雁门关隧道群T程设计施工的技术问题探讨 

    摘  要：隧道是路线在山岭区克服高程障碍，改善线形，提高车速，保护生态环境减少对植被破坏和因开挖过多造成危害程度的有效手段。随着经济的发展，公路等级的提高，公路隧道的修建越来越多，也出现了一批长隧道和特长隧道，如二郎山隧道(4610m)、中梁山隧道(3165m)、雁门关隧道(5235m)及秦岭隧道(18404m)。人们认识到隧道在公路建设中发挥的重要作用，也对隧道的设计和施工提出了更高的要求。如何使隧道的设计更加完善，设计和施工作到完美的协调配合，隧道设计的理念等问题值得研究和探讨。现就雁门关隧道的设计和施工谈几点见解，供同行探讨。

    关键词：隧道 设计 施工 技术 问题

 

    1  隧址选择及线形控制避免高边坡病害的问题

    隧道位置的选择应服从路线的基本走向，在起、终点和中间控制点之间按选线原则找出最合理的通过点，将长大隧道作为一个基本控制点，充分发挥其在总体布线中的主导作用，在各控制点之间反复插点、穿线，结合细部地形、地质条件综合考虑平纵横三方面的合理安排，确定道路中线的位置，尽量避免高边坡的危害。

    确定隧址主要是要考虑地质条件，洞口位置，隧道长度。地质条件对隧址的选择起决定性的作用，只要地质条件较好隧道加长也是可以的，长大隧道应按照“顾全大局，兼顾两头，能长则长”的原则确定隧道的长度。这是因为长隧道能较好地解决高程问题，缩短路线长度，减少洞口两边接线的桥梁和路基规模，并且对于长大隧道的运营管理来说长一些和短一些运营管理的规模都相差不大。对于埋深在15m或能产生20m以上边坡的路基，应根据地质情况判断隧道的工程特性和能否产生大的边坡问题，用长期运营发展的眼光，重视环保植被，综合比选采用路基开挖还是采用中短隧道穿过，避免高边坡病害的发生。从目前我国湖南、四川等地公路发生的边坡滑塌事件来看，边坡的长期稳定难以预料，影响公路的运营安全，不如采用隧道，既环保又安全，一次解决问题，不留后患。中短隧道的运营管理可通过计算机网络将监控信息传递到临近的管理站统一管理，这样运营管理费用可大大降低。

    隧道的平纵线形应顺应地形与隧道前后衔接的道路整体线形及当地环境景观协调一致，并考虑地质条件及场地对施工难易程度的影响。隧道避免设置平曲线的主要原因是线形和通风，当受地形、地质条件限制时宜采用不设超高的平曲线半径。实际上当采用大半径曲线时，对中短隧道的通风不会造成大的影响。因此，新原高速公路新庄隧道采用了曲线隧道。

    隧道的纵坡限制主要是考虑通风和纵向排水，汽车排放的有害物质随着坡度的增大而急剧增多。因此，长大隧道的纵坡按规范宜取小值，但中短隧道也受3％的纵坡限制是否偏于保守，使选线的灵活性受到限制。新原高速公路东水泉隧道采用了+3.95％的纵坡可以说是一个突破。

    2  洞口设计和环保问题

    洞口设计是隧道设计的重要组成，它关系到施工的安全和难易程度、自然地形的保护和人文景观的协调组合。

    随着社会的进步，环保问题越来越受到人们的重视，因此洞门的位置应最大限度的保护山体的自然状态，根据围岩情况宜将仰坡控制在3m以内，避免洞口出现高仰坡和深拉槽。

    洞口的位置应确保施工时的安全进洞。根据仰坡顶的岩体裸露情况确定明洞的长短，使行车安全得到保证，当洞口围岩较差时，为避免仰坡开挖过多，可采用地表加固的措施固结地表围岩。同时还应重视隧道轴线与洞口坡面的夹角控制在45°以内为宜。

    洞口仰坡顶的环向天沟设置应根据汇水来确定。若山顶坡长不大或地面山坡与隧轴线有夹角时，地面水对洞口几乎无危害或影响较小，设置天沟既坡坏山体表面又不美观，反而损坏了水土的保持，这种情况有洞门顶排水沟就可以了。洞门顶排水沟要能满足大雨时的排水能力，沟边也应有1-2m的平台防止泥砂填堵水沟。

    洞门的景观设计不但要融自然环境于一体，还要体现地方人文景观和时代特征。就长隧道而言，面对一座大山采用简单明快的洞门给人以气势雄伟庄重的感觉。洞门的装饰材料应避免产生太强的阳光反射，造成驾驶员的不适。材料在照顾就地取材的原则下，易选用有光泽而反光不强，易于清垢又不伤质感，且耐久性要好便于野外施工的材料。

    3  围岩类别划分及设计施工的配合问题

    目前公路隧道工程是按围岩分类进行工程设计的，围岩的分类主要是以坑道稳定性为代表的分类方法进行分类。围岩类别的划分是对围岩综合特性的整体描述，影响坑道围岩稳定性的因素有两个方面，一是地质状态的影响，二是人为因素即施工带来的影响，在分类时主要是以地质因素考虑。而围岩分类表中定性的描述多，定量的指标少。因此，目前的分类可以说还处于“经验”分类阶段。在施工时围岩的分类应按实际的地质情况和施工要求进行较科学的

划分。

    3.1  围岩类别的划分及影响因素

    影响围岩稳定性的因素很多，要在分类中全面地反映这些因素的影响是困难的也是不切实际的。也就是说按围岩稳定性对围岩分类不但与岩体本身内在的地质状态有关，还与人为因素的影响有关，即施工方法、坑道的形状和开挖断面的大小有关。为使分类简单化，目前围岩分类本身主要是从内在的地质因素考虑的。面对复杂多变的地质问题，尽管地质勘察部门做了大量的工作，也不可能摸清开挖前的围岩状况。这是目前隧道设计围岩预测与实际围岩出入较大的主要原因。

    地下水对围岩的影响在《公路隧道设计规范》中规定，Ⅱ、Ⅲ类围岩根据围岩状况和水的大小等情况判断其对围岩的危害程度可降1—2级。对于Ⅵ类或属于V类的软质岩石《规范》中是这样表述的：根据地下水的性质、水量大小和危害程度调整围岩类别，当地下水影响围岩稳定产生局部坍塌或软化软弱面时，可酌情降低1级。可是，规范附表1.1中表明，Ⅵ类围岩为硬质岩石，受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为后层，层间结合良好，也就是说水对Ⅵ类围岩的稳定性几乎无影响。因此，Ⅵ围岩遇水不存在降级的问题，降级应该是指Ⅳ、V类围岩受水的影响，可酌情降1级。

    另一方面，隧道施工是造成围岩丧失稳定性的因素之一。施工方法、开挖面的形状、每次开挖的长度，以及施工的技术水平等都对围岩的稳定性有影响。正是由于人为施工的不确定因素过多，所以围岩分类时主要是从地质因素考虑的。但是人为因素又是客观存在的，在工期紧掘进速度快的情况下，就不能忽视其对围岩稳定性的影响。雁门关隧道长，工期紧，为使进度加快，施工时为满足机械效率的充分发挥，采用了大断面开挖，每次的开挖又较长，势必对围岩的稳定性造成不利的影响。  

    要使隧道实际的围岩情况得到有效的控制，应从三个方面着手，一是适当加大勘察的投入；二是将人为对围岩的影响降到最小；三是设计人员进驻现场，实现信息化动态设计。

    3.2  设计施工的协调配合

    任何一项工程的完成都需设计和施工做到密切配合，隧道工程更加如此。新奥法修建隧道的一个主要特点就是边施工，边修改设计，满足施工过程中不断变化的围岩情况和解决施工中遇到的问题，设计与施工密切配合具有特殊意义。众所周知，地下隧道工程设计与地面工程不同，地面工程结构受力、荷载和材料特性在设计上是明确的，结构分析的误差一般较小。而隧道工程则不同，按新奥法的原理隧道的支护体系由围岩和支护结构共同组成，围岩的岩体结构及边界条件是不明确的，岩体的物理力学性质不能完全摸清楚，作为岩体本身也是支承材料的重要组成部分，一般是非均质、非连续、非线性的力学性质，比人工材料复杂。由于这些原因，隧道的力学分析结果往往与实际相差很大，加之围岩类别预测的精度及人为因素的影响，隧道设计图不一定完全达到施工的要求。因此，需要设计与施工人员根据现场实际情况借助量测共同研究分析调整支护参数，及时解决出现的围岩和施工问题，如处理的不及时，延误支护时机，将会导致出现塌方现象，造成重大的经济损失。因此，必须做到设计与施工的协调配合。

    雁门关隧道群在业主的重视下，设计和施工做到了较好的协调配合，在实事求是的基础上与施工的具体实践相结合，及时地对隧道的支护参数作了较合理的修正，保证了施工过程的安全和支护结构的可靠度，使工程进度得以顺利快速的进行。较好地实现了“安全、适用、经济”的设计原则。

    监控量测对支护参数的调整也起一定的作用。现场监控量测的目的：了解支护衬砌受力情况确保安全，确定二衬及仰拱的施作时间；获取围岩变形的动态信息，并反馈修正支护参数，达到掌握围岩变形规律，为以后隧道设计和施工积累资料。通过量测的信息反馈，新庄隧道右线出口YKll3+315-+325段由于拱圈受力较大，初期支护产生裂缝，右侧拱圈收敛下沉，侵占二次衬砌最大达20余厘米，地表下沉4em，并有四道地表裂缝，有向下滑动的趋势。在取得量测数据后，及时地采取替换钢拱架，加强初支厚度，对破碎松散围岩压浆固结，尽快施作仰拱并形成封闭环的措施，使山体开裂的现象得到控制，避免了由于原支护强度不足而造成拱圈严重破坏，危及洞口安全的事故的发生。监控量测在施工中虽然取得了一定的作用，但是由于和施工进度的冲突相互影响，往往量测计划得不到很好的落实，量测作用不明显。为使监控量测充分的发挥技术经济效益，施工单位应及时地提供有关隧道准确全面的信息资料，以便调整支护参数时有可靠的依据。

    4  防排水设计问题

    隧道的渗漏水问题是多年来全国比较普遍的问题，尤其在北方寒冷地区，季节性温差较大，受冬季冰冻影响，渗漏水问题更加突出，要想彻底解决这个问题，必须事先防范，采用新材料、新技术、新工艺。否则一旦出现渗漏，很难根治。

    雁门关隧道洞身的防水设计采用中心深埋水沟排水，水沟顶部位于冻结线以下，防水采用厚1.2mm、350g/m2的EVA复合式防水板，环向设Φ50mm软式透水管，纵向设Φ100mm软式透水管，由横向引水管将衬砌外的水排向中心水沟。施工缝、沉降缝、变形缝采用中埋式橡胶止水带，混凝土的抗渗标号不低于S8。这是目前国内通常采用的防排水方式，但在施工中发现横向排水管有白色沉积物将管堵塞，不能流水。解决的方法是在有结晶析出物的地下水地段，纵向盲沟改为Φ160mm的PVC管，管壁设孔，与环向透水管及横向排水管用三通接头连接，并增设横向排水管，每50m在边墙底部设一纵向盲沟检查井，以便定期检查清理堵塞物。由此可以想到在隧道内地下水的长期作用下，也有可能将其他地段的环向或纵向透水管的小孔堵塞，也就是说使隧道的排水系统失灵。

    防水板这一防水措施，由于其施工设备、工艺简单，易为人们掌握，又有一定的效果，是目前常用的防水方式。但是也有一些不足之处，如增加了造价、工序，由于施工中光爆或围岩的塌落造成开挖面超欠挖较大，施工时又不宜完全用喷射混凝土填平，而防水板的延伸性有限，这就会在二衬与初支之间产生大小不等的空隙，将二衬与初支隔开，使之不能紧密结合形成共同受力结构，降低了支护的承载能力。

    要治理渗漏水问题，设计时要因地制宜，按不同的区域、地形、地下水的水位及地下水的补给方式分而治之。对于地下水多的区域或地段以及地下水补给较充分的区域或地段，采用防水板及排水设施；对于地下水较少、地下水位又很低，且受季节性影响，地下水的补给源为地表降水产生的裂隙水的地段，要充分利用混凝土的自防水性能，通过改善混凝土的防渗性能达到防水目的。

    有的隧道施工时地下水的水量每小时可达上千立方，尽管设了排水设施，施工完后隧道水沟内排出的水却相对很小，也就是说隧道内设置的排水系统的排水能力并不是向地面工程那样流畅，满足不了洞内的排水要求，但是衬砌并没有渗水，这说明了隧道中的防水板和混凝土的抗渗性发挥了作用，而排水系统发挥的作用是有限的。因此，笔者认为隧道防排水设计的思路应“以防为主，因地制宜，排截堵相结合”综合治理。利用水流动的特点，发挥围岩受爆破作用产生的裂隙和其自身的裂隙形成的排水网络，使水从支护周围渗入地层，为使地下水不至于从路面冒出或冬季发生冻害，应设中心水沟将路基的水排走。对于已产生渗漏的地段进行修补时，按以排为主截堵结合的原则治理。

    雁门关隧道群东水泉1号、2号隧道、白草口隧道(连拱隧道)都属高位傍山隧道，地下水均为地表降水所形成的地表裂隙水，水量有限，且冬季又几乎无降水，受冰冻的影响很小。因此，除双连拱隧道中墙设排水设施满足中墙不积水，其余均可不设防排水设施，通过提高混凝土的抗渗性完全可达防水目的。

    5 超前地质预报技术的应用

    隧道地质是设计及施工单位确定施工措施、施工方法的依据。因此，对于长大隧道的施工而言，采取先进的地质预报技术判定一些不良的地质现象，对施工的组织安排有一定的指导作用，特别是对TBM法施工的隧道意义重大。雁门关隧道的地质超前预报是采用TSP—202和TSP—203地质预报仪进行超前预报的。该仪器是运用声波反射的原理，结合已有的地质资料探测前方地层情况，每次预报长度一般为掌子面前方100m左右，解释距离掌子面前方100-250m。根据探测的结果与实际开挖对比分析，该法适宜于断层、岩体强度较低的软弱破碎带、软硬岩体界面以及富水地段的探测。

    6  长大隧道的快速施工

    雁门关隧道是目前国内较长的隧道之一，隧址区有13条切穿洞轴线的断层，工程地质及水文地质情况复杂，施工中的不确定因素和难以预料的地质情况较多。由于大运线总工期的要求，雁门关隧道的快速施工显得尤为重要。隧道是按新奥法的原理施工的，施工中采用了新技术、新工艺以及较合理的机械配置，最大限度地发挥机械的使用效率，使得快速施工得以保证，Ⅲ类围岩月最快进度170米/月，Ⅳ、V类围岩日最快进度11米/日。隧道的快速施工是一个复杂的系统工程，下面从工程技术的角度谈几点见解。

    6.1  施工方法

    雁门关隧道是按新奥法施工的。施工时根据围岩类别及开挖后围岩的稳定性，采用微台阶法、大半断面法及全断面法进行施工，对于稳定性差的围岩采用留核心土的措施。为使机械设备能较好的发挥出渣效率，施工时尽量采用大半断面及全断面法开挖，采用光面爆破技术减少开挖时对围岩的扰动。

    6.2  初期支护及辅助施工措施

    雁门关隧道的快速施工主要体现在Ⅱ、Ⅲ类围岩的掘进速度上，要使支护在较安全的情况下进行，就要根据围岩的变化切实、灵活地调整辅助施工措施和支护参数，做到石变我变，按“弱爆破、少扰动、紧支护”的原则进行开挖和支护，控制围岩的松动变形和坍塌。

    对于Ⅱ类、富水地段及自稳能力差的Ⅲ围岩，采用超前预加固的辅助施工措施加固前方围岩。由于超前中空锚杆的浆液强度形成缓慢，而本身的刚度较差，支撑不住围岩变形的压力，造成压弯或塌方。将超前支护的措施改为刚度较大的Φ50mm超前小导管以提高临时支护的强度，这对防止塌方加快进度起到了积极作用。I类围岩段超前辅助施工措施原设计均为20m的声89mm长管棚，而打一排长管棚一般需25天，这对施工进度极为不利。长管棚施工的工序复杂，造价较高，施工周期长，作为北方干旱地区的隧道，在无特殊地质的情况下及洞口段，特别是在工期紧的情况下，一般不宜采用。为此，将I类围岩段超前辅助施工措施改为超前小导管，效果很好，既加快了进度又节省了工程造价。

    雁门关隧道Ⅲ类围岩段为使机械效益的充分发挥，一般采用大半断面施工。由于洞内围岩变化的不确定性，为减少围岩差时大半断面向小断面的工序转换而造成时间上的延误，在Ⅲ类围岩段岩体稳定性较差的段落，将初支的架改为刚度较大的工字钢架，防止因围岩产生大变形而引起的塌方发生。

    6.3  喷射混凝土施工工艺的改进

    新奥法是把围岩和各种支护结构作为一个完整支护体系的理论方法，其核心就是充分利用围岩的自承载能力，开挖后及时锚喷支护封闭围岩控制围岩变形。即爆破开挖后施作初期支护，先喷一层混凝土、达到尽快封闭岩面有效控制围岩变形的目的，然后再补喷至设计厚度。实际施工中由于围岩的层理裂隙面等原因，开挖后时常出现掉块坍塌，特别是水平层理及破碎镶嵌结构的岩体，超欠挖很难控制，有时能达30cm以上，采用喷混凝土回填既浪费又耽误时间，使围岩的变形不能及时的约束，有可能造成变形过大而产生二次塌方。为加快超挖地段初支的施工时间，在业主的组织下，设计施工监理单位的技术人员研究决定，大于15cm超挖的地段采用立模喷混凝土的施工工艺，一般每循环12小时，也就是说在围岩松动变形还未达到临界稳定状态时，就已经完成初支。经取芯检验28天混凝土抗压强度达到或超过设计要求。模喷工艺的优点：a.加快了初支施作时间；b．减少不必要的回弹浪费，降低了工程造价；c．保证了初支回填与围岩密贴和回填的密实性；d．有可靠的质量保证。

 

    参考文献

    1  交通部公路科学研究所．公路工程质量检验评定标准(JTJ 071-98)．北京：人民交通出版社，1995

    2  交通部重庆公路科学研究所．公路隧道设计规范(JTJ 026--90)．北京：人民交通出版社，1991

    3  交通部重庆公路科学研究所．公路隧道施工技术规范(JTJ 042--94)．北京：人民交通出版社，1994 

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