隧道施工工艺及技术研究成果报告

一、课题来源

达成铁路客货两用双线是我国实际意义上的第一条时速为200km/h～250km/h电气化铁路。在隧道设计和施工方面特别是在穿越浅埋软弱地层方面无现成的技术标准可遵循，为确保隧道施工的安全，并为大跨度双线隧道在浅埋软弱围岩地段的施工提供技术指导，中铁八局集团有限公司于2006年5月正式批准立项，确定由中铁八局达成铁路新建双线段指挥部为项目主持单位，并邀请西南交通大学为项目参加单位，依托达成铁路改建工程ZQSG—1标段内家乡沟隧道和宝石岩隧道，以《达成铁路时速200km/h客货两用线路综合施工技术及其标准研究》为研究课题，同时结合本标段线路中隧道、路基、混凝土防腐技术等现场施工的实际需要，确立了相应的各子项目进行现场试验和研究工作。

二、国内外概况

高速铁路的建设在我国“十一·五计划”期间将得到快速发展，目前国内已经有京津线、遂渝线、郑西线、温福线等多条设计时速为200km/h～250km/h的高速铁路线路正在进行建设当中。而对于高速铁路线路中山岭大跨度双线隧道的设计技术标准以及施工工艺的研究仍处于探索阶段，许多施工及安全技术的应用都借鉴公路和城市地下铁道浅埋车站的设计与施工技术。近年来，随着我国交通运输建设事业的高速发展以及隧道与地下工程施工技术水平的不断提高，国内在大跨度隧道的修建中虽然积累了一些经验，但还未建立起科学安全的施工技术体系，许多技术难题诸如浅埋软弱地层围岩变形控制标准、隧道快速施工技术等尚须进行深入的研究。

目前，我国高速公路山岭地区单洞双车道大跨度隧道在浅埋软弱地层中通常采用新奥法进行设计与施工，并借鉴国内城市地下铁道车站浅埋暗挖法的成功经验进行施工管理。通过工程实践和探索取得了适合山岭地区高速公路浅埋段大跨度隧道设计与施工的相关技术成果和管理标准。高速公路山岭地区线路单洞双车道大跨度隧道与高速铁路的单洞双线隧道相比，其结构设计既有相同之处也有不同的特点。两者的主要区别在于开挖断面的大小和衬砌支护结构的不同。由于高速铁路山岭地区大跨度双线隧道开挖断面积达到140m2～170m2，因此无论在隧道结构设计上还是在隧道施工管理上都有其自身的特点。特别是在浅埋且软弱的破碎围岩地段，为确保隧道施工期间的安全以及隧道建成并投入运营后的长期耐久性，在进行结构设计时首先要掌握隧道围岩压力的大小与分布特点，同时还必须结合施工期间的围岩变形特点确定合理的施工方法。由于隧道穿越地层地质条件的复杂多样，以及围岩力学参数的差异性和离散性，不同的地层产生的隧道围岩作用和变形特点均不相同。结合达成铁路新建双线段家乡沟隧道和宝石岩隧道穿越粉质黏土、侏罗系蓬莱组水平层状砂质泥岩的地质条件，通

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过对隧道施工工艺和围岩变形特点进行监测与研究，可以总结出一套适合我国高速铁路山岭地区大跨度双线隧道在浅埋软弱围岩地层中的隧道安全、快速施工技术和围岩变形控制标准，其不仅对本标段隧道工程的建设提供科学依据，确保隧道施工的安全和建设质量，而且也为今后类似地质条件下高速铁路大跨度双线隧道的设计和施工提供重要的技术借鉴和理论依据。

三、隧道施工工艺及要点

达成线家乡沟隧道和宝石岩隧道采用复合式衬砌，初期支护采用C20喷射混凝土、Ф8钢筋网、Ф22砂浆锚杆联合支护，局部地段设置I18号工字钢加强支护。在Ⅲ级围岩地段初期支护采用喷锚支护，二次衬砌为C25耐腐蚀混凝土支护。Ⅳ级围岩地段初期支护为喷锚支护，采用拱墙格栅钢架和拱部Ф25水平砂浆锚杆加强支护，钢架纵向间距1.0m，二次衬砌采用C25耐腐蚀混凝土支护。Ⅴ级围岩地段初期支护为喷锚支护，采用I18工字钢架和拱部Ф25水平砂浆锚杆加强支护，钢架纵向间距0.8m，二次衬砌采用C25耐腐蚀钢筋混凝土支护。 家乡沟隧道和宝石岩隧道在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段的衬砌结构设计参数分别如图1、图2和图3所示。 图1 大跨度双线隧道Ⅲ级围岩衬砌断面 第 2 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 图2 大跨度双线隧道Ⅳ级围岩衬砌断面 图3 大跨度双线隧道Ⅴ级围岩衬砌断面 第 3 页 共 43 页 1、台阶法分部施工方法

61654h2仰拱移动栈桥h1第 4 页 共 43 页

台阶法施工作业程序图2隧道中线213仰拱填充砼仰拱砼54回填碴下台阶5～6m图4双线隧道台阶法施工作业程序图

水沟、电缆槽施作综合超前地质预测预报不良地质处理上台阶开挖上台阶初期支护中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

根据大跨度双线隧道衬砌结构的特点，施工掘进采用正台阶法进行。隧道台阶法

铺设防水层及模筑二次衬砌说明： 严格按照新奥法组织施工，隧道开挖前采用施工地质素描、水平超前钻孔、TSP-203地震波探测仪、地质雷达、红外线探水仪等综合超前地质预测预报体系准确地预报隧道掌子面前方围岩构造及水文情况，结合岩溶及富水段、破碎带、不同岩层地接触带等地段的处理进行隧道的开挖与支护；并根据支护后监控量测隧道围岩变形、隧道支护与衬砌结构受力情况、以及不良地质地段的处理情况进行隧道的防水层铺设与模筑结构二次衬砌。图中序号为： 1、上台阶开挖。 2、上台阶初期支护。 3、下台阶开挖及初期支护。 4、仰拱混凝土浇注。 5、仰拱填充混凝土浇筑。 6、铺设防水板及模筑二次衬砌 7、水沟、电缆槽施作(待隧道主体工程完工后,适时施作)。仰拱施作下台阶初期支护下台阶开挖施工步骤中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

的施工步骤如图1所示。仰拱超前，二次衬砌采用液压衬砌模板台车进行浇筑，每一台车浇筑的长度为9m。在隧道初期支护与二次模筑混凝土衬砌的边墙、拱部设置复合防水板。防水板后每间隔10m埋设Ф50mm透水软管。在二次衬砌拱顶预留间距为3m～5m的注浆孔，待二次衬砌浇筑并达到设计强度后进行充填注浆。

隧道采用单口掘进方式进行施工，施工开挖面的空气质量采用在洞口设置55kW压入式轴流式风机进行通风，爆破后采用挖掘机装渣，自卸汽车运输出渣。

利用多功能钻孔台架人工手持风钻钻眼，台阶长度5-8m。采用装载机装碴、自卸汽车运出洞外。钻眼深度3.4m，进尺3m，掌子面作业循环时间11.5小时，月进尺130m。 作业循环时间见表1 “双线隧道Ⅲ级围岩台阶法开挖作业循环时间表”。

表1台阶法开挖作业循环时间表

（循环进尺3.0m）

序工序时间1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 号 名称 （h） 备注 超前钻孔采用ZYG-150型液压钻机（最大钻深可达150m）一次超前钻深30m左右，每月4次。由于超前钻孔对开挖作业有一定影响，每月按影响5个作业循环计。 1 超前地质 探测 2 3 4 5 6 7 8 9 测量0.5 放线 台车0.5 就位 钻眼 4.0 装药连线1.5 起爆 通风 0.5 清除0.5 危石 初期3.5 支护 出碴 4.0 1、支护与出碴平行作业，不另占作业循环时间。 2、每个作业循环留0.5h作机动时间，每天2个循环，每月按30天计，可完成60个循环，减去超前钻孔等地质探测影响的5个循环，实际完成55个循环，考虑长期有效率82%，实际月进尺55×3.0×0.85=140.25m。 10 合计 11.5 第 5 页 共 43 页

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2、爆破

根据围岩走向、层厚、石质等地质情况进行爆破设计。爆破全面采用水压环保型爆破新技术，即在孔底及孔口分别装上水袋，中间装药，孔口堵塞机制炮泥的装药结构形式，达到降低炸药消耗量，降低粉尘，增加开挖进尺的目的。

炮眼布置：炮眼布置详见图5“双线隧道Ⅲ级围岩台阶法开挖钻爆设计图”。 实施前先试爆，并根据地质情况及时修正其钻爆参数。 掏槽方式：上台阶开挖采用复式楔形掏槽。 第 6 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 爆破器材：爆破器材一般地段选用2#岩石硝铵炸药，遇水采用乳胶炸药，塑料导爆管毫秒雷管微差起爆。

钻孔：钻眼前，放出开挖断面中线和断面轮廓线，并根据爆破设计标出炮眼位置，经检查符合设计要求后方可钻眼。采用液压钻孔台车和钻孔台架钻孔。

钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查，并做好记录，对不符合要求的炮眼重钻，经检查合格后装药爆破。

装药及爆破：周边眼采用φ25mm的小直径药卷间隔装药方式，其余炮眼采用φ32mm的药卷连续装药，并采用机制炮泥堵塞，孔外网路采用复式网路联接，一次起爆。爆破后由专职安全员对危石清理后，进行下一道工序。

在施工中要根据光面爆破设计结合现场地质变化情况进行爆破试验，不断修正爆破参数，以达到最优爆破效果。确保硬岩炮眼残留率达到80％以上；中硬岩炮眼残留率达到60％以上。施工过程中采用激光断面仪对开挖轮廓线进行跟踪检测，并根据检测结果修正钻爆设计。

3、初期支护

（1）超前支护 a、φ42小导管

隧道Ⅴ级围岩采用φ42注浆小导管对岩体进行预加固。

超前小导管选用φ42mm的无缝钢管，长度3.0m，环向间距40cm，纵向间距1.6m。小导管的前端做成尖锥状，管壁每隔15cm交错钻眼，眼孔直径8mm，最后一排眼孔至管口端的距离为1.5m。

采用YT28手风钻钻孔，钻孔孔直径φ45，沿开挖轮廓线向外以5°～10°的外插角钻孔，完成后以紧靠开挖面的格栅钢架为支点将小导管打入孔内。打入钢管后注浆，形成管栅支护环。

注浆施工：水泥浆水灰比为0.5～1.0之间调节，液浆由稀到浓逐级变换，即先注稀浆，然后逐级变浓至1.0为止。

发生串浆现象， 即液浆从其它孔中流出时，采用多台泵同时注浆或堵塞串浆孔隔孔注浆。水泥浆压力突然升高，即可能发生了堵管时，应停机检查。

b、φ25水平砂浆锚杆

其施工方法同系统支护的系统砂浆锚杆。 （2）系统支护 a、φ25中空锚杆

采用凿岩机按设计位置、深度、角度钻孔，后用高压风清孔。人工安装锚杆，用水泥砂浆封端。

采用注浆泵注浆。注浆压力一般为地下水静水压的2～3倍，同时考虑岩层的裂隙阻力，根据现场情况试验后确定。瞬间最高压力值不应超过0.5MPa。

b、φ22砂浆锚杆

钻孔采用风动凿岩机施工，注浆采用单管注浆法。注浆设备采用专用高压注浆泵。砂浆锚杆全部采用端部垫板拧紧。

锚杆孔开孔前做好量测工作，按设计要求布孔并做好标记，开孔偏差不大于10cm；锚杆孔的孔轴方向满足施工图纸的要求，图纸未规定时垂直于开挖面，局部加固锚杆的孔轴方向与可能滑动面的倾向相反，交角大于45°。

孔深度必须达到施工图纸的规定，孔深偏差值不大于±50mm。用高压风冲洗、清

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中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 扫锚杆孔，确保孔内不留石粉，不得用水冲洗钻孔。

砂浆采用高浓度砂浆，配合比通过现场原位实验确定，并坚持随拌随用的原则，对超过初凝时间的砂浆做报废处理。砂浆的干缩率必须在允许的范围内。

c、挂网

按设计要求加工钢筋网，钢筋网采用φ8 钢筋网（网格大小见工程概况的复合式衬砌参数表），洞外分块预制，洞内铺挂，随开挖面起伏铺设，同定位锚杆固定牢固。钢筋网与受喷面的间隙以3cm 左右为宜。

d、网喷微纤维混凝土

喷射混凝土采用TK-961型湿喷机及其配套湿喷技术，砼中掺入ZYPF改性聚丙烯微纤维，掺量为每方喷砼0.9kg，改善其力学性能，地下水对有砼有酸性侵蚀地段，采用掺加RMA耐腐蚀剂技术措施。

原材料选择水泥采用普通硅酸盐水泥；砂选用天然中粗砂，细度模数大于2.5，含水率5%～7%，使用前一律用5mm筛网过筛；碎石采用坚硬耐久碎石（或卵石），粒径5～15mm，微纤维喷射混凝土的碎石粒径不大于10mm，且级配良好，含泥量小于1%，针片状含量小于10%。拌和用水水质经检验符合工程用水标准，不含对砼有腐蚀作用、影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。

混凝土在洞外自动计量拌和站按配比集中生产。

喷射前，认真检查隧道断面尺寸，对欠挖部分及破损岩石进行清理和处理，用高压风水冲洗受喷面，喷射作业前，对机械设备、风、水管路，输料管路和电缆线路等进行全面检查及试运转。

成品砼采用砼搅拌运输车输，湿喷机作业。湿喷机工作时要求系统风压不小于0.5Mpa，风量不小于10m3/min，工作风压一般控制在0.4～0.5Mpa。

喷射作业分段、分片由下而上顺序进行，每段长度不宜超过6m。一次喷射厚度根据设计厚度和喷射部位确定，初喷厚度不小于4～6cm。钢筋网喷混凝土喷射时，减小喷头与受喷面的距离，并调节喷射角度，以保证钢筋与壁面之间混凝土的密实性。钢架喷射混凝土钢架与壁面之间的间隙应用混凝土充填密实，先喷钢架与壁面之间的混凝土，后喷钢架之间的混凝土。喷射混凝土由两侧拱脚向上对称喷射，并将钢架覆盖。

当岩面普遍渗水时，可先喷砂浆，并加大速凝剂掺量（可适当加大到水泥用量的6～8%），在保证初喷后，按原配比施工。当局部出水量较大时采用埋管、凿槽、树枝状排水盲沟等措施，将水引导疏出后，再喷砼。

喷砼后标志钢筋无钢筋头外露即可；表面平整度以目测平顺为宜，否则需补喷。 喷射混凝土终凝2h后，进行喷水养护，养护时间不少于7d。 开挖时，下次爆破距喷射混凝土完成时间间隔，不得小于4h。 工艺流程：湿喷射混凝土工艺流程图见下图

砂 水泥 速凝剂 水 喷射机 水 石子 搅拌机 空气压缩机 钢钎维 工作风压控制在0.4～0.5Mpa 第 8 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 需注意的问题：

有水地段喷射混凝土的技术措施：

当水点不多时，可设导管引排水后再喷射混凝土；当涌水量范围较大时，可设树枝状导管后再喷混凝土；当涌水严重时可设置泄水孔，边排水边喷混凝土。改变配合比，调整水泥用量，喷混凝土由远而近逐渐向涌水点逼近，然后在涌水安设导管，将水引出，再向导管附近喷混凝土。

当岩面普遍渗水时，可先喷砂浆，并加大速凝剂掺量，保证初喷后，再按原配比施工。当局部出水量较大时采用埋管、凿槽、树枝状排水盲沟措施，将水引导疏出再喷混凝土。

当喷射混凝土局部凹凸不平尺寸大于下述要求时应进行处理 即： 墙D/L=1/6 拱D/L=1/8

式中：L—喷射混凝土相邻两凸面间的距离 D—喷射混凝土两凸面凹进的深度 e、格栅钢架及工字钢架

制作：隧道支护型钢钢架有I18b型号及格栅钢架，因初期支护需用量较大，采用厂制加工制作，型钢采用弯弯机冷弯。格栅钢架现场拼装加工。根据不同断面需要，精确放样下料，分节焊制而成，连接钢筋采用Φ22。栓孔用钻床定位加工，螺栓、螺母采用标准件，焊接及加工误差应符合有关规范。加工成型后的格栅和型钢进行详细标识，分类堆放，做好防锈蚀工作后待用。

安装：根据不同断面，选用不同形式的钢架。机械运至安装现场，人工作业平台配合装载机安装。洞内安装在初喷砼之后进行，与定位系筋、锚杆联接。钢架间设纵向连接筋，钢架间以喷砼填平。钢架拱脚安放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，钢架与围岩靠近，留2～3cm间隙作混凝土保护层。当钢架和围岩之间间隙过大时设置垫块，用喷混凝土填。

上台阶钢拱架拱脚处，以加设锚杆固定，拱脚与锚杆焊接牢固。

安装时应注意钢架的垂直度，防止出现左右前后倾倾斜现象。安装时，新安装的钢架应与超前焊接，使之成为整体。

注意事项：安装前分批按设计图检查验收加工质量，不合格禁用。清除干净底脚处浮碴，超挖处加设钢（混凝土）垫块，其中间段接头板用砂子埋住，以防混凝土堵塞接头板螺栓孔。按设计焊连定位筋及纵向连接筋，段间连接安设垫片拧紧螺栓，确保安装质量。

严格控制中线及标高。拱架与岩面间安设鞍形混凝土垫块，确保岩面与拱架密贴。确保初喷质量，钢架在初喷5cm后架立。拱脚必须支立在基岩上不准悬空，若悬空必须用方木或混凝土块、片石塞紧。拱架安装后必须保证垂直度，不能发生扭曲变形。

4、结构防水施工

隧道衬砌喷射混凝土与模筑混凝土之间拱、墙设置复合防水板。板后设置环向φ50mm透水盲管，环向盲管按间距10m一道，环向盲管的设置在施工中可根据隧道出水情况作相应调整，集中出水点应予设置，并在两侧边墙底下各设一根φ100 mm的纵向透水盲管。

全隧环向施工缝(含纵向施工缝)设止水带，环向施工缝按间距10m一道。 （1）防水板施工

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中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 施工方法及施工注意事项：

采用专门的防水板施工台架铺设防水板。纵向每幅间采用自动爬行热合机焊接。 喷射混凝土基面平顺，没有明显的凹凸和尖物。

基面上没有钢筋、突出的管件等尖锐突出物。如出现则先进行割除，并在割除部位用水泥砂浆抹成圆曲面，以免扎破防水板。

喷射混凝土达到设计强度后才能铺设防水板，要求喷射混凝土坚固，无松动块体。 混凝土基面不得有明水，允许有少量渗水，如有明水采用引排或抹面封堵等措施。 防水板铺设：根据画线的位置和防水板上的挂绳位置，用电锤打眼孔。安木楔：将木楔打入孔眼中，木楔不外留。防水板上的吊绳捆绑在木契上，吊绳与木楔栓紧，再用橡皮锤将外露木楔打入混凝土内，木楔与基面平，不外露。防水板铺设时不能拉得太紧，要求铺设平顺，不出现褶皱。

防水板之间的搭接，两层膜搭接100mm，用自动爬行热合机焊接成双焊缝，要求焊缝平直、整齐、轮廓清晰，符合设计要求。

为防止浇筑混凝土时出现拱顶防水板逐渐收急甚至拉裂现象，防水板铺设时，要保持一定的松驰度，一般控制在6～8%为宜。

（2）透水盲管

透水盲管安装在喷射混凝土前进行。安装透水盲管前，调查开挖岩面的渗漏水情况，测绘出渗漏水点平面展示图，同监理工程师一道确定透水管的布设方案。沿主要渗漏水节理裂隙布置透水管，将拱顶边墙部位的围岩裂隙水导入两侧边墙底部位的透水管中；节理裂隙不明显的渗漏水较严重的部位，透水管加密，并系统布设。测量班测出布置透水管的准确位置，标注清楚。

透水管的固定。利用Ω形扣环固定透水管，将扣环扣住透水管，使之紧贴岩面，扣环本身用膨胀螺栓固定。Ω形扣环可采用3cm宽1mm厚白铁皮或φ6圆钢制作。两扣环之间间距由现场确定，拱部进行加密处理，边墙可以稍大一些，以两扣环之间透水管不外鼓、不下垂，在混凝土喷射力的作用下不移位为度。

喷射混凝土注意事项：喷射混凝土前再一次检查透水管的固定质量，如有扣环脱落或透水管外鼓下垂时，及时补救处理。先沿透水管两侧堆喷M20水泥砂浆，用砂浆包裹透水管以保护透水管，严格控制风压，防止透水管损坏或脱落；然后再进行正常喷射混凝土施工。

（3）止水带

材料要求：橡胶止水带，其硬度(邵尔A)为60±5，拉伸强度不小于15MPa，拉断伸长率不小于380%，压缩永久变形(23℃×168h)不大于20%。

围岩围岩

初期支护初期支护

挡头板二次衬砌待浇砼空间橡胶止水带安装示意图 二次衬砌止水带钢筋卡沉降缝，宽2cm，内填沥青麻丝

20cmφ8箍筋下一环钢筋卡止水带

模板顺序1模板顺序2第 10 页 共 43 页

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5、二次衬砌施工

（1）仰拱及填充

根据实际施工情况采用仰拱先行，一次浇注完成，严禁分左右幅二次浇注，距开挖工作面相距50～100m。及时施做仰拱，起到早闭合、防塌方的作用，并能够营造良好的施工环境。为保证整体工期要求，减少仰拱、填充对施工进度的影响，降低施工干扰，仰拱集中施工一段落，暂停掘进。采取一端掘进，另一端施作仰拱。

铺底时先清理干净基底，不允许有杂物和浮碴，并且注意及时排水。采用挖掘机挖装，人工配合，自卸车运输底碴。清理干净后支立模板，抽干净仰拱内积水，经监理工程师验收合格后浇注混凝土。尽量减少仰拱和填充混凝土接缝，出现施工缝按要求施工。利用输送车运输混凝土，溜槽法入模。

（2）拱墙衬砌施工

隧道边、拱模筑采用模板衬砌台车施工，混凝土在洞外拌和站集中拌和，搅拌运输车运送混凝土，混凝土输送泵泵送入模。采用附着式振捣器和插入式振捣器联合振捣。

隧道衬砌根据新奥法原理在初期支护完成后适时进行。二次模注衬砌时间在围岩量测净空变化速率小于0.2mm/d，变形量已达到预计总量的80%以上,且变形速率有明显减缓趋势时进行。

施工前首先对开挖断面和防排水系统进行自检,检验合格后报监理工程师检验,经检验合格后移动台车就位。

衬砌台车定位：采用STZ型激光准直仪导向。严格控制轨道中心距，允许误差±1cm；轨面标高比隧道路面中心高15cm，允许误差±1cm；台车就位后，先调顶模中心标高，然后由顶模支撑梁上横向丝杆调整台车中线符合要求。最后由侧向丝杠电动调节边模张开度，调整到位后放下翻转模和底脚斜撑丝杠加固。然后支立挡头板，挡头板顶端要与岩面密贴，保证混凝土不外漏。

混凝土的拌制：采用自动计量拌合站，集中生产混凝土。严格控制原材料的质量，按照配合比拌合混凝土，混凝土坍落度控制在12～16cm，并掺加缓凝减水剂，以确保混凝土质量。注意运输过程中的坍落度损失。砼采用掺加RMA耐腐蚀剂的耐腐蚀砼，耐腐蚀砼抗渗等级不小于P8，耐蚀系数不小于0.9，耐腐蚀剂掺量为水泥用量的1.5%。

混凝土的运输：混凝土运输采用搅拌式混凝土输送车运输，在前进时，匀速转动，避免混凝土离析。用输送泵泵送入模。

混凝土的浇筑：混凝土采用水平分层、对称浇筑, 控制灌注混凝土的速度和单侧灌注高度，单侧一次连续浇筑高度不超过1m。输送软管管口至浇筑面垂直距离混凝土的自落高度不得超过2m，控制在1.5m以内，以防混凝土离析。混凝土浇筑必须连续，相邻两层浇筑时间间隔控制在2h之内。捣固选用的振捣器，其频率、振幅、振动速度等参数视混凝土的塌落度及骨料粒径而定；灌注施工采用整环灌注，当混凝土灌至墙拱交界处时，间歇约1小时，以便于边墙混凝土沉实。拱圈封顶时，随拱圈灌注及时捣实。

为了加快更换泵管速度，节约时间，加工一个三通接头，在两侧各安装一个启闭阀，更换时只要更换部分管道即可。

当混凝土浇至作业窗下50cm时，刮净窗口附近的凝浆，涂刷脱模剂，窗口与面板接缝处粘贴海棉止浆条，以避免漏浆。

采用附着式振捣器和插入式振捣器联合振捣，标准为混凝土表面不再下沉，无气泡表面开始泛浆为止。既防漏振，致使混凝土不密实，又防过振，混凝土表面出现砂

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中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 纹。特别是确保内模反弧部分捣固充分，避免出现气孔现象。振捣时，振捣器不得接触防水层及模板，且每次移动距离不大于振捣器作用半径的一半。封顶采用顶模中心封顶器接输送管，按从里向外的顺序逐渐封顶。控制灌注混凝土速度，观察顶模变形情况，当挡头板上观察孔有浆溢出，即封顶完成。

拆模：严格控制拆模时间，严禁混凝土强度未达到规范要求前拆模；拆模时要谨慎、缓慢，严防碰撞，以免混凝土缺棱掉角现象发生；拆模后加强混凝土的养护。

（3）衬砌拱顶充填注浆

为了防止衬砌背后出现空洞或不密实，在全隧道衬砌拱顶预留注浆孔（间距3～5m），在衬砌达到设计强度后进行衬砌拱顶充填注浆。

施工中采用在衬砌混凝土内预埋注浆钢管。充填压浆每10m进行一次。

注浆前先做注水试验，主要检查注浆管路是否牢固可靠、注浆系统仪表是否正常及衬砌实体溢水位置。灌浆材料根据设计选用。

预埋钢管位置要固定准确，通过点焊的方法固定。同时，为防止钢管堵塞，在钢管头要进行包裹，在进行注浆前打开封端。

（4）地下水及地表水对砼侵蚀性的处理措施

由于本标段范围内的地下水及地表水对砼具弱-中等硫酸型酸性侵蚀，因此，须采取措施对该段的衬砌砼进行抗侵蚀性处理。

水质检验：对超前探测的地下水水质进行取样检验，检测地下水的水质成分，找出对砼有侵蚀性的各种成分，并按《环境水的测定项目及测定方法》表对其含量按现行GB8538.45进行水化定量分析。

地下水对混凝土侵蚀性判定及防护：地下水对混凝土的侵蚀，根据侵蚀性离子的含量及相应的环境条件特征，按“环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判定表”的规定判定侵蚀类型和侵蚀程度，并据此采取针对性的防护措施。

根据判定的侵蚀类型、侵蚀程度采取下列防护措施：选用适宜的水泥品种及掺合料，保证最小水泥用量，控制最大水灰比，并满足混凝土的抗渗等级要求。

表2环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判定表 序侵蚀类型 号 1 硫酸盐侵蚀 环境条件特征 地质条件 石膏地层 含盐地层 水质PH值 7.0～8.0 判定 项目 侵蚀程度 弱侵蚀 中等侵蚀 强侵蚀 500～1000 1001～2000 ＞2000 SO2-4 7.5～9.0 （mg/L） 1000～2000 2001～4000 ＞4000 PH值 6.5～6.1 6.0～5.0 ＜4.5 煤系地层、黑色硫酸型酸性2-2 岩层、有色金属1.5～6.5 SO4侵蚀 ≤250 251～1000 ＞1000 矿田、矿脉 （mg/L） 对硫酸型酸性侵蚀：选用普通硅酸盐水泥，其最大水胶比分别不应大于0.50（弱侵蚀）、0.45（中等侵蚀）和0.40（强侵蚀）；最小水泥用量分别不应低于330kg/m3（弱侵蚀）、360kg/m3（中等侵蚀）和390kg/m3（强侵蚀）；抗渗等级应分别达到P6（弱侵蚀）、P8（中等侵蚀）和P10（强侵蚀）。本隧道设计混凝土中等侵蚀，抗渗等级为P8，满足抗弱及中等侵蚀性混凝土的要求。

拌制混凝土所用的材料必须符合下列规定：

根据隧道设计混凝土强度，粗骨料的技术要求应符合规范的相应规定，其坚固性指标不得大于8%；最大粒径不得大于40mm；不得使用特细砂配制混凝土；骨料不得受当地腐蚀介质污染；使用的外加剂及掺合料应具有抗腐蚀性能。宜使用三乙醇胺为主

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中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 要成分的外加剂。对pH值≥4.5的酸性侵蚀，可使用铁盐类密实剂；减水剂和加气剂宜用钙盐系列的有机盐类，如木质素磺酸钙等。

当混凝土坍落度有明显变异时，及时分析，并调整施工配合比。 耐腐蚀混凝土的质量，应符合规范要求并必须符合抗渗要求。 临时防护措施应延续到砼到达设计强度75%以上为准，并不得少于21d。当拌合用水和养护用水不符合规定要求时，应另取合格水源。

施工过程中须经常对地下水水质进行取样化验，发现有较大出入时，上报设计单位，以便及时采取处理措施。

抗侵蚀性砼的配制：根据以上判定，由局指中心试验室根据设计要求选定合适的材料和配合比，并根据需要选用合适的外加剂，以满足抗侵蚀性砼的要求，并报送监理单位、设计单位及甲方审批。审批通过后方可作为现场拌制砼的依据。砼在拌制过程中加强控制，确保质量。

6、超前地质预测预报

采用综合地质预测预报方法，探明存在的主要地质灾害。主要预报方式有：地质调查法、超前地质钻探、TSP202地质超前预报系统和地质雷达探测。

7、控制测量

A、洞外控制测量

在施工时首先对设计院提供的GPS点进行复测，平面、高程控制网经复测确认设计院提供的定测成果满足规范进度要求。再根据设计院提供的GPS点布设洞外控制网。

B、洞内控制测量

在施工中建立洞内导线，以必要的精度控制隧道横向误差。按照与洞外控制测量统一的坐标系统，建立洞内控制系统。拟采用二种导线：

施工导线：随着开挖面向前推进，用以进行放样来指导开挖、衬砌的导线，边长为25～50m。

基本导线：掘进100～300m时，为了检查隧道方向是否与设计相符，选择一部分施工导线敷设50～100m精度较高的基本导线。

布网时沿隧道中线布设和沿隧道一侧布置近似在同一里程各组点。测角时利用全圆观测法观测相邻导线点组各个方向的方向值及相邻各条边边长。由于交叉导线网网形复杂，计算量较大，采用平差软件严密平差，计算导线点平面坐标，对最弱点进行精度评定，人工计算加以校核。

控制点的高程用精密水准测定，并通过洞内外联测平差。 为了控制角度误差积累，每隔一条长边要对一条尽可能长的导线连接边进行精密陀螺经纬仪校核。

隧道贯通后及时与相临标段进行进行联测，复核测量成果。

根据上述的隧道施工方法，对宝石岩隧道进行掘进施工管理。在此大跨度双线隧道施工过程中，从隧道掘进进洞至隧道贯通，均未发生坍塌和塌方事故，保证了隧道施工的安全。

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四、结构变形及受力量测

监控测量的意义在于通过对隧道采用台阶法施工期间的围岩大变形与支护结构工作状况进行现场监测，分析隧道开挖期间围岩收敛变形，采用回归分析中相关模型预测隧道围岩的收敛变形，及时反馈监测获得的施工信息，为隧道安全施工和支护参数的调整提供理论依据和技术指导。具体量测项目如表3所示：

表3 大跨度双线隧道现场监控量测项目

编号 量测项目 量测方法 量测目的

1 开挖面地质状态 人工观察 观察围岩岩性、层理产状、节理状况等 2 围岩收敛位移量测 精密水准仪或收敛计 观察坑道围岩位移与时间、施工方法的变化规律 3 锚杆轴力量测 钢筋计、频率接收仪 测量锚杆受力状态及确定各部位锚杆的有效长度 4 围岩压力量测 压力盒、频率接收仪 测量围岩压力以及衬砌所受的作用

5 衬砌内力量测 混凝土应变计 测量衬砌结构的受力状况及其随时间的变化状况

隧道开挖面地质状况采用人工观察的方式进行，主要了解每次爆破后围岩的产状和岩性，重点观察岩层发生的地质构造变动和岩性差异，并以此为调整支护措施提供最为直接的围岩地质信息。围岩变形、锚杆轴力、围岩压力以及衬砌内力的量测项目，采用在围岩内部安装传感器并配置测试仪表来加以测量。

1、 围岩位移量测

通过在开挖后的坑道内壁面设置锚固点，并采用隧道收敛计测定坑道围岩壁面发生的收敛变形。隧道围岩收敛量测方式及测线的布置如图6所示。各个测点尽可能设置在同一个量测断面，且该量测断面的设置应与开挖面的距离不宜超过2m。监控量测项目的测试应在开挖面爆破后至下次爆破前的24小时内进行。结合家乡沟隧道隧道采用长台阶法钻爆开挖的实际，量测断面可在上导坑围岩爆破及完成出渣后及时设置，而下台阶的测点待开挖掘进至此里程处时进行安装和设置。量测断面的锚固点采用现场加工的锚固头进行埋设。拱顶部位测点C的锚头挂钩具体如图6(b)所示。锚头在喷射混凝土之前埋设于测点位置处。而测点A、B处或C、D处锚固点的收敛计挂钩按照如图6(c)所示的方式进行加工与制作。

每个量测断面共设置6个锚固点，即图6中的测点A、点B、点C、点D、点E和点F。通过测定隧道开挖过程中测线AE、BD、CF相对位移随开挖掘进时间和开挖进尺的变化，可以确定出各个测线发生的收敛值，也就是围岩典型部位发生的相对位移大小。由于家乡沟隧道采用了上下台阶的钻爆法施工，上台阶超前下台阶的距离大约有30m～40m，因此在上台阶掘进期间只能先安装上台阶的测线，即点B、点C和点D三个测点。当下台阶掘进至上台阶已经安装测试元件的断面里程时，再安装下半断面的

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测点，即点A和点E。

围岩的相对位移采用下式计算：

uiLiL0uit (2.1) 式中 L0—测线的初始观测值，mm；Li—第i次观测值，mm；

ui—第i次量测时测线的相对位移值，mm；uit—钢尺的温度修正值，其按照

下式计算

uitL(tit0) (2.2) 式中 —钢尺的线膨胀系数，1.2107/℃；L—测线的基线长度值，mm；ti,t0——分别为初始测量和第i次测量时的洞内量测断面处的空气温度，℃。 （a）测点布置 (b) 拱部挂钩 (c) 收敛计挂钩 图6 隧道围岩收敛位移量测 2、锚杆轴力量测 为确定锚杆设置的合理性，采用专用的量测锚杆进行锚杆轴力的量测。将带有丝扣的锚杆钢筋计旋紧而形成锚杆测力计，每根锚杆安装了3个钢筋计，并且在每个量测断面布置5个测点。通过测定锚杆的应变来确定锚杆所受轴力的状态，以判断锚杆布置的合理性和作用效果。锚杆轴力量测的现场布置方式如图7所示，各孔内的传感器数据采用频率读数仪进行采集。 第 15 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

图7 锚杆轴力量测布置图

锚杆杆体与孔壁围岩之间的摩擦力采用锚固剂进行传递。为确保锚杆起到挤压加固、悬吊围岩和形成组合岩梁的作用效果，在安装过程中，将锚固剂随着杆体的推入而逐渐送入孔内，并尽可能将孔内锚杆杆体与岩壁面之间产生的空隙堵塞密实，确保锚固剂与围岩和锚杆杆体之间的摩擦力顺利传递。在上台阶掘进期间先安装测点B、测点C和测点D三部位的量测锚杆，待下台阶掘进到该断面时再安装下断面点A和点E处的量测锚杆。

电测锚杆轴力的计算采用下式

NiN0kj(fi2f02) (2.3)

式中 Ni—第i次监测的锚杆轴力，kN；kj—第j测试钢弦式轴力计的标定常数，kN/Hz2；

fi—第i次量测时锚杆计的自振频率，Hz；f0—锚杆计埋设后的初始自振频率，Hz，N0—锚杆计标定曲线的截距，通常取过原点的值，则N00kN。

3、围岩压力量测

围岩压力通常使指由于隧道围岩开挖影响范围内岩体内部应力调整和变形而作用于隧道衬砌上的压力。围岩压力的测定可在围岩与初期支护之间、初期支护与二次衬砌之间埋设压力盒的方式进行量测。在本次家乡沟隧道的现场量测当中，主要对初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行了测定。因此此处的围岩压力仅仅是指围岩通过初期支护而作用于隧道二次衬砌上的压力。为便于压力盒的安装，待开挖面初喷混凝土强度到达设计要求后，将压力盒埋置在初期支护与二次衬砌之间。每个量测断面布置5个压力量测点，如图8所示，即点A、点B、点C、点D和点E，以确定围岩作用在支护体系上的压力，并判断围岩压力的分布特点。围岩压力量测采用钢弦式双膜压力盒进行测定，其受围岩作用而承受的压力值由频率读数仪进行采集。通过频率读数仪测定频率后，利用下式计算围岩的接触压力

PiP0kj(fi2fo2) (2.4)

式中 Pi—第i次监测的围岩接触压力，MPa；kj—第j只钢弦式压力盒的标定常数，MPa/Hz2；

fi—第i次量测时压力盒的自振频率，Hz；f0—压力盒埋设后的初始自振频率，Hz；P0—压力盒标定曲线的截距，通常取P00MPa。

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中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 图8 围岩接触压力量测图 4、衬砌内应力的量测 在隧道二次衬砌浇筑的过程中，将钢筋应变计埋置到混凝土衬砌内部，以测定混凝土支护结构承受围岩压力作用后的应力分布特性以及衬砌结构的合理性。二次衬砌内应力的量测布置如图9所示。 图9 衬砌应力量测 混凝土应变计在围岩压力作用下的信息采用频率读数仪进行采集。二次衬砌内部应变的大小与其所受到的围岩作用有关。围岩作用于二次衬砌的载荷越大，则其内部混凝土的应变值也越大。应变值的大小可以说明二次衬砌所受到的围岩压力作用。由此可以确定隧道二次衬砌是否承担围岩作用。采用混凝土应变计测定的应变由下列公式计算：

i0kj(fi2fo2) (2.5)

式中 i—第i次量测的应变计应变值，；kj—第j只钢弦式应变计的标定常数，

/Hz2；fi—第i次量测时应变计的自振频率，Hz；f0—应变计埋设后的初始自振

频率，Hz；0—应变计标定曲线的截距，通常取00。

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五、量测成果

1、家乡沟隧道量测成果

家乡沟隧道全长为696m，穿越的围岩有Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级，其中Ⅴ级围岩的长度为476m，Ⅳ围岩的长度为150m，而Ⅲ级围岩的长度为70m。Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩分别占隧道全长的21.55％和68.39％。为使现场监控量测的结果能反映特定围岩的变形特性，并使监测具有一定的代表性，同时考虑到现场监控量测的项目和测试费用，家乡沟隧道的现场监测主要是针对了Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩进行。在Ⅴ级围岩地段共设置了3个监测断面，而在Ⅳ围岩地段设置了2个监测断面。家乡沟隧道在Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩地段设置的监测断面及其里程如表4所示。

表4 家乡沟隧道监测断面 围岩级别 监测断面及其里程 断面1 DK227+997 Ⅴ级 断面2 DK227+949 断面3 DK227+928 Ⅳ级 (1) Ⅳ级围岩

家乡沟隧道Ⅳ级围岩共监测了2个量测断面。在里程为DK228+129处设置监测断面的现场量测结果分别如图10至图17所示。其量测得到的结果主要有隧道初期支护作用下拱顶下沉、两侧坑道壁面的收敛变形以及围岩的接触压力和混凝土衬砌的应变与时间的变化关系。

60拱顶下沉40周边收敛BD断面1 DK228+129 断面2 DK228+098 位移(mm)200-200102030405060监测时间(d)708090100

图10 Ⅳ级围岩DK228+129监测断面拱顶下沉与BD测线收敛曲线 根据图10可以看出，在Ⅳ级围岩的里程DK228+129处，隧道开挖后拱顶的下沉量在初期支护作用下的前5日内变化较为剧烈，从第5日起以后变化比较平缓，当监测时间达到30日后其数值仍然不断变化，但基本上是趋于稳定状态。由于40日后下导

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坑钻爆掘进达到此里程处，致使隧道拱顶的下沉又有所增加，下导坑开挖引起的拱顶下沉增量最大值为0.4cm，占最大下沉值的7.69％。当下导坑掘进并通过DK228+129监测断面后，拱顶下沉量逐渐趋于稳定。因此二次衬砌可以在下导坑开挖后的40日以后浇筑。经过监测，隧道在初期支护作用下，其拱顶累计的最大下沉量为5.2cm。

由图10可见，隧道上导坑拱腰两侧围岩的水平收敛位移最大值为1.7cm，其水平相对位移为0.123%。这个水平收敛位移是在上导坑开挖掘进过程中量测获得的，而下导坑的掘进滞后于上导坑40m。因此，从图5还可以看出，下导坑的开挖对隧道拱顶下沉具有一定的影响，而对于隧道两侧围岩水平收敛位移的影响较小，下导坑开挖引起的水平收敛位移增量为0.2cm，其值占最大位移值的11.76%。

图11示出了该监测断面处量测锚杆的第3点传感器所测定的杆体轴力随监测时间的变化关系。

A3点80655035205-10020406080监测时间(d)100120140160180B3点C3点D3点E3点

图11 Ⅳ级围岩DK228+129监测断面锚杆轴力变化曲线

由图11可得在里程DK228+129监测断面处，两侧围岩内锚杆的受力不同。隧道拱腰部位测点B和测点D的锚杆杆体受拉力较大，而其它部位测点的锚杆杆体所受到的拉力较小。尽管锚杆杆体所受到的轴力大小不同，但所有量测锚杆杆体均处于受拉状态。由此可知，隧道锚杆的设置是合理的，其发挥了加固围岩和挤压成拱的作用。隧道拱顶中部测点C和测点A处的锚杆所受拉力最小。

图12为Ⅳ级围岩DK228+129监测断面处二次衬砌接触压力随时间的变化曲线。

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锚杆轴力(kN)中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

0.10接触压力(MPa)-0.1B点C点D点E点-0.2-0.3-0.40510152025监测时间(d)3035404550图12 Ⅳ级围岩DK228+129监测断面二次衬砌接触压力变化曲线

根据图12中测得的隧道初期支护与二次衬砌之间的接触压力变化曲线分析，隧道拱部测点B、测点C和测点D处的压力较小，而测点E处所承受的接触压力较大。接触压力与时间的变化曲线比较平缓，说明接触压力增加缓慢。拱顶中部测点C的接触压力最大值为0.072MPa，测点D的接触压力最大值为0.13MPa，测点B的接触压力最大值为0.15MPa，而E点的接触压力最大值为0.28MPa。由此可以看出，隧道二次衬砌拱顶和拱腰部位所承受的围岩压力较小。而墙腰测点E部位的压力较大。说明边墙两侧的围岩作用要大于拱顶和拱腰部位的压力。从围岩作用于二次衬砌的接触压力大小可以看出，隧道二次衬砌所受到的围岩作用较小。

图13为Ⅳ级围岩里程DK228+129监测断面二次衬砌混凝土内部应变随时间的变化关系曲线。

1000-100应变(με)-200-300-400-5000510152025监测时间(d)30354045A点B点C点50图13 DK228+129监测断面衬砌混凝土内部应变变化曲线

分析图13中二次衬砌混凝土内的应变随时间变化曲线可得，测点A、B、C当中，B点的应变值较大，而A、C点的应变值较小，可以看出，在隧道二次衬砌混凝土内部，左侧拱腰B点处的应变值较大。而A、C点处应变值较小。由此说明，此断面二次衬砌内部的应变不均匀。从图13中应变的变化趋势分析，其数值较小，由此也可以说明二次衬砌所承受的围岩压力较小。

图14至图17分别为Ⅳ级围岩里程DK228+098监测断面处围岩在初期支护作用下的拱顶下沉、收敛变形、锚杆轴力和衬砌混凝土内部的应变与时间的变化曲线。

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403530位移(mm)25201510500102030监测时间(d)40拱顶下沉周边收敛BD5060

70图14 Ⅳ级围岩DK228+098监测断面拱顶下沉与水平收敛位移变化曲线 由图14可得，在监测断面DK228+098处，隧道在上台阶围岩开挖后，其拱顶下沉变化随时间的延长而逐步增大，经过30天后基本上趋于稳定。但此时由于受到下台阶围岩的开挖，引起拱部沉降进一步增大，其增量最大值为10mm，占拱顶累计最大下沉值的29.41%。但在下台阶开挖通过5日后，拱顶下沉逐步趋于稳定，拱顶累计下沉最大值为3.4cm。上台阶BD测线的水平收敛位移随时间的变化较为缓慢，其最大收敛值为1.4cm，相对位移为0.102%。由此可以看出，隧道拱顶的下沉值要大于水平收敛位移值。上下台阶掘进的累计沉降和水平收敛位移分析，下导坑掘进通过此监测断面时引起的水平收敛增量最大值为位移约占总位移的7.15%。

图15为Ⅳ级围岩DK228+098监测断面处量测锚杆第3点传感器测定的锚杆轴力随时间变化关系曲线。

2015A3点B3点C3点D3点E3点锚杆轴力(kN)1050-5020406080监测时间(d)100120140160图15 Ⅳ级围岩DK228+098监测断面锚杆轴力变化曲线

由图15可以看出，里程DK228+098监测断面处，其拱顶测点C的锚杆杆体受到轴向拉力作用，经过30天后，其轴力数值逐渐趋于稳定，到45天后由于下台阶的开挖，引起轴力发生一定的变化，但数值很快降低，到80天以后轴力又增大，但逐步趋于稳定。测点A的锚杆杆体受到拉力作用也较为明显。而测点B、D、E处的锚杆杆体轴力变化不明显。由此可见测点A、C两处锚杆受到较大的拉力作用。测点A的锚杆最大轴力为15.7kN，而测点C处锚杆的最大轴力为17.1kN。

从图15中各个锚杆轴力的数值大小分析，除了测点B、D以外，测点A、C、E的

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锚杆杆体均处于拉应力状态。但测点B、D经过80天以后，其杆体部位的拉应力有逐渐增加的趋势，但增大的数值较小。由此说明测点A、测点C和测点E处的锚杆发挥了作用。

图16为Ⅳ级围岩DK228+098监测断面二次衬砌接触压力随监测时间的变化关系曲线。

0.10接触压力(MPa)A点B点C点D点E点-0.1-0.2-0.3-0.405101520监测时间(d)25303540图16 Ⅳ级围岩DK228+098监测断面衬砌接触压力变化曲线

根据图16所测得初期支护与二次衬砌之间接触压力的变化关系曲线，初期支护与二次衬砌之间的接触压力随时间的变化较为平缓，其增大的幅度较小。左侧边墙测点E处的接触压力较大，而拱顶中部测点C处的接触压力较小。测点E处接触压力最大值为0.29MPa，而测点A处的接触压力最大值为0.22MPa。由于压力盒测定的数值变化量较小，说明围岩对二次衬砌的作用较小。

图17绘制出了Ⅳ级围岩里程DK228+098监测断面处衬砌混凝土内部应变随时间的变化关系曲线。

1000应变(με)A点C点D点E点-100-200-3000510152025监测时间(d)30354045图17 Ⅳ级围岩DK228+098监测断面混凝土衬砌应变计变化曲线

对于Ⅳ级围岩里程DK228+098处的监测断面而言，二次衬砌混凝土内部的应变在各个测点均不同。测点C和测点D处混凝土受到压应力作用，且C点的应变值为最大。而测点E受到拉力的作用，说明E点的传感器受到拉应力作用。二次衬砌内的应变值随时间的变化并不大，由此说明二次衬砌受到的围岩作用较小。

(2) Ⅴ级围岩

在家乡沟隧道的Ⅴ级围岩地段共设置了3个量测断面。图18至图21为里程

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DK227+997处监测断面各测点的量测结果。里程DK227+949处监测断面各测点的量测结果分别如图22至图25所示。而里程DK227+928处监测断面各测点的量测结果分别如图26至图29所示。

4030周边收敛AE拱顶下沉周边收敛BD位移(mm)20100-100102030405060监测时间(d)708090100图18 Ⅴ级围岩DK227+997监测断面拱顶下沉与水平收敛曲线

根据图18所示，家乡沟隧道Ⅴ级围岩在里程DK227+997处的拱顶下沉量在开挖面掘进通过30天后变化较为剧烈，而在30天以内的变化较小。30天后变化剧烈的原因是由于下台阶的开挖，致使隧道拱顶的下沉增大，经过40天以后，下沉逐渐趋于稳定，拱顶的最大下沉值为3.2cm。下导坑开挖到此断面时引起的下沉增量达到1.2cm，占最到下沉值的37.5％。此外，从隧道两侧围岩的水平收敛位移分析，其位移值均比较小。上台阶掘进期间测线DB的水平收敛位移最大值为5.7mm，而下台阶测线AE的水平收敛位移值最大为6.3mm。经过计算，上台阶拱脚的水平相对位移为0.023%，而下台阶边墙的水平相对位移为0.0447%。下导坑掘进引起的BD测线水平收敛位移增加量为1.2mm，其占总水平收敛位移的21.05%。

图19为Ⅴ级围岩DK227+997监测断面量测锚杆第2传感器测定的杆体轴力随时间的变化关系曲线。

2520锚杆轴力(kN)151050-50204060监测时间(d)80100A2点B2点C2点D2点E2点120图19 Ⅴ级围岩DK227+997监测断面锚杆轴力变化曲线

锚杆杆体轴力的变化从图19可以看出，锚杆均处于受拉状态，其中测点D和E处的锚杆拉力较大。而测点A、B、C三处的锚杆拉力较小。所有的锚杆杆体均处于拉应力状态，也即说明锚杆发挥了其作用。测点D处锚杆所受到的最大拉力为22.2kN，

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在测点E处锚杆的拉力最大值为19.5kN。但测点E在30天后的轴力减小，可能是传感器受到破坏的原因。

图20 为Ⅴ级围岩在里程DK227+997监测断面处二次衬砌接触压力随时间的变化关系曲线。

0.10.05压力(MPa)0-0.05-0.1-0.15-0.20246810监测时间(d)12141618A点B点C点D点E点20

图20 Ⅴ级围岩DK227+997监测断面二次衬砌接触压力变化曲线

根据图20所测得的初期支护与二次衬砌之间接触压力变化关系曲线分析，初期支护与二次衬砌之间的接触压力与时间的变化幅度不大，测点D和测点A处的接触压力较大，拱顶中部C点处的接触较小。测点D处接触压力最大值为0.12MPa，而测点B处的接触压力最大值为0.089MPa。从压力盒量测的接触压力数值分析，该断面二次衬砌所受到围岩作用较为均匀，同时也说明二次衬砌所受到的围岩作用较小。

图21为Ⅴ级围岩DK227+997监测断面测点衬砌混凝土内部应变随监测时间的变化关系曲线。

50应变(με)0-50-100-150-2000246810监测时间(d)1214161820B点C点D点E点

图21 Ⅴ级围岩DK227+997监测断面混凝土衬砌应变变化曲线

由图21可见，对于Ⅴ级围岩里程DK227+997处的监测断面而言，二次衬砌混凝土内的应变在各个测点均不相同。各个测点的衬砌混凝土均受到压应力的作用，而测点B和测点C处混凝土受到压应力较大。从二次衬砌内的应变值随时间的变化分析，二次衬砌受到的围岩作用较小。

图22给出了Ⅴ级围岩DK227+949监测断面拱顶下沉和水平收敛位移随时间的变化关系曲线。根据图22所示，DK227+949监测断面处隧道开挖面围岩开挖后，其在初期支护的作用下，拱顶下沉值在50天以后逐渐趋于稳定，最大的下沉值为5.8cm。从图

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22中还可以看出，隧道上下台阶开挖而引起围岩水平收敛位移并不相同，上台阶测线BD的围岩水平收敛位移值要大于下台阶测线AE的围岩水平收敛值。

上台阶测线水平收敛值最大为2.7cm，下台阶测线的水平收敛值最大为3.1cm。前后两者的相对水平位移为0.19％和0.022％。

70605040周边收敛AE拱顶下沉周边收敛BD位移(mm)3020100-100102030405060708090监测时间(d)

图22 Ⅴ级围岩DK227+949监测断面拱顶下沉与水平收敛曲线

图23为Ⅴ级围岩在DK227+949监测断面处测点锚杆第2点传感器测定的杆体轴力随时间变化关系曲线。 A2点5040轴力(kN)B2点C2点D2点E2点3020100-1002040监测时间(d)6080100120 图18 DK227+949监测断面锚杆轴力变化曲线 Ⅴ级围岩在DK227+949监测断面处锚杆杆体轴力的变化如图23所示。各个测点的锚杆杆体均处于受拉状态，其中测点E和B处的锚杆杆体所受拉力较大。而测点A、C、D三处的锚杆拉力较小。从图中23的锚杆轴力分析，其中测点C即拱顶中部的锚杆基本不受拉力作用。其余锚杆均承受大小不同的拉应力作用。测点E处锚杆所受到的最大拉力为38.1kN，在测点B处锚杆的拉力最大值为26.01kN。

图24为Ⅴ级围岩在DK227+949监测断面处二次衬砌接触压力随时间的变化关系曲线。

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0.10压力(MPa)A点-0.1-0.2-0.3-0.4012监测时间(d)345B点C点E点

图24 Ⅴ级围岩DK227+949监测断面衬砌接触压力变化曲线

从初期支护与二次衬砌之间的接触压力来看，测点B和测点E处的压力较大，而其余测点A、C处的压力较小。测点A基本上没有接触压力。测点B处的最大接触压力为0.35MPa，而测点E处的压力为0.20MPa，上述各个测点的接触压力随时间的变化关系说明，围岩对衬砌的作用是不均匀的。 100-100-300B点-500-700-900-1100012监测时间(d)345C点D点E点应变(με) 图25 Ⅴ级围岩DK227+949监测断面衬砌混凝土应变变化曲线 对于里程DK227+949处的监测断面而言，二次衬砌混凝土内部的应变在各个测点也均不相同。各个测点的衬砌混凝土均受到压应力的作用，如图20所示。而测点E和测点B处混凝土所受到压应力较大。从二次衬砌内的应变值随时间的变化分析，二次衬砌受到的围岩作用较小。

在图26和图27以及图28当中，分别给出了家乡沟隧道Ⅴ级围岩在里程DK227+928监测断面所量测得到的围岩收敛位移、锚杆轴力随监测时间的变化关系曲线。

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45403530周边收敛AE拱顶下沉周边收敛BD位移(mm)2520151050-50102030405060708090监测时间(d)

图26 Ⅴ级围岩DK227+928监测断面的拱顶下沉与收敛曲线

根据图26所示，Ⅴ级围岩在里程DK227+949监测断面处，隧道开挖后并在初期支护的作用下，拱顶下沉值在开挖后45天之内变化较为剧烈，45天以后逐渐趋于稳定。经过45天后，由于下部台阶的开挖达到此监测面，使拱顶下沉值逐步增大，45天之后又逐步趋于稳定。隧道拱顶的累计最大下沉值为4.1cm，下导坑掘进引起的拱顶下沉增量为2.5mm，占最大下沉值的11.1％。

从图26中还可以看出，隧道上、下台阶开挖而引起围岩水平收敛位移并不相同，上台阶测线BD的围岩水平收敛位移值要大于下台阶测线AE的围岩水平收敛值。上台阶测线BD最大水平收敛值发生在下台阶开挖到该监测断面时，最大的水平收敛位移值为2.3cm，而下台阶测线的水平收敛最大值为7.5mm。通过计算，测线DB围岩的相对水平位移为0.163％，而下台阶测线的相对水平位移为0.053％。在下导坑开挖通过该监测断面56天后，水平收敛位移增加量为0.3cm，占累计收敛位移最大值的13.04％。

里程DK227+928处监测断面的锚杆轴力与时间的变化关系如图22和图23所示。 图27为各测点最外侧即第1点的锚杆杆体轴力变化曲线，而图23为各量测锚杆中间测点即第2测点的锚杆杆体轴力变化关系曲线。从图22可以看出，量测断面内的测点A、B、D、E四处，其外部传感器所测定的量测数据中，测点B和D的锚杆杆体轴力较大，而A、E测点外侧锚杆杆体的轴力较小。测点B处外侧锚杆杆体的最大轴力为29.27kN，D测点外测的锚杆轴力最大为32.0kN。各个锚杆杆体均处于拉应力状态。

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353025轴力(kN)201510500204060监测时间(d)80100A1点B1点D1点E1点

图27 Ⅴ级围岩DK227+928监测断面锚杆轴力变化曲线

353025轴力(kN)201510500204060监测时间(d)80A2点B2点C2点D2点E2点100

图28 Ⅴ级围岩DK227+928监测断面锚杆轴力变化曲线

图28为各量测锚杆中间测点即第2个测点的杆体轴力与时间的变化关系曲线。从图28可以看出，量测断面内的测点B、D、E处，其中间传感器所测定的锚杆杆体轴力较大，而A、C测点中间锚杆杆体的轴力较小。测点B处锚杆杆体中间的最大轴力为21.99kN，D测点锚杆中间的轴力最大为33.16kN，而测点E处锚杆中间的最大轴力为21.8kN，从图28可知，各个锚杆杆体均处于拉应力状态。由图27和图28均可以看出，此断面的锚杆均处于受拉应力状态，锚杆发挥了其挤压和加固围岩的作用。

(3) 量测结果的分析

根据上述家乡沟隧道现场监控量测获得的结果，可以分别对Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段的围岩锚杆轴力和支护之间的接触压力进行分析。通过绘制锚杆轴力最大值和围岩接触压力最大值的分布图以了解锚杆轴力和围岩对二次衬砌作用的分布特点。通过分析，Ⅳ级围岩地段里程DK228+129断面锚杆轴力最大值分布如图29所示。图30为Ⅳ级围

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岩地段里程DK228+129断面二次衬砌接触压力分布图。图31为Ⅳ级围岩地段里程DK228+098断面锚杆轴力分布图， 图32给出了Ⅳ级围岩地段里程DK228+098断面衬砌接触压力分布图。图33为Ⅴ级围岩地段里程DK227+997断面锚杆轴力分布图，而图34为Ⅴ级围岩地段里程DK227+997断面衬砌接触压力分布图。图35为Ⅴ级围岩地段里程DK227+949断面锚杆轴力分布图。图36为Ⅴ级围岩地段里程DK227+949断面衬砌接触压力分布。图37 为Ⅴ级围岩地段里程DK227+928断面锚杆轴力分布图。 图29 Ⅳ级围岩地段里程DK228+129断面锚杆轴力分布（单位:kN） 图30 Ⅳ级围岩地段里程DK228+129断面二次衬砌接触压力分布 (单位:MPa) 第 29 页 共 43 页

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图31 Ⅳ级围岩地段里程DK228+098断面锚杆轴力分布（单位:kN） 图32 Ⅳ级围岩地段里程DK228+098断面二次衬砌接触压力分布 (单位:MPa) 第 30 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果 图33 Ⅴ级围岩地段里程DK227+997断面锚杆轴力分布（单位:kN） 图34 Ⅴ级围岩地段里程DK227+997断面二次衬砌接触压力分布 (单位:MPa) 图35 Ⅴ级围岩地段里程DK227+949断面锚杆轴力分布（单位:kN） 第 31 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

图36 Ⅴ级围岩地段里程DK227+949断面二次衬砌接触压力分布 (单位:MPa) 图37 Ⅴ级围岩地段里程DK227+928断面锚杆轴力分布（单位:kN） 对于Ⅵ级围岩，从监测断面的锚杆轴力分布图可以看出，拱顶中部的锚杆即出现受拉也出现受压应力作用。而拱腰和边墙部位的锚杆基本处于拉应力状态。边墙和拱腰部位的锚杆拉力较大。 从二次衬砌的接触压力分布图可以看出，隧道拱顶部位的压力较小，而拱腰和边墙部位的接触压力较大。从Ⅴ级围岩的锚杆分布图分析，边墙和拱腰部位的锚杆所承受的压力较大，而拱顶的锚杆拉力较小。就围岩对衬砌的作用分析，左右边墙的围岩作用要大于隧道拱顶的围岩作用。

2、宝石岩隧道的量测结果

宝石岩隧道全长为760m，穿越的围岩有Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级，其中Ⅴ级围岩的长度为80m，Ⅳ围岩的长度为480m，而Ⅲ级围岩的长度为200m。Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩分别占隧道全长的26.32％和63.16％。由于Ⅴ级、Ⅳ级围岩的变形和锚杆轴力等已经在家乡沟隧道分别进行了监测，而且家乡沟隧道穿越的地质条件与宝石岩隧道穿越的条件相同，因此宝石岩隧道的现场监测主要是针对Ⅲ级围岩地段进行。在Ⅲ级围岩地段共设置了2个现场监测断面。宝石岩隧道在Ⅲ级围岩地段设置的监测断面及其里程如表4所示。

表4 宝石岩隧道监测断面 围岩级别 Ⅲ级 监测断面及里程 断面1 DK210+258 断面2 DK210+287 宝石岩隧道在里程为DK210+258处监测断面的量测结果分别如图33至图37所示。

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其结果主要有隧道初期支护作用的拱顶下沉、两侧坑道壁面的水平收敛位移以及二次衬砌的接触压力和衬砌混凝土内的应变随时间的变化关系。

图38 给出了宝石岩隧道Ⅲ级围岩里程DK210＋258监测断面的拱顶下沉与水平收敛位移随时间的变化曲线关系。

2520位移(mm)151050010203040506070周边收敛AE拱顶下沉周边收敛BD8090监测时间(d)图38Ⅲ级围岩DK210＋258监测断面拱顶下沉与周边收敛曲线

根据图38可以看出，在Ⅲ级围岩的DK210+258断面处，隧道开挖后在初期支护的作用下，其拱顶的下沉量在开挖初期的3日内变化较为剧烈，从3日以后变化较为缓慢，当监测时间达到35日后其数值仍然不断变化，但基本上趋于稳定状态。由于35日后下导坑的开挖通过此监测断面，因此隧道拱顶的下沉在逐渐增加，但增加的幅度不大。当下导坑通过此监测断面后，下沉量逐渐趋于稳定。因此二次衬砌可以在下导坑开挖30日以后浇筑。

此外，由图38可见，隧道拱顶累计的最大下沉量为1.8cm。隧道两侧围岩的水平收敛位移值不同，上台阶开挖的水平收敛位移要大于下台阶开挖的水平收敛值。上台阶的BD测线水平收敛位移最大值为1.5cm，而下台阶AE测线的水平收敛位移最大值为7.8mm，两者的相对位移分别为0.112%和0.059%。此外，从图33还可以得出下导坑的开挖对隧道拱顶的下沉具有一定的影响，但隧道的拱顶沉降和收敛位移主要受到上台阶开挖的影响，而下台阶的开挖对隧道两侧围岩水平收敛位移的影响较小。

当下导坑掘进通过DK210＋258监测断面时，拱顶下沉的增量最大值为3mm，占累计最大下沉值的16.7%。而AE测线的收敛增量为1.8mm，DB测线的收敛增量为2.1mm，分别占各自水平收敛最大值的14.0%和23.1%。由此可见下导坑的掘进对拱顶下沉和水平收敛位移影响不大。

图39给出了宝石岩隧道Ⅲ级围岩在里程DK210+258监测断面处量测锚杆第3测点测定的杆体轴力随时间变化关系曲线。

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201510轴力(kN)A3B3C3D3E350-5-10-15-200204060监测时间(d)80100120140

图39 Ⅲ级围岩DK210+258监测断面处锚杆轴力变化曲线

由图39可得，在里程DK210+258监测断面处，两侧围岩内锚杆的受力不同。隧道拱腰部位测点D处锚杆杆体受拉力较大，而其它部位测点的锚杆杆体拉力较小。测点A处的锚杆杆体受压力作用。说明此锚杆的安装可能存在问题。由此可知，隧道锚杆在测点D、B、E处的挤压和加固围岩的作用发挥较好。隧道拱顶中部的锚杆其所受的拉力最小，没有发挥其作用。

图40为Ⅲ级围岩DK210+258监测断面二次衬砌接触压力随时间的变化关系曲线。

0-0.05-0.1-0.15-0.2-0.25-0.3051015监测时间(d)202530压力(MPa)A点B点D点E点图40 Ⅲ级围岩DK210+258监测断面衬砌接触压力变化曲线

根据图40中测得的围岩初期支护与二次衬砌之间的接触压力变化曲线分析，隧道拱部测点B、测点D和测点E处的压力较小，而测点A处所承受的接触压力较大。接触压力与时间的变化曲线比较平缓。拱部测点D的接触压力最大值为0.15MPa，测点B的接触压力最大值为0.21MPa，测点A的接触压力最大值为0.23MPa，而E点的接触压力最大值为0.09MPa。由此可以看出，隧道二次衬砌拱顶和拱腰部位所承受的围岩压力较小。而墙腰测点A部位的压力较大。由此可得，隧道二次衬砌所受到的围岩作用较小，说明二次衬砌所承担的围岩压力较小。

图41表示Ⅲ级围岩DK210+258监测断面衬砌混凝土内部测点应变的变化关系曲线。

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10050应变(με)0-50-100-150-200051015监测时间(d)202530A点B点C点D点E点图41 Ⅲ级围岩DK210+258监测断面衬砌混凝土应变变化曲线

分析图41中二次衬砌混凝土内部测点的应变变化曲线可得，测点A、B、C、D、E当中，测点B的应变值变化较大，而其余测点的应变值基本没有发生变化，可以看出，在隧道二次衬砌混凝土内部，B点发生较大的压应变。由此也可以说明二次衬砌承受较小的围岩作用。

图42至图48分别为宝石岩隧道Ⅲ级围岩里程DK210+287监测断面处围岩的拱顶下沉、收敛变形、锚杆轴力和二次衬砌混凝土的应变与时间变化曲线。

Ⅲ级围岩里程DK210+287监测断面拱顶下沉与水平收敛位移随时间的变化曲线如图42所示。

2520位移(mm)15105002040监测时间(d)6080100周边收敛AE拱顶下沉周边收敛BD

图42 Ⅲ级围岩DK210+287监测断面拱顶下沉与周边收敛变化曲线 由图42可得，在监测断面DK210+287处，隧道在上台阶围岩开挖后，其拱顶下沉变化随时间的延长而逐步增大，经过30天后基本上趋于稳定。但此时由于受到下台阶围岩的开挖，引起拱部沉降发生增大，但增加的幅度较小。当下台阶开挖通过5日后，拱顶下沉逐步趋于稳定，拱顶下沉最大值为1.5cm。上台阶BD测线的水平收敛位移随时间的变化较为缓慢，水平收敛最大值为2.1cm，相对水平位移为0.157%。下台阶AE测线的水平收敛位移随时间的变化也较为缓慢，水平收敛最大值为8.9mm，相对水平位移为0.067%。

下台阶掘进通过此监测断面后，引起的拱顶下沉增量为3mm，占总下沉量的20％，

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而BD测线的水平收敛位移增量为3mm，占最大收敛位移的9.5%，而AE测线的水平收敛基本没有发生增加。因此，下台阶的开挖对拱顶下沉具有一定的影响，而对水平收敛位移的影响较小。

图43 为Ⅲ级围岩DK210+287监测断面量测锚杆第3测点测定的锚杆杆体轴力变化曲线。

1510轴力(kN)A3B3C3D3E350-5-100204060监测时间(d)80100120图43 Ⅲ级围岩DK210+287监测断面锚杆轴力变化曲线

由图43可以看出，里程DK210+287处的监测断面上，拱顶测点B处锚杆的第3个传感器受到轴向拉力作用较大，经过30天后，其轴力数值逐渐趋于稳定，到40天后由于下台阶的开挖，引起轴力发生一定的变化。测点A、E处锚杆的第3个传感器受到拉力作用也较为明显。而测点C、D处的锚杆第3个传感器轴力变化不明显。由此可见测点A、B两处锚杆内侧受到较大的拉力作用。测点A的锚杆最大轴力为6.89kN，而测点B处锚杆的最大轴力为13.9kN。

图44 所示为Ⅲ级围岩DK210+287监测断面锚杆轴力变化曲线。

2015轴力(kN)1050-50204060监测时间(d)

A2B2D2E280100120图44 Ⅲ级围岩DK210+287监测断面锚杆轴力变化曲线

由图44可以看出，里程DK210+287处的监测断面上，拱顶测点B和D处锚杆的第2个传感器受到轴向拉力作用较大，经过30天后，其轴力数值逐渐趋于稳定，到40天后由于下台阶的开挖，引起轴力发生一定的变化。测点A、E处锚杆的第2个传感器受到拉力作用也较为明显。由此可见测点A、B和D、E处锚杆中部受到较大的拉力作用。测点B的锚杆中部最大轴力为14.19kN，而测点D处锚杆中部的最大轴力为17.7kN。

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从锚杆轴力的数值分析，锚杆发挥了其作用。 图45至图47分别为宝石岩隧道Ⅲ级围岩在里程DK210+258监控量测断面个量测锚杆轴力和二次衬砌接触压力的分布特点。 图45 Ⅲ级围岩DK210+258断面量测锚杆轴力分布（单位:kN） 图46 Ⅲ级围岩DK210+258断面二次衬砌接触压力分布 (单位:MPa) 第 37 页 共 43 页

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图47 Ⅲ级围岩DK210+287断面量测锚杆轴力分布（单位:kN） 结合宝石岩隧道Ⅲ级围岩地段监控量测获得的锚杆轴力和二次衬砌接触压力分布状况，隧道左右边墙部位的锚杆轴力较大，而隧道拱顶中部的锚杆轴力较小，且出现受压的应力状态，由此说明隧道拱顶部位的锚杆作用效果不明显。从二次衬砌的接触压力分布图分析，隧道拱顶部位的压力较小，而拱腰和左右边墙的围岩压力较大，因此，在水平层状砂质泥岩地层中，围岩压力主要作用于隧道的边墙和拱腰部位，而隧道拱顶部位因为下沉较大而使应力得以释放，因此围岩的作用较小。

3、现场监测结果分析

（1）围岩位移

通过对家乡沟隧道和宝石岩隧道在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段进行的现场监控量测结果分析，在隧道穿越粉质黏土、侏罗系蓬莱组水平层状砂质泥岩的工程地质条件下，大跨度双线隧道在施工期间围岩的变形和支护结构工作状况各有其特点。家乡沟隧道和宝石岩隧道在采用台阶法进行钻爆掘进期间，隧道在初期支护的作用下，拱顶下沉和围岩水平收敛位移变化特点和控制标准如表5所示。

表5 隧道拱顶下沉和围岩水平收敛位移及控制基准值 围岩级别 隧道拱顶下沉 拱顶相对下沉（%） 周边围岩收敛 1.5cm~2.1cm Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 1.5cm~1.8cm 3.4cm~5.2cm 4.1cm~5.8cm 0.134~0.162 0.292~0.447 0.345~0.488 7.8mm~8.9mm 1.4cm~1.7cm 2.3cm~2.7cm 3.1mm~7.5mm 水平相对位移(%) 0.112~0.157 0.059~0.067 0.102~0.123 0.163~0.190 0.022~0.053 备注 上导坑 下导坑 上导坑 上导坑 下导坑 第 38 页 共 43 页 中铁八局集团达成指挥部 隧道施工工艺及技术研究成果

注:表中的初期支护拱顶相对下沉值中并未考虑隧道拱顶的下沉量。

从表5可以看出，Ⅲ级围岩的拱顶下沉量最小，而Ⅳ级与Ⅴ级围岩的下沉量较大，相比而言，Ⅴ级围岩的下沉量和水平收敛值为最大。从隧道掘进期间的围岩位移监测结果分析，围岩的水平收敛位移主要发生在上导坑开挖期间，Ⅲ级围岩发生水平收敛最小，Ⅴ级围岩的上导坑水平收敛最大。从上下导坑测线的水平收敛数值分析，上导坑的水平收敛数值要大于下导坑的水平收敛数值。因此下导坑的开挖对隧道拱顶下沉具有一定的影响，而对周边水平收敛位移的影响不显著。

根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)中推荐的双线隧道初期支护极限相对位移和稳定性的判别方法。双线隧道在埋深h≤50m的条件下，Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩拱脚水平相对位移分别为0.03％～0.10％、0.10％～0.30％和0.20％～0.50％。将表5中各级围岩的水平相对位移与规范推荐的指标对比，可见在浅埋条件下Ⅲ级围岩的拱脚水平相对位移要大于规范的推荐值，而Ⅳ级和Ⅴ级围岩拱脚水平相对位移小于规范的推荐值。因此，可以将表5中的水平相对位移值作为浅埋大跨度双线隧道在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩中采用台阶方式进行钻爆法施工的水平层状围岩变形控制标准。

（2）围岩压力

当围岩被爆破挖除后，岩体内部的应力会重新调整和分布。采用复合式衬砌的隧道，通常初期支护在施工期间要承担全部的围岩作用，而二次衬砌只是作为安全储备或防水。但是由于围岩应力的调整和变形，二次衬砌在浇筑后一定时期内也要承受一定的围岩作用。通过对家乡沟隧道和宝石岩隧道在浅埋地层Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段初期支护与二次衬砌之间接触压力的量测，获得了在水平层状砂质泥岩地质条件下，隧道二次衬砌所承受的围岩作用。现场监测获得的二次衬砌接触压力如表6所示。

表6 二次衬砌所承受的围岩作用 围岩级别 接触压力 (MPa) 最大值作用部位 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 0.045～0.190 0.059～0.295 0.015～0.235 测点A 测点E 测点B 备注 压力盒量测结果 从表6的数值分析，二次衬砌所受到的围岩作用在Ⅲ级围岩当中较小，而在Ⅳ级和Ⅴ级围岩当中较大。作用部位主要在两侧边墙和拱腰处，而隧道拱顶部位的衬砌围岩压力较小。从初期支护与二次衬砌之间的接触压力分布来看，水平层状岩体条件下，大跨度隧道浅埋段拱部二次衬砌所承受的围岩接触压力较小，而两侧边墙所承受的接触压力较大。这一点也可以从二次衬砌的内部应变监测结果的大小得到说明，其所受的围岩作用较小，围岩作用主要由初期支护进行承担。二次衬砌承担了很小的部分围岩作用。因此，大跨度双线隧道的二次衬砌可按照安全储备进行设计。

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（3） 锚杆轴力

锚杆轴力的量测目的在于分析锚杆所受的轴向力，并确定锚杆布置的合理性。根据家乡沟隧道和宝石岩隧道在各个监测断面上的量测锚杆的轴力分布来看，锚杆的轴力如表7所示。

表7 锚杆轴力最大值 围岩级别 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 锚杆最大轴力(kN) 最大轴力作用部位 22.412 17.484 38.071 测点E 测点E 测点E 安全系数 6.44 8.26 3.79 从锚杆的轴力分析，边墙和拱腰部位的锚杆大部分杆体处于受拉作用，而拱顶部位的锚杆和边墙与拱腰部位锚杆的局部杆体处于受压状态。从锚杆轴力的分布大小和特点分析，隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩中的锚杆设置是合理的，而隧道拱部的垂直锚杆作用效果不佳。部分锚杆受拉的原因可能与围岩与初期支护之间的应力调整和二次衬砌浇筑后应力调整不均匀有关。从锚杆杆体内部的轴力分布可以看出，锚杆的中部杆体拉应力较大，而两端杆体较小。按照锚杆材质为Q235的抗拉极限强度计算，设计采用的φ22mm砂浆锚杆，其在水平层状砂质泥岩中的安全系数为为3.79～8.26，因此锚杆的设置是安全可靠的。

六、社会、经济效益

通过本次课题在家乡沟隧道和宝石岩隧道的开展，创造了良好的经济和社会效益。

1、工期大幅缩短

通过对台阶法施工的应用和施工工艺的不断优化，两座隧道工期均大大幅缩短，贯通时间比预期提前两个月左右。二次衬砌时间完成时间也随之提早一个月。两座隧道均顺利完成了工期目标，并为后续工作的开展打下了良好的基础。

2、成本控制

台阶法施工工序相对简单易行，支护成本较低，其大规模应用对降低支护成本有重要意义。同时对光面爆破技术的优化也大幅减少了喷射混凝土的用量。综合考虑各种因素，课题的开展对两座隧道的成本节约都在50万以上。

3、科研价值明显

通过对支护结构受力及变形的量测，初步掌握了浅埋大跨度隧道在台阶法施工中的围岩变形特点和规律。对衬砌结构和锚杆设置的合理性进行了探索。为高速铁路浅埋大跨度隧道设计和施工提供了技术参考。

4、实现安全无事故生产

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由于量测结果的及时反馈和施工工艺的不断优化，家乡沟隧道及宝石岩隧道实现了全程无伤亡事故施工。

七、结论

在本课题开展过程中，中铁八局达成铁路新建双线段指挥部做为项目主持单位，高度重视，由指挥长、总工和副指挥长带队成立了科研及攻关小组，扎实做好每项工作。西南交通大学做为参加单位，多次组织专家组现场指导，并进行了深入的理论研究。在顺利和优质的完成家乡沟隧道和宝石岩隧道的同时，取得了大量的科研成果。

1、掌握和优化了台阶法施工浅埋大跨度隧道中的应用

台阶法在围岩条件较好的隧道中应用广泛，但在浅埋大跨度隧道穿越软弱围岩地段缺乏足够的尝试。本次课题开展过程中，根据量测信息反馈结果，大胆的在两个隧道全段进行台阶法施工，保证了隧道施工安全快速的进行，同时积累了宝贵经验，为浅埋大跨度隧道的施工取得了技术积累。

隧道采用单头掘进、各工序干扰大，通常进度缓慢。为克服这一难题，课题组对台阶法的施工工艺的不断优化——上台阶掘进面宜超前下台阶掘进面40m～60m，同时为便于上台阶的掘进和施做初期支护，下台阶采用左右跳槽的方式进行开挖，下台阶左右两侧掘进面之间的错距宜为8m～10m，二次衬砌的浇筑工作面距离上台阶的开挖面距离宜保持在80m～100m，为能使仰拱施工和上台阶出碴同时进行，并保证仰拱一次成型，设置12m长栈桥。在保证隧道施工安全进行的同时，IV、V类围岩隧道施工速度由原来预期的60m/月大幅度提高至100~120m/月，对完成工期目标，缩短建设周期都具有重要的意义。

2、掌握了水平产状红层泥岩光面爆破技术

爆破质量是隧道施工成本控制的关键，也是影响安全的重要因素。家乡沟隧道和宝石岩隧道由于自身特点，围岩破碎，岩质软弱，施工伊始普遍存在炮眼残留率不达标，超挖严重等现象。同时根据量测信息反馈，由于装药不合理，补炮对围岩造成多次扰动等因素，支护变形及衬砌受力均较大。超挖回填占时过长，也成为制约施工进度的重要因素。

针对以上问题，课题组决定采用小药卷和隔眼装药等工艺，尤其是针对手持风机钻杆过长，钻孔角度不好掌握的问题，采用了多根不同长度钻杆套用的方式予以解决。经过爆破工艺不断的完善，炮眼存留率达到了60%的预期目标，超挖成功控制在了15cm以内。由于超挖减小，喷射混凝土时间由15小时左右大幅缩减至6~8小时。根据量测结果分析，随着爆破质量的改善，支护结构的变形有了明显的下降，二次衬砌的受力也有了明显的减小。

3、掌握了浅埋大跨度隧道在台阶法施工中的围岩变形特点。

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在水平层状砂质泥岩地层当中，隧道采用台阶法进行钻爆施工时，围岩在初期支护作用下，Ⅲ级围岩的拱顶下沉量最小，其数值为1.5cm～1.8cm。Ⅲ级围岩上导坑拱腰水平收敛位移为1.5cm～2.1cm，而下导坑边墙中部的水平收敛为7.8mm～8.9mm。Ⅳ级围岩在初期支护作用下的拱顶下沉量为3.4cm～5.2cm，上导坑拱腰的水平收敛位移为1.4cm～1.7cm。Ⅴ级围岩拱顶的下沉量为2.3cm～4.1cm，其上导坑拱腰水平收敛位移为2.3cm～2.7cm，而下导坑边墙中部的水平收敛位移为3.1mm～7.5mm。因此，在水平层状砂质泥岩地质条件下，围岩的水平收敛位移和拱顶下沉量主要发生在上导坑掘进期间，下导坑的掘进对隧道围岩拱顶下沉和周边收敛位移的影响各不相同。下导坑围岩的掘进所引起的下沉量占累计最大下沉量的11.1%~37.5%，而引起的水平收敛位移占累计最大水平收敛位移的9.5%~23.1％。因此，在台阶法施工期间，上导坑围岩的掘进对拱顶下沉和水平收敛位移的影响最大，而下导坑围岩的掘进对拱顶下沉具有一定的影响，对水平收敛位移的影响不显著。隧道拱顶下沉和水平收敛位移在上导坑围岩开挖后3天～5天期间变化最为剧烈，而经过约30日后逐步趋于稳定。下导坑掘进经过40天后拱顶下沉和水平收敛位移逐渐趋于稳定，因此，此时为浇筑二次衬砌，二次衬砌基本不受围岩作用。

4、初步掌握了浅埋大跨度隧道在台阶法施工中变形控制标准。

通过现场监控量测，大跨度双线铁路隧道初期支护极限相对位移，在隧道埋深h≤50m的条件下，Ⅲ级围岩水平上导坑的水平相对位移为0.112％～0.157％,下导坑为0.059％～0.067％。Ⅳ级围岩水平上导坑的水平相对位移为0.102％～0.125％。Ⅴ级围岩上导坑拱脚水平相对位移为0.163％～0.190％，下导坑为0.022％～0.053％。

5、初步掌握了浅埋大跨度隧道在台阶法施工中二次衬砌受力状况。

在水平层状砂质泥岩地层当中，大跨度双线铁路隧道二次衬砌所受到的围岩作用在Ⅲ级围岩当中较小，而在Ⅳ级和Ⅴ级围岩当中较大。作用部位主要在两侧边墙和拱腰处，而隧道拱顶部位的衬砌围岩压力较小。从初期支护与二次衬砌之间的接触压力分布来看，在水平层状岩体条件下，大跨度隧道浅埋段拱部二次衬砌所承受的压力较小，而两侧边墙的所承受的压力较大。这一点也可以从二次衬砌内的应变量测结果得出。隧道施工期间，围岩作用由初期支护承担。因此，大跨度双线铁路隧道初期支护承担施工期间的围岩作用，而二次衬砌仅作为强度和安全储备。

6、掌握了系统锚杆受力特点。

就隧道施工期间设置的系统锚杆而言，在水平层状砂质泥岩地层当中，Ⅴ级围岩边墙和拱腰部位的锚杆大部分处于受拉作用，而拱顶部位的锚杆和边墙与拱腰部位局部锚杆处于受压状态。从锚杆轴力的大小和分布特点来分析，锚杆的设置是合理的，隧道拱部的垂直锚杆作用效果不佳。部分锚杆受拉的原因可能与围岩与初期支护之间的应力调整和二次衬砌浇筑后应力调整不均匀等原因造成。通过对锚杆的安全性计算，

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锚杆的设置是安全可靠的。

达成铁路新建双线段作为我国实际意义上的第一条时速为200km/h～250km/h的电气化高速铁路，对今后我国高速铁路的发展必将起到积极的推动作用，同时在本线路设计和施工过程中所解决的技术问题将对今后高速铁路的设计和施工具有重要的借鉴和参考价值。

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