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忻州隧道下穿高速公路施工方案专家评审完成

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2020年4月19日
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目 录
1、编制依据 1
2、工程简介 1
2.1工程概况 1
2.2地质特征 3
2.3地震动参数 3
3、施工计划安排 3
4、总体施工思路 3
5、施工方案 4
5.1大管棚超前支护施工 4
5.2超前小导管施工 7
5.3玻纤锚杆施工 9
5.4双侧壁导坑法施工 10
5.5初期支护施工 17
6、监控量测 17
6.1监测项目 17
6.2监测测点布置 17
6.3变形管理值及标准 20
6.4监控量测方案 21
7、交通管制方案 23
7.1施工期间交通改道 23
7.2施工期间交通限速 23
8、专项防护方案 23

忻州隧道下穿大运高速公路施工方案

1、编制依据
1.1国家现行颁布的标准。
1.2铁道部现行颁布的施工规范、工程质量检验评定标准、试验规程、安全规程、施工指南以及水保、环保行业标准等。铁道部施工技术文件、标准、规范及施工指南表。
1.3大西铁路客运专线有限责任公司发布的《新建铁路大同到西安客运专线站前工程施工总价承包招标文件》(招标编号：JS -013)。
1.4大西铁路客运专线有限责任公司发布的《新建铁路大同到西安客运专线站前工程施工招标答疑》。
1.5铁道第三勘察设计院集团有限公司发布的《新建铁路大同到西安铁路大同至运城段施工图》。
1.6我单位对当地环境及现场踏勘资料。
1.7为完成本区段工程拟投入的施工管理、专业技术人员、机械设备等资源。
2、工程简介
2.1工程概况
忻州隧道位于忻州市境内，进口里程DK204+580，出口里程DK207+663，全长3083m，为本标最长隧道，也是控制工期工程。隧道自进口至DK205+190.1位于直线上，自DK205+190.1至出口位于半径为8000m的右偏曲线上；隧道进口至DK206+000为3‰的上坡，DK206+000至出口为6.16‰的上坡。隧道最大埋深约59m。
隧道洞身DK206+734.7~DK206+782.3处下斜穿大运高速公路，高速公路路面宽约25m，下穿路面长度约为34m，高速公路与隧道洞身夹角约48°11′37″。下穿处内轨顶面至公路路面高度约37m。
隧道里程DK206+808.76有一联通信号铁塔,位于中线右侧8.61m。

图1 忻州隧道下穿大运高速公路平面示意图

图2 忻州隧道下穿大运高速公路断面示意图
考虑联通信号铁塔在大运高速公路对隧道影响范围内，本方案针对如何安全进行下穿大运高速公路及联通信号铁塔施工进行编制。
2.2地质特征
本区段起点位于忻州市东社村境内，多分布黄土丘陵,地形起伏较大，忻州隧道下穿大运高速公路，地面地形比较平缓，到忻州市烟村为本区段终点。表覆新黄土,黄褐色，坚硬~硬塑，颗粒均匀，具大孔隙，含薄层细圆砾土和钙质结核层，夹多层浅棕红色古土壤层。下伏老黄土，浅棕红色，坚硬~硬塑，土体紧密，含钙质结核层和洪积碎石类土和砂土，洞顶覆土较薄。区段沿线新黄土分布广泛，部分具有湿陷性，局部为Ⅳ、Ⅴ级湿陷系数δs=0.017～0.080。
2.3地震动参数
根据中华人民共和国国家标准GB18306- 《中国地震动参数区划图》，结合沿线地质及工程情况，本区段沿线地震动峰值加速度为0.20g（地震基本烈度Ⅷ度）。
3、施工计划安排
根据合同工期要求和现场实际情况，编制如下施工计划：隧道下穿高速公路工程预计从 3月25日开始，到 6月25日结束，共计3个月。
4、总体施工思路
忻州隧道下穿高速公路段属于黄土浅埋段，注意隧道暗洞开挖时土体坍塌。根据现场实际情况，选择合适的施工方案和合理的防护方案，最大限度的减少对土体的扰动，充分利用其自身的稳定性，是安全快速下穿高速公路施工的关键。
总体施工方案:
1、在206+810~DK206+820段预留长管棚工作室，工作室比正常隧道扩挖1米，以保证φ159mm大管棚施工作业空间。
2、隧道里程DK206+710~DK206+810段，拱部部150°范围内，一次性打入一环φ159大管棚进行超前加强支护，大管棚长100m，t=9mm，环向间距40cm。
3、DK206+710~DK206+810段拱部140°范围内设置φ42mm小导管超前支护，小导管长6m,t=3.5mm，环向间距30cm。超前小导管配合钢架使用，每3m（5榀）施做一环，纵向搭接长度不小于3.0m。
4、玻纤锚杆垂直打入掌子面进行加固，玻纤锚杆长12m，锚杆间距60cm×80cm（水平×竖向），每8m一环，搭接长度4m。
5、隧道DK206+710~DK206+810采用双侧壁导坑法施工，施工时加强监控量测，及时施做初期支护和二次衬砌。
6、双侧壁导坑左、右上台阶钢拱架拱脚处用角钢和钢板制作大拱脚，增大受力面积。
7、洞身开挖后拆除临时支护喷混凝土及钢架。一次拆除的长度控制在6m以内。
8、仰拱开挖控制在2~3m，仰拱距掌子面距离控制在20m以内；二衬一次施作4~6m，二衬距掌子面距离控制在35米以内。
5、施工方案
5.1大管棚超前支护施工
（一）大管棚设计
（1）设计参数：
① 导管规格：长度100m，外径159mm，壁厚9mm,套管200*6mm；
② 管距：环向间距40cm；
③ 外插角：外插角2°；
④ 注浆材料：M20水泥浆或水泥砂浆；
⑤ 设置范围：拱部150°范围；

图3 超前大管棚正面设计示意图

图4 超前大管棚构造示意图
（2） 施作导向墙
DK206+820~DK206+810设置工作间,工作间长10m，扩挖1m。
① 模筑混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖轮廓线以外施作，断面尺寸为长×厚（1.0m×0.8m），护拱内埋设钢架支撑。导向墙要保证其基础稳定性。
② 孔口管φ200*6钢管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；外插角。导向管应牢固焊接在工字钢上，防止喷射混凝土时产生位移。
（3）搭钻孔平台安装钻机
① 钻机平台用钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由潜孔钻机由高孔位向低孔位进行。
② 平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。
③ 钻机定位：钻机要求与已设定好的导向管方向平行，必须精确核定钻机位置。重复调整，确保钻机钻杆轴线与导向管轴线相吻合。
（4）钻孔
① 为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ185mm。
② 土质较好的能够一次成孔。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。
③ 钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
④ 钻进过程中经常见全站仪测定其位置，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。
⑤ 钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
⑥ 认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口土块进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。
（5）清孔验孔
① 用地质岩芯钻杆配合钻头进行重复扫孔，清除浮土，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。
② 用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
③ 用经纬仪、全站仪等检测孔深、倾角、外插角。
（6）安装管棚钢管
① 钢花管在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10～16mm注浆孔(钢花管尾部1.1m内不钻孔)，孔间距15cm，呈梅花型布置。管头焊成圆锥形，便于入孔。
② 棚管顶进导向跟管钻进法工艺，钢管分节，车公丝扣和母丝扣，管棚丝扣连接成整体，在转头带动下，一次转进成型。
③ 接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。
（7）注浆
① 安装好有孔钢花管即对孔内注浆，浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。
② 注浆材料：注浆材料为M20水泥浆或水泥砂浆。
③ 采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压3MPa，持压15min后停止注浆。
④ 注浆量应满足设计要求。
（二）施工控制要点
（1）钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
（2）设计钻孔外插角2°。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。
（3） 严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
（4） 经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。
（5）掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。
（三）劳动力组织
钻机操作工3～5人，管棚加工2人，钢管顶进6人，注浆6人。
（四） 机具配备
结合正常施工需要，管棚施工机械设备配置如下：
管棚钻机2台、电动空压机2台、注浆机2台、ZJ-400高速制浆机1台、混凝土拌合站一座、混凝土振动棒4个、J3G-400A型型材切割机1台、型钢弯制机1台、BX1－400型交流弧焊机4台、砼搅拌运输车1辆、ZLC50C装载机1辆。
5.2超前小导管施工
（一） 超前小导管设计
超前小导管配合型钢钢架使用，每3m（5榀）施作一环，其纵向搭接长度不小于3m。
超前小导管设计参数：
（1）超前导管规格：符合设计要求；
（2）小导管环向间距30cm；
（3）倾角：外插角3°～5°，可根据实际情况调整；
（4）设置范围：拱部150°范围。
（二） 超前小导管施工
施工工艺流程见图5。地质调查
现场试验
效果检查
制定施工方案进行施工
施工准备
设备准备
管材加工
材料准备
喷砼封闭掌子面
机具准备
拱部放样布孔
风枪或煤电钻成孔
清 孔
插入小导管
注浆
隧道开挖
砂浆准备

图5 超前小导管施工工艺流程图

（四） 小导管安装
（1）测量放样，在设计孔位上做好标记，用凿岩风枪钻孔，孔径较设计导管管径大20 mm以上。
（2）成孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用凿岩机直接将小导管从型钢钢架上部、中部打入，外露20cm支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。
（五） 注浆异常现象处理
（1）串浆时及时堵塞串浆孔。
（2）泵压突然升高时，可能发生堵管，应停机检查。
（3）进浆量很大，压力长时间不升高，应重新调整砂浓度及配合比，缩短胶凝时间。
（六）劳力、机具设备的配置
超前小导管每环设计间距为40cm，每工班钻孔及注浆施工人员不宜少于10人，施工中应根据现场情况及时调整。结合客运专线大断面隧道的特点，每工班施工机具配置如下：KBY-50/70注浆泵1台、煤电钻10台、气焊机2台、BX1-500电焊机1台。
5.3玻纤锚杆施工
（一） 玻纤锚杆设计
玻纤锚杆垂直打入掌子面，每8米施作一环，搭接4m。
玻纤锚杆设计参数：
（1）玻纤锚杆规格：FL30×7，长12m。
（2）玻纤锚杆间距：60cm×80cm（水平×竖直）。
（3）倾角：垂直打入掌子面。
（4）注浆材料：纯水泥浆。
（二） 玻纤锚杆施工
玻纤锚杆施工工艺流程：
施工准备
在掌子面上标记钻孔位置
钻孔
插入玻纤锚杆

孔中注入砂浆、待强

质量检查
不合格
补强措施
结束
清孔
合格检查
图6 玻纤锚杆施工工艺流程图

(1)钻孔:首先在掌子面标记出钻孔位置，间距60cm×80cm（水平×竖直），允许偏差100mm。用钻机进行钻孔，不得有水作业，孔径50mm；钻孔深度为12m，允许偏差为±50mm。
(2)清孔：锚杆孔钻好后用压风吹扫锚孔内浮尘。
(3)插入玻纤锚杆:用安装机具将玻纤锚杆插入，安装过程中扭矩不得大于34N·m。
（4）注浆：玻纤锚杆注纯水泥浆，水灰比1:1。注浆压力为0.5~1Mpa，由现场试验确定。注浆采用压力与注浆量双重控制：档案锚杆当注浆量大于0.326m³，注浆压力大于0.5Mpa时可结束注浆；当注浆压力大于1.2Mpa，注浆量大于0.009m³时可结束注浆。
（5）对掌子面进行开挖时将玻纤锚杆外露部分切断以方便施工。
5.4双侧壁导坑法施工
（一）双侧壁导坑法施工工序说明图如下：
图7 双侧壁导坑法施工工序断面图

图8 C节点详图

图9 双侧壁导坑法施工工序平面

图10 双侧壁导坑法施工工序平面

图11 双 侧 壁 导 坑 法 施 工 工 序 纵 断 面

图12双侧壁导坑法施工工艺流程图

（二）双侧壁导坑法施工步骤：
（1）A.利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。
B.开挖①部。
C. 喷5cm厚混凝土封闭掌子面。
D.施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚混凝土，架立I25a钢架及I25a临时钢架，并设锁脚锚管，安设I25a横撑。为减小沉降，①部钢架采用角钢和钢板制作大拱脚，见图8。
（2）A.在滞后于①部一段距离之后，开挖②部。
B.导坑周边部分初喷4cm厚混凝土。
C.架立I25a钢架及I25a临时钢架，并设锁脚锚管。
（3）A.利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。
B.开挖③部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同①。
（4）开挖④部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同②。
（5）A.利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。
B.开挖⑤部。
C.架立I25a钢架及I25a临时钢架，复喷射混凝土至设计厚度。
D.喷5cm厚混凝土封闭掌子面。
E.导坑周边部分初喷4cm厚混凝土,架立拱部I25a钢架。
（6）A.利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。
B.开挖⑥部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同⑤。
（7）A.开挖⑦部。
B.导坑底部初喷4cm厚混凝土，安设I25a钢架使钢架成环，复喷混凝土至设计厚度。
（9）逐段拆除靠近二次衬砌6～8m范围内两侧壁底钢架单元。
（10）灌注Ⅸ部仰拱及隧底填充（仰拱与隧底填充分次施作）。
（11）A.根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I25a临时钢架及临时横撑。
B.利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅹ部衬砌（拱墙衬砌砼同时施作）
5.5初期支护施工
初期支护紧跟开挖面及时施作，以减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落。
钢架采用I25a型钢，钢架间距0.6m，临时支撑采用I25a工字钢；锁脚锚管为Ф42钢管，长度4m，插入角为：2根15°，2根30°；钢筋网为Ф8钢筋，尺寸20×20cm；锚杆为全螺纹砂浆锚杆长度3.5m，间距环向×纵向（1.2m×1m）； C25喷射混凝土，厚度0.35m。
6、监控量测
忻州隧道下穿大运高速公路段施工设计地表沉降控制标准为0.02m，监控量测在此段施工过程中尤为重要。
6.1监测项目
根据招标文件、设计资料以及现场实际情况，本标段在下穿大运高速公路施工过程中需对场区内及周围环境进行日常的常规监测主要有：地表沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛等。各种观测数据相互印证，确保监测结果的可靠性，合理确定施工参数提供依据，达到反馈指导施工的目的。
6.2监测测点布置
（1）监测测点布置原则为：观测点类型和数量的确定结合本工程性质、地质条件、设计要求、施工特点等因素综合考虑，并能全面反映被监测对象的工作状态。
为验证设计数据而设的测点布置在设计中最不利位置和断面上，为结合施工而设计的测点，布置在相同工况下的最先施工部位，其目的是及时反馈信息、指导施工。
（2）表面变形测点的位置既要考虑反映监测对象的变形特征，又要便于应用仪器进行观测，还要有利于测点的保护。埋测点不能影响和妨碍结构的正常受力，不能削弱结构的刚度和强度。在实施多项内容测试时，各类测点的布置在时间和空间上应有机结合，力求使一个监测部位能同时反映不同的物理变化量，找出内在的联系和变化规律。根据设计预先布置好各监测点，以便监测工作开始时，监测元件进入稳定的工作状态。如果测点在施工过程中遭到破坏，应尽快在原来位置或尽量靠近原来位置补设测点，保证该测点观测数据的连续性。
（3）沿线路纵向布设9个观测断面（断面与高速公路平行），其中高速公路中线两侧沿隧道方向各15米范围内3个断面为A类断面，其余6个断面为B类断面（详见图13-1）。A类断面：隧道中心线两侧15米范围内每3m布一点，15米之外每5米布一点，断面共计布点25个。B类断面：隧道中线两侧50米内布点，间距5m，断面共计布点21个。用冲击钻在地表钻孔，然后放入长200～300mm，直径20～30mm的圆头钢筋，四周用水泥砂浆填实。洞内水平收敛、拱顶下沉点布置在同一里程上（布置位置如下图所示）。施工到此范围内要增加观测频率。

图13—1 忻州隧道下穿大运高速公路段监控量测断面平面示意图
图13—2 A类断面地表下沉量测断面布置图
图13—3 B类断面地表下沉量测断面布置图

图14洞内沉降、水平收敛量测布置图
6.3变形管理值及标准
表2 洞内变形管理值
开挖阶段
极限值(mm)
警戒值(mm)
日变形速率(mm/d)
超过警戒值的工程措施
左上、右上台阶
16
8
2.4
(1)加设超前小导管
(2)加设开挖面稳定锚杆
(3)增加外侧壁锚杆
(4)增加内侧壁锚杆
(5)加设仰拱
(6)缩短循环进尺
左下、右下台阶
8
10
2.4
(1)加设超前小导管
(2)加设开挖面稳定锚杆
(3)增加外侧壁锚杆
仰拱闭合
4
2
2.4
加设仰拱锚杆
地表沉降警戒值按下阶段经过的高速公路路面控制标准制定，以使试验结果可直接用于下穿大运高速公路的施工。为确保高速公路行车安全，并制定合理沉降坡度，其路面沉降管监测理值。
（2）地表沉降监测管理值
表3 地表沉降监测管理值
项目
离隧道中心线距离(m)
警戒值
(mm)
安全值
(mm)
极限值
(mm)
1
-20
1.5
1
2
2
-10
8
4
10
3
-5
14
7
18
4
0
16
8
20
5
5
14
7
18
6
10
8
4
10
7
20
1.5
1
2
9
日变形速率
4.8
6
8

（3）变形速率(加速度)管理标准
变形速率分为日变形速率(R)、日变形加速度(A)与月变形速率。
表4 日变形速率管理标准
项目
变形加速度
初支状态
判断
1
A<0
趋于稳定
依据日变形速率可接受
2
A>0
趋于不稳定
预期出现问题

表5 月变形速率管理标准
项目
月变形速率
初支状态
判断
1
0-1
稳定
初支整体稳定完成
2
1-2
趋于不稳定
持续测量
3
2-3
潜变中
考虑后续补强措施
4
>4
不稳定
采取必要补强措施
6.4监控量测方案
（1）地表沉降监测
A.基点埋设：基点应埋设在沉降影响范围以外的稳定区域，而且应埋设在视野开阔、通视条件较好的地方；基点数量根据需要埋设，基点要牢固可靠。
B.沉降测点埋设：混凝土桩埋设在冻结线以下0.5米，直径20～30mm的圆头钢筋，四周用混凝土填实。
C.测量方法：观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近水准点联测取得初始高程。观测时各项限差宜严格控制，每测点读数高差不宜超过0.3mm，对不在水准路线上的观测点，一个测站不宜超过3个，超过时应重读后视点读数，以作核对。首次观测应对测点进行连续两次观测，两次高程之差应小于±1.0mm，取平均值作为初始值。
（2）隧道拱顶沉降及水平收敛监测
① 测量仪器：收敛计或全站仪Leica TCRA1201+、Leica反射片。
② 监测实施方法
全站仪法：
A.基点及测点埋设：基点埋设在受施工扰动的范围以外的结构物上。测点布设在管片上的设计位置，测点为长10cm的角钢，用膨胀螺栓固定在初期支护表面上，反射片（40×40mm）附在角钢上。观测点埋设如图10所示。
收敛仪法:
A.收敛量测元件：如下图所示，挂钩用直径6mm的圆钢做成等边三角形。
B.当收敛计在处于测试状态的时候，一定要使仪器的弹簧处于正常的受拉变形状态之下，而不是在受压迫性或非正常受拉的状态之下，每次量测务必读三次数，然后取平均值作为最后的数值。

图15 隧道收敛测点示意图

注意在每次量测之前，务必认真对所使用的收敛计进行检查，查看每个构件是否发生了松动或者变形，如发现仪器损坏，立即进行更换,另外，还需要对温度计进行检查，看是否准确。
收敛量测元件的埋设也是保证量测精度的关键。元件不要焊接到钢构件上，要牢固地预埋在围岩中。
7、交通管制方案

图16交通管制示意图
7.1施工期间交通改道
1、施工忻州隧道DK206+820~DK206+756.5时：
对大运高速公路GK677+608~GK677+808段①、②、③车道进行封闭，④、⑤、⑥车道通行。
2、施工忻州隧道DK206+756.5~DK206+700时：
对大运高速公路GK677+608~GK677+808段④、⑤、⑥车道进行封闭，①、②、③车道通行。
根据实际需要拆除大运高速公路隔离带。
7.2施工期间交通减速限速
大运高速公路两端在GK677+208和 GK678+208设置减速牌。
大运高速公路GK677+208~GK677+608;GK677+808~GK678+208每隔50m设置警示牌，标明“因施工前方XX米处换道行驶、因施工前方xx米处限速15km/h”。
大运高速公路GK677+608~GK677+808段慢行，限速15km/h。
8、专项防护方案
（1）严格按照设计、施工组织设计及专项方案进行施工，确保施工质量，进而保证施工安全。
（2）严格控制每循环进尺，每循环进尺0.6m。
（3）加强围岩监控量测，及时反馈信息，指导施工，特别是洞顶路面沉降观测。发现异常情况，立即停止开挖，并采取加固措施，待隧道稳定后方可进行施工。
（4）派专职联络员在下穿路段值班，并配备对讲机，及时将车辆的运行情况通报工地；施工现场设防护员负责与值班联络员联络，并将信息及时通报，确保工程安全有序进行。
（5）隧道要遵循“短进尺、快封闭”的施工原则。待仰拱施工完毕封闭成环后，安排拆除临时支撑。
（6）在高速公路路面进行监控量测时，在距量测地点前后500m处设置警示标志，确保量测人员的人身安全。
（7）与公路部门保持紧密联系，万一洞内发生滑塌、下沉等异常情况时，应立即通知高速公路管理部门，对公路执行必要的交通疏解。
（8）制订实施方案，施工中严格按照批准的时间、方案和安全措施进行施工，不得擅自变更施工方案。