高海拔大變形地段隧道施工工法

《高海拔大變形地段隧道施工工法》是中鐵五局集團第一工程有限責任公司完成的建築類施工工法；完成人是朱胥仁、楊曾、楊俊峰、彭學軍、湯宇。該工法適用於高海拔地區大變形段單線隧道施工。

《高海拔大變形地段隧道施工工法》主要特點是：管棚+小導管超前支護；台階法開挖；雙層初期支護。

2020年9月2日，《高海拔大變形地段隧道施工工法》被湖南省住房和城鄉建設廳評定為湖南省2019年度工程建設省級工法。

基本介紹

• 中文名：高海拔大變形地段隧道施工工法
• 工法編號：HNJSGF005-2019
• 完成單位：中鐵五局集團第一工程有限責任公司
• 完成人：朱胥仁、楊曾、楊俊峰、彭學軍、湯宇
• 審批單位：湖南省住房和城鄉建設廳
• 主要榮譽：湖南省2019年度工程建設省級工法

形成原因

隨著中國工程建設事業不斷發展，高原隧道工程越來越多，在隧道施工中遇到大變形這種特殊的地質構造幾率增大，但對大變形工程性質的研究較少。如果對其認識不足，處理不當，將會對工程造成很大的損失，甚至是決定工程的成敗。

拉林鐵路項目藏噶隧道二號橫洞工區大變形段，主要是隧址區位於沃卡地塹西緣斷裂影響帶中，該區域地質構造複雜，新構造運動強烈，是中國大陸現今地殼構造運動最為強烈的地區。隧道洞身穿越地層主要為花崗岩，受構造影響強烈，節理裂隙發育，蝕變特徵明顯，蝕變作用不均一、風化程度差異較大，岩體呈鑲嵌碎裂散體結構，局部為碎裂，岩塊手掰易碎，時有軟弱擠壓夾層，岩體強度較低；在岩體和結構面聚集的地應力和殘餘應力是引起隧道開挖後初始應力重新分布而導致大變形的主要原因。

前期未判定為大變形之前，變形發生後造成多次拱架拆換。後期經過各方論證、研究，根據拆換段變形量測數據及通過超前預報對前方地質判定情況，施工中按照大變形Ⅲ型措施，採用“管棚+小導管超前支護、台階法開挖、雙層初期支護”法，施工中利用多種支護方法相結合對圍岩進行支護，有效防止了隧道侵限、坍塌，控制了變形、沉降，確保隧道施工安全。中鐵五局集團第一工程有限責任公司據此總結出《高海拔大變形地段隧道施工工法》。

工法特點

《高海拔大變形地段隧道施工工法》的特點有：

1.管棚+小導管超前支護

大變形段拱牆分界以拱部140°劃分，拱部設29根Ф89中管棚，環向間距0.4米，單根長10米，縱向間距6.6米與鋼架間距匹配，搭接長3.4米；

由於各種原因，在管棚支護後洞身開挖期間，掌子面圍岩破碎、自穩性差，拱頂易發生坍塌掉塊等現象，導致拱部超挖嚴重。實際施工中採取變更手續，在拱部管棚間增加Ф42小導管進行超前支護，環向間距0.4米，縱向間距及單根長度與鋼架間距匹配，超前小導管縱向間距1.8米，單根長度3.5米。

2.台階法開挖

大變形段開挖施工遵循“短進尺、多循環、弱爆破（或不爆破）、早封閉”的原則，採用台階法開挖支護，儘量減少初支鋼架腳擾動及初支封閉時間。上、下台階高度分別為5.8米、4.1米。台階長度控制在5~10米（便於機械出碴和超前管棚作業）。現場採用機械開挖為主，鑽爆開挖為輔的方式進行。遇到局部硬質岩體，可採用鬆動爆破、人工機械清除等方式進行。下台階左右側同步施工，交錯開挖進行，左右側錯開距離3米以上。一次開挖進尺嚴格按照設計及規範要求進行。

3.雙層初期支護

分兩次施做雙層支護，鋼架間距0.6米：第一層鋼架採用HW175型鋼鋼架，第二層鋼架採用I20b型鋼鋼架，兩層鋼架交錯設定。

第一層型鋼鋼架在開挖面初噴砼約4厘米後架設，並及時進行Ф42鎖腳錨管施工，再復噴至設計厚度。根據量測數據結果視變形情況必要時設定I18型鋼臨時橫撐。第二層鋼架靠隧底部位單元應在第一層仰拱初支施做完成後立即施作，第二層其餘部分應在第一層初支封閉後，單側累計變形接近預留變形量2/3（20~26厘米）且變形未穩定時架設。

操作原理

適用範圍

《高海拔大變形地段隧道施工工法》適用於高海拔地區大變形段單線隧道施工。

技術理論

《高海拔大變形地段隧道施工工法》的工藝原理是：

探明前方地質情況，綜合運用地質調查法、地震波反射法、地質雷達法、紅外探測法、加深炮孔、超前鑽探六種隧道超前地質預測、預報方法判斷前方圍岩情況、地下水情況，相互補充和印證。探明前方圍岩情況後，施工中採用“管棚+小導管超前支護、台階法開挖、雙層初期支護”法，利用多種支護方法相結合對圍岩進行支護，有效防止了隧道坍塌，控制了變形、沉降，確保隧道施工安全，加快隧道施工進度。

施工工藝

《高海拔大變形地段隧道施工工法》的工藝流程及操作要點如下：

• 工藝流程

1.大變形的分類及確定

隧道大變形的確定與分級，現階段設計與地質界暫無統一定論。拉林指工管[2017]5號文，根據綜合國外幾座典型大變形隧道以及我國烏鞘嶺隧道大變形的強度應力比特徵，確立了拉林線軟岩大變形分級標準。如表1：

表1 分級標準

大變形等級	強度應力比（Rb/σMax）	圍岩變形特徵
輕微	0.25~0.5	開挖後圍岩位移較大，持續時間較長；一般支護開裂或破損較嚴重，相對變形量3~5%，圍岩自穩時間短，以塑流型、彎曲型、滑移型變形模式為主，兼有剪下型變形
中等	0.15~0.25	開挖後圍岩位移大，持續時間長；一般支護開裂或破損嚴重，相對變形量5~8%，洞底有隆起現象，圍岩自穩時間很短，以塑流型、彎曲型變形模式為主
嚴重	＜0.15	開挖後圍岩位移很大，持續時間很長；一般支護開裂或破損很嚴重，相對變形量8%，洞底有明顯隆起現象，流變特徵明顯，圍岩自穩時間很短，以塑流型為主

註：a、Rb為圍岩強度（兆帕），σMax為最大地應力（兆帕）；b、相對變形量為變形量與隧道當量半徑之比。

而在施工現場除根據強度應力比外，往往還要根據隧道開挖斷面形式、斷面大小、支護措施強度、相對變形量等情況綜合判定。特別是藏噶隧道2號橫洞正洞大里程，結合變形原因和初支破壞跡象分析，初步判定為高地應力下硬質花崗構造蝕變帶和結構面應力殘餘引起大變形。大里程端平均相對變形量約13.9%，最大達27%，判定Ⅲ型大變形（嚴重大變形）。現場初支變形嚴重程度在不同里程、同一斷面的不同位置都有較大不同，強度應力比不能真實反映現場變形情況。

2.施工工藝流程如圖1所示。

圖1 大變形段單線隧道開挖支護施工工藝流程圖

操作要點

一、超前地質預報

通過超前地質預報預判掌子面前方圍岩情況，覆核設計，對預留變形量進行預測和分析，開挖時留足變形量。

1.超前地質鑽探

超前地質鑽探法適用於各種地質條件下的隧道超前地質預報，在軟岩大變形、重大物探異常區等地質條件複雜地段必須採用。根據本隧道的工程地質、水文特徵，現場採用ZDY-750全液壓坑道取芯鑽機取芯（一個孔，取芯30米）和50米（搭長接10米）Φ108超前水平探孔揭示的水文地質資料為主來預測前方地質情況，特別是現場配備了C6-XP多功能鑽機，能快速成孔，主要根據超前水平鑽孔衝擊器的響聲、鑽速、岩粉、卡鑽情況、鑽桿震動情況、沖洗液顏色、孔內出水情況、縮孔等情況粗略探明岩性、岩石強度、岩體完整性、地下水發育情況以及地應力情況，並結合地質調查法、地震波反射法（TSP）、地質雷達法、加深炮孔等方法的預報結果綜合分析，相互驗證，提高預報準確性。

2.TSP或地質雷達

TSP在圍岩較好的地段可測出前方100~200米範圍內的岩層分界面、岩層的物理性質、斷層破碎帶、隱伏含水體等，搭接長度10米；地質雷達預測的有效長度25米，搭接長度5米。

大變形段具備TSP探測施工條件時，優先採用TSP進行超前預報。當現場因安全步距過近等原因施做條件不滿足時，採用地質雷達法進行補充預報。

3.其他

加深炮孔、掌子面地質素描根據設計圖紙相關要求正常開展。

二、超前支護

採用Ф89中管棚和Ф42超前小導管交錯配合施工超前支護，如圖2所示。

圖2 超前支護示意圖

（一）管棚

1.技術要求

洞身設計Φ89長管棚，每環根數29根，單根長10米，縱向間距與鋼架間距匹配，縱向間距6.6米，搭接長3.4米；

導管規格：Φ89×6毫米熱軋無縫鋼管；

管距：環向間距40厘米，施工範圍為上台階拱部140°；

傾角：外插角10~15°；

鋼管施工誤差：徑向孔距±150毫米，孔深±50毫米； 管棚鑽孔示意圖見圖3。

2管棚注漿，注漿示意圖見圖4：

注漿材料：水泥漿液，水灰比為0.5:1~1:1；

注漿壓力：0.5~1.0兆帕。

圖3 管棚鑽孔

圖4 管棚注漿

（二）超前小導管

1.技術要求

a.超前小導管配合中管棚進行超前支護施工，每進尺三榀鋼架間距即1.8米，打設一環Ф42超前小導管，在型鋼腹板上設定孔位，孔間距0.4米，超前小導管每環打設29根，長度為3.5米。

b.超前小導管規格：熱軋鋼花管，外徑42毫米，壁厚3.5毫米；

c.施作範圍為拱部140°，外插角為10~15°；

2.注漿

a.注漿材料：水泥漿或水泥砂漿

b.小導管採用Ф42無縫熱軋鋼管，在前部鑽注漿孔，孔徑6~8毫米，孔間距10~20厘米，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小於100作為不鑽孔的止漿段，注漿壓力一般為0.2~0.3兆帕，具體漿液配合比和注漿壓力由現場實驗確定。

三、台階法開挖採用台階法進行開挖支護，施工工序橫、縱斷面如下圖5及圖6所示。

圖5 台階法施工工序橫斷面圖

圖6 台階法施工工序縱斷面示意圖

（一）施工工序

1.開挖①部，施工①部台階周邊的初期支護：初噴4厘米厚C25混凝土，鋪設鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨管或錨桿），鑽設徑向錨桿後復噴混凝土至設計厚度。施做下一循環超前支護（僅適用於有超前支護情況）。

2.架設①部臨時橫撐（根據監控量測數據必要時設定）。

3.在滯後①部5~10米後，開挖②部，施做邊牆初期支護：初噴4厘米厚C25混凝土，鋪設鋼筋網，接長鋼架（設鎖腳錨管或錨桿），鑽設徑向錨桿後復噴混凝土至設計厚度。

4.在滯後②部10~15米後，開挖③部，施做隧底噴混凝土。

（二）施工注意事項

1.施工中堅持“管超前、短進尺、強支護、早封閉、嚴注漿、勤測量”十八字方針。

2.當岩體極破碎自穩能力較差時，可採取噴混凝土封閉掌子面或預留核心土的方法施工。

3.按照相關檔案要求嚴格控制Ⅴ級軟弱圍岩循環進尺，各步台階開挖長度不宜過長，在規定範圍內儘可能縮短仰拱及二襯安全步距。

四、雙層初期支護

（一）支護參數見表1：

表1 Ⅲ型大變形段支護參數

第一層 初期支護	Ф89超前管棚		每根長10米，6.6米/環，搭接3.4米，共29根。
	Ф42超前小導管		每根長3.5米，1.8米/環，搭接1.7米，共29根。
	噴射混凝土		C30噴射混凝土，厚25厘米。
	系統錨桿	拱部	採用Ф22組合中空錨桿，長6米，間距1.2×0.8米。
		邊牆	採用Ф32自進式錨桿，長10米，間距1.2×0.8米。
		仰拱	採用Ф32自進式錨桿，長6米，間距1.2×0.8米。
	鋼筋網		採用Ф8鋼筋網，格線間距20×20厘米。
	鋼架		全環採用HW175型鋼，間距0.6米/榀。
	鎖腳錨管		拱牆設Ф42鎖腳錨管，每處4根，每根長4米，共16根。
	連線鋼筋		採用Φ22螺紋鋼筋（環向間距1.0米）
	預留變形量		40厘米，根據變形速率可適當調整，但最大不超過60厘米
第二層 初期支護	噴射混凝土		C30噴射混凝土，厚27厘米。
	鋼筋網		採用Ф8鋼筋網，格線間距20×20厘米。
	鋼架		全環採用I20b型鋼，間距0.6米/榀。
	連線鋼筋		採用Φ22螺紋鋼筋（環向間距1.0米）
	預留變形量		20厘米

（二）鋼架

Ⅲ型大變形段分次施做雙層支護，鋼架間距0.6米：第一層鋼架採用HW175型鋼鋼架，第二層鋼架採用I20b型鋼鋼架。兩層初支鋼架交錯設定。

第一層型鋼鋼架在開挖面初噴砼約4厘米後架設，並及時進行Ф42鎖腳錨管施工，嚴格按工藝要求注漿，注漿管尾端設止漿閥，以保證注漿效果及鎖腳錨管抗拔力符合設計要求。再復噴至設計厚度。根據量測數據結果視變形情況必要時設定I18型鋼臨時橫撐。第二層鋼架靠隧底部位單元應在第一層仰拱初支施做完成後立即施作，第二層其餘部分應在第一層初支封閉後，單側累計變形接近預留變形量2/3（20~26厘米）且變形未穩定時架設，示意圖詳見圖7~11。

圖7 Ⅲ型大變形襯砌斷面圖

圖8 前期初支拆換

圖9 前期初支鋼架剪斷

圖10 雙層初支第一層

圖11 雙層初支第二層

（三）網片

初期支護一支、二支均全環設定Ф8鋼筋網片，格線間距20×20厘米。現場圍岩破碎、石塊粒徑過小或呈細砂狀時，可採用雙層網片。必要時對容易發生掉塊、剝落的部位先簡易掛設鋼絲網後初噴。網片必須緊貼岩面，搭接長度1~2個格線。

（四）系統錨桿

錨桿作為控制變形的重要手段，要求現場必須確保錨桿施做質量，配備錨桿鑽機等關鍵工藝施工設備，加強注漿工藝控制。根據施工經驗，同時結合應力測試結果，預測鬆動圈5~8米（因蝕變程度而異），現場隨時最佳化錨桿長度。

拱牆分界以拱部140°劃分，長錨桿拱部長度6米，邊牆10米。拱部採用Ф22組合中空錨桿、邊牆採用Ф32自進式錨桿。仰拱採用6米長Ф32自進式錨桿。錨桿環向間距1.2米，縱向間距0.8米。所用錨桿按要求配置錨桿墊板，錨桿墊板壓住鋼筋網片，長錨桿施工注漿見圖12及圖13。

圖12 長錨桿施工

圖13 長錨桿注漿

（五）噴射混凝土

採用濕噴工藝，開挖後初噴4厘米厚C30噴射混凝土封閉整個開挖面，同時對洞周補噴平順。

初期支護一支、二支均採用C30噴射混凝土。一支噴射混凝土設計厚度25厘米，二支噴射混凝土設計厚度27厘米。

（六）仰拱初期支護封閉施工

仰拱一次開挖長度不超過3米。仰拱初期支護與拱牆一樣分兩層進行：第一層Ф8鋼筋網片、HW175鋼架、C30噴射混凝土。第二層Ф8鋼筋網片、I20b鋼架、C30噴射混凝土。根據現場實際情況，研究了下台階+仰拱一次開挖工法，雖能保證初支鋼架儘早封閉成環，減少收斂變形時間。但對上台階施工影響過大，且增加了相應工序，導致工序循環時間過長。

（七）初支施工注意事項：

1.合理預留變形量。第一層鋼架拱牆預留變形量為40厘米，第二層鋼架預留變形量為20厘米，仰拱20厘米。現場根據變形速率，可以適當放大第一層鋼架預留變形量，但原則上不超過60厘米；

2.加強系統錨桿施工，抑制變形；因上台階預留核心土以及隧道淨空狹窄大型機械無法操作等原因，上台階無法及時施工長錨桿和長鎖腳錨管，因此採取長短結合的原則：上台階先採用風鑽施做3~5米錨桿和鎖腳錨管，待下台階落底後再補打10米長自進式錨桿（因圍岩夾雜有未風化的硬質花崗塊，自進式錨桿自進過程中易拆斷，需先引孔再鑽進）。如遇局部圍岩蝕變嚴重、採取設計措施無法抑制變形時，局部增設15米長Ф50熱扎無縫鋼花管對圍岩進行注漿加固補強，通過增設5厘米鋼板穿孔後與鋼架連線，此方法能很好地抑制局部大變形；

3.加快各工序施工進度、使各工序銜接緊密，特別是邊牆落底後應儘快施工仰拱，使鋼架儘快成環受力；

4.鋼架縱向連線鋼筋採用Ф22鋼筋，設於鋼架內側（靠二襯側），鋼筋縱向接頭應相互錯開；連線鋼筋環向間距1米/根，鋼架與縱向連線筋之間，應焊接或搭接牢固。

5.各台階拱腳設定縱向鋼板（槽鋼）的施工工藝，避免拱腳懸空，確保初支拱架整體穩定性。兩榀鋼架的拱腳墊鋼板之間應焊接或搭接牢固。

6.拱架作為主要支護承重結構，現場施工應確保噴砼面的平順度、鋼架的圓順度以及鋼架接頭施工質量。

7.若第一層拱架扭曲嚴重，為增強鋼架縱向連線，可考慮在鋼架之間增設縱向連線槽鋼，槽鋼型號28a，每環共5根縱向連線槽鋼，設定於拱牆A、B單元中心。

8.調整邊牆曲率，適應大變形段襯砌受力特點。

9.當圍岩岩層破碎軟弱，且受高地應力及地下水的影響，雖然初支鋼架已加大了型鋼型號及曲率，但鋼架未封閉成環前仍收斂變形嚴重，可能存在侵限換拱情況。施工中應加密掌子面後方初支監控量測頻率，及時進行徑向注漿或增加套拱，避免初支侵限換拱。

10.施工期間應加強隧道基底承載力檢測，如承載力低於180KPa應及時上報相關單位處理。

五、仰拱及填充施工

仰拱初期支護封閉成環後，對隧道變形情況監測。隧底變形趨於穩定或變形量達到15厘米後，進行仰拱襯砌及仰拱填充施工。仰拱襯砌一次施工長度6~12米，採用C35鋼筋砼，環向主筋採用Φ25螺紋鋼，間距20厘米。仰拱填充採用C20砼，與仰拱襯砌分層澆注施工。

六、拱牆二襯施工

待圍岩和初期支護及仰拱、填充變形基本穩定後進行。變形基本穩定應符合：隧道周邊變形速率明顯下降並趨於緩和；或水平收斂（拱腳附近7d平均值）小於0.2毫米/d，拱頂下沉速度小於0.15毫米/d；或施做二襯前的累計位移值，已達到極限相對位移值的80%以上。或初期支護表面裂隙（觀察）不再繼續發展。若施工過程圍岩及初期支護變形難以收斂，又難以及時補強時，可提前施做二次襯砌，以改善施工階段結構的受力狀態。二襯採用C35鋼筋砼，環向主筋採用Φ25螺紋鋼，間距20厘米，襯砌厚度為60厘米。

七、監控量測

結合《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR9218-2015），大變形段主要監控量測項目及要求見表2，大變形襯砌監控量測橫斷面圖見圖14。

表2 大變形段主要監控量測項目及要求表

序號	量測項目	量測儀器或方法	測點位置	埋設方法	斷面測點數量
1	洞內、外觀察	現場觀察、數位相機、羅盤儀	-	-	-
2	拱頂下沉	全站儀（非接觸法）	拱頂	-	1個
3	淨空變化		每台階邊牆中部	水平對應布設2個測點，斷面間距不大於5米	2n（n為台階數），可加密
4	圍岩壓力	壓力盒	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳及仰拱中心	壓力盒置於圍岩與初期支護之間，與圍岩和支護結構均需接觸密實	8個點/斷面
5	鋼架應力	鋼筋應變計、表面應變計	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳及仰拱中心鋼架內外	表面應變計粘接 在拱架內外側，通過測試各點應變計算拱架應力	16個點/斷面
6	噴混凝土應力	埋入砼應變計	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳及仰拱中心	環向埋設於噴射砼內，通過測試各點應變計算噴射砼應力	8個點/斷面
7	二次襯砌混凝土及鋼筋應力	埋入式砼應變計、鋼筋應變計	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳及仰拱處襯砌砼及內外側環向主筋	通過測試鋼筋應力及砼應變計算出二次襯砌鋼筋及砼應力、軸力和彎距	埋入式混凝土應變計及鋼筋應變計各16個點/斷面
8	初期支護與二次襯砌間接觸壓力	壓力盒	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳	壓力盒置於初期支護與二次襯砌之間，與初期支護和二襯均需接觸密實	7個點/斷面
9	錨桿軸力	鋼筋計	拱頂、左右拱腳、左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳	測試布置用錨桿軸力計代替相應位置的系統錨桿，並通過最大拉力點位置驗證鬆動圈範圍	組合中空錨桿：3個點/斷面（拱頂、左右拱腳），每點串接4個鋼筋計；中空錨桿：4個點每斷面（左右邊牆最大跨度處、左右邊牆腳），每根錨桿按間距均勻在表面打磨後貼應變片4處，每處對稱應變片布置2個

說明：大變形段結構應力量測項目（4~9項）應布設2個斷面互相覆核，量測頻率1次/天，直至數據基本穩定，量測橫斷面示意圖見下圖。其餘量測項目依據《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR9218-2015）規定實施。

圖14 大變形襯砌監控量測橫斷面圖

（一）監測成果反饋及套用

現場監測小組對當天的監測數據進行整理，並形成日報表，結合工程需要，對日報表進行整理匯總形成階段性報告。施工期間有特殊情況時，將以階段小結形式進行及時反饋。

日報表：在取得監測數據後，要及時對原始數據進行計算，對測點數據變化較大者，應組織人員進行複測，並查看測點的可靠性，觀察測點施工附近情況，確認所取得數據的真實性，將所測得數據輸入計算機，由相關軟體自動計算得出，並生成相應的日報表，日報表上附當時施工工況說明及簡短的反饋信息，以指導施工。

階段性報告：在一段時間監測工作完成後，要及時對本階段的監測數據進行匯總及分析，對重要及典型的測點應生成變形曲線圖，分析測點變化趨勢，並對當前施工支護形式進行評估，對下一步的施工提供指導性數據。

（二）拱頂下沉及水平收斂

根據拱頂下沉及水平收斂相關數據分析，上台階開挖後最初幾天的下沉及收斂數據較大，然後略有變小；在開挖下台階時有明顯加大；在仰拱開挖之前，應立二層支護鋼架及施作長錨桿，每天的變形量差別不是很大，開挖仰拱時，下沉及收斂加劇；仰拱封閉後減緩趨勢，但沒有終止。在仰拱開挖時，鋼架接長再次懸空，還會有一次較大的變形，仰拱封閉成環之後，變形明顯減緩。個別地段，二次襯砌施作之後，仍有開裂的現象。

總結分析，藏噶隧道2號橫洞大變形段有變形量大、變形速率高、變形持續時間長三個明顯的特徵。

（三）應力測試為掌握圍岩在隧道開挖後應力平衡破壞後的力學狀態和變形情況，現場採取的埋設壓力盒、測力錨桿、應力片等方式進行土壓力、錨桿拉應力、砼和鋼架受力的監測與測定。應力量測是監控施工中圍岩穩定性，檢驗設計與施工措施、方法是否正確合理的重要手段，將相關信息及時反饋到施工中去，可以保證施工安全生產，為調整掘進進尺和施工方法及二層支護、二次襯砌施作提供信息依據。為能對圍岩及支護結構的狀態作全面的分析，使各項數據間相互比較、相互驗證，現場在DK169+150、DK169+190埋設應力元件並進行應力測定和分析，應力測試原件埋設見圖15及圖16。

圖15 應力測試原件埋設

圖16 應力測試原件埋設

西南交大對DK169+190斷面應力測試數據進行分析如下：

土壓力測試結果見圖17：

圖17 土壓力時程曲線圖

圖17為左拱肩土壓力時程曲線圖，由圖可知：

1.左拱肩土壓力在前10天波動較大，10天后土壓力穩定在1.5千帕，數值較小。

2.左拱肩土壓力最大值為13.8千帕，在開挖後第7天達到。

混凝土內力測試結果見圖18：

圖18 混凝土外側應力圖

由以上圖表可知：

1.右拱肩混凝土外側應力在前10天隨時間增加增大，10天后基本穩定；左拱肩和拱頂混凝土外側應力隨時間基本無變化。

2.混凝土外側應力各點均受壓，最大值為15.1兆帕，位於右拱肩處，小於規範規定值。

圖19 混凝土內側應力圖

由圖19可知：

1.右拱肩混凝土內側應力在前10天隨時間增加增大，10天后基本穩定；拱頂與左拱肩混凝土內側應力隨時間基本無變化。

2.混凝土內側應力最大值為13.4兆帕，位於右拱肩處，小於規範規定限值。

鋼架內力測試結果：

圖20 鋼架內側應力圖

由圖20可知：

1.鋼架內側應力在前12隨時間波動，12天后壓力大小基本穩定。

2.鋼架內側最大應力為68.5兆帕，位於右拱肩，小於鋼材屈服強度300兆帕，安全。

圖21 左拱肩錨桿軸力時程曲線圖

圖22 拱頂錨桿軸力時程曲線圖

圖23 右拱肩錨桿軸力時程曲線圖

圖24 錨桿軸力示意圖

由圖21~24可知：

1.錨桿的軸力在前12天存在一定的波動，12天后基本趨於穩定。

2.錨桿各測點均受壓，最大壓應力位於左拱肩1.5米處，為133kN。

材料設備

《高海拔大變形地段隧道施工工法》的材料設備要求如下：

1.主要材料

該工法對材料要求見表3：

2.主要設備

該工法對設備要求見表4：

質量控制

施工企業採用《高海拔大變形地段隧道施工工法》施工時，應採取的質量控制要求如下：

1.圍岩鬆散破碎，為防坍塌，掉塊，必要時預留核心土法。

2.開挖工法採用兩台階法，按較短台階開挖，上台階每循環進尺不超過一榀鋼架間距0.6米，開挖後組織初噴作業進行封閉。下台階開挖左右交錯，錯開距離必須保證3米以上，一次開挖進尺不超過2榀鋼架間距，控制一次擾動變形。

3.上台階臨時橫撐必要時儘快施作，封閉成環。

4.第二層鋼架與第一層鋼架錯開設定，確保初支拱架整體穩定性，型鋼鋼架腳支墊槽鋼或鋼板。第二層鋼架支護完成後，進行仰拱開挖施工封閉成環。為增加鋼架縱向抗扭強度，可根據鋼架變形情況，若第一層鋼架扭曲嚴重，為增加鋼架縱向連線，可考慮在鋼架之間增設縱向連線槽鋼，槽鋼型號為28a，每環共5根縱向連線槽鋼，設定於拱牆A、B單元中心。

5.拱架作為主要支護承重結構，現場施工應確保噴砼面的平順度、鋼架的圓順度以及鋼架接頭施工質量。

6.網片必須與岩面密貼。

7.嚴格控制錨桿施工鑽進深度、角度。錨桿注漿施工，必須現場值班記錄。利用專業錨桿機械設備進行10米長Ф32自進式長錨桿施工，確保施工質量。

安全措施

施工企業採用《高海拔大變形地段隧道施工工法》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.軟弱大變形圍岩隧道採用台階法施工時，上台階每循環開挖支護進尺Ⅴ級圍岩不得大於1榀鋼架間距，下台階不得大於2榀鋼架間距，左右側交錯開挖3米以上，仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳註漿，每循環開挖進尺不得大於3米。

2.隧道第一、二層初期支護結構應及時施作並封閉成環，台階距離嚴禁過長，Ⅴ級圍岩封閉位置距離掌子面不得大於35米，Ⅴ級圍岩二次襯砌距離掌子面不得大於70米。

3.掌子面附近設定安全逃生管道，管道從襯砌工作面布置至距離開挖面20米以內的適當位置，管內預留工作繩，以利於塌方險情後逃生。逃生通道應有足夠的剛度、強度及抗衝擊能力，通常使用內徑Ф600~Ф800毫米、壁厚不小於6毫米的鋼管，每節管長宜為5米，連線牢固。

4.專人負責監控量測，增加測量斷面、測量頻率。堅持量測指導施工的原則，確保施工安全。

5.現場施工工序較多，特別是大型機械施工需安排專人進行指揮。

6.加強對隧道現場施工作業人員全員進行“三級”安全教育和培訓，熟悉大變形隧道施工安全防坍塌風險源及防護保護意識方法。

環保措施

施工企業採用《高海拔大變形地段隧道施工工法》施工時，應採取的環保措施是：

1.認真搞好生產及生活場地的規劃，做到布局合理，井然有序，符合消防、環保和衛生等要求；現場施工材料、機具設備堆放整齊、標識清楚，施工便道、管路、電力線、通訊線等各種管、線、路布置整齊美觀，做到施工場地平整、排水暢通；及時清理施工現場，做到工完料盡、施工場地清潔。

2.保持室內環境整潔衛生，用具擺放整齊，實行衛生值班制度，及時做好清潔衛生工作；污水經處理後就近排入既有水系，生活垃圾集中裝運到指定的垃圾處理場處理。

3.在施工中棄碴按設計檔案和業主與當地環保部門簽訂的有關協定和要求處理。防止水土流失和適時進行線路兩側的植被恢復。接受地方環保部門對本工程施工期間的環境保護監督檢查工作。重視環境保護，保護好當地水源。

4.加強對施工過程中的污染源如廢水和煙塵、機械的廢水、運輸車輛的揚塵、施工營地的垃圾和氣體、液體、固體廢棄物等的控制，保證其在排放標準內。

5.臨時用地範圍的裸露地表植草或種植樹木綠化。施工場地和運輸道路需要時灑水防揚塵，防止對生產人員和其他人造成危害。6施工產生的污水必須經過三級沉澱後排出，儘量做到循環利用。洞內棄碴按要求運至通過環評的碴場，不得隨意棄於沿途江岸。運碴道路安排人員定期進行清理，確保道路運輸安全。

效益分析

中鐵五局集團第一工程有限責任公司採用《高海拔大變形地段隧道施工工法》施工的效益有：

1.經濟效益

大變形段台階法開挖支護施工工法，採用“管棚+小導管超前支護、台階法開挖、雙層初期支護”法施工，利用多種支護方法結合對圍岩進行支護，能有效防止隧道坍塌，控制變形、沉降，確保隧道施工安全、加快施工進度。實踐證明，採用“超前支護、短進尺、早封閉、快成環、長短錨桿結合徑向注漿加固洞身周圍、放抗結合”等措施，取得了很好的實際效果，從前期因變形不停拆換拱架，月進度只10米，到採取措施後月進度達到30米左右。

2.社會效益

該工法由於其安全可靠、經濟高效的特點，有利於推廣套用；該工法在實施過程中，措施得當，未發生安全事故，提高了施工進度。

套用實例

中鐵五局集團第一工程有限責任公司採用《高海拔大變形地段隧道施工工法》的套用實例如下：

拉林鐵路項目藏噶隧道二號橫洞工區於2017年4月從DK169+025處發生變形，該地段穿越地層為硬質花崗岩，受構造影響強烈、節理裂隙發育、擠壓、蝕變特徵明顯，蝕變作用不均一、風化程度差異較大，易出現變形、坍塌，安全風險極高，施工難度極大。施工中由於初期支護大變形，經常出現鋼架扭曲、侵限，而頻繁拆換鋼架。自2018年1月從DK169+118開始採用雙層初支，至2018年7月施工至DK169+273，總計按照Ⅲ型大變形措施完成155米。施工中採用“管棚+小導管超前支護、台階法開挖、雙層初期支護”法，利用多種支護方法相結合對圍岩進行支護，有效防止了隧道坍塌，控制了變形、沉降，確保隧道施工安全。中鐵五局集團有限公司承建該隧道。通過不斷分析探索，多次調整施工工藝、支護參數、控制仰拱封閉時間和距離等，初步摸索出了一套適合該種地質條件的施工方法，從已施工的支護來看，大體穩定性好，僅局部應力集中處有噴砼剝落現象，增設鎖腳錨桿和復噴砼能得到有效控制。施工進度也有所調高，後來施工進度平均25米，最高可達到每月30米的好成績。施工進度穩定，無較大安全事故發生，取得良好的施工效果。

榮譽表彰

2020年9月2日，湖南省住房和城鄉建設廳以湘建科〔2020〕136號檔案發布《關於公布2019年度省級工程建設工法的通知》，《高海拔大變形地段隧道施工工法》被評定為湖南省2019年度工程建設省級工法。