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摘要：研究目的：以汕梅高速公路倒虹吸的优化设计为例，研究超小断面隧道设计与施工过程中的得与失。
研究结果：通过现场超小断面隧道的设计与施工，总结一些成功经验。对于后续类似项目提供借鉴。
关键词：小断面；隧道；设计；施工
中图分类号：S611文献标识码： A
1 工程介绍及方案比选
LK67+990倒虹吸位于汤坑隧道出口大拉槽地段，为沟通线路左右侧灌溉水系而设，该倒虹吸所处地层主要为粉质黏土，层较厚。其下为强风化板岩，岩体破碎，基岩裂隙水极为发育，容易坍塌。
施工过程中发现倒虹吸竖井落在路堑边坡的碎落台上，存在严重的设计隐患：首先是路堑边坡高8m左右，矩形渡槽无法施工；然后是安全防护问题，后期若需要养护维修，属典型的高空作业。
鉴于上述情况，现场对该倒虹吸进行了优化设计，方案有三：
方案一：边坡大开挖，将倒虹吸竖井移到路堑开挖边坡线外，接长倒虹吸管节，然后回填。
方案二：类似沉井的结构，设中隔墙，跳挖，逐节施工护壁，下挖到位后将倒虹吸接长，竖井放到路堑开挖边坡线外，然后回填。
方案三：在路堑开挖边坡线外设竖井，然后采用小断面隧道向线路方向开挖，接长倒虹吸。
各方案的优缺点：
由于倒虹吸地处管段内重点工程汤坑隧道施工的交通要道，该倒虹吸处的处理方案直接关系到隧道是否能正常施工，因为工期压力大，经比选现场采用的施工方案为方案三。
2 方案设计
现场对该倒虹吸的优化方案三进行了设计，设计步骤如下：
2.1 首先考虑的是现场水系，要求测量人员提供现场水系处实测路基断面及既有水系标高，断面向地界外延伸50m。
2.2 竖井位置的确定，倒虹吸管节为厂制，管节长度为2.0m。故竖井位置放置在路基边坡开挖线附近并应保证后续加长管节为整管节。
2.3 竖井平面尺寸的确定，由于倒虹吸接长管节后期需要通过竖井输送到小隧道中安装，故竖井除应满足倒虹吸管节长度外还应保证管节安装施工人员的操作空间，鉴于其为永久性结构，故竖井壁厚35cm，采用C20钢筋混凝土。
2.4 竖井基础的确定，选用扩大基础，沿用原设计基础厚度，并将基础平面尺寸加大，保证襟边尺寸20cm。
2.5 竖井标高的确定，竖井底部应保证比倒虹吸管内壁底低50cm左右，以起到沉泥作用。
2.6 地表边坡加固，由于隧道埋深极浅，地质情况较差。采用地表边坡打设Φ22砂浆锚杆，挂网格喷射砼，加大地表抗变形能力。
2.7 隧道断面的确定，因倒虹吸管节为厂制，外径Φ140cm。倒虹吸需考虑作业人员空间，设计时隧道开挖按2.5m直径考虑，初支厚度15cm。
2.8 隧道初支设计，因小隧道中所有施工材料及器材均要通过竖井上下，需要考虑安装能力问题，设计时采用格栅钢架方案，格栅分2块设计，每环重62.5kg，分成2块后可很方便地运至现场安装，格栅钢架间距60cm/榀。
2.9 系统锚杆、超前支护设计，系统锚杆间距1.0m，长1.5m，采用Φ22砂浆锚杆。超前支护3.0mΦ22砂浆锚杆，搭接1.0m。进洞采用Φ42小导管预支护。初支混凝土采用C25噴射混凝土。
2.10 倒虹吸管节与隧道间空间采用与倒虹吸管节标号一致的C25泵送混凝土。
倒虹吸具体设计见图2-1、图2-2。
图2-1 倒虹吸1/2横断面图
图2-2 隧道结构图
3 方案实施
3.1 竖井施工
3.1.1 竖井开挖
竖井施工采用人工开挖，井口高出地面20cm。开挖尺寸每侧放大10cm作为护壁混凝土厚度，结构混凝土采用后期浇筑方案。因围岩裂隙水极为丰富，地表富水地段开挖每循环0.3m，岩石地段每循环1.1m。
竖井采用人工开挖，井口配置卷扬机出碴，石方地段采用浅眼爆破。炮眼深度不超过0.8m，装药深度不超过炮眼深度的1/3。
3.1.2 竖井混凝土施工
因竖井为矩形结构，护壁未采用内齿式搭接，模板采用建筑钢模支立，护壁上下层间设10cm砼浇筑空间，采用Φ12钢筋进行连接，竖井混凝土采用串桶下放，节间砼空隙采取红砖砌实。
3.2 地表处理
竖井完工后，按要求在路基边坡上搭设脚手架，打设锚杆、挂网并喷射混凝土，将地表形成整体。
3.3 隧道测量
因该工程规模较小，施工中未采用先进的测量仪器进行方向定位。因隧道为直线隧道，施工隧道时沿竖井壁上前后方向的护桩下引，然后通过延线法确定隧道施工的中线。标高通过将竖井壁上的水准点用钢尺下引至竖井壁上，然后用塑料管中灌水将标高前引控制每一循环隧道的标高。
3.4 隧道施工
3.4.1 隧道开挖
隧道地质情况为强风化砂质板岩，围岩裂隙水极为发育，施工过程中采用两台污水泵抽排积水。钻孔凿岩配备YT28风钻（Φ42mm），炸药选用2号硝铵乳化炸药，电雷管起爆。由于隧道断面较小，施工时仅设置了掏槽眼与周边眼，掏槽眼间距0.85m，周边眼间距0.5m，斜眼掏槽。
开挖每循环进尺0.6m，出碴采用人工运至竖井内，再由竖井卷扬机吊出井外。
3.4.2 系统、超前支护
系统锚杆及超前支护均采用Φ22砂浆锚杆，搭接1.0m，每1.8m一循环。进洞采用Φ42小导管预支护。初支采用C25喷射混凝土。
3.4.2.1 系统砂浆锚杆施工工艺
砂浆锚杆钻孔采用YT28型风枪钻眼。锚杆采用锚固剂锚固，杆体外露端安装垫板及螺母。
3.4.2.2 超前小导管
因竖井尺寸空间的限制，进洞小导管采取长L=2.2mΦ42厚3.5mm的热轧无缝钢管，前端成尖锥状，环向间距40cm，沿隧道开挖轮廓线单排布置，外插角8°左右。钻孔深度2.0m。小导管用锤击入，并用高压风将管内砂石吹出，1:1水泥砂浆注浆密实。
3.4.2.3 超前锚杆
锚杆采用Φ22mm砂浆锚杆，锚杆按8°外插角钻进，采用锚固剂锚固。
3.4.2.4 挂钢筋网
钢筋网在地面加工，网眼尺寸15×15cm，分三片运入洞内人工拼装，网片间搭接长度为1个网孔。钢筋网按受喷面起伏铺设，安装时用电焊点焊固定在钢架及锚杆外露头上，以防喷射混凝土时晃动。钢筋网在喷射一层初支砼后铺挂，混凝土保护层2cm左右。
3.4.2.5 格栅钢架
格栅钢架在地面的加工场内进行加工，设立1∶1胎模加工工作台，分2块加工，分次通过竖井运至现场。安装时各单元采用钢板－螺栓连接。钢架安装完成后，和与之相接触的锚杆头焊接，使之成为整体结构。
3.4.2.6 喷射混凝土
采用ZSP-6D型湿喷机进行喷射混凝土施工。
由于隧道出水量较大，喷射作业时采取下列措施：喷射时，先从远离出水点处开始，再逐渐向涌水点逼近，将散水集中，安设导管，将水引出，再向导管逼近喷射。
3.4.2.7 底板施工、水平管安装
1）混凝土垫层
洞身开挖完成后，经检查合格后先在基底浇筑C15混凝土垫层，砼由竖井倒运入洞身，采用插入式振动器捣固，人工抹平，初凝后覆盖洒水养生。
在浇筑完的垫层上测出水平管轴线、高程，并用墨线弹出管安装位置。
2）水平管安装
水平管节为厂制，每节长2m。因隧道空间小，且水平管重量达3.8t，安装难度大。根据现场情况，决定用吊车将管节吊入竖井内，然后采用四轮小型平板滑车运输。
事先将平板车放置好，管节吊入竖井后人工配合放平到滑车上。滑行采用小型电动卷扬机，在浇筑底板垫层时预埋钢件用作卷扬机的固定点。管节运到安装位置后，采用手拉葫芦将管节吊起，滑车退出至竖井，人工配合葫芦调整安装到垫层上，三角垫块塞死，以防管节移位。
3.5 管节防水
水平管接缝设沉落缝。缝宽2cm。缝内镶嵌遇水膨胀止水条。缝表面涂刷聚氯乙烯油膏，外再用沥青浸制麻筋包裹，宽度不小于50cm。该工序在每节管节安装完成之后重复。
3.6 填充砼施工
倒虹吸管节与隧道间空间采用C25混凝土填充密实。采用砼输送泵泵入。由于隧道空间较小，填充砼分三次浇筑，隧道内每4m管节立一次端模，端模伸入管节节头10cm，根据砼浇筑进度支立，填充砼采用插入式振动器进行振捣，确保密实。
4 施工过程中的一些经验及教训
4.1 隧道进洞方案的确定，原设计为Φ22超前锚杆进洞，但隧道进洞位于竖井中，与竖井T接，该处设计薄弱，后经重新设计，改为Φ42钢管砼超前预支护顺利通过。
4.2 地表喷射砼在工程竣工后发现其与相邻段落边坡支护方式不一致，外观极不协调，后重新铺设浆砌片石护坡，以保证其与周围环境的和谐统一。
5 结语
该倒虹吸隧道于2011年8月3日开工，10月15日竣工，施工较为顺利。虽然工程较小，但过程中涉及隧道浅埋、测量控制、竖井转正洞T接、狭小空间管节安装及防水等一系列难度，设计及施工过程中的一些经验及教训可供参考。
参考文献：
[1] 周水兴,何兆益,邹毅松,等. 路桥施工计算手册[M]. 北京:人民交通出版社,2005.
[2] 广东省公路勘察规划设计院.汕梅施图(涵)-211B[Z]. 广州:2009.
[3] 王东杰,郗锋,李辅元,等.公路隧道施工. 北京:中国电力出版社，2010.
作者简介：孙龙明（1969-9），中国中铁上海工程局五公司昆明草海项目部，男，副经理、安全总监，助理工程师，1990年毕业于武汉铁路桥梁学校。
研究结果：通过现场超小断面隧道的设计与施工，总结一些成功经验。对于后续类似项目提供借鉴。
关键词：小断面；隧道；设计；施工
中图分类号：S611文献标识码： A
1 工程介绍及方案比选
LK67+990倒虹吸位于汤坑隧道出口大拉槽地段，为沟通线路左右侧灌溉水系而设，该倒虹吸所处地层主要为粉质黏土，层较厚。其下为强风化板岩，岩体破碎，基岩裂隙水极为发育，容易坍塌。
施工过程中发现倒虹吸竖井落在路堑边坡的碎落台上，存在严重的设计隐患：首先是路堑边坡高8m左右，矩形渡槽无法施工；然后是安全防护问题，后期若需要养护维修，属典型的高空作业。
鉴于上述情况，现场对该倒虹吸进行了优化设计，方案有三：
方案一：边坡大开挖，将倒虹吸竖井移到路堑开挖边坡线外，接长倒虹吸管节，然后回填。
方案二：类似沉井的结构，设中隔墙，跳挖，逐节施工护壁，下挖到位后将倒虹吸接长，竖井放到路堑开挖边坡线外，然后回填。
方案三：在路堑开挖边坡线外设竖井，然后采用小断面隧道向线路方向开挖，接长倒虹吸。
各方案的优缺点：
由于倒虹吸地处管段内重点工程汤坑隧道施工的交通要道，该倒虹吸处的处理方案直接关系到隧道是否能正常施工，因为工期压力大，经比选现场采用的施工方案为方案三。
2 方案设计
现场对该倒虹吸的优化方案三进行了设计，设计步骤如下：
2.1 首先考虑的是现场水系，要求测量人员提供现场水系处实测路基断面及既有水系标高，断面向地界外延伸50m。
2.2 竖井位置的确定，倒虹吸管节为厂制，管节长度为2.0m。故竖井位置放置在路基边坡开挖线附近并应保证后续加长管节为整管节。
2.3 竖井平面尺寸的确定，由于倒虹吸接长管节后期需要通过竖井输送到小隧道中安装，故竖井除应满足倒虹吸管节长度外还应保证管节安装施工人员的操作空间，鉴于其为永久性结构，故竖井壁厚35cm，采用C20钢筋混凝土。
2.4 竖井基础的确定，选用扩大基础，沿用原设计基础厚度，并将基础平面尺寸加大，保证襟边尺寸20cm。
2.5 竖井标高的确定，竖井底部应保证比倒虹吸管内壁底低50cm左右，以起到沉泥作用。
2.6 地表边坡加固，由于隧道埋深极浅，地质情况较差。采用地表边坡打设Φ22砂浆锚杆，挂网格喷射砼，加大地表抗变形能力。
2.7 隧道断面的确定，因倒虹吸管节为厂制，外径Φ140cm。倒虹吸需考虑作业人员空间，设计时隧道开挖按2.5m直径考虑，初支厚度15cm。
2.8 隧道初支设计，因小隧道中所有施工材料及器材均要通过竖井上下，需要考虑安装能力问题，设计时采用格栅钢架方案，格栅分2块设计，每环重62.5kg，分成2块后可很方便地运至现场安装，格栅钢架间距60cm/榀。
2.9 系统锚杆、超前支护设计，系统锚杆间距1.0m，长1.5m，采用Φ22砂浆锚杆。超前支护3.0mΦ22砂浆锚杆，搭接1.0m。进洞采用Φ42小导管预支护。初支混凝土采用C25噴射混凝土。
2.10 倒虹吸管节与隧道间空间采用与倒虹吸管节标号一致的C25泵送混凝土。
倒虹吸具体设计见图2-1、图2-2。
图2-1 倒虹吸1/2横断面图
图2-2 隧道结构图
3 方案实施
3.1 竖井施工
3.1.1 竖井开挖
竖井施工采用人工开挖，井口高出地面20cm。开挖尺寸每侧放大10cm作为护壁混凝土厚度，结构混凝土采用后期浇筑方案。因围岩裂隙水极为丰富，地表富水地段开挖每循环0.3m，岩石地段每循环1.1m。
竖井采用人工开挖，井口配置卷扬机出碴，石方地段采用浅眼爆破。炮眼深度不超过0.8m，装药深度不超过炮眼深度的1/3。
3.1.2 竖井混凝土施工
因竖井为矩形结构，护壁未采用内齿式搭接，模板采用建筑钢模支立，护壁上下层间设10cm砼浇筑空间，采用Φ12钢筋进行连接，竖井混凝土采用串桶下放，节间砼空隙采取红砖砌实。
3.2 地表处理
竖井完工后，按要求在路基边坡上搭设脚手架，打设锚杆、挂网并喷射混凝土，将地表形成整体。
3.3 隧道测量
因该工程规模较小，施工中未采用先进的测量仪器进行方向定位。因隧道为直线隧道，施工隧道时沿竖井壁上前后方向的护桩下引，然后通过延线法确定隧道施工的中线。标高通过将竖井壁上的水准点用钢尺下引至竖井壁上，然后用塑料管中灌水将标高前引控制每一循环隧道的标高。
3.4 隧道施工
3.4.1 隧道开挖
隧道地质情况为强风化砂质板岩，围岩裂隙水极为发育，施工过程中采用两台污水泵抽排积水。钻孔凿岩配备YT28风钻（Φ42mm），炸药选用2号硝铵乳化炸药，电雷管起爆。由于隧道断面较小，施工时仅设置了掏槽眼与周边眼，掏槽眼间距0.85m，周边眼间距0.5m，斜眼掏槽。
开挖每循环进尺0.6m，出碴采用人工运至竖井内，再由竖井卷扬机吊出井外。
3.4.2 系统、超前支护
系统锚杆及超前支护均采用Φ22砂浆锚杆，搭接1.0m，每1.8m一循环。进洞采用Φ42小导管预支护。初支采用C25喷射混凝土。
3.4.2.1 系统砂浆锚杆施工工艺
砂浆锚杆钻孔采用YT28型风枪钻眼。锚杆采用锚固剂锚固，杆体外露端安装垫板及螺母。
3.4.2.2 超前小导管
因竖井尺寸空间的限制，进洞小导管采取长L=2.2mΦ42厚3.5mm的热轧无缝钢管，前端成尖锥状，环向间距40cm，沿隧道开挖轮廓线单排布置，外插角8°左右。钻孔深度2.0m。小导管用锤击入，并用高压风将管内砂石吹出，1:1水泥砂浆注浆密实。
3.4.2.3 超前锚杆
锚杆采用Φ22mm砂浆锚杆，锚杆按8°外插角钻进，采用锚固剂锚固。
3.4.2.4 挂钢筋网
钢筋网在地面加工，网眼尺寸15×15cm，分三片运入洞内人工拼装，网片间搭接长度为1个网孔。钢筋网按受喷面起伏铺设，安装时用电焊点焊固定在钢架及锚杆外露头上，以防喷射混凝土时晃动。钢筋网在喷射一层初支砼后铺挂，混凝土保护层2cm左右。
3.4.2.5 格栅钢架
格栅钢架在地面的加工场内进行加工，设立1∶1胎模加工工作台，分2块加工，分次通过竖井运至现场。安装时各单元采用钢板－螺栓连接。钢架安装完成后，和与之相接触的锚杆头焊接，使之成为整体结构。
3.4.2.6 喷射混凝土
采用ZSP-6D型湿喷机进行喷射混凝土施工。
由于隧道出水量较大，喷射作业时采取下列措施：喷射时，先从远离出水点处开始，再逐渐向涌水点逼近，将散水集中，安设导管，将水引出，再向导管逼近喷射。
3.4.2.7 底板施工、水平管安装
1）混凝土垫层
洞身开挖完成后，经检查合格后先在基底浇筑C15混凝土垫层，砼由竖井倒运入洞身，采用插入式振动器捣固，人工抹平，初凝后覆盖洒水养生。
在浇筑完的垫层上测出水平管轴线、高程，并用墨线弹出管安装位置。
2）水平管安装
水平管节为厂制，每节长2m。因隧道空间小，且水平管重量达3.8t，安装难度大。根据现场情况，决定用吊车将管节吊入竖井内，然后采用四轮小型平板滑车运输。
事先将平板车放置好，管节吊入竖井后人工配合放平到滑车上。滑行采用小型电动卷扬机，在浇筑底板垫层时预埋钢件用作卷扬机的固定点。管节运到安装位置后，采用手拉葫芦将管节吊起，滑车退出至竖井，人工配合葫芦调整安装到垫层上，三角垫块塞死，以防管节移位。
3.5 管节防水
水平管接缝设沉落缝。缝宽2cm。缝内镶嵌遇水膨胀止水条。缝表面涂刷聚氯乙烯油膏，外再用沥青浸制麻筋包裹，宽度不小于50cm。该工序在每节管节安装完成之后重复。
3.6 填充砼施工
倒虹吸管节与隧道间空间采用C25混凝土填充密实。采用砼输送泵泵入。由于隧道空间较小，填充砼分三次浇筑，隧道内每4m管节立一次端模，端模伸入管节节头10cm，根据砼浇筑进度支立，填充砼采用插入式振动器进行振捣，确保密实。
4 施工过程中的一些经验及教训
4.1 隧道进洞方案的确定，原设计为Φ22超前锚杆进洞，但隧道进洞位于竖井中，与竖井T接，该处设计薄弱，后经重新设计，改为Φ42钢管砼超前预支护顺利通过。
4.2 地表喷射砼在工程竣工后发现其与相邻段落边坡支护方式不一致，外观极不协调，后重新铺设浆砌片石护坡，以保证其与周围环境的和谐统一。
5 结语
该倒虹吸隧道于2011年8月3日开工，10月15日竣工，施工较为顺利。虽然工程较小，但过程中涉及隧道浅埋、测量控制、竖井转正洞T接、狭小空间管节安装及防水等一系列难度，设计及施工过程中的一些经验及教训可供参考。
参考文献：
[1] 周水兴,何兆益,邹毅松,等. 路桥施工计算手册[M]. 北京:人民交通出版社,2005.
[2] 广东省公路勘察规划设计院.汕梅施图(涵)-211B[Z]. 广州:2009.
[3] 王东杰,郗锋,李辅元,等.公路隧道施工. 北京:中国电力出版社，2010.
作者简介：孙龙明（1969-9），中国中铁上海工程局五公司昆明草海项目部，男，副经理、安全总监，助理工程师，1990年毕业于武汉铁路桥梁学校。