隧道初期支护侵限换拱施工方案

一 编制依据、编制范围及设计概况

（一）编制依据

1.国家法律、法规和河南省交通厅规章制度；

2.河南省高速公路采用的标准、规范、规程等；

3.2011 年 06 月 01 日玉皇庙隧道初期支护异常变形施工方案评审会议纪要； 4.2011 年 07 月 01 日玉皇庙隧道出口端浅埋段施工专家意见。

（二）编制范围

玉皇庙隧道左线初期支护变形侵限段 F2K60+742～F2K60+695,右线初支变形段 F2K60+738～K60+716,左线 F2K60+683、右线 F2K60+713 开挖掘进。

（三）设计概况

玉皇庙隧道出口端范围地质情况为：山体顶部被第四系地层覆盖，表层为褐红

色粉质粘土，山体为红褐色夹灰褐色强风化安山岩，节理裂隙非常发育，同时还存 在浅埋、偏压，该段隧道埋深在 11m～15m。

该范围设计采用Ⅴ级围岩加强复合式衬砌结构（洛阳至嵩县高速公路施工图设

计 No.9）。设计开挖建议采用三台阶+预留核心土法，Φ42 超前小导管 2.4m/环， I20a 工字钢架，间距 0.6m。该范围设计值支护参数见下表。该段侵限加固建议方案 已于 2011 年 06 月 01 日下发。

初期支护 预留变 形量 (cm) C25 喷射 混凝土 部位/厚度 (㎝) 拱墙 25 仰拱 25 锚杆 设置 部位 拱墙 中岩 壁 长度 (m) 3.5 4.5 间距 (环×纵) (m) 设置 部位 钢筋网 网格 间距 (cm) 钢筋 规格 钢架 部位/类型/ 间距(m) 二次衬砌 拱墙 厚度 (cm ） 仰拱 厚度 (cm) 玉皇庙隧道出口端设计支护参数表

12 1.0×0.6 拱墙 20×20 φ8 全环 45* 45* 工 20a 型 钢@0.6m

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二 工程概况

（一）工程概述

玉皇庙隧道为山岭区高速公路上下行分离四车道双洞小净距隧道+独立双洞隧道；

设计行车速度为 100km/h；隧道限界净宽：10.75m，限界净高：5.0m；隧道最小间距 为 15.2m，左线长 815m，右线长 809m。左右线位于直线、缓和曲线和 R=1000m 的圆 曲线上。路线纵坡采用单向坡，右线设计纵坡为-2.5%、-2.99%，左线设计纵坡为- 2.7%、-3.0%。

目前玉皇庙隧道左线出口已开挖至 F2K60+683，仰拱施工里程到 F2K60+703，二

衬施工里程到 F2K60+742。初期支护侵限段临时护拱里程 F2K60+726～F2K60+714， 临时仰拱里程 F2K60+700～ F2K60+693。已完成开挖及初期支护 100m，仰拱及填充 80m，二次衬砌 41m，已施工段均处于Ⅴ级围岩段。

玉皇庙隧道右线进口已开挖至 K60+713，仰拱施工里程到 K60+724，二衬施工里

程到 K60+743。已完成开挖及初期支护 66m，仰拱及填充 55m，二次衬砌 36m，已施 工段均处于Ⅴ级围岩段。

（二）病害情况

2010 年 11 月 2 日至 2011 年 05 月 28 日，玉皇庙隧道出口

F2K60+742～F2K60+695 段初期支护出现变形超限，局部侵入二次衬砌结构，且隧道 上方山体出现裂缝，裂缝宽度最大 8cm，深度约 2m。

2011 年 06 月 01 日，嵩阳公司组织设计、监理、监控量测、施工单位四方共同

查勘了现场，并查阅了有关施工和技术资料，召开四方会议，决定对该段变形超限 段采取加固处理措施；2010 年 07 月 01 日，嵩阳公司组织召开玉皇庙隧道出口端浅 埋段专家会议。

玉皇庙隧道出口端按照设计Ⅴ级围岩加强复合式衬砌结构进行了开挖和初期支 护施工，但由于围岩变形较大，经现场测量因变形侵限的左线里程段为

F2K60+742～F2K60+695，局部最大侵限 42.8cm，因变形侵限的右线里程段为 K60+738～K60+716 ，局部最大侵限 32.9cm。

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玉皇庙隧道初支断面检测结果汇总表

编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 玉 17 皇 18 庙 19 隧 道 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 隧道 断面里程 F2K60+742 F2K60+740 F2K60+738 F2K60+736 F2K60+734 F2K60+732 F2K60+728 拱顶处侵限厚 度（cm） 10.45 10.21 12.69 9.63 11.62 11.71 13.6 11 8 39.2 45 25 26.7 25 26 27 20 25 20 7 5.8 23.7 31.7 22 25.5 22 14.4 21 8.4 19 4.1 19 5 4 最大侵限厚度 （cm） 16.01 17.21 19.47 19.86 19.17 13.28 20.2 侵限部位 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 F2K60+726.9 F2K60+724.6 左线 F2K60+719 F2K60+713.6 F2K60+710.0 F2K60+709 F2K60+708.8 F2K60+707.2 F2K60+705.8 F2K60+703.6 F2K60+701.3 F2K60+700.0 F2K60+697.6 42.8 拱顶、拱肩 37 拱顶、拱肩 K60+738 K60+736 K60+734 K60+733 9.6 23.7 32.9 拱顶、拱脚 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 K60+732 K60+730.3 右线 K60+729 K60+728.41 K60+727 K60+726.44 K60+725 K60+722.44 K60+719.65 K60+716.88 30.1 23.1 拱顶、拱肩 拱顶、拱肩 17.7 9.5 拱顶

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三 变形段处理及后续施工总体规划

1、暂停掌子面的掘进施工，先对初期支护侵限段按照 2011 年 6 月 1 日会议纪 要（纪要附后）进行临时加固。

2、在护拱上安设监控量测点，通过监控量测掌握加固后的初期支护的变形情况。

3、若变形量较小或者变形趋于稳定，则严格按照设计及规范要求继续掌子面的

掘进及仰拱、二衬施工，待隧道贯通后再对变形段进行换拱处理。在施工的同时， 做好地表沉降观测和洞内监控量测工作，并做好超前地质预报。

4、若变形量较大或者出现突变情况，则立即对变形段进行加固，然后着手换拱 施工，并施作二次衬砌封闭该段。

四 施工方案

(一) 初期支护侵限段的临时加固方案（对应 2011 年 6 月 1 日会议纪要）

1、对应初期支护工字钢安设临时护拱，护拱采用 18 工字钢，纵向间距 60cm 布 置，与该段初期支护钢拱架形成“拱对拱”支撑。

2、护拱钢架纵向采用 Φ22 螺纹钢连接，环向间距 1m，将临时护拱各钢架进行 有效连接，并在护拱与护拱之间喷射 10cm 厚 C25 喷射混凝土。

3、临时护拱拱脚采用厚 50cm、宽 80cm 的 C20 混凝土条形基础整体固定。

（二）继续开挖方案

采用三台阶临时仰拱+预留核心土法

1、各部开挖及支护自上而下分成三个小单元进行开挖缩小开挖断面，步步成环，

及时封闭。各分部封闭成环时间短，有效发挥初期支护整体受力效果，临时仰拱能 有效阻止支护结构变形，减少隧道围岩变形。

2、工序详见“隧道三台阶临时仰拱法施工作业程序图”。 3、三台阶临时仰拱法施工工序

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(1)Ⅴ级围岩分部开挖法开挖

采用分部开挖法开挖，如图所示，施工工序如下： 第一步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前小导管；

第二步、第三步：开挖上部台阶，上台阶核心土高度离已初期支护钢架不得大

于 1.8 米，长度不得小于 5 米，每循环进尺控制在 0.6 米左右；施作②部洞身结构 的初期支护，即初喷 4cm 厚混凝土，架立 20a 钢架，并设锁脚锚（管）杆；钻设系 统锚杆后复喷混凝土至设计厚度，如为注浆环节，则在掌子面喷 10cm 混凝土封闭

第四步、第五步：上台阶领先中台阶 3.6 米时，开挖中部左侧台阶，每循环进

尺控制在 1.2 米左右；架立 20a 钢架，并设锁脚锚（管）杆；钻设系统锚杆后复喷 混凝土至设计厚度，完成中部左侧台阶初期支护；

第六步、第七步：中部左侧台阶领先右侧台阶 3.6 米时，开挖中部右侧台阶，

每循环进尺控制在 1.2 米左右；架立 20a 钢架，并设锁脚锚（管）杆；钻设系统锚 杆后复喷混凝土至设计厚度，完成中部右侧台阶初期支护；

第八步：开挖中部核心土，施作中台阶临时仰拱；

第九步、第十步：开挖下台阶，每循环进尺不大于 1.2 米，完成下台阶初期支 护及仰拱初期支护；

第十一步：浇筑仰拱混凝土及仰拱填充；

第十二步：根据量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性 灌筑二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

（2）施工注意事项

① 由于以上施工方法把断面分部施工， 作业面相对狭小， 故需特别注意施工

安全， 洞内设值班人员统一调度指挥。

② 如到达各种预埋洞室及预埋件安设位置， 根据实际情况可以不预留，待初 期支护在本断面范围内 完成或二次衬砌前另行开挖或预埋。

③ 工序变化之处钢架（ 或临时钢架） 应设锁脚锚杆， 以确保钢架基础稳定。

④ 钢架之间纵向连接钢筋应及时施作并连接牢固，钢架拱脚必须采用 5cm 厚木 板增大接触面积。

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（三）监控量测方案

由于目前玉皇庙隧道左右洞出口均属于浅埋地段，故下一步监控量测工作将分 为地表沉降观测和洞内监控量测。

1、地表沉降观测

在隧道开挖前布设点位，地表沉降观测点与隧道内测点布置在同一断面里程， 地表沉降观测点按照下表要求布置。

隧道埋深与开挖宽度 2B＜H＜2.5B B＜H≤2B H≤B

纵向测点间距（m） 20-50 10-20 5-10 - 6 -

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地表沉降观测点横向间距为 5 米，在隧道中线附近适当加密，隧道中线两侧量 测范围不小于（隧道开挖宽度+隧道埋深），其测点布置如图：

隧道中线

地表下沉量测测点布置示意图

2、洞内监控量测

（1）对未衬砌地段布置监控量测点，建立测量台账，填写《隧道在测断面统计

表》（见附表 1），测点断面间距 V 围岩保证 5 至 10 米一个,测量频次一天两次。点位 布置如图;

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（2）、画出隧道在测断面周边收敛—时间曲线图、拱顶下沉—时间曲线图。如 下图所示（下图仅为示意）：

XXX 断面周边收敛（拱顶下沉）-时间曲线图

（3）、填写在测断面测量数据，包括隧道周边收敛测量值以及拱顶下沉值，并 判定隧道稳定性（填写表格见附表 2。）

（四）变形超限地段加固、换拱方案

若变形量较大或者出现突变情况，需进行换拱施工的，按以下方法施工。 1、变形超限处治原则

变形段超限处治后必须保证结构稳定和原设计净空断面尺寸，处治过程中，保 证施工安全。

2、变形超限处治方案 （1）临时钢支撑加固

对未施做仰拱段、已施工三台阶开挖中上台阶部分、已开挖三台阶上下台阶部

分现场进行临时支撑架设。对未施工做仰拱闭合段每榀拱架每侧加设一根 Φ50，L=5 米锁脚钢管；

对已施工仰拱段拱架加设扇形支撑；对已施工三台阶开挖上台阶部分利用核心

土上架设支撑；对已开挖三台阶中、下台阶部分，采用扇形支撑；对台阶底部基础 不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理。浆液采用水泥浆。水灰比 1:1，注

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浆孔间距 1.7m，注浆压力：设计注浆压力（终压值）一般参考注浆处静水压力加上 0.5～1.5MPa 进行。注浆加固后土体抗压强度不小于 2MPa。

施工顺序由洞内向洞外施工。临时支撑加固具体方案如下：

① 未施做仰拱段上台阶临时支撑加固方案如下所示：

上台阶施工采用环向开挖预留核心土法，故底部横向支撑设在核心土上，再斜

撑至两拱角，拱顶处设一道竖向支撑，两侧拱肩处设两道斜支撑，与横向支撑工字 钢形成 45 度夹角（如下图所示），以上支撑工字钢均采用 20a 工字钢，与初支钢拱 架密贴满焊，支撑工字钢之间用 5 号角钢进行连接，由于初期支护已变形侵限，工 字钢具体长度视该里程侵限情况而定。

②未施做仰拱段上、中台阶临时支撑加固方案如下图所示：

仅施做上、中台阶里程段，是半径为 6.15m 的半圆，底部采用工 20a 工字钢作

为横向支撑，以隧道中心点为基点呈放射状进行环向斜支撑，环向间隔 30 度角用工 20a 工字钢对初期支护钢拱架进行支撑，支护工字钢与初支工字钢连接处均满焊，支

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护工字钢之间采用 5 号角钢进行连接，由于初期支护已变形侵限，工字钢具体长度 视该里程侵限情况而定。

③对已施工仰拱段临时支撑加固布置如下所示：

已施工完成仰拱段下部收敛已稳定，在仰拱填充面上以隧道中心点为基点呈放

射状对初支工字钢接头处进行斜支撑，并对两拱腰处进行加强支撑（如下图），支撑 采用工 20a 工字钢，连接处与初支工字钢密贴满焊，保证焊缝饱满，焊渣清除干净， 工字钢之间用 5 号角钢进行焊接连接固定。由于初期支护已变形侵限，工字钢具体 长度视该里程侵限情况而定。

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④支撑加固要求

a.根据现场情况拟采用扇形临时支撑架设方案，临时支撑间距按既有初支钢架 每两榀设一环；

b.将初支内拱架凿出，与斜向支撑用钢板楔紧并焊接，接头处斜接工字钢上下 均用钢筋焊接固定，防止滑动；

c.应确保支撑各节点、支点可靠连接；

d.支撑钢架间距应根据围岩扰动情况，监控量测进行调整，但不能大于两榀初

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支钢架，在施工过程中应根据变形情况及时调整，必要时应加密设置；

（2）隧道全断面径向 4.5m 小导管帷幕注浆加固

①在洞内临时钢支撑架设完毕且变形稳定后进行全断面径向注浆加固，洞内全 断面设置 Φ50 径向注浆小导管，对初期支护背后围岩进行加固处理。

②注浆管采用 Φ50mm，壁厚 3.5mm 的热轧无缝钢管，钢管长 4.5m（详见：小导

管加工图），管口应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆孔按浆液扩散半径 1m 布 设，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约 110cm，纵向间距 170cm。注浆孔采用风 机钻开孔，孔径为 52mm，注浆材料采用 1：1 普通水泥浆（注浆小导管布置如下图所 示）。注浆压力：设计注浆压力（终压值）一般参考注浆处静水压力加上

0.5～1.5MPa 进行。

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③注浆结束标准：达到设计终压并稳定 10min，且进浆速度为开始速度的 1/4 或

注浆量达到设计注浆量的 80％，如在注浆过程中出现冒浆，可提前停止注浆。

④注浆效果检查:注浆完成后，应打设 4m 深检查孔，当检查孔最多只有滴水

（不成线）且渗水量不大于 2L/d 时，且单轴抗压强度达到 1.5MPa，则判断注浆达到 效果，否则应该进行补充注浆。每个工作区段至少在拱部及两边墙各设一个检查孔。 注浆检查孔在注浆效果检查完成后应及时采用 M10 水泥砂浆进行全孔封堵。围岩空 隙率参考值：土层：20%，破碎岩层：5%。

⑤径向小导管加固注浆工艺流程图

施工准备 测量定位 钻孔作业

不合格 小导管加工

清孔

钻孔验收

小导管安装、加固 连接、调试注浆管路 注浆作业 原材料进场检验 浆液制备 调整注浆参数

注浆效果分析 不能满足要求 结束

(3)在侵限换拱施工之前必须加工好侵限换拱台架和制作换拱所需的钢支撑。首

榀钢支撑加工完毕后，应在水泥地上试拼，当各部尺寸均符合设计要求时，方可批

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量生产，周边拼装允许偏差为±3cm，平面翘曲应小于 2cm，拱架加工预留 10～15cm 变形量。

（4）换拱前技术准备工作

①测量组对初支变形地段每榀拱架进行断面净空检查，并绘出超欠挖断面图。 ②根据隧道断面检测的结果，变形段内需要换拱处治的部位用红油漆标示出来。

标示必须清晰、准确。断面图所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，综合研究确定 出每段合理的换拱部位。

③根据各段不同的换拱部位采取出有针对性的换拱方案，并进行技术交底。 ④测量组根据技术交底在现场用油漆标出换拱的起止里程、部位，方便现场换 拱施工。

（5）初期支护拆除

注浆完成后，经过注浆效果控制达到要求且围岩变形稳定的情况下方可对变形

超限部位初期支护分单元进行拆除，从已施工二衬段向掌子面逐榀拆换，拆除采用 液压破碎炮机辅助风镐进行，拆除顺序一般采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆 换，拆除一段，支护一段。

1、 注意事项：

a) 风镐凿除喷射混凝土之前，必须先把喷射混凝土的凿除部分与不凿除部分在 分界处切开分离，以防对不凿除部分混凝土有损伤。

b) 不能大面积拆除初期支护，以防塌方及冒顶。

c) 凿除喷射混凝土时如果锚杆垫板被破坏则需按设计要求更换。 d) 拆除后必须及时初喷。 （6）架设换拱钢支撑

①安装前应清除拱脚虚碴和杂物，超挖部分用 C25 混凝土填充。 ②安装允许偏差值横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2°。

③钢支撑在换拱作业面前人工组装，各节钢架用螺栓连接,连接板接缝三面满焊。

若需要部分换拱，先量出需要格栅长度，再加工焊接。

④沿钢架外缘每隔 2m 用混凝土楔子临时楔紧。

⑤为减小拱顶下沉，钢支撑落底必须落到实地，锁脚钢管必须严格按照设计施

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工。

（7）拆换后初支结构按原设计，设置 10～15cm 预留变形量，保证初期支护净空。

（8）拱架拆换完成后及时施做喷射混凝土。

（9）拆换长度达到 1～2 个衬砌台车长度后，及时施做防水层和二次衬砌，保证 二衬紧跟。

（10）加强监控量测，保证每天不少于 2 次，施工过程中安排专人负责观察，发

现异常情况现场立即暂停施工，加强洞内支护，并立即按照程序，逐级报告。 (11) 侵限处治控制要点

侵限处治控制重点在衬砌、换拱、落底、封闭成环四个方面。

①在换拱之前，为确保施工安全，必须先施工临时支撑，确保结构安全。 ②换拱必须在临时支撑全部架设完毕且注浆完成并达到设计效果后方可施工。 ③换拱必须一榀一榀，逐榀进行拆换，严禁两榀换拱同时施作。

④侵限部位必须清除到位，杜绝二次侵限。

⑤锁脚锚杆打设牢固，并注意设计所有系统锚杆对拱架的锁固作用。 ⑥预制砼块将底部垫实。

⑦换拱必须半幅进行，待喷射混凝土稳定后方可进行另一半幅的换拱施工。 换拱施工工艺流程图如下：

换拱施工工艺流程图

施工准备 断面超欠挖检查 画出侵限范围 换拱部位支撑加固、注浆 材料进场、检查 拱架加工、运输 \\、 凿除侵限部位砼 换拱 每次一榀 拱架加工、运输 - 15 - 中铁七局郑州工程有限公司玉皇庙隧道专项施工方案

五 资源配置

（一）材料配置

材料计划表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 材料名称 水泥 米石 砂 速凝剂 钢筋 钢筋 工字钢 角钢 规格型号 P.O42.5 5-10mm 中粗 黄河同力 φ8/HPB235 Φ/22HRB335 I20a 50×50×3 单 位 t m3 m3 t t t t t 数量 331.10 163.58 263.60 1.24 3.839 3.637 92.138 4.951 - 16 -

备注 中铁七局郑州工程有限公司玉皇庙隧道专项施工方案

9 10 11 12 钢板 螺栓 螺母 钢管 16mm M30×65 GB30-66 M30 GB41-66 φ50 壁厚 3.5mm t 个 个 t 3.684 1408 1408 22.607 （二）劳动力配置

施工作业人员配备表

序号 1 2 3 4 5 6 7 工种 钻孔工 注浆工 钢筋工 模板工 电焊工 杂 工 司 机 数量 8 6 10 6 4 10 5 序号 8 9 10 11 12 13 14 合计：65 人 工种 支护工 测量工 领工员 安全员 技术员 试验员 材料员 数量 16 2 3 4 3 2 2

（三）机械设备配置

机械设备 配备表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

机械名称 多功能作业台架 风钻 风镐 电动空压机 装载机 自卸汽车 自卸汽车 挖掘机 湿喷机 注浆机 砼搅拌站 KBY—50/70 JS750 规格型号 自制 YT－28 G10A LGW22/7 ZL50C TMXC3260 6T PC220 单位 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 数量 1 4 10 3 2 4 2 1 4 2 1 - 17 -

备注 中铁七局郑州工程有限公司玉皇庙隧道专项施工方案

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

发电机 轴流通风机 污水泵 电焊机 冷弯机 钢筋切断机 钢筋调直机 钻床 砂轮机 砂轮切割机 液压破碎炮机 混凝土运输车 衬砌台车 全站仪 水准仪 8m3 L=10.5m TCR402 C32Ⅱ 250KW 55KW×2 5.5KW DX-500-1 GK18 GWQ32 GT4—4 Z3032 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 1 1 6 10 1 1 1 1 1 2 1 3 1 1 1 六 施工组织安排

（一）施工总体目标 1.安全目标

杜绝职工因工死亡事故，杜绝工伤事故，杜绝火灾、爆炸事故；无机械伤亡事 故。

2.质量目标

达到设计和验收标准要求，一次验收合格率 100%。

（二）施工组织机构、队伍部署和任务划分 1.施工组织机构

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项目经理部成立侵限处治专项工作领导小组,全面负责侵限处治工作，由项目经 理魏跃东任组长，项目副经理虞文忠、范永强及项目总工程师唐定任副组长，成员 由各职能部门负责人（赵广志、肖阳、张振国、张云起、谢勇军、陈惠强、韩纪然） 组成。领导小组下设专项工作组，具体负责现场侵限处治工作，副经理虞文忠任组 长，总工程师唐定任副组长，现场施工员、技术员、安全员、材料员、试验员、工

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班长为成员。施工过程中，专项工作组成员轮流 24 小时现场值班。

2.队伍部署和任务划分 （1）队伍部署

根据施工需要和现场工程数量，现场侵限处治施工共设置加工班、结构班、注 浆班、开挖班、运输班、综合班六个作业班组。

（2）任务划分

①加工班：负责钢支撑、钢拱架、连接筋、钢筋网、锁脚钢管、小导管的加工 制作。

②结构班：负责临时钢支撑的加固、拆除，侵限段初期支护拆除后钢拱架、连 接筋、钢筋的安装，喷射混凝土等结构施工作业。

③注浆班：负责径向小导管注浆浆液的拌制、灌注作业。

④开挖班：负责侵限段初期支护的拆除、小导管、锁脚钢管的打孔、安装作业。

⑤运输班：负责洞内弃碴装运、混凝土运输。

⑥综合班：负责现场综合保障。

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