《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》是中鐵十二局集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是邢利軍、王法嶺；適用範圍是公路、鐵路隧道進洞施工，尤其是洞口地質差、埋深淺，對自然景觀和生態環境要求高的軟質圍岩隧道進洞施工。
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》主要的工法特點是便於洞口開挖和洞身開挖工序轉換；先護後挖，開挖範圍小；工程的防護和生態恢復工作量小，易形成"自然式"邊坡；為台車的加工和安裝提供時間和場地，減少施工干擾。
2008年1月31日，《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》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：隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法
- 工法編號： YJGF214-2006
- 完成單位：中鐵十二局集團有限公司
- 主要完成人：邢利軍、王法嶺
- 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,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
中國幅員遼闊，地質廣博，在世界隧道工程領域中也堪稱隧道大國，並正逐步向隧道強國的方向邁進。但是受隧道周邊地形、地質、地貌、環境及氣象等外部條件和隧道內部應力的影響，隧道洞口範圍施工一直是隧道施工的難點，進洞方法直接影響整個隧道的施工進度和質量。
截至2005年，隨著中國基礎設施建設和環境保護的協調發展，隧道洞口的邊仰坡和洞門區域減少植被破壞及綠化恢復越來越受工程各界的重視，在隧道洞口施工中正逐步杜絕深挖高填的做法，對洞門形式注重、工程與自然環境和諧、景觀建設與環境保護提出越來越高的要求。
傳統的隧道進洞方法一般是採用高刷坡、大拉槽的方式，在洞口範圍自上而下刷邊仰坡，對其進行噴錨等措施防護，在保證洞口穩定和有一定覆蓋層厚度的情況下採取開挖上弧導方式進洞。許多實踐經驗證明，這種傳統的隧道進洞方法容易大面積破壞原山體自然平衡體系；造成邊仰坡開挖面積和防護圬工量增大，還可能引發邊仰坡坍塌等洞口工程病害。
中鐵十二局集團有限公司在蘭青二線鐵路11座隧道建設中採用“零仰坡”開挖進洞法組織進洞施工，有效地解決洞口工程病害，保護了隧址區域自然環境，形成了《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》。
工法特點
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的工法特點是：
1.便於洞口開挖和洞身開挖工序轉換，能儘快形成施工能力，有效縮短進洞時間。
2.先護後挖，開挖範圍小，有利於洞口段的穩定，進洞安全有可靠的保證。
3.工程的防護和生態恢復工作量小易形成“自然式”邊坡，使隧道工程和大自然更加和諧。
4.為台車的加工和安裝有效地提供時間和場地，大幅度減少施工干擾。
操作原理
適用範圍
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》適用於公路、鐵路隧道進洞施工，尤其適用於洞口地質差、埋深淺，對自然景觀和生態環境要求高的軟質圍岩隧道進洞施工。
工藝原理
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的工藝原理敘述如下：
“零仰坡”開挖進洞方法主要是指在不破壞山體邊坡穩定的前提下，根據洞口處山體的地形地貌，確定最小刷坡線或儘量不刷坡（可統稱零開挖），利用護拱（在不開挖山坡腳土體的情況下，洞口範圍兩側開槽，在槽內施作工字鋼拱架並澆築混凝土，作為臨時襯砌支護）創造進洞條件來保證安全快速環保進洞施工的一種方法。
“零仰坡”開挖進洞與傳統的大刷坡進洞在洞口應力上有很大的區別，與傳統方法相比，縱向土壓力大大減小，但同時洞口淺埋段增加了對淺埋段的處理是此法成敗的關鍵因素之一該方法的洞口鞏固採用分層、分段、自下而上、邊防護邊開挖的施工原則。以先牆後拱的順序開挖和施工臨時襯砌支護，仰拱容易及早形成和快速封閉，大大縮短了洞口段臨時襯砌支護的成環周期，在臨時襯砌支護閉合成環條件的防護下進洞施工。
施工工藝
- 工藝流程
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的工藝流程見圖1。
圖1 零仰坡開挖進洞施工工藝流程
- 操作要點
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的操作要點如下：
一、施工順序
“零仰坡”開挖法進洞施工示意圖2。
圖2 “零仰坡”開挖進洞法施工示意圖
二、測量放樣
根據隧道洞口的設計結構形式、洞口的地形標高和自然坡度詳細計算出洞口最小開挖邊仰坡邊線的坐標和各樁中心坐標。利用隧道控制導線與以上計算坐標的相對關係，使用全站儀在地面上確定出邊仰坡最小刷坡輪廓線，並以此控制洞口邊仰坡的開挖，多數情況下，邊仰坡開挖為修整清表和開挖小型平台等工作，可採用人工開挖，避免機械施工對洞口的撓動。在洞口開挖前按設計要求做好洞頂截水溝和地表防排水系統。
三、臨時襯砌邊牆拉槽
施工中視地形、地貌、地質情況可採用拉槽或挖井的形式開挖臨時支護襯砌的兩側邊牆部位。開挖過程中，儘量保留兩邊牆間的山體（核心土）不受破壞，以維持洞口山體穩定和下步採用台階等方法進洞時利於形成開挖工作平台。
邊牆部位採用CAT挖機對稱向山體推進拉（挖）槽，每邊牆開挖寬度2~4米，對失穩的坑壁採用頂撐、掛網錨噴、護壁等適當的防護，對於石質邊坡可採用風鎬或挖機輔以預裂爆破分層開挖。基底埋置深度一般應不小於1米，若深不滿足或地基承載力小於隧道設計仰拱底基承載力時，可採取加深基礎、夯實換填、錨固和注漿等措施處理。
四、鋼拱架架立
按設計在現場製作並拼裝鋼拱架，鋼拱架應準確定位，確保鋼架及支護臨時襯砌（護拱鋼架）混凝土不侵入隧道二襯限界，保證隧道二襯厚度滿足設計要求。
鋼拱架架立過程中要避免鋼架發生翹扭和偏斜，每兩榀鋼拱架架設完後，用環向間距為0.6~1.0米的Φ22螺紋鋼縱向焊於兩鋼拱架上以固定鋼架，保證其穩定及整體受力，同時也可以輔以鎖腳錨桿將鋼拱架固定。
鋼拱架底部連線板要立於穩固的基礎上或者置於混凝土（漿砌片石）墊層上。鋼架可先立邊牆部位，待邊牆混凝土施工完畢終凝後架立拱部鋼拱架，也可一次性架設完畢。
五、邊牆支模和澆築
邊牆的內外模可採用組合鋼模板等材料現場拼裝固定。鋼拱架下內模板可用扇形支撐撐於核心土上；外模支撐於外層山體邊坡上（若地質允許，外層山體邊坡可選則儘量大的坡度，以外山體作為外模板）；擋頭模內用的鋼筋焊接在鋼架上拉住，外用Φ50鋼管（或其他型鋼管材）斜支撐於地面。
邊牆澆築混凝土時，視現場實際情況，採用澆築至起拱線位置或連同拱部一起澆築的方式。一次澆築時需將工字鋼拱架一次成型，分次澆築時要預留出拱部鋼拱架的拱腳和邊牆鋼拱架連線鋼板，並在混凝土接茬處設定接茬鋼筋。如果一個澆築段長度不能將全部套拱完成則需預留連線筋。（視地質和現場情況，適當情況下也可採用噴射混凝土護拱。）
六、拱部施工
拱部按設計先施工超前支護與拱部工字鋼拱架（至少1榀）焊接牢固，若為大管棚支護則先需在鋼架上定出導向管的位置，然後將導向管焊在工字鋼上。拱部超前支護和工字鋼拱架施工完畢後，澆築臨時襯砌拱部混凝土，拱部要考慮預留一定的沉降量。
七、洞內段護拱施工
待護拱（臨時襯砌支護）初期達到一定強度後拆模，在護拱的保護下採用三台階法（或其他方法）進洞。護拱長度一般為2~5米，混凝土厚度為40~60厘米。若由於山形、部分拱部（靠山體裡）未施做。進洞後繼續施做2~3米護拱。下導拉開後及時將拱部鋼拱架接下來，施工洞內護拱的邊牆後及時開挖仰拱並儘早封閉成環。施工隧道二次襯砌前，在護拱（臨時襯砌支護）上鋪設防水材料。
八、洞口段二襯混凝土施工
在進入正洞一定距離（視地質情況決定距離長度），洞內施工正常，工序調整到位後，從加強洞口穩定和工程實際需要出發，可組織洞口段二次襯砌和洞門的施做，洞門可採取和洞內施工平行作業的方式，雨季前完成。洞門混凝土與洞身襯砌用同級混凝土整體澆築；洞口邊仰坡與襯砌外緣相交處填塞密實。表層覆土植草木綠化處理，做到人文景觀和自然景觀有機統一，使其與自然環境更加協調。
九、監控量測
監控量測是隧道施工管理中的一個重要環節。其對隧道進洞過程中洞口段圍岩支護體系的穩定性狀態進行監測，是確保進洞施工及結構安全指導施工順序、便利施工管理的重要手段。
施工過程中主要進行的量測項目、測點布置及方法見表1，量測頻率見表2，對量測數據進行分析和反饋，以量測分析資料為基礎及時修正初期支護設計參數，並為二次襯砌施作時間提供依據。變形管理等級見表3。
序號 | 量測項目 | 測點布置 | 量測方法及要求 | 儀器 |
1 | 洞外觀察 | 開挖、支護後進行 | 地形、地貌、岩性、產狀及支護裂縫觀察或描述，查看邊仰坡有無開裂、起殼，地表有無裂紋 | 地質羅盤 |
2 | 地表下沉 | 隧道洞口進行地表沉降量測，橫斷面方向沿隧道中心及兩側問距2~5米處設地表下沉測點，監測範圍在隧道開挖影響範圍以外 | 地表下沉量測在開挖工作面前方，隧道埋深與隧道開挖高度之和處開始，直到襯砌結構封閉、下沉基本停止時為止 | 精密水準儀銦瓦尺 |
3 | 周邊位移 | 臨時襯砌洞口端，與山體交界處、洞內端在內軌頂面以上2.5米，左右兩側對稱布置量測點 | 開挖後按要求迅速安裝測點並編號，初讀數應在開挖後12小時內讀取 | 散光斷面儀收斂計 |
4 | 拱頂下沉 | 與水平收斂斷面對應拱頂設量測點 | 混凝土（噴混凝土）施工後迅速在拱頂設點 | 精密水準儀收斂計、鋼瓦尺 |
類型 | 量測頻率 | 變形速度（毫米/天） | 量測斷面距開挖工作面距離 |
普通圍岩 | 1~2次/天 | ≥5 | （0~1）B |
1次/天 | 1~5 | （1~2）B | |
1次/2天 | 0.5~1 | （1~2）B | |
1次/2天 | 0，2~0.5 | （2~5）B | |
1次/周 | <0.2 | >5B | |
註：B為隧道開挖寬度。 | |||
管理等級 | 管理位移 | 施工狀態 |
Ⅲ | U<（U0/3） | 可正常施工 |
Ⅱ | （U0/3）≤U≤（2U0/3） | 應加強支護 |
Ⅰ | U>（2U0/3） | 停工，採取特殊措施後方可施工 |
註：U為實測位移值；U0為最大允許位移值。 | ||
材料設備
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》無需特殊說明的材料，採用的主要施工機具設備見表4。
序號 | 作業項目 | 機具設備名稱 | 規格型號 | 單位 | 數量 |
1 | 混凝土施工 | 攪拌站 | JS500+PL800 | 套 | 1 |
2 | 混凝土輸送車 | CA141 | 台 | 2 | |
3 | 混凝土輸送泵 | HBT60 | 台 | 1 | |
4 | 插人式搗固器 | ╱ | 台 | 5 | |
5 | 開挖 | 風鎬 | C-10A | 台 | 4 |
6 | 挖掘機 | CAT320 | 台 | 1 | |
7 | 自卸車 | ND3320S北方賓士 | 台 | 2 | |
8 | 鋼筋工程 | 鋼筋切斷機 | QJ-40 | 台 | 1 |
9 | 鋼筋彎折機 | WG-40 | 台 | 1 | |
10 | 電焊機 | BY2-500 | 台 | 2 | |
11 | 電動空壓機 | L-20/8-1 | 台 | 1 | |
12 | 冷彎機 | LM-22 | 台 | 1 | |
13 | 測量 | 全站儀 | GT5 | 台 | 1 |
14 | 經緯儀 | 010B | 台 | 1 | |
15 | 水準儀 | NA2 | 台 | 1 | |
16 | 塔尺 | ╱ | 把 | 1 | |
17 | 小鋼尺 | ╱ | 把 | 2 | |
18 | 其他 | 發電機 | 250GF29 | 台 | 1 |
質量控制
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的質量控制要求如下：
一、工程質量控制標準
1.嚴格遵守2005年前已執行的隧道施工技術規範及驗收標準。
2.開挖、鋼架和模板安裝施工允許偏差按表5執行。
序號 | 項目 | 允許偏差 | 檢驗方法 | 檢驗數量 | |
1 | 開挖 | 基底地基承載力 | 不小於設計值 | 靜力觸探標準貫人試驗 | 每洞口不少於3處 |
2 | 鋼架 | 間距 | ±100毫米 | 尺量 | 每榀鋼架 |
3 | 橫向 | ±50毫米 | 尺量 | 每榀鋼架 | |
4 | 高程 | ±50毫米 | 尺量 | 每榀鋼架 | |
5 | 垂直度 | ±2° | 尺量、垂球 | 每榀鋼架 | |
6 | 保護層 | -5毫米 | 尺量 | 每榀鋼架 | |
7 | 模板 | 基礎軸線偏移 | 15毫米 | 尺量 | 每邊不少於2處 |
8 | 表面平整度 | 5毫米 | 2米靠尺 | 不少於3處 | |
9 | 相臨模表面高低差 | 2毫米 | 尺量 | 每處 | |
10 | 底、頂面高程 | ±10毫米 | 測量 | 不少於1處 | |
11 | 起拱線 | ±10毫米 | 尺量 | 每處 | |
12 | 拱頂 | 0~+10毫米 | 尺量 | 每處 | |
3.超前支護施工允許偏差按表6執行。
序號 | 項目 | 外插角 | 孔間距 | 孔深 | 檢驗方法 | 檢驗數量 |
1 | 小導管 | 2° | ±50毫米 | 0~+50毫米 | 儀器測量、尺量 | 每環3根 |
2 | 大管棚 | 1° | ±150毫米 | ±50毫米 | 儀器測量、尺量 | 全部檢查 |
二、質量保證措施
1.嚴格原材料進場前檢驗控制，從源頭上杜絕質量隱患，混凝土施工中對各種原材嚴格計量，控制坍落度損失，嚴禁現場隨意加水確保混凝土的密實度和抗裂性，配比必須經過試驗研究，科學比選確定。灌注混凝土作業中應左右對稱灌注。堅持“用試驗、測量數據指導施工”的原則。
2.根據地質情況，確定足夠的預留變形量，確保二次襯砌施工質量和結構尺寸滿足設計要求。控制進尺，仰拱及時封閉。
3.鋼構件下料按1:1在大樣台上進行加工，保證鋼結構加工精度，焊點（縫）強度嚴格把關，在加工廠統一加工經檢驗合格後運至施工現場。
4.開挖支護、立模嚴格按設計交底執行，防止臨時襯砌混凝土侵入隧道二襯限界。
5.嚴格監測操作管理制度，加強施工沉降、邊坡形變的觀測和評估。
安全措施
採用《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》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.各種爆破、量測人員、專職安全人員等特種作業人員必須經過專業培訓並取得證書持證上崗。
2.建立完善安全管理體制，加強全員安全意識教育。
3.加強機械保養維修，降低機械噪聲及廢氣排放，改善作業環境。
4.加強現場管理，保持清潔衛生，便道和棄碴廠灑水降塵。
5.對洞口施工過程實行全過程監控。尤其要做好圍岩監控量測工作，預防洞口塌方。二次襯砌按適時襯砌的原則進行，根據圍岩量測資料，在圍岩和初期支護變形趨於穩定後進行。在圍岩變形速率較大無法趨於穩定地段採用加強初期支護，對襯砌混凝土配筋等方法來保證施工與隧道支護體系結構安全。
6.編制應急預案，明確搶險具體措施並進行應急演練。
7.建立安全生產責任制，細化考核辦法，堅持日常檢查，定期考核，嚴格獎罰，及時兌現，消滅隱患，堵塞漏洞。
環保措施
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的環保措施如下：
1.建立專職的環境保護管理組織機構，健全環境保護管理體系，強化環保管理，廣泛宣傳教育，提高思想認識，加強環保意識。
2.堅持環境保護工作“三同時”的原則，與設計、施工統籌規劃、同步運作。
3.精心保護原有植被，對契約規定的施工限界內的植物、草皮、樹木等做到盡力維護原狀，嚴禁超範圍砍伐。必要時採取遷移保護，工程完工後及時恢復。
4.拌合站設過濾、沉澱池，廢料集中棄於指定棄碴場。施工廢水、廢油，採用隔油池過濾等有效措施加以處理，不超標排放，污染周圍水環境。
5.在運輸水泥、砂石料等易飛揚物料時用篷布覆蓋嚴密，並裝量適中，不得超限運輸。配備專用灑水車，對施工現場和運輸道路經常進行灑水濕潤，減少揚塵。
6.機械車輛途經施工生活營地或居住場所時應減速慢行，不鳴喇叭。合理安排施工作業時間，儘量降低夜間車輛出入頻率，夜間施工不得安排噪聲很大的機械。
7.開工前與地方環保等相關部門相互了解，加強聯繫，理順與其他接口單位的關係，並積極配合接口單位環保、水保方案的實施，為其提供合格的單位工程。
8.建立“三級”檢查落實制度，即領導層抓全面，管理層抓重點，實施層抓具體落實。內部建立“包保責任制”，運用行政和經濟手段，加強環保工作的落實。
9.實行“環保否決制”，即施工作業活動不符合環保要求的項目不得開工，具有強制否決權。
效益分析
《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》的效益分析如下：
一、經濟效益
1.先支護後開挖進洞更安全，開挖範圍最小，洞口工程的防護工作量和生態恢復工作量最小，同時使工程投資大幅減少。
2.開挖與原山體過渡流暢，極大的避免洞口大面積開挖而誘發的順層/牽引滑坡、仰坡塌方、堆積體復活等地質災害，大量節省了日後的治理費用，大幅度降低建成後因地質原因引起運營安全事故的風險問題。
3.進洞周期短、工序轉換快，一般較傳統的套拱法可提前15~20天進洞，形成開挖能力、工期效益不言而喻。
4.以蘭青線增建二線鐵路楊家店雙線單洞隧道出口為例，與傳統進洞方法施工經濟效益分析對比數據表見表7。
序號 | 對比項目 | "零仰坡"進洞法 | 傳統方式進洞法 | 備註 |
1 | 洞口刷坡面積 | 15 | 320 | 平方米 |
2 | 進洞發生直接費用 | 3.4 | 9.6 | 萬元 |
3 | 邊仰坡防護 | 0 | 2.6 | 萬元 |
4 | 洞口綠化 | 100 | 0 | 元 |
說明：1.楊家店隧道位於湟水河老鴉峽谷左岸半山坡，地處低中山區，地形起伏，切割嚴重，最小埋深約3~5米，進出口施工場地狹窄。洞口地質為第四系中更新統砂質黃土，有Ⅱ級自重濕陷性，易剝塌。2.兩種方法均進洞採用超前小導管，該項超前支護費用表中未計。 | ||||
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
二、社會效益
隨著國民經濟和社會的發展，人民生活水平和環境意識的提高，環境保護成為備受關注的事情，而零仰坡開挖進洞施工方法恰恰是以保護生態環境為前提的，是將隧道洞口施工對自然環境的破壞減到最小。並盡力創造隧道洞口及其他構造物與環境的協調發展。因此，該方法有套用前景和發展潛力。
三、生態效益
隧道洞口周圍原生態植物被得到最大限度的保護，取得了生態效益，尤其是在自然風景區和乾旱的大西北，類似中國西北這種植被脆弱的地區，對減少植被破壞、保持水土流失更顯得重要。
套用實例
由中鐵十二局集團承建的蘭青線增建二線鐵路（青藏鐵路公司管界）所屬11座隧道，進洞方法基本上全部採用《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》組織進行進洞施工。這些隧道共同點性是洞口地質差，多為V級圍岩，不穩定、易坍塌。
蘭青二線鐵路地處西北內陸乾旱地區，植被貧乏，生態環境極為脆弱，破壞後較難恢復。該鐵路項目的隧道楊家店隧道（雙線，起訖里程為DK74+775~DK77+240，全長2465米）位於湟水河老鴉峽谷左岸半山坡，地處低中山區，地形起伏，切割嚴重，進出口施工場地狹窄進出口段全部為V級圍岩，其中進口地層為第四系中更新統砂質黃土，有濕陷性，易剝塌，洞口定於DK74+775，洞門採用反斜截式洞門，洞口襯砌環節長8米；出口地層為卵石土，採用斜截式洞門，洞口襯砌環節長20米，最小埋深約3~5米。兩口進洞均採用零仰坡開挖法。圖3為楊家店隧道進口洞口採用零仰坡開挖進洞法施工過程照片。蘭青二線隧道已全部順利快速地進入正洞身，安全通過洞口段軟弱圍岩。進度快、效益高、質量好，受到業主的好評，業主多次組織其他參建單位觀摩，取得了良好的經濟、社會和生態效益。
圖3 楊家店隧道進口洞口
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》，《隧道“零仰坡”開挖進洞施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。
