护施工示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1—4所示，一种复杂地质环境下隧道明洞暗做施工工艺，按以下步骤进行：

1、施工测量

按照“先复测后控制、先整体后局部、先控制后细部”的步骤，由专业测量工程师负责测量工作，对业主提供的控制桩点进行复核，无误后在即将开挖的隧道洞外建立平面和高程控制网，根据设计坐标和直、曲要素进行联测，确保隧道贯通精度要求，随后进行细部测量、实地放样，测放出明暗洞交界里程、边仰坡开挖边线、隧道轴线和洞口高程等，并作明显标识。

2、截排水设施

如图2锁所示，在隧道边仰坡3开挖前，先清除原始坡的原始地面线2上的植被、浮土、危石，做好坡顶截排水设施，防止地表水冲刷而造成边坡失稳，截水沟1(天沟)距边仰坡3坡顶线边缘间距A不小于5m。截水沟1的修建应按“避免重复、永临结合”的原则，根据现场具体地形，尽可能按设计要求布设，一步到位，基础必须坚实稳固，软弱部位可采用换填、夯实等方式处理。截水沟1沟底、沟墙应采用混凝土现浇或块片石砌筑，沟底平顺，纵坡不小于0.3％，平、纵转角处设曲线过渡，确保流水顺畅，沟顶迎水面侧2m范围宜硬化处理。

3、边仰坡开挖及支护

边仰坡3开挖应尽量避开雨季，开挖前，严格按设计要求，实地放样确定出开挖范围，准确放出坡顶线、坡比、坡脚线等。为减少对原地层的扰动和植被的破坏，边仰坡3宜采用非爆法机械开挖，人工配合清理坡面，如采用爆破法，则应采用控制爆破手段，以浅层松动爆破方式开挖，开挖后的浮石、危石应及时清除，坡面凹凸不平处应整修平顺。开挖应分层分段、自上而下，严禁逆序开挖，为便于坡面支护，开挖分层高度控制在3.0m以内，随挖随支、及时封闭。边坡支护采用锚喷支护，坡面经人工清刷成型，坡率、平顺度经检查符合设计，可初喷3～5cm喷射混凝土301临时封闭。锚杆4可采用砂浆(药卷)锚杆或自进式锚杆，梅花型布置，铺设钢筋网片并与锚杆联结牢固，复喷混凝土至设计厚度，喷射采用湿喷工艺，从下往上、分段分片进行。

4、土胎模施工

如图2所示，从原始地面线2处开挖，边仰坡挖至接近明洞顶标高11时，应停止大范围开挖，测量人员现场定出明洞衬砌轴线和高程，沿明洞12的轴线纵向采用预留核心土法挖除两侧土石方。开挖过程中及时校核，逐步形成土胎模9的雏形，为避免扰动原土层，土胎模9表面及明洞12的起拱线以上30cm范围均采用人工开挖。复核明洞轴线，参照明洞顶标高11、中心线及两侧起拱线标高5等，实地放出明洞衬砌外轮廓线，人工修整土胎模，将多余土石方挖除，不平整处用原土修补。成型后的土胎模9应表面圆顺、模体坚固，既保证明洞12成型质量又便于后续土胎体的挖除，可在其外表面设置隔离层10，按从内到外依次设8cm厚级配碎石基层9、2cm厚1:3水泥砂浆找平层8和彩条布7(或农膜)隔层，总厚度与洞身段预留变形量保持一致。

5、明洞护拱施工

如图3—4所示，明洞护拱19的钢拱架13采用工字钢加工，在冷弯机上弯制成型，两端焊接连接钢板14，用于拼接钢拱架，以形成与洞弧形相适应的完整拱形，试拼合格后运至现场，运输时应防止钢拱架13变形。钢拱架13由明洞端头往洞身方向逐榀安装，单榀按先顶后腰的顺序安装，首拱以土胎模轴线定位、分中安放，固定后接长两侧腰部拱架。单片钢拱架13间利用连接钢板14的螺栓15连接，相邻两榀拱架采用纵向钢筋16焊接，连接筋环向间距D应满足设计要求，拱脚处应插入锚杆锁脚17固定钢拱架13，锚杆锁脚17可采用3*Φ25的钢管。所有拱架(钢拱架13)安装到位后，在钢拱架13上放样出各个管棚18的位置，管棚18采用φ108无缝钢管制成，安装并调整每根管棚导向管(即管棚18)方向，用铁丝临时缠绕固定，根据设定外插角逐根检查其角度和偏离距离，合格后采用U型钢筋焊接固定。导向管安装完成，可进行明洞护拱19的结构浇筑，根据现场环境和条件，护拱混凝土可采用喷射或立模现浇方式，将混凝土覆盖在钢拱架13和管棚18所构成的钢结构件上，混凝土拌制时宜加入早强剂，如采用立模现浇则应按水平左右对称、纵向由低到高，连续浇筑成型(详见图3)。混凝土浇筑完毕，及时洒水养护，以使其尽早达到设计强度及时回填，回填土方的回填料20应选用级配较好的粗粒土，回填时两侧应同时进行，对称填筑、分层夯实，回填后与原地形接顺。在洞顶回填完洞内开挖前，利用预留管棚导向管，及时实施管棚18的钻进、顶管、压浆等，提前为明暗交界处隧道施工创造条件。

6、明洞开挖及支护

如图5所示，在明洞护拱19的防护下，对设置好明洞护拱19的土胎模9进行挖掘，将混凝土包裹的拱形土方去除以形成隧洞雏形，第一箭头22为朝洞口方向，第二箭头23为朝隧道继续挖掘方向。明洞开挖遵循“短进尺、多循环、强支护、快衬砌、勤量测”原则。为减小对围岩的扰动，洞内土石方宜采用非爆法开挖，开挖方式可根据隧道断面及跨度灵活选择，常用的有台阶法、留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。由于明洞所处位置大都岩体软弱破碎，结构组合差，围岩自稳时间较短，为减小岩体开挖跨度、防止围岩松动、垮塌，明挖暗做时不宜采用全断面开挖，即不一次性将一个端面同步一次性挖掘。开挖过程中，应严格控制掘进进尺，每循环进尺控制在1.0m左右，以每次安装1～2榀拱架距离控制，每环开挖完成后及时清理侧墙，安装固定并接长侧墙拱架，由下至上喷射混凝土(湿喷工艺)封闭侧墙。当掘进开挖至一定距离(15～20m)，应及时插入明洞衬砌施工相关内容，依次浇筑仰拱21、仰拱填充及矮边墙、侧墙及拱部混凝土，使之封闭成环、形成整体。明洞衬砌施工方法同洞身段二次衬砌，采用全断面自行式液压模板台车整体浇筑，泵送入模，人工结合机械振捣密实，施工所涉及的防水、接缝、钢筋、混凝土等工序和方法，按相关规范和工法执行。

7、监控量测

作为施工重要内容之一的监控量测，贯穿于隧道施工全过程，根据现场测点布设，定期监测，掌握围岩、支护和衬砌的状态，对山体稳定性进行判断，对围岩稳定性和支护安全性进行评价。对于采用明洞暗做的隧道，在日常监测过程中，应将洞内(外)观察、地表沉陷(山体变形)、内空变形以及衬砌内应力、表面应变及裂隙监测等作为必测项目进行监测，并视情况对初支内力、围岩内部位移、建(构)筑物变形等进行监测。

在监测周期内，洞内(外)观察主要对洞口地表情况、沉陷和开裂、边仰坡稳定、地表水渗透以及工作面状态、岩性和围岩变形、护拱、初支及衬砌实施效果等进行观察。内空变形监测是监测隧道断面的收敛情况，包括拱顶(含护拱)下沉、净空水平收敛以及底板隆起。地表沉陷量测是对预计破裂面范围内的原始地面(回填土)下沉和受扰山体变形情况进行监测。通过地表沉陷与拱顶下沉数据对比，判定开挖对地表和山体的影响，其频率和内空变形量测保持一致，当围岩条件差、变形过大时，还应进行初支内力监测，包括钢支撑内力及外力、锚杆轴力及接触压力等。当隧道周边有建、构筑物设施和管线时，还应增加周边建筑物沉降、倾斜和地下管线变形测量，必要时还应对重要建(构)筑物进行应力应变监测。根据监测结果进行分析和判断，确定变形管理等级，动态设计和施工，按照变形值对应管理等级进行控制。

8、施工中的注意事项

明洞不宜安排在雨季施工，必须在雨季施工时，应做好截排水沟，对地层进行预加固，分层开挖、随挖随支、加强防护、定期巡查，加大监控量测频率，随时掌握山体和边坡的稳定情况。

施工前，准确测放出洞口位置、隧道中线、边线并确定边、仰坡范围，提前做好截水沟、坡顶防护等设施，根据现场地形、地质条件、山体稳定程度等确定合适的开挖方法、施工顺序及边坡坡率等。

开挖过程中应尽量避免大开挖、大刷坡，采用控制爆破开挖时，应防止爆破振动对边仰坡稳定性的影响，并采取隔离、减震等措施防止山体失稳、滑塌，以免施工进度和安全受影响。

明洞护拱所用的型钢拱架应严格按设计尺寸弯制，现场安装时应确保安装定位准确，相邻拱架间必须连接牢固，预埋管棚套管的环向间距、角度等应满足设计及规范要求。

护拱混凝土浇筑应连续进行，一次成型，浇筑完成后及时养护，并把握拱顶回填的时机及时回填，回填材料应满足相关要求，左右对称、分层回填夯实，同时应做好隔水措施，地表宜植绿植草防护，避免水流对明洞洞顶造成冲刷，减少隧道施工和运营期间的安全风险。

明洞内土石方开挖时，应选择合适的施工方法，严格控制掘进进尺，随挖随支、防护到位，开挖时应避免侧墙产生超欠挖，侧墙拱架底部必须垫实，上部应与护拱内预埋拱架连接牢固，达到应力传递、联合受力的效果，侧墙喷射混凝土应平整密实。

明洞开挖时应严格控制地表沉陷，加强监测，如发现护拱、边墙等位移速率值超过设计允许值或出现变形时，应采取加固、支撑、反压等措施及时处理。监控量测应结合施工对地表、支护、结构等的影响，动态监测，掌握围岩、支护体系等的稳定程度，及时分析，保障安全。

明洞暗挖一段距离后，应尽快施作明洞结构，铺设防水层(或防水卷材)后，依次进行仰拱、仰拱填充、拱墙衬砌等浇筑，及时封闭成环，防水层要选用合格材料，应高度重视隧道明暗交界处防水卷材焊接和变形缝设置，确保隧道运营后结构安全。

工艺原理及其特点：

(1)减少开挖、大开挖甚至大放坡开挖，通过施工方法优化人为减少对原状山体的扰动，确保山体稳定和施工安全。

(2)土胎模成型原理，利用土胎形成护拱的支撑内模，土胎兼做施工平台。

(3)由钢拱架、管棚和喷射砼(或现浇砼)组合而成的护拱体，起到主动防护作用，为后续的土石方开挖、边墙支护和明洞衬砌等提供保护，确保安全。

(4)护拱顶部和两侧回填可实现坡脚反压，回填土和拱体联合作用，对边坡进行有效支撑，确保稳定。

(5)遵循“早进洞、晚出洞”、“短开挖、少扰动、强支护、实回填、勤量测”施工原则，加强监控量测，信息法施工，及时反馈、动态管理，根据实际情况灵活调整施工工艺和方法。

(6)引入了管棚预置(预留孔)技术和盖挖法相关施工原理，在此不再赘述。

适用范围：

尤其适用于滑坡、泥石流、崩积体等不良地质条件下的隧道洞口施工；适用于存在偏压、顺层或不宜明挖地质环境下的明洞施工；适用于覆盖层薄、埋深较浅或超浅埋的隧道正洞，以及对发生冒顶、垮塌等险情的隧道快速处置等。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。