淺埋偏壓軟巖段大斷面連拱隧道施工技術(shù)研究

葉靖宇， 劉浩龍， 劉雄

(1.湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410004; 2.湖南湘新水務(wù)環(huán)保投資建設(shè)有限公司；3.湖南建工集團(tuán)有限公司)

長沙市望城區(qū)普瑞隧道為雙向六車道大跨度連拱隧道，隧道下穿普瑞斯堡小區(qū)，隧道洞頂及兩側(cè)均為別墅區(qū)，為敏感建筑群，施工環(huán)境條件復(fù)雜；根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果可知，該區(qū)域裂隙發(fā)育且地下水位高，對隧道施工帶來較大難度；同時由于隧道多為淺埋或超淺埋偏壓段，施工安全、質(zhì)量控制難度大。

該工程在大跨度隧道建設(shè)中提出初期支護(hù)鋼拱架一次成環(huán)的理念，采用受力效果更好的整體成環(huán)鋼拱架以提高初期支護(hù)的整體穩(wěn)定性，通過優(yōu)化大斷面隧道的開挖方法，采用中導(dǎo)洞-正臺階的開挖方法加快施工進(jìn)度，并針對不良地質(zhì)條件及圍巖情況采用一系列的技術(shù)措施控制隧道斷面的沉降收斂，確保施工安全和質(zhì)量。

該文結(jié)合該工程的特點(diǎn)、建設(shè)環(huán)境、水文地質(zhì)條件以及工期要求等有關(guān)問題，對隧道施工技術(shù)和實(shí)施效果進(jìn)行介紹，并總結(jié)其施工關(guān)鍵技術(shù),以便為大跨度隧道在淺埋偏壓及高水位軟巖段的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

普瑞隧道起止樁號為K7+365～K8+020，總長為655 m，其中暗洞長555 m，為城市雙向六車道雙連拱隧道，左右洞測設(shè)線間距為5 m，單幅主洞凈寬為13.25 m。

隧道巖性單一，主要為填筑土、黏土及全風(fēng)化泥質(zhì)板巖，圍巖等級均為Ⅴ級。洞頂圍巖起伏大，隧道最大埋深18.5 m，最小埋深2.2 m，覆土極為不均，其超淺埋段洞頂兩側(cè)基本為填筑土，最大高差約8 m，屬于全斷面偏壓段；進(jìn)出口段洞口軸線與地形坡面正交，局部偏壓。普瑞隧道的地質(zhì)縱斷面圖及雙連拱隧道橫斷面圖如圖1、2所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖(單位：m)

圖2 雙連拱隧道橫斷面圖(單位：cm)

2 施工技術(shù)研究背景

2.1 重難點(diǎn)分析

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，其施工主要重難點(diǎn)如下：

(1) 項(xiàng)目建設(shè)為區(qū)域路網(wǎng)關(guān)鍵線路，由于項(xiàng)目開工晚，建設(shè)工期緊張，采用常規(guī)的三導(dǎo)洞法施工難以滿足建設(shè)工期要求，因此如何優(yōu)化隧道開挖工藝以提高施工進(jìn)度為建設(shè)當(dāng)務(wù)之急。

(2) 隧道洞頂圍巖填筑土較厚，洞頂荷載大，圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖極易造成掌子面坍塌、冒頂事故，在加快施工進(jìn)度的同時，有必要根據(jù)隧道開挖圍巖的實(shí)際情況采取針對性的加固措施。

(3) 隧道建設(shè)區(qū)段地下水位高于隧道基底標(biāo)高達(dá)7 m，且隧道周邊多池塘、水井，由于圍巖裂隙發(fā)育，隧道施工安全風(fēng)險大。因此隧道開挖過程中地下水、地表水的處理是施工中的關(guān)鍵技術(shù)。

(4) 隧道多為淺埋、超淺埋段，覆土厚度不均，偏壓明顯，對隧道沉降收斂控制帶來一定難度。

綜上分析，為保證隧道施工質(zhì)量和安全，在有限的時間內(nèi)，復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下完成隧道施工任務(wù)困難重重，因此急需研究一套合理可行的施工方法以解決在不利條件下大跨度雙連拱隧道施工的難題。

2.2 解決辦法

(1) 優(yōu)化大斷面雙連拱隧道開挖施工工藝，結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水文地質(zhì)條件以及工期要求，在大跨度連拱隧道中采用初期支護(hù)鋼拱架一次成環(huán)技術(shù)，采用中導(dǎo)洞+三臺階法施工，解決開挖斷面大，沉降難控制的難題，可大大加快施工進(jìn)度，降低建設(shè)成本。

(2) 結(jié)合施工環(huán)境條件，針對超淺埋段隧道開挖的實(shí)際情況，通過對洞外超前加固和洞內(nèi)超前加固方法的對比，采用一種適合該工程的施工方法，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境和確保安全質(zhì)量的目的。

(3) 針對隧道復(fù)雜的水環(huán)境，采用超前加固止水和初支墻后隔水注漿以及掌子面超前預(yù)加固的方法，杜絕加固盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)開挖區(qū)域圍巖穩(wěn)定。

(4) 對于全斷面偏壓段隧道，認(rèn)真分析隧道受力狀態(tài)，加強(qiáng)沉降監(jiān)控量測，采取提高超前支護(hù)能力、臺階法分部開挖短進(jìn)尺、初期支護(hù)及早成環(huán)、及時施做二襯等方法減少偏壓對隧道施工和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 概述

大跨度雙連拱軟巖隧道施工多采用三導(dǎo)洞法施工，該施工方法由于施工空間的限制，難以利用大型施工設(shè)備，主要依靠人工開挖，施工進(jìn)度難以滿足城市路網(wǎng)建設(shè)的工期要求；多導(dǎo)洞施工對圍巖擾動次數(shù)多，對圍巖穩(wěn)定性影響大，造成初期支護(hù)受力大；多導(dǎo)洞分部開挖工序相互干擾，施工質(zhì)量難保證；導(dǎo)洞的設(shè)置需增加相應(yīng)的臨時支護(hù)，施工投入大。

利用新奧法施工原理，隧道施工采用中導(dǎo)洞+三臺階法開挖技術(shù)，盡量減少對圍巖的擾動，充分保護(hù)和利用圍巖的自承載能力，并優(yōu)化鋼拱架的設(shè)計(jì)，通過初支鋼拱架快速成環(huán)來減小開挖斷面收斂沉降，提高整體穩(wěn)定性。

3.2 施工技術(shù)原理和方法

3.2.1 施工技術(shù)原理

中導(dǎo)洞+三臺階七步開挖法是大斷面隧道施工的一種高效施工方法。它充分利用開挖的時空效應(yīng)，加強(qiáng)工序、工種與立體交叉施工組織，結(jié)合臺階法和側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)勢，將全斷面的集中開挖調(diào)整為分散錯位開挖，通過弧形導(dǎo)坑和預(yù)留核心土確保掌子面穩(wěn)定，以加快循環(huán)作業(yè)，及時達(dá)到支護(hù)成環(huán)的目的。

3.2.2 主要施工方法

(1) 先按照正臺階法開挖中導(dǎo)洞，做導(dǎo)坑臨時支護(hù)直到中導(dǎo)洞貫通，然后由內(nèi)向外澆筑中隔墻直到全部完成，鋪設(shè)中隔墻頂防水材料。

(2) 主洞施工根據(jù)鋼拱架間距，每榀開挖，上臺階預(yù)留核心土長度宜為3～5 m，三面按施工需要放坡，開挖完成后施做拱部初期支護(hù)。

(3) 中臺階開挖滯后上臺階3～6 m，左右側(cè)錯位2～3 m開挖，開挖高度一般為3～3.5 m，每次開挖長度進(jìn)尺與上臺階進(jìn)尺保持一致，開挖后立即初噴3～5 cm混凝土，并立即接長鋼拱架，設(shè)置注漿小導(dǎo)管鎖腳，完成初期支護(hù)系統(tǒng)。

(4) 下臺階開挖滯后中臺階不超過15 m，開挖方法與中臺階相同。

(5) 下臺階開挖及初期支護(hù)完成后及時跟進(jìn)仰拱，以盡快封閉成環(huán)，仰拱每完成6～9 m及時進(jìn)行填充施工。

(6) 仰拱完成后，滯后20～40 m跟進(jìn)二次襯砌施工(圖3)。

圖3 三臺階法施工示意圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 鋼拱架一次成環(huán)技術(shù)

(1) 鋼拱架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在隧道初期支護(hù)系統(tǒng)中，鋼拱架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性直接關(guān)系到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，在軟弱圍巖隧道中，鋼拱架在初期支護(hù)中的作用更是不言而喻，在以往雙連拱隧道的設(shè)計(jì)施工中，鋼拱架一般為內(nèi)側(cè)支撐于中隔墻頂部，另一側(cè)支撐于仰拱上，鋼拱架通過中隔墻連接成整體，仰拱工字鋼與中隔墻連接位置一般為施工質(zhì)量難以控制的部位，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到鋼拱架的受力狀態(tài)。

為解決大跨度連拱隧道初期支護(hù)鋼拱架的受力問題，該工程通過優(yōu)化鋼拱架的設(shè)計(jì)，將鋼拱架兩側(cè)均直接與仰拱工字鋼連接成整體，實(shí)現(xiàn)一次成環(huán)，使結(jié)構(gòu)受力更加均勻明確，可有效降低由于中隔墻沉降造成初支不均勻變形(圖4)。

圖4 鋼拱架一次成環(huán)示意圖(單位：cm)

(2) 分臺階設(shè)置鎖腳錨桿

在臺階法開挖過程中，由于施工工序間隔要求，鋼拱架需分段安裝，在仰拱施工時形成環(huán)向整體。在仰拱成環(huán)前，鋼拱架的支承能力直接關(guān)系到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形。

為提高鋼拱架的支承能力，減小初支收斂，施工過程中，增加每層臺階鋼拱架底部鎖腳注漿小導(dǎo)管的數(shù)量，鎖腳小導(dǎo)管與鋼拱架焊接牢固，以提高鋼拱架的支承能力，并在鋼拱架腳部設(shè)置型鋼支墊，以擴(kuò)大鋼拱架腳部受荷面積(圖5)。

圖5 分臺階設(shè)置鎖腳錨桿示意圖(單位：cm)

3.3.2 超淺埋隧道施工技術(shù)

對于深坑地表的超淺埋段隧道，由于覆蓋層淺薄，地勢低，天然形成匯水面積大的凹形沖溝地形，暗挖隧道施工極易造成洞內(nèi)滲水、塌方冒頂事故，施工安全風(fēng)險極大。針對超淺埋隧道施工的特點(diǎn)及實(shí)際情況，提出以下兩種解決方案：

方案1：采用半明半暗的施工方法，即對洞頂覆蓋層進(jìn)行放坡開挖，坡面采用砂漿錨桿錨噴防護(hù)，隧道拱頂施作60 cm厚的混凝土護(hù)拱，護(hù)拱兩側(cè)根部采用鎖腳小導(dǎo)管注漿加固(圖6)。

圖6 半明半暗施工示意圖

方案2：采用洞外反壓注漿加固、洞內(nèi)超前注漿加固的施工方法，即洞外深坑段采用土石回填反壓，確保洞頂以上覆蓋層不小于5 m，并對填土進(jìn)行地表小導(dǎo)管注漿加固，同時在洞內(nèi)采用超前小導(dǎo)管+超前自鉆式錨桿進(jìn)行圍巖加固(圖7)。

圖7 洞外反壓+洞內(nèi)超前加固施工示意圖

采用方案1由于施工區(qū)位于小區(qū)別墅群之間，放坡開挖施工面積大，難以避免對環(huán)境造成較大的破壞，且原覆蓋層多為腐殖土、回填土，土體常年處于飽水狀態(tài)，砂漿錨桿的作用難以發(fā)揮，護(hù)拱施工質(zhì)量難以保證，安全風(fēng)險高。

為盡量減小對周邊環(huán)境及建筑群的影響，提高圍巖加固效果，確保施工安全，通過綜合必選，最終選擇適用性、操作性均較強(qiáng)的方案2，可達(dá)到良好的施工效果。

3.3.3 軟巖封閉止水加固技術(shù)

由于隧道建設(shè)場區(qū)地勢高，四周路網(wǎng)的建設(shè)一定程度隔離了地層地下水的排泄，造成場區(qū)內(nèi)地下水位較高，且洞頂覆蓋層起伏較大，天然形成多處匯水地段，季節(jié)性降水形成的地表水下滲進(jìn)一步抬高地下水位，同時隧道沿線魚塘水位均高于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高，在裂隙發(fā)育的全風(fēng)化泥質(zhì)板巖中極易形成過水通道而影響隧道開挖。隧道在開挖過程中常見掌子面滲水、涌水現(xiàn)象，降低了圍巖自穩(wěn)能力，初支完成后持續(xù)滲水，極易產(chǎn)生由于初支沉降過大而造成初支侵限的問題。

為解決該問題，采取的主要對策有：

(1) 采用超前小導(dǎo)管+自鉆式中空注漿錨桿的方式進(jìn)行隧道超前防護(hù)；對于滲水情況較嚴(yán)重，且圍巖特別軟弱、松散地段宜優(yōu)化調(diào)整為雙層超前小導(dǎo)管注漿加固；同時優(yōu)化注漿參數(shù)和工藝，適當(dāng)提高水玻璃摻入量，宜根據(jù)實(shí)際情況采用水玻璃與水泥摻入比為0.3～0.5的雙液漿，并采用低壓、間歇性注漿方式控制注漿效果。

(2) 若發(fā)生掌子面涌水、圍巖穩(wěn)定性急速下降的現(xiàn)象，則需采取及時噴射混凝土封閉掌子面，再進(jìn)行雙層超前小導(dǎo)管注漿加固止水。

(3) 當(dāng)發(fā)生初支表面滲水明顯，沉降變形不能及時收斂的情況，根據(jù)具體情況可采取在墻身或拱周的初支后方設(shè)置注漿小導(dǎo)管或采用徑向注漿的方式加固和止水。對于土質(zhì)圍巖，徑向注漿宜采用注漿小導(dǎo)管，對于巖石圍巖可采用中空注漿錨桿。

3.3.4 偏壓隧道處理技術(shù)

連拱隧道斷面尺寸較大，由于洞頂?shù)匦胃叩推鸱?、地質(zhì)巖層差異以及施工等因素，造成隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的圍巖壓力相差較大形成偏壓。

偏壓隧道施工的處理方法主要分為洞外處理和洞內(nèi)處理。洞內(nèi)處理的常用方法有削坡排水法、減載與反壓法、超前地表注漿法、支擋法等，洞外處理一般需要較為空曠便利的施工場地，且往往對生態(tài)環(huán)境破壞大，在城市隧道施工受限。洞內(nèi)處理主要從加強(qiáng)超前支護(hù)和襯砌強(qiáng)度以及加快循環(huán)開挖周期等方面著手降低偏壓對隧道施工和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

該項(xiàng)目為城市隧道，洞外處理難以避免影響社區(qū)環(huán)境，協(xié)調(diào)難度大，且投入大，因此采用洞內(nèi)處理方法具有更好的適宜性和可操作性。

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，在施工過程中通過加長加密超前小導(dǎo)管注漿，提高圍巖穩(wěn)定性，且每榀拱架均配套徑向注漿錨桿加固圍巖，必要時將徑向注漿錨桿調(diào)整為徑向注漿小導(dǎo)管，以提高土質(zhì)圍巖加固效果，同時加強(qiáng)或加密初支鋼架及鋼架之間的縱向連接，并加強(qiáng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架之間的焊接，充分發(fā)揮聯(lián)合支護(hù)的作用；優(yōu)化開挖工序，采用多臺階分部開挖，按照每榀開挖循環(huán)進(jìn)尺，盡量避免圍巖過度擾動。

3.3.5 隧道監(jiān)控量測技術(shù)

隧道施工的過程監(jiān)控是確保隧道施工安全、質(zhì)量可靠的重要手段，在不良水文地質(zhì)條件下隧道施工中尤為重要。

淺埋偏壓軟弱圍巖段隧道施工監(jiān)控首先從地質(zhì)預(yù)報著手，預(yù)先掌握不良水文地質(zhì)條件及其對施工的影響，以利于及時采取相應(yīng)的加固措施；施工過程中重點(diǎn)對洞內(nèi)變形、地表沉降進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過加密監(jiān)測斷面和監(jiān)測頻率，及時掌握隧道動態(tài)信息，通過預(yù)警值的設(shè)置以及監(jiān)測信息的處理分析判斷隧道施工是否安全可控，發(fā)生異常情況及時分析原因并采取相應(yīng)處理措施。

4 實(shí)施效果

在該隧道施工中，通過施工工藝的優(yōu)化，取消側(cè)導(dǎo)洞，采用中導(dǎo)洞+三臺階七部開挖法進(jìn)行大斷面隧道開挖，有效提高施工效率，節(jié)約工期約8個月；同時取消側(cè)導(dǎo)洞節(jié)約了相應(yīng)的初期支護(hù)費(fèi)用，增加了一定的鎖腳注漿小導(dǎo)管，在該工程555 m的暗洞施工中節(jié)約經(jīng)費(fèi)約70萬元。

在淺埋偏壓軟弱圍巖段進(jìn)行大跨度雙連拱隧道施工，通過采取一系列技術(shù)措施，隧道周邊位移(以隧道最大變形里程段為例，總收斂最大值為60.99 mm，穩(wěn)定可控)、拱頂下沉、地表下沉及底板隆起等值均得到有效控制，收斂穩(wěn)定，累計(jì)沉降變形值均小于設(shè)計(jì)預(yù)留值；其次錨桿軸力、鋼支撐內(nèi)力、二次襯砌壓力變化也基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量可靠。

5 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋偏壓大跨度雙連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工工程實(shí)例較少，其可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)也較為匱乏。該文結(jié)合普瑞隧道項(xiàng)目工期要求及施工條件，通過鋼拱架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善大跨度斷面隧道開挖初期襯砌的變形，并針對超淺埋、偏壓隧道開挖的風(fēng)險，采取針對性的技術(shù)措施，有效控制隧道的沉降變形，有效解決了大跨度雙連拱隧道在高地下水位以及淺埋偏壓狀況施工的難題。