大断面单洞双线变双洞单线隧道施工工法
中铁十二局三公司石太客运专线Z1标
王志强李有生张自强
1、前言
由于客运专线的时速达到250km/h、300km/h和350km/h，所以对隧道的要求就更加严格。
首先隧道的净空要符合空气动力学，线路的设计要能达到火车的时速，这就要求线路上曲线的半径要满足速度上的要求，因此就会出现隧道的开挖断面面积大。
而小净距隧道双洞的中间岩柱宽度介于连拱隧道和分离隧道之间，小于1.5倍隧道开挖断面的宽度；隧址区为山岭重丘区，受地形的限制路线分幅展线十分困难，在这种情况下，小净距隧道显示出了优势，与分离式隧道型式相比，隧道两端接线的长度大大缩短，与双连拱隧道相比，简化了施工工序，节约了工程工期和造价。
本工法生成背景是2005年上场的铁路石家庄至太原客运专线Z1标段的南梁隧道单洞双线变双洞单线的段落。
南梁隧道全长11.526公里。
其中双线5.795公里，单线5.731公里（双延米）。
其中在单洞双线变双洞单线的过渡段包括480米长的双线喇叭口大跨隧道及250米长的双洞单线小净距隧道。
2、工法特点
2.1 解决了大断面隧道施工过程中断面在不断变化的情况下的开挖及二次衬砌施工。
2.2 解决了小净距隧道的开挖施工。
3、适用范围
3.1开挖断面面积大于120m2，且断面在不断变化的隧道。
3.2并行双洞隧道净距小于1.5倍隧道开挖断面宽度，且开挖断面宽度小于13m。
4、工艺原理
4.1 隧道断面在不断地变化，可以看做是喇叭口形式。
开挖时断面逐渐变大，其
开挖时的光爆效果会很差，超欠挖难以控制；在二次衬砌施工时，由于断面是流线型的，所以就不能使用整体式液压台车，只有用钢拱架加小模板来施工二次衬砌，每施工一米衬砌就要加工一榀钢拱架，而且得重新安装小模板，这样即浪费时间又浪费钢材。
我们只有改变了隧道的断面变化形式，才能在源头上改进其施工工艺。
见图4.1-1单洞变双洞流线型渐变平面示意图。
图4.1-1 单洞变双洞流线型渐变平面示意图
4.2小净距双洞隧道施工的难点、重点是控制爆破作业，必须确保隧道在开挖过程中围岩的稳定，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素。
小净距双洞隧道施工的关键是中间岩柱的加固和稳定，由于围岩自稳性和支护结构的受力较一般隧道复杂，必须充分利用隧道围岩的自承、自稳能力，通过围岩加固措施使隧道修建达到经济、合理的目的。
见图4.2-1 小净距隧道照片。
图4.2-1 小净距隧道照片
5、施工工艺流程及操作要点
5.1喇叭口大跨段施工工艺。
5.1.1 在施工前全面地了解原设计的施工工艺及其在施工过程中的难度。
据我部了解喇叭口大跨段为流线型渐变，开挖上难度不是很大，但是在以后的二次衬砌施工中难度就很大了。
因此我部从尽量少地投入资金及不影响原来隧道结构的角度出发，与设计单位、建设单位积极沟通、探讨，最后将喇叭口段的流线型渐变形式变更为台阶型渐变形式。
每个开挖断面变化时通过设置3米长的过渡段直接由上一个小断面变化到下一个大断面。
具体见图5.1.1-1单洞变双洞台阶型渐变平面示意图。
图5.1.1-1 单洞变双洞台阶型渐变平面示意图
图5.1.1-2 台阶型渐变照片
5.1.2 由于喇叭口段隧道开挖面积从117.6平方米渐变为299.56平方米，因此在
施工过程中我们要结合TSP203超前地质预报仪来确定其开挖方法（台阶分部法、CD 法或CRD 法）。
5.1.2.1 对于围岩较好的大断面隧道，如Ⅱ、Ⅲ级围岩采用台阶分部法施工。
图5.1.2.1-1大跨隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用台阶分部法施工示意图
6
3
4
1
隧道
中线
Ⅱ
Ⅴ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
Ⅹ
Ⅺ
Ⅺ
图5.1.2.1-1大跨隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用台阶分部法施工示意图
具体的施工工艺流程见图5.1.2.1-2 台阶分部法施工工艺流程图
5.1.2.2 对于围岩较差的大断面隧道，如Ⅳ、Ⅴ级围岩采用CD 法施工。
图5.1.2.1-2 台阶分部法施工工艺流程图
具体CD 法开挖及施工工艺流程见图5.1.2.2-1大跨隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用CD 法施工示意图及图5.1.2.2-2 CD 法施工工艺流程图。
4
2
3
1
隧道中线
1′
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅳ
2′
Ⅱ′
Ⅳ′
图5.1.2.2-1 大跨隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用CD 法施工示意图
5.1.2.2-2 CD 法施工工艺流程图
5.1.2.3 对于围岩非常破碎的Ⅴ级加强大断面隧道采用CRD分部施工法施工（即交叉中隔壁法）。
施工方法见图5.1.2.3-1 CRD法分部施工示意图。
图5.1.2.3-1 CRD法分部施工示意图
具体的施工工艺流程如下：
第一步：①-左侧上导开挖，Ⅰ-左侧上导初期支护施工，1′-左侧上导中隔壁施工，1″-左侧上导临时仰拱施工；
第二步：②-左侧中导开挖，Ⅱ-左侧中导初期支护施工，2′-左侧中导中隔壁施工，2″-左侧中导临时仰拱施工；
第三步：③-右侧上导开挖，Ⅲ-右侧上导初期支护施工， 3″-右侧上导临时仰拱施工；
第四步：④-右侧中导开挖，Ⅳ-右侧中导初期支护施工，4″-右侧中导临时仰拱施工；
第五步：⑤-左侧下导及左侧仰拱开挖，Ⅴ-左侧下导初期支护施工，5′-左侧下导中隔壁施工，5″-左侧下导仰拱初期支护施工；
第六步：⑥-右侧下导及右侧仰拱开挖，Ⅵ-右侧下导初期支护施工，6″-右侧下导仰拱初期支护施工；
第七步：拆除中隔壁及临时仰拱；
第八步：⑧-整体浇筑仰拱混凝土；
第九步：⑨-整体浇筑仰拱填充混凝土；
第十步：⑩-拱墙二次衬砌施工。
5.1.2.4以上几种开挖方法应注意的操作要点：
（1）保持合理的分部开挖断面和各部的纵向间距，每个分部及时闭合。
开挖轮廓要圆顺，避免应力集中。
（2）钢架各节点及钢架间严格按工艺要求施工，确保连接牢固可靠。
（3）施工中坚持“先预报、超前护、弱(不)爆破、短进尺、强支护、勤量测、早衬砌”的原则，这样才能在安全上做到发现在前、解决在前，杜绝一切事故的发生。
（4）在分部开挖作业时几部分要平行进行，相隔间距在5米至15米之间（其中CRD法开挖时各部间距不超过1.5m）。
开挖后初期支护要及时封闭成环。
（5）施工中认真进行监控量测，根据监控量测的结果分析，调整初期支护参数和确定灌筑二次衬砌混凝土的时间。
图5.1.2-1 现场做超前地质预报图 5.1.2-2 初期支护封闭成环
5.1.3喇叭口段的二次衬砌施工
由于喇叭口段断面渐变形式变更为台阶型渐变形式，所以在二次衬砌上采取了以下的施工工艺。
5.1.3.1 衬砌台车
由于喇叭口段变成了若干个台阶断面，所以衬砌台车的断面相应变化若干次。
针对尺寸变化差值较大的特点，全新设计了10.2米长衬砌台车，该台车由主门架结构、拱架、隧道专用模板、液压系统、走行系统、支撑构件等组成。
模板采用1.5米×0.5
米可调曲率模板，能根据断面尺寸变化逐块进行曲率调整，以达到最佳断面轮廓效果。
拱架单元结构简单、装拆方便，适合本工程多次组装、快速施工的特点。
这样既节约了工期，又节省了投资。
对衬砌台车门架的选用、加工要遵循以下两点原则：
（1）所做的门架要有足够的强度，要能满足重复多次使用的要求；台车不断加高、加宽时，其整体稳定性要好。
（2）选用的门架要介于最大及最小两断面之间，所有断面均能满足使用要求。
5.1.3.1-1 喇叭口衬砌台车图
5.1.3.2 二次衬砌混凝土
喇叭口断面大，每板衬砌（10m长）混凝土方量大，在100立方到300立方之间；我部把混凝土拌和站设置在洞内，这样既缩短了混凝土的运距，又满足了冬季施工要求。
图 5.1.3.2-1 洞内混凝土拌和站施工图
5.1.3.3衬砌台车的改装
当将一个断面的衬砌施工完毕后需要对台车进行改装，即对台车进行加高、加宽。
对连接小模板的钢拱架进行调换，调换下的钢拱架用来制作3米长过渡段的拱架。
新的
钢拱架要提前加工并提前运到施工现场。
改装台车时间不大于10天。
5.2小净距段施工工艺
所谓小净距段指净距小于1.5倍隧道开挖断面宽度，且开挖断面宽度小于13m的并行双洞隧道。
小净距隧道在施工中主要有以下几点关键技术。
（1）小净距隧道的开挖施工工艺。
（2）小净距隧道的初期支护施工。
（3）小净距隧道的监控量测。
在南梁隧道中250m长小净距段的中隔墙宽度为2.13米～9.5米。
图5.2-1 小净距隧道照片
5.2.1 小净距隧道开挖步骤
为确保开挖过程中围岩的稳定性，要减少因隧道净距小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素的影响，满足小净距隧道中夹岩特有的加固要求。
开挖见图5.2.1-1 小净距开挖周边眼布置示意图
操作要点：
（1）采用由中心向周围扩张的形式开挖。
（2）在每环的开挖过程中，应注意开挖宽度，根据现场情况而定。
（3）在开挖过程中采取“短进尺、弱爆破、炮眼加密”。
（4）在最后一环的开挖过程中，周边眼间距在25cm～30cm，而且装药量要少。
（5）开挖完毕后要及时做初期支护。
（6）在左右线的开挖过程中间距为50米（即左线掘进50米后，右线开始掘进）。
（7）采用光面爆破。
图5.2.1-1 小净距段开挖周边眼布置示意图
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5.2.2 小净距隧道的初期支护施工。
为使开挖后的小净距隧道中隔墙处于稳定状态，开挖后使用预应力对拉锚杆，梅花型布置。
对于围岩差的地段加设钢拱架及对拉锚杆，锚杆与拱架相连接，形成一整体。
对于涌水且围岩差的地段，采用帷幕注浆的方法止水，加强围岩的稳定性。
5.2.3 小净距隧道的监控量测
小净距隧道施工要做好监控量测工作。
在初期支护时预埋拱顶下沉、边墙收敛的构件。
每20米埋设一组预埋件。
每天进行监测，并做好记录，分析出围岩的稳定性。
当变形量较大时及时加强支护，增加钢拱架喷混凝土，直至变形量趋于稳定。
6.材料与设备
主要的材料及设备见表6.1。
表6.1 主要施工材料、设备配置表
表6.1 主要施工材料、设备配置表
7.质量控制
7.1开工前，进行隧道控制测量，布设满足精度和施工需要的平面控制点和水准基点。
7.2采用新奥法技术，充分利用围岩的自稳条件，周边眼采用光面爆破技术，减少超欠挖及围岩扰动。
7.3对隧道施工中可能出现的不良地质现象，采取超前地质预报措施，制定针对性施工方案，备足相应的设备和材料，对围岩变形进行监测，作好记录，及时反馈，以便分析处理，采取补救措施。
7.4为保证混凝土衬砌内实外光，专门设计钢结构液压衬砌台车，配足组合钢模板，保证尺寸准确，质量优良。
7.5洞内水沟、电缆槽使用制式模板，确保结构尺寸、棱角线型。
7.6严格喷射混凝土质量管理和质量检查制度，指派专人负责集料、水泥、掺加剂的检验，对喷射混凝土的凝结效果、早期强度及不同龄期的强度定期检查，对喷射混凝土的厚度随时抽查，对锚杆的早强效果及时做抗拔试验。
8.安全措施
8.1运输及机械操作安全管理措施
（1）机械作业时，现场设专人指挥、调度，确定合适的机械车辆走行路线，并设立明显标志，防止相互干扰碰撞，机械填筑作业要留有安全距离。
（2）车辆在特殊道路上行驶，必须遵守有关规定；长途运输必须配备两名司机。
（3）不良气候条件下行车，集中注意力，慢速行驶，安全行车。
（4）汽车驾驶员自觉遵守交通规则，同时注意车辆保养维修，刹车和方向保持灵敏可靠，杜绝带故障出车，不开快车，不酒后驾车，不准非驾驶员开车。
（5）各种机械操作人员，必须得操作合格证方可上岗；不操作与证件不相符的机械设备，不准将机械设备交给无本机操作证的人员操作，对机械设备操作人员建立档案，专人管理。
（6）驾驶室或操作室保持整洁，严禁存放易燃、易爆物品。
严禁机械设备带病运转或超负荷运转。
（7）对机械设备进行检查和维修时，机械设备停放在安全地点。
（8）机械设备在作业过程中，派专人进行监督指挥，严禁盲目和违规操作，以免造成机械损坏和人身伤害。
（9）定期组织机械设备安全检查，对检查中查出的安全问题或隐患，按照“三不放过”的原则进行调查处理，制定防范措施，防止事故的发生。
（10）起重作业严格按照《建筑机械使用安全技术规程》和《建筑安装工人安全技术操作规程》规定的要求执行。
8.2隧道施工安全作业措施
（1）隧道施工洞内设专人指挥调度，三管两线设专人管理，保证照明、通风、排水设施良好，道路平顺畅通、灯光明亮。
设置好运输线路安全信号标志，确保洞内运输安全。
（2）专职安全人员上岗必须佩戴安全人员袖标，凡进洞人员必须戴安全帽。
（3）重视洞口的稳定和排水，做好截水沟及排水沟，经常检查洞顶边坡稳定情况。
（4）把软弱围岩作为重点和防范对象，注重围岩监测和观察，按新奥法原理组织施工，做好隧洞监控量测，根据监测资料，判定围岩的稳定性，超前指导施工，保证安全。
（5）隧道开挖断面轮廓及时封闭，高压电线及风管通过衬砌台车时，设置绝缘活动装置和风管分节安装，防止挂断电缆和弄环风管。
9.环保措施
9.1防治水土流失措施
9.1.1永久用地范围内裸露地表用植被覆盖。
9.1.2临时用地范围的耕地采取措施复耕，其余裸露地表植草或种植树木绿化。
9.2弃碴场环境保护措施
9.2.1开工前，参照设计提供的资料和现场调查资料，提交取、弃土施工方案，得到业主、监理工程师及其它有关部门批准后再行开采。
9.2.2弃碴场集中设置于路线范围外，综合考虑土质、运距、交通等条件，力求少占农田。
9.2.3弃碴场的边坡及坑底纵坡、横坡按照规范规定设置，并修建与全线排水系统有机结合的排水设施。
9.2.4弃碴场原地面的种植土等非适用填料先予清除，堆置一边，待取土坑、弃土场施工完毕后，修整取、弃土场边坡，再覆盖原种植土或采取其他措施防护。
9.3驻地环境保护措施
9.3.1创建美好环境。
在工地现场和生活区设置足够的临时卫生设施，每天清扫处理,同时,在生活区周围种植花草、树木、美化生活环境。
9.3.2对有害物质(如燃料、油料、废旧材料、垃圾等)进行处理后运至指定的地点进行掩埋，以防泄漏，造成对动物、植物的损害。
9.4水环境保护措施
9.4.1施工机械的废油废水，采取有效措施加以处理，不得超标排放，造成河流和水源污染。
9.4.2来自生活区、办公区和施工区的污水或泥浆，进行严格沉淀、净化处理，并经检验符合环保标准后，方可排入河中。
9.4.3靠近生活水源的施工，用沟壕或堤坝同生活水源隔开，并避免污染生活水源。
9.4.4冲洗骨料的水或施工废水,经过过滤，沉淀或其它方法处理后才允许排入河道。
9.5固体废弃物处理措施
9.5.1施工和生活中的废弃物集中堆放，运至指定地点，此外，工地设置能冲洗的厕所，派专门的人员清理打扫，并定期对周围喷药消毒，以防蚊蝇滋生，病毒传播。
9.5.2报废材料或施工中返工的挖除材料立即运出现场并进行掩埋处理。
10 效益分析
10.1产生的经济效益
表 10.1-1 喇叭口段衬砌对比表
由表可以看出在衬砌项目上节约投资213.9万元；节约工期402天。
10.2 产生的社会效益
多次在信誉评价中获得第一名，而且南梁隧道在2007年11月正洞施工完毕，比业主要求工期提前60天。
11.应用实例
石太客运专线起自石家庄北站，止于太原站，正线全长188.4km，全线位于河北、山西省部分市县境内。
其中Z1标段位于河北省井陉县境内，重点工程南梁隧道进口段起讫里程为DIK57+545～DK66+240，全长8.695公里。
此工程于2005年6月开工，至2007年11月洞内线下工程已完工。
在我部施工的2号斜井工区里程DIK62+860～DIK63+590为喇叭口大跨及小净距段。
喇叭口属于超大断面隧道，断面面积在480m长范围内由117.6m2增大到了299.56m2；250m长的小净距段的中隔墙宽度为2.13米～9.5米，在应用了《大断面单洞双线变双洞单线隧道施工工法》后我工区提前两个月完成了施工任务。
11-1 中铁十二局承建南梁隧道
11-2 中铁十二局承建南梁隧道喇叭口及小净距段完工。
