連拱隧道兩導洞施工工法

《連拱隧道兩導洞施工工法》是中鐵十六局集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是陳炳祥、易國華；適用範圍是鐵路、公路連拱隧道及其他類似結構的工程項目，但對於開挖後工程地質（如：V級圍岩）穩定性較差，且跨度較大的隧道，應慎重採用。

《連拱隧道兩導洞施工工法》主要的工法特點是工藝系統可靠，方法先進，可操作性強；工序少，工序之間能夠平行交叉作業，施工速度快、施工效高；施工作業空間較大；中隔牆的拱牆結合部避免出現水平施工縫。

2008年1月31日，《連拱隧道兩導洞施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：連拱隧道兩導洞施工工法
• 工法編號： YJGF219-2006
• 完成單位：中鐵十六局集團有限公司
• 主要完成人：陳炳祥、易國華
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

連拱隧道2005年前普遍採用的施工工法是三導洞施工工法。其施工工序為：中導洞開挖、支護、隧道仰拱及中隔牆混凝土施工；左導洞上半斷面開挖、支護，左導洞下半斷面開挖、支護，隧道仰拱及填充、二次混凝土襯砌施工；右導洞上半斷面開挖、支護，右導洞下半斷面開挖、支護，隧道仰拱及填充、二次混凝土襯砌施工。左右導洞距離前後錯開約30~50米施工步驟見圖1。

圖1 連拱隧道三導洞工法施工步驟圖

《連拱隧道兩導洞施工工法》的缺點是：中導洞開挖、支護、隧道仰拱及中隔牆混凝土完成，才能進行左右兩個導洞的施工，平行交叉作業的時間相對較少，大部分時間採用單工序施工作業，施工功效低，施工費用高，施工工期長。在確保工程地質體穩定的前提條件下，改進最佳化施工方法，才是有效克服三導洞施工工法弱點，解決問題的關鍵所在。

中鐵十六局集團有限公司承擔的渝懷鐵路金洞隧道，隧道出口採用連拱隧道設計。設計採用三導洞工法施工，通過方案比選，選定採用連拱隧道兩導洞工法施工，施工過程中對其施工方案、施工工藝進行研究、分析、套用、總結，形成了《連拱隧道兩導洞施工工法》。

工法特點

《連拱隧道兩導洞施工工法》的工法特點是：

1.兩導洞工法施工工藝系統可靠，方法先進，可操作性強，能夠取得良好的社會效益和顯著的經濟效益。

2.兩導洞工法施工較三導洞工法工序少，工序之間能夠平行交叉作業，施工速度快、施工效高、可以較大幅度縮短施工工期。

3.施工質量滿足設計和施工規範要求，施工安全能夠得到有效保證。

4.施工作業空間較大，便於大型機械設備施工作業，降低人工勞動強度。

5.中隔牆的拱牆結合部避免出現水平施工縫，一方面增強二襯結構的整體性，另一方面提高拱牆結合部防水性能，減少了該部位出現滲漏水的可能性。

6.減少因中導洞施工需要拆除的臨時錨噴支護工程量，降低施工成本，提高經濟效益。

操作原理

適用範圍

《連拱隧道兩導洞施工工法》適用於鐵路、公路連拱隧道及其他類似結構的工程項目。對於開挖後工程地質（如：V級圍岩）穩定性較差，且跨度較大的隧道，應慎重採用該工法。

工藝原理

《連拱隧道兩導洞施工工法》的工藝原理敘述如下：

通過建立數學模型、理論計算分析連拱隧道兩導洞工法開挖施工時，導出隧道洞周位移、支護內力及安全係數變化情況。確定出影響工程地質體穩定的關鍵部位，並在施工過程中採取必要的加固措施對其進行加固。

一、計算條件

1.計算斷面選擇。連拱隧道選在中隔牆厚度較薄處，並考慮相應的埋深。

2.計算參數。隧道圍岩力學指標根據《鐵路隧道設計規範》TB 10003-2001 J 117-2001進行選取。

3.計算條件。橫向計算範圍左、右各取3倍洞跨，豎向上下各取3倍洞高。

計算中，圍岩及二次襯砌採用二維實體單元模擬，隧道初期支護採用梁單元模擬，錨桿採用桿單元模擬。採用Drucke-Prager屈服準則。

二、兩導洞工法數學模型

連拱隧道兩導洞工法開挖施工，建立的計算模型格線劃分見圖2，其錨噴初期支護及錨桿有限元模型圖見圖3。

施工工藝

• 隧道施工力學特性計算分析

採用《連拱隧道兩導洞施工工法》施工時，結合工程實際，合理選取計算參數，計算分析隧道各施工工序、各施工步驟洞周位移、支護內力變化情況及安全係數，判斷能否採用兩導洞工法施工及影響工程地質體穩定的關鍵部位，並在施工過程中採取必要的加固措施對其進行加固。

• 施工工藝流程

《連拱隧道兩導洞施工工法》的工藝流程見圖4。

圖4 連拱隧道兩導洞工法施工工藝流程圖

施工工序

《連拱隧道兩導洞施工工法》施工工序為：左導洞上半斷面開挖、支護，左導洞下半斷面開挖、支護，隧道仰拱及填充、二次混凝土襯砌施工；右導洞上半斷面開挖、支護，右導洞下半斷面開挖、支護，隧道仰拱及填充、二次混凝土襯砌施工。左右導洞距離前後錯開約30~50米（圖5）。

圖5 連拱隧道兩導洞工法施工步驟圖

一、開挖工序

隧道爆破施工必須以確保工程地質體的穩定為前提條件。爆破對圍岩存在不同程度的破壞，其破壞程度與採用的爆破技術及參數有關，開挖中採用減震控制爆破技術，合理選用（單選或組合選擇）微差爆破、光面爆破、預裂爆破和線狀鑽孔爆破技術，提高隧道開挖質量。

二、確定爆破震動控制指標

爆破震動的安全判據可以採用振動加速度、振動速度、應力和應變幅值指標等確定。習慣上多採用振動速度作為爆破穩定性判別的指標，多數國家和地區對不同的建築物制定了臨界振動速度值作為爆破安全的評判標準。結合工程地質資料、工程結構、國家和行業對不同的建築物制定的臨界振動速度值，確定連拱隧道開挖質點振動速度控制標準為：左導洞≤10厘米/秒；右導洞上半斷面開挖≤6厘米/秒；右導洞下半斷面開挖≤8厘米/秒。

三、同時起爆最大允許裝藥量控制

，式中——同時起爆最大藥量（千克）；——安全振動速度（厘米/秒）；R——爆破安全距離（米）；k——地形地質影響係數；α——衰減係數。

1.微差爆破技術的套用。大量的工程實踐表明，相鄰兩段爆破時間間隔大於100毫秒，相當於兩次獨立的爆破，相互之間爆破震動效應不相互疊加，減震效果比較明顯；間隔時間小於100毫秒時，有一定的影響，間隔時間越小，影響越大。

2.光面爆破技術的套用。光面爆破是鑽爆法施工套用最廣泛的爆破技術，不僅可以提高開挖質量，而且施工速度比較快，只要施工條件允許，優先選取。隧道施工過程中只要不會對工程地質體和相鄰隧道工程結構造成不利影響，均採用光面爆破技術。

3.光面爆破、預裂爆破和線狀鑽孔爆破技術的組合套用。預裂爆破形成裂縫後，就形成了一個不透射而全反射的界面，爆破形成的入射應力波被反射到開挖區內，阻隔對開挖區以外工程岩體或工程結構物的破壞，減震效果明顯，振動強度可以削弱60%左右。線狀鑽孔爆破，其鑽孔密度較光面爆破、預裂爆破都大，裝藥量更小，爆破破壞性影響更少，其爆破參數根據爆破限制條件確定。連拱隧道右導洞開挖，爆破對左導洞影響非常大，爆破控制不好，就會對兩洞之間襯砌結構造成破壞，因此爆破開挖成為保證質量的關鍵工序。連拱隧道右導洞開挖過程中，上半斷面開挖，採用光面爆破，預裂爆破和線狀鑽孔爆破技術的組合，下半斷面開挖採用了光面爆破和預裂爆破技術的組合，見圖6。

圖6 連拱隧道組合爆破技術示意圖

四、支護工序

1.超前支護。兩連拱之間的工程岩體，因重力作用，自身不能確保穩定，施工中採用超前錨桿進行錨固，左導洞開挖完成後進行施工。錨桿長度、數量、位置布置滿足將兩連拱之間的工程岩體牢固錨入穩定岩層，右導洞開挖過程中，該岩體不發生鬆脫變形。

2.初期支護。每一步開挖完成後，立即進行初期支護，限制工程岩體鬆脫變形針對施工力學特性計算分析指出的薄弱部位加強支護，主要措施：增加錨桿密度和長度、增加鋼筋網片、增加噴混凝土的厚度、增加鋼支撐等，同時加強對工程岩體和支護結構穩定性監控量側。

3.二次混凝土襯砌。施工力學特性計算分析表明，連拱隧道開挖後僅進行錨噴支護，不能長期滿足工程岩體和初期支護結構的穩定，部分部位可能發生破壞性反應。施工過程中，左導洞開挖、支護後，儘快完成二次混凝土，工程地質穩定性較差地段，二次襯砌儘量緊跟；工程地質穩定性較好地段，可以適當拉開距離，便於多工序平行作業，從而加快施工進度。左導洞二次混凝土襯砌未施工或二次襯砌混凝土強度未達到設計強度對應地段，嚴禁右導洞施工。

4.施工過程工程岩體穩定性監控量測。按照施工規範開展工程地質體穩定的監控量測工作。埋設好各監測點，主要進行以下幾個方面的工作：支護體狀態觀察、水平收斂、拱頂下沉、錨桿內力量測等。

勞動力組織

《連拱隧道兩導洞施工工法》的勞動力組織見表1。

材料設備

《連拱隧道兩導洞施工工法》無需特別說明的材料，採用的機具設備見表2。

表2 主要機械設備、機具表

序號	設備名稱	型號	單位	數量	備註
1	變壓器	315千伏安	台	2	╱
2	空壓機	4L-20/8	台	3	一台備用
3	裝載機	ZLC50	台	2	一台備用
4	自卸汽車	10噸以上	台	3	一台備用
		5噸	台	3	一台備用
5	混凝土攪拌機	TS750p1/200	台	2	一台備用
6	混凝土運輸車	╱	台	2	╱
7	襯砌台車	長9米	台	1	╱
8	混凝土輸送泵	╱	台	2	╱
9	柴油發電機	120千瓦	台	2	╱
10	挖掘機	╱	台	2	一台備用
11	鑿岩機	7655型	台	16	一台備用
12	注漿機	DZP-50/40	台	2	╱
13	砂漿攪拌機	╱	台	2	╱
14	錨桿拉拔儀	30噸	台	2	╱
15	鋼筋切割機	╱	台	2	╱
16	電焊機	B135	台	3	╱
17	抽水機	DAL-1005	台	3	╱
18	潛水泵	╱	台	3	╱
19	注漿泵	2SNS	台	2	一台備用
20	混凝土噴射機	HPC-V	台	3	╱
21	經緯儀	╱	台	2	╱
22	水平儀	╱	台	1	╱
23	全站儀	╱	台	1	╱
24	砂輪切割機	╱	台	2	╱

質量控制

《連拱隧道兩導洞施工工法》的質量控制要求如下：

1.爆破開挖。光面爆破、預裂爆破和線狀鑽孔爆破的炮痕率：整體性好的工程岩體90%以上，其他工程岩體不低於80%；開挖輪廓面最大超挖不得大於10厘米。爆破後工程岩體原有裂隙不得有明顯擴展，不增加新的裂隙。

2.錨噴支護。錨桿抗拔力達到設計強度的95%以上、注漿密實度達到孔深的95%以上；噴射混凝土厚度、強度、鋼筋網片、鋼格柵施工滿足設計和施工規範要求；噴射混凝土與原有岩面接觸密貼；支護體不出現變形開裂現象。

3.右導洞爆破施工開挖，不對左洞隧道襯砌結構產生破壞，二襯混凝土不出現裂紋。

4.圍岩收斂不發生有害變形，監控量側採集的數據通過回歸分析，其收斂趨勢呈穩定狀態。

5.連拱隧道施工完成後，排水系統暢通，無滲漏水現象。

6.二襯混凝土施工質量滿足設計和施工規範要求，外觀質量大面平順、無錯台、顏色一致。

安全措施

採用《連拱隧道兩導洞施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.通過理論計算，分析判斷連拱隧道採用兩導洞工法施工方案是否可行、可能存在安全穩定問題的薄弱部位，施工過程及時採取相應的工程加固措施，減少施工盲目性，確保施工安全。分析判斷連拱隧道採用兩導洞工法施工（包括採取工程加固措施）可能存在安全隱患，不能或無把握確保施工安全，禁止採用該工法施工。

2.連拱隧道施工關鍵環節和開挖工序是右導洞隧道開挖，其難點是確保開挖過程中不對左導洞隧道襯砌造成破壞。施工過程中，根據工程結構和工程地質情況，合理選取爆破技術參數，採用必要減振措施。

3.牆腳和隧底是主要的薄弱部位，施工過程中，及時施作仰拱及隧底混凝土填充，限制圍岩的變形，達到進一步確保工程岩體穩定的目的。

4.施工過程中，加強圍岩穩定性監控量測。它能直觀地反映出隧道開挖支護後，工程岩體和初期支護結構的穩定程度如何，為最佳化設計提供依據。

5.初期支護及時緊跟施作，二次混凝土襯砌儘快完成，施工質量滿足設計和施工規範要求，確保工程岩體和隧道工程結構安全穩定。

6.建立健全安全保障體系，施工安全責任制，成立安全領導小組，配備專職安全員，加強施工安全監控，加強安全教育培訓。

7.凡進入施工現場的人員，必須戴安全帽；洞內爆破時，所有人員必須撤離至安全地帶；隨時觀察岩體變化情況，放炮後及時清理工作面的危石，發現險情立即發出警戒信號。

8.非專業人員不得操作施工機械和洞內的其他設備；噴混凝土的噴頭前、注漿管前不得站人。

環保措施

《連拱隧道兩導洞施工工法》的環保措施如下：

1.成立對應的施工環境衛生管理機構，在工程施工過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章，加強對施工燃油、工程材料、設備、廢水、生產生活垃圾、棄碴的控制和治理。遵守防火及廢棄物處理的規章制度，隨時接受相關單位的監督檢查。

2.將施工場地和作業限制在工程建設允許的範圍內，合理布置，做到標牌清楚、齊全，各種標識醒目，施工場地整潔文明。

3.對施工中可能影響到的各種公共設施制定可靠的防止損壞和移位的實施措施，加強實施中的監測、應對和驗證。同時，將相關方案和要求向全體施工人員詳細交底。

4.對施工場地道路進行硬化，並在晴天經常對施工通行道路進行灑水，防止塵土飛揚，污染周圍環境。

效益分析

1.採用《連拱隧道兩導洞施工工法》代替三導洞施工工法，是建立在科學理論分析的基礎之上，避免了施工盲目性。在開拓創新思路和工作方法上有較好的指導作用。

2.《連拱隧道兩導洞施工工法》可以增加工序之間平行作業的時間，提高施工工效，縮短施工工期，降低施工成本，取得良好的經濟效益。

3.《連拱隧道兩導洞施工工法》研究與套用，是施工工法的最佳化創新，為連拱隧道施工積累了施工技術和施工經驗，推廣套用前景良好，具有社會效益。

套用實例

渝懷鐵路金洞隧道，全長9108米，為全線控制工程之一。隧道出口153米，採用燕尾式隧道設計，由大跨隧道、連拱隧道、小間距分離隧道三部分組成。其中連拱隧道段長42.2米，中隔牆襯砌厚度1.0~2.89米。主要工程地質由泥質、細砂質泥岩、粉砂岩組成，Ⅳ級軟弱圍岩。提前完成連拱隧道段施工，對確保整個隧道的施工工期有利。連拱隧道設計採用三導洞工法施工，通過方案比較，確定採用《連拱隧道兩導洞施工工法》施工。

力學特性計算分析結果：

主要分析解決金洞隧道連拱隧道採用兩導洞工法開挖施工時，隧道洞周位移、支護內力及安全係數變化情況。

一、計算條件

1.計算斷面選擇。連拱隧道選在中隔牆厚度1.0米處，該對應位置埋深約100米。

2.計算參數。隧道圍岩力學指標根據《鐵路隧道設計規範》TB 10003-2001 J 117-2001，結合工程實際情況進行選取，具體參數詳見表3和表4。

表3 燕尾段隧道圍岩力學指標

圍岩級別	重度（千牛/立方米）	變形模量E（吉帕）	泊松比	內摩擦角（°）	黏聚力（兆帕）
Ⅳ	20	1.0	0.3	27	0.5

表4 隧道支護參數

類別	尺寸	材料	仰拱
初期支護厚度	15厘米	C20	╱
錨桿直徑	Φ22毫米	20MnSi	仰拱厚度~寬度
二次襯砌	30厘米	C20	╱

3.計算條件。橫向計算範圍左、右各取3倍洞跨，豎向上下各取3倍洞高。

二、力學特性具體計算

1.洞周位移。理論計算分析表明：拱頂最大位移為2.5厘米，發生在第五步施工中；拱腰位移為1.5厘米，邊牆位移為2.2厘米。

2.錨桿軸力。經計算錨桿承受的最大拉力為19.77千牛，遠小於錨桿允許的極限拉應力，因此，可以判斷錨桿受力是安全的。

3.初期支護內力。各施工步初期支護最大內力見表5。

表5 各施工步初期支護最大內力值表

施工 步驟	彎矩（千牛·米）				軸力（千牛）
	數值	位置	數值	位置	數值	位置	數值	位置
第一步	╱	╱	5.3	支護腳底	-1233.6	支護腳底	-370	支護拱頂
第二步	-21.6	支護腳底	16.5	左牆腳偏上	-1641.7	右牆腳	434	仰拱中部
第三步	-24.3	隔牆上部	6.9	隔牆上部偏下	-726.41	左洞左拱腰	73.9	左拱腳位置
第四步	-87.1	隔牆上部	48.5	隔牆上部偏下	-1667.4	右洞左拱腳	-249.5	左洞左牆腳
第五步	-194.6	隔牆上部	85.9	隔牆上部偏下	-1686.4	右洞與中隔牆的相交處	-238.1	左洞牆腳處
第六步	-4.4	右洞與中隔牆的銜接處	1.0	右洞仰拱中部	-697.33	左洞左拱腰	231.3	左洞右牆腳

從表5計算結果可以看出：初期支護最大軸力為-1686.4千牛（壓力），位於右洞與中隔牆的相交處；最大拉力為434千牛，位於仰拱中部；對於C20噴射混凝土，該拉力將大於其極限拉力值。初期支護設計有鋼支撐。因此該初期支護能夠基本能維持隧道施工安全。

4.二次襯砌內力。連拱隧道兩導洞工法施工二次襯砌彎矩圖見圖7，二次襯砌軸力圖（左、右隧道同）、剪力圖（左、右隧道同）見圖8。

由圖7、圖8可以看出：

1.最大彎矩發生在仰拱與邊牆相接處，其值為78.5千牛·米，拱頂彎矩較小，最大為17.7千牛·米。仰拱彎矩為19.9千牛·米。其他地方的彎矩均比較小。

2.最大軸力發生在邊牆與拱部的交界處，其值為652.7千牛，最小軸力發生在拱部，其值為88.1千牛，拱部與中隔牆相連部位，軸力為339千牛。

3.最大剪力發生在隧道牆腳處，其值為240千牛，次大剪力在隧道中隔牆腳處，其值為80千牛，其餘位置剪力均比較小。

4.二次襯砌安全係數：連拱隧道中導洞法施工二次襯砌安全係數最小值為3.6以上，達到了規範要求，因此採用該工法施工的連拱隧道結構是安全的。

三、施工措施

1.爆破開挖

（1）Ⅳ級圍岩，工程地質穩定性較差，開挖中採用減震控制爆破技術。隧道施工過程中，間隔時間選取100毫秒。同時起爆最大藥量（）技術參數結合工程情況選取，具體如下：

——最大安全振動速度（厘米/秒）。左導洞=10厘米/秒；右導洞上半斷面開挖=6厘米/秒；右導洞下半斷面開挖=8厘米/秒。

R——爆破安全距離（米）。左導洞R=3.0米；右導洞上半斷面開挖R=1.0米；右導洞下半斷面開挖R=2米。

k——地形地質影響係數。該隧道選取k=150。

α——衰減係數。該隧道取α=1.6。

（2）微差爆破、光面爆破、預裂爆破和線狀鑽孔爆破技術參數（表6）。

表6 爆破參數表

爆破種類	炮眼間距（厘米）	線裝藥量（克/米）	炮泥長度（厘米）	裝藥結構
光面爆破	45	135	30	間隔裝藥
預裂爆破	35	89	30	間隔裝藥
線狀鑽孔爆破	20	21	30	間隔裝藥

2.施工支護

（1）超前支護。連拱之間的工程岩體，施工中採用4米中空注漿錨桿（Φ25毫米）進行超前錨固。

（2）初期支護。爆破開挖完成後，立即進行初期支護。並對施工力學特性計算分析指出的薄弱部位，採取措施為：增加錨桿密度、鋼筋網片由一層調整為二層、噴混凝土厚度增加3~5厘米。

（3）二次混凝土襯砌。因連拱隧道長度較短，左導洞開挖、支護後，及時組織二次混凝土施工。

3.施工過程工程岩體穩定性監控量測

支護體狀態觀察未發現開裂現象；位移觀測採用收斂計和水準儀，測得拱頂最大位移為2.3厘米，拱腰位移為1.7厘米，邊牆位移為1.9厘米，與理論計算基本相符，存在一定差別錨桿內力量測，採用錨桿應力計，測得最大拉力為15.8千牛，較理論計算偏小。

四、工程效果

1.施工工期。採用兩導洞工法較三導洞工法施工，節省施工時間35%~45%。

2.工程質量和施工安全。實踐證明，連拱隧道採用兩導洞工法開挖施工方案是完全可行的。施工過程中，沒有出現工程岩體超限變形或坍塌掉塊，右導洞後序開挖沒有對已施工的左導洞二襯結構造成破壞，確保了工程施工安全。

3.經濟效益。施工過程中，簡化了部分施工工序及省去了部分臨時支護，施工工期縮短，施工成本降低，統計分析，節省費用1.368萬元/米。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《連拱隧道兩導洞施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。