大跨扁平單洞四車道公路隧道淺埋偏壓進洞技術

■張建新

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006)

1 前言

近年來，隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，很多地區(qū)城市主干線、城市快速干道及國道主干線公路繞城段交通量增長迅速，雙向四車道、六車道公路已經(jīng)不能滿足交通量增長要求，部分地區(qū)已經(jīng)開始了八車道高速公路的建設和四車道改八車道的擴建工程。在山區(qū)復雜地形條件下修建隧道，隧道洞口不可避免的存在淺埋偏壓進洞的難題。近年來，國內(nèi)外學者和隧道工程技術人員針對隧道偏壓進洞技術進行了研究[1-4]，單洞四車道公路隧道與常規(guī)的兩車道隧道相比在結(jié)構受力、開挖工法、施工工序及工藝等方面有著更高的要求，尤其是在淺埋偏壓情況下的進洞，淺埋偏壓隧道洞口，多為軟弱圍巖，且一般為傾向洞外、洞側(cè)方向的邊坡，多造成掘進困難，嚴重制約隧道施工的開展，是隧道施工的關鍵環(huán)節(jié)[5]，更是工程中的重點和難點。

文章以連霍高速(G30)新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴建工程為依托，結(jié)合設計及施工現(xiàn)場的施工情況，從進洞地形地質(zhì)、隧道結(jié)構、開挖工法及工序等方面系統(tǒng)對淺埋偏壓區(qū)段大跨扁平隧道進洞技術進行分析，施工中所采用的進洞方案有效地減少了洞口偏壓、增強了洞口支護強度，確保了淺埋偏壓情況下隧道的安全進洞，對今后山區(qū)大跨扁平隧道偏壓進洞等類似工程具有一定的參考意義。

2 隧道建設條件

隧道位于新疆烏魯木齊市達坂城區(qū)白楊河右岸，與連霍高速G30緊鄰，為雙洞八車道高速公路隧道。隧道下行線起訖里程為 XK3494+731～XK3495+922，全長1191.0m，隧道出口采用帶偏壓擋墻的端墻式洞門與路基相連。隧道最大開挖寬度達22.56m(未包括預留變形量)，最大高度(含仰拱)14.65m，從起拱線算起矢高達9.52m，矢跨比最小達0.42，設計施工建設難度大。

圖1 隧道洞口與等高線斜交

圖2 隧道洞口淺埋、偏壓(單位cm)

隧址區(qū)位于北天山優(yōu)地槽向斜褶皺帶的三級構造單元博羅霍洛復背斜內(nèi)，區(qū)域構造較為復雜，隧道地層主要為石炭系中統(tǒng)巴音溝第三亞組凝灰質(zhì)巖體，裂隙、節(jié)理發(fā)育，隧道出洞口與等高線斜交(見圖1)，偏壓較為明顯，隧道明暗交界處，拱肩埋深僅1.13m(見圖2)。洞口巖體層理清晰，表層風化嚴重，巖層呈中薄層狀，層理產(chǎn)狀45°∠80°，中-微風化層層間結(jié)合緊密，硅鈣質(zhì)充填好，山坡巖體總體以較完整為主，表層風化嚴重、偶有掉塊。

3 大跨扁平隧道淺埋偏壓進洞風險

影響大跨扁平隧道淺埋偏壓進洞的因素很多，大跨淺埋偏壓進洞的主要風險可歸結(jié)為：地形淺埋偏壓風險、大跨結(jié)構受力風險等。

3.1 地形淺埋偏壓風險

在山區(qū)公路建設中，由于走廊帶一般比較狹窄，為了滿足線型的要求，不可避免的存在大量隧道洞口與等高線斜交的淺埋偏壓情況，造成隧道結(jié)構兩側(cè)的圍巖壓力不對稱的情況。如果采用明挖施工至明暗交界處，將會形成明挖段一側(cè)的高邊坡，穩(wěn)定性難以保證，處治難度大，存在較大的安全隱患。如果采用暗挖，往往埋深較淺，洞身的開挖將會擾動上覆巖層，開挖卸荷作用將會影響周邊圍巖穩(wěn)定及結(jié)構的安全。

3.2 大跨度開挖的風險

單洞四車道公路隧道，開挖跨度22.56m，結(jié)構受力相對于普通隧道相比，更為不利，產(chǎn)生的彎矩、軸力、剪力和塑性區(qū)比普通隧道要大的多，開挖過程中產(chǎn)生的松動荷載較大，再加上由于隧道圍巖變形較大產(chǎn)生的形變壓力，使得開挖風險及初期支護的風險大幅度增加。

4 大跨扁平隧道淺埋偏壓進洞控制措施及效果

對于偏壓洞口而言，洞口段巖土體形成的變形和應力分布會存在橫向推移隧道的趨勢，而這不利于抵抗橫向為主導的圍巖壓力，因此采取措施消除這種偏壓引起的橫向推移既是解決偏壓問題的出發(fā)點也是解決問題的根本。本文主要從進洞地形地質(zhì)、隧道結(jié)構、開挖工法及工序、超前預支護等方面系統(tǒng)的進行控制，減輕和削弱不對稱的偏壓荷載，確保隧道施工中隧道位移、拱頂沉降、整體穩(wěn)定滿足要求及管養(yǎng)階段襯砌結(jié)構的安全性。

4.1 偏壓擋墻及樁板墻

采用反壓回填措施，隧道偏壓和應力集中的現(xiàn)象得到一定程度的改善，塑性區(qū)范圍減小，有利于隧道結(jié)構的穩(wěn)定[5]。本項目存在多處淺埋偏壓的洞口，設計及施工中主要采取了抗滑擋墻和抗滑樁板墻的方式來穩(wěn)定隧道邊坡，解決部分偏壓的問題[6]。

對于坡度小于30°，偏壓不是特別嚴重，圍巖表層分化嚴重，基巖埋深較淺的隧道洞口，采用偏壓擋墻，施工工序為先施工擋墻，回填土石方減輕偏壓，然后施做大管棚超前支護，再進行洞身的開挖。對于坡度陡峭，一側(cè)臨空較高的隧道洞口，采用樁板墻抵抗偏壓，施工工序為施工樁板墻，樁板墻背后回填土石方減輕偏壓，然后施做大管棚超前支護，再進行洞身的開挖，如圖3所示。

圖3 針對淺埋偏壓地形采用的偏壓擋墻及樁板墻(單位：cm)

4.2 襯砌結(jié)構

針對洞口偏壓段，設計增強了襯砌結(jié)構，采用了雙層初期支護，并增加靠山側(cè)錨桿及縮腳小導管，保證了施工過程中初期支護的剛度和圍巖的穩(wěn)定。根據(jù)偏壓情況下二次襯砌臨空側(cè)受力較大、襯砌容易破壞的情況，設計了變截面的偏壓型襯砌，既能保證襯砌結(jié)構的安全，又能起到一定抵抗靠山側(cè)土壓力的作用，襯砌結(jié)構圖見圖4。

4.3 洞口超前預支護

淺埋偏壓隧道洞口，一般多為風化嚴重的破碎軟弱圍巖，因此隧道洞口的套拱和超前支護對隧道能否順利進洞十分關鍵[7]。一般洞口段多采用Φ108的大管棚進洞方案。本項目隧道進口段為強風化的Ⅴ級淺埋偏壓段，在加上本隧道為超大斷面的扁平隧道，進洞風險更大，設計采用有效長度為30m的Φ127大管棚進洞方案(見圖5)，增加了超前支護的剛度，采用加大斷面的80cm的套拱，起到良好的管棚支撐作用，穩(wěn)定了洞口圍巖，保證了進洞安全。

4.4 開挖工法

本項目隧道的淺埋偏壓洞口段的開挖工法為雙側(cè)壁導坑法和CRD法(見圖6)，主要考慮到隧道開挖跨度達22.56m，最小矢跨比達0.42，典型的大跨扁平淺埋偏壓，在國內(nèi)比較罕見，開挖工法的選擇決定了隧道施工的成敗，故將雙側(cè)壁導坑法作為本隧道洞口段的主要施工方法，根據(jù)圍巖情況、偏壓程度將CRD法作為備選方案。

施工中針對不同的工程地質(zhì)情況、不同偏壓地形，分別采用了雙側(cè)壁和CRD兩種施工方法，均達到了設計要求，順利通過洞口偏壓段，目前兩座隧道均已安全貫通。實踐證明，盡管雙側(cè)壁法和CRD法工序繁多、造價高、速度慢，但其臨時支撐和臨時仰拱起到非常好的抵抗偏壓側(cè)向位移的作用，是淺埋偏壓洞口段及大跨隧道的有效開挖方案。

4.5 控制效果

項目建設中，通過采取以上措施，在配合洞口偏壓段“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則，目前偏壓洞口已完成4處，部分隧道均已安全貫通，充分證明以上措施的有效性。

5 結(jié)論

隨著新疆經(jīng)濟的高速發(fā)展，面對日益增長的交通量，雙向八車道高速公路的建設將會越來越多，四車道超大跨隧道建設將不可避免，針對洞口淺埋偏壓段應按以下原則進行施工：

(1)軟弱圍巖下，淺埋偏壓的大斷面隧道進洞，優(yōu)先采取偏壓擋墻或樁板墻配合回填反壓，部分消除地形引起的土壓力不對稱造成的偏壓。

(2)淺埋偏壓情況下，大斷面隧道須加強初期支護剛度，保證開挖的順利進行，根據(jù)偏壓程度有針對性的設置偏壓襯砌或不平衡配筋的二次襯砌。

(3)開挖前重視超前預加固，建議采用超前大管棚，根據(jù)圍巖破碎及偏壓情況須對超前大管棚進行適當加強。

(4)慎重選擇隧道開挖工法。選擇適合大斷面隧道施工的雙側(cè)壁導坑法和CRD法，在此基礎上分析現(xiàn)場地形、地質(zhì)情況確定開挖順序。

圖4 襯砌結(jié)構采用雙層拱架初期支護和變截面偏壓型二次襯砌(單位：cm)

圖5 隧道淺埋偏壓段大管棚支護(管徑以mm計，其余尺寸單位：cm)

圖6 隧道設計開挖工法