基于矿山法隧道复合式衬砌技术应用探讨

李国福

(赤峰诚联市政工程有限责任公司，内蒙古 赤峰 024000)

0 引言

隧道工程施工是极为烦琐和复杂的，施工过程通常会遇到诸多的困难[1]。而隧道复合式衬砌质量倍受关注，其“内实外美”的基本质量要求被高度重视。目前国内学者针对隧道复合式衬砌施工进行了一些研究：张金伟等[2]通过数值模拟分析试验与现场应用开展了矿山法二次衬砌结构初步研究；阮清林[3]分析隧道施工误差、二次衬砌混凝土厚度等方面的问题并提出一些解决对策；伍程[4]利用有限元数值方法分析研究隧道初期支护与二次衬砌受力情况；张凯等[5]详细阐述二次衬砌耐久性问题；王建宇[6]对比分析了喷膜防水与挂板式防水效果的优劣；高祁[7]总结归纳了隧道渗漏水处理方法；蒋婵君等[8]分析隧道衬砌质量监控作用。

在工程建设中，由于隧道受条件限制和施工技术参差不齐的影响，隧道复合式衬砌质量出现了一些不容忽视的问题，如衬砌开裂、壁后空洞、渗漏水、强度不合格等。如何确保隧道衬砌施工质量，已是工程界必须认真对待的问题。鉴于此，该文结合仁化(湘粤界)至博罗高速公路笔架山隧道复合式衬砌施工背景，对复合式衬砌施工技术展开研究，从复合式衬砌特点、设计施工技术要点、施工过程质量管控和质量问题应对措施等几个方面进行分析阐述，并取得了一定的管理经验。

1 工程背景

1.1 工程概况

仁化(湘粤界)至博罗高速公路笔架山隧道起讫桩号K273+445～K277+245，始于始兴县城南镇胆源村，止于始兴县深渡水乡，为上下行分离式双向六车道高速公路隧道。隧道呈曲线形展布，圆曲线R=2 000 m，隧道全长3 800 m，最大埋深约473 m，属深埋特长隧道。隧道采用矿山法爆破开挖+复合式衬砌结构，分别从隧道进出口相向施作。

该工程隧道复合式衬砌典型断面如图1所示。

1.2 工程、水文地质情况

该隧道地下水以基岩风化带内的裂隙水为主，富水性不均。隧址区水质对混凝土结构具有弱腐蚀性。

2 隧道复合式衬砌的特点

复合式衬砌分内、外两层先后施作。其中，在隧道开挖后，先施作外层衬砌(初期支护)；待隧道周边围岩变形基本稳定后再施作内层衬砌(二次衬砌)。两层衬砌之间需增设防水层。

1)先后施作两次衬砌，对隧道衬砌整体受力有利。围岩在初期支护情况下释放大部分变形，进而能使二次衬砌减小受力。

2)二次衬砌对初期支护产生径向抵抗力，从而使初期支护的受力条件得到进一步改善。

3)二次衬砌有利于隧道防水和通风，并保护初期支护结构。

4)复合式衬砌的缺点为施工较复杂，工程造价高。

3 隧道复合式衬砌设计要点

1)根据水文地质、围岩级别、隧道埋深和施工条件等情况，确定隧道复合式衬砌设计参数。

2)自稳性差、初期变形大的地层应采用钢拱架。

3)系统锚杆应沿隧道外围梅花形打设，其方向应垂直岩层。围岩自稳性较好时可取消系统锚杆设计。

4)二次衬砌采用等厚度模筑钢筋混凝土结构。

5)衬砌应有足够的强度和稳定性，保证隧道运营期安全。

6)明洞拱圈和路堑式明洞边墙，半路堑式明洞内墙参照隧道整体式衬砌设计。

7)气温变化较大的区段应根据具体情况设置变形缝。

8)初期支护预留变形量应根据围岩级别、隧道深度、隧道断面、施工工法和支护方式等设计预留量大小。

隧道初期支护预留变形位移量参考值见表1。

表1 隧道初期支护预留变形位移量参考值 cm

根据地质勘察报告和该隧道使用要求，采用隧道衬砌理论计算方法，确定该工程隧道衬砌参数、衬砌材料和施工方法等。该工程隧道复合式衬砌及支护参数如表2所示。

表2 隧道复合式衬砌及支护参数表 cm

4 隧道复合式衬砌施工技术要点

结合工程地质情况和设计要求，该工程先施作明洞仰拱及填充和毗邻洞内二次衬砌，再返回明洞处施作拱墙衬砌，以确保隧道安全。洞内衬砌按照先拱后墙法施工。

4.1 施工流程

该工程隧道复合式衬砌施工流程如图2所示。

4.2 初期支护

该工程采用大管棚进洞+超前支护+系统锚杆+钢拱架+喷射混凝土等措施进行初期支护。

1)钢拱架结合隧道衬砌类型及预留沉降量洞外分段加工，洞内拼装而成。

2)为增强钢拱架的整体稳定性，将钢拱架与系统锚杆和钢筋网片焊接牢固。

3)钢筋网与受喷面的间隙不能大于3 cm，并与锚杆或拱架连接牢固。

4)喷射混凝土施作前应仔细检查喷射面，如有松动岩体应及时处理。

5)喷射混凝土采用湿喷工艺自下而上分层、分段进行。

6)超挖位置视超挖量大小，在超挖处增设钢筋网片，采用喷射混凝土填充，不得填充异物。

4.3 二次衬砌

该工程根据不同围岩级别采用不同厚度的C30钢筋混凝土进行二次模筑衬砌。

1)二次衬砌紧跟初期支护之后进行，并先施作仰拱，再进行仰拱回填，最后模筑边墙及拱部混凝土。

2)在隧道周边围岩位移变形速率明显减缓且已基本稳定后开始施作二次衬砌。

3)二次衬砌采用整体式衬砌台车模筑。台车设计需经结构受力计算，并满足刚度、强度及稳定性要求。

整体式衬砌模板台车如图3所示。

4)仰拱衬砌必须紧跟初期支护，在初期支护落底后及时施作。

5)因仰拱及仰拱填充具有封闭基底、稳固拱脚、早闭合的作用，故必须尽早施作。仰拱填充不能与仰拱混凝土同时浇筑。

6)预留洞室等结构物衬砌采用简易衬砌台架、组合钢模立模。

7)台车就位前，应认真检查防水板、排水盲管、二衬钢筋、预埋件等位置。

中埋式止水带定位如图4所示。

8)根据现场实际情况，应适当增加二次衬砌的外放值，以免侵限。

5 隧道复合式衬砌质量管控

1)喷射混凝土表面应做到大面平整、湿润光泽。

2)在隧道掌子面初喷完成后，应立即进行钢拱架安装，并加强锁脚固定措施。拱架安装后应尽快进行喷射混凝土施作，以使钢拱架与喷射混凝土尽早共同受力。

3)严格控制隧底填充混凝土的顶面标高，预留排水盲管、防水板、预埋件的铺设空间，绝不可冒顶。

4)隧道复合式衬砌不得侵限。为能充分保证施工后隧道净空，台车定位时适当加高、加宽处理，但不应超过预留变形量富裕值。

5)在隧道围岩破碎带或浅埋段，应尽早进行二次衬砌，以确保结构稳定和施工安全。

6)衬砌施工缝应与设计的沉降缝、伸缩缝结合布置。

7)二次衬砌钢筋焊接时必须对防水板采取有效保护措施。

8)混凝土浇筑前应再次检查二衬模板台车、钢筋、预埋件、预留孔洞、止水带、止水条预埋情况。

9)二次衬砌拆模时间要准确把握，不宜过早，既要保证衬砌结构安全及外观质量，又要满足加快台车周转使用要求。

10)复合式衬砌作业区的通风、供水、供电、排水及洞内照明必须满足正常施工需要。

11)二次衬砌壁后空隙应在衬砌混凝土达到强度后通过钻孔注浆回填处理。

该工程隧道二次衬砌成型外观质量如图5所示。

6 隧道复合式衬砌质量问题应对措施

隧道复合式衬砌是重要的支护措施，是隧道结构“内实外美”的直接体现者。复合式衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定性、运营功能的发挥有着重要的作用。

隧道复合式衬砌施工部分质量问题与预防措施如表3所示。

表3 复合式衬砌部分质量问题与防治措施

7 结语

结合仁化(湘粤界)至博罗高速公路笔架山隧道复合式衬砌工程特点，对矿山法隧道复合式衬砌施工技术展开研究，通过设计施工技术要点、施工过程管控探讨，并对部分质量问题提出预防控制措施，确保了该工程复合式衬砌成型质量，降低了施工成本。通过该工程矿山法隧道复合式衬砌施工案例分析总结了以下几点建议，供今后类似工程参考借鉴：

1)隧道复合式衬砌参数应根据地质条件、断面尺寸、施工工法等方面综合考虑制定。

2)隧道衬砌除考虑施工误差和变形位移量外，还应预留富余量作为必要时补强之用。

3)要严格把控复合式衬砌各道工序质量，尤其是二次衬砌混凝土施工质量，混凝土压顶时应恰到好处，既不能有脱空也不能损坏台车。