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2 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。
右 线 线 路 中 线线 路 中 线左 线
隧 道 中 线中 隔 墙480m(喇叭口大跨段)250m(小净距段)
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。
过渡段250m（小净距段） 480m（喇叭口大跨段） 隧 道 中 线左 线 中 线中 线线 路 右 线 线 路 原来开挖边线过渡段过渡段过渡段
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
6341隧道中线ⅡⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅪ
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 1－上半断面开挖
Ⅱ－施作上半断面初期支护
3－拉中槽
4－左边墙开挖 Ⅷ－施作仰拱
Ⅸ－仰拱填充
Ⅹ－二次衬砌施作
Ⅺ－水沟电缆槽施工
Ⅴ－左边墙支护 Ⅶ－右边墙支护
6－右边墙开挖 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。
4231隧道中线1′ⅠⅢⅡⅣ2′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 Ⅰ－施作上半断面初期支护
1′－上导中隔壁施工
2－开挖左侧下导 ⅣⅣ′－右边墙、仰拱初支
拆除中隔壁
仰拱混凝土施工
仰拱填充混凝土施工 4－开挖右侧下导
ⅡⅡ′－左边墙、仰拱初支
3－开挖右侧上导
Ⅲ－右侧上导支护 1－上半断面开挖
二次衬砌施做
水沟电缆槽施工 2′－下导中隔壁施工 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； Ⅴ Ⅵ 5＇ Ⅱ 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。