大跨度無中導(dǎo)洞分岔隧道反挖施工關(guān)鍵技術(shù)研究

林秀桂，潘春輝

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著城市高速發(fā)展，地下互通立交分岔隧道結(jié)構(gòu)越來越多，例如深圳橫龍山隧道[1]、青島膠州灣隧道[2]、杭州紫之隧道[3]等工程均有分岔隧道段。分岔隧道為地下互通立交的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)施工重難點(diǎn)，對整個(gè)地下互通立交的建設(shè)起著控制性作用。

通常情況下，分岔隧道主要包含大跨度主隧道標(biāo)準(zhǔn)段、分岔漸變段、連拱段和小凈距段。該隧道受力復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)換頻繁，目前尚未形成確定的施工技術(shù)體系。分岔隧道常規(guī)的施工順序采用順作法，即開挖方向由大跨合流末端向最大跨度段、連拱段、小凈距段依次施工。該方案優(yōu)點(diǎn)在于施工斷面逐步擴(kuò)大、風(fēng)險(xiǎn)可控，主體結(jié)構(gòu)斷面易閉合，斷面圍巖受力形式明確，施工工序相對簡單，二襯可及時(shí)跟進(jìn)，安全有保障。然而受暗挖施工工藝特點(diǎn)影響，僅有隧道掌子面為施工作業(yè)面，各掌子面施工進(jìn)度難以控制，特別是對于以礦山法施工的城市隧道，受限因素多，有時(shí)很難具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工的條件。

本文以深圳東部過境高速公路連接線工程為依托，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際，提出了地下互通立交分岔段無中導(dǎo)洞反挖施工的工法，解決了不具備由大斷面隧道向分岔小斷面隧道施工條件時(shí)，地下互通立交分岔礦山法隧道的施工問題。所建立的科學(xué)設(shè)計(jì)施工方法，可以使工程快速安全的實(shí)施，作為一種極具實(shí)用價(jià)值的技術(shù)資源，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究背景

1.1 工程概況

深圳市東部過境高速公路連接線工程西起愛國路立交，東西貫穿東湖公園，位于深圳水庫下游。該工程I 標(biāo)段暗挖隧道主要為下穿谷對嶺實(shí)施段，其中北主線共776.19 m，南主線共784.75 m，ES 匝道共757.9 m，SE 匝道共364.9 m。

谷對嶺分岔隧道的設(shè)計(jì)車道數(shù)為主線2 車道（3.5 m+3.5 m）+匝道設(shè)緊急停車帶的1 車道（3.5 m+2.5 m）連續(xù)流。喇叭口分岔隧道設(shè)計(jì)采用多種斷面形式漸近過渡的方式，主線由標(biāo)準(zhǔn)3 車道斷面逐漸增大，通過漸變段增至大跨段最大斷面，大跨段向外側(cè)擴(kuò)挖，與連拱隧道段相接；隨著連拱中墻厚度的不斷增大，與小凈距隧道順接，最后分岔為雙線分離式隧道。南線谷對嶺分岔段設(shè)A5+ 型、B4 型、C4 型、D4型、E4 型和F4 型共5 種襯砌類型，其中F4 型為復(fù)合式連拱襯砌。

谷對嶺分岔段平面圖見圖1。

圖1 谷對嶺分岔段平面圖

谷對嶺分岔隧道為交通分、合流點(diǎn)，該段處最大縱坡約2.8%。大跨段隧道拱頂埋深約26～84 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

谷對嶺區(qū)域圍巖較為破碎，有斷層F6、F7、F8 通過，如圖2 所示。斷層帶巖體主要表現(xiàn)為閉合裂隙極發(fā)育，巖體破碎，綠泥石化現(xiàn)象顯著，巖體多具碎裂、碎斑結(jié)構(gòu)，巖石多具碎裂巖化特征或?yàn)樗榱褞r，通常不均勻分布角礫巖、糜棱巖化團(tuán)塊或薄夾層，微細(xì)礦物碎屑多為擠壓破碎的綠泥石微粒，且裂隙多為綠泥石充填。

各斷層分布情況具體如下：

（1）F6 斷層：走向大致為東北偏北方向，傾向西北偏西方向，傾角約70°～75°，其推測斷裂帶寬度約30～40 m，與本工程主線及匝道呈小角度斜交。

（2）F7 斷層：起始于深圳水庫溢洪道西岸，往南經(jīng)谷對嶺，然后經(jīng)黃貝嶺北坡，至春風(fēng)路東側(cè)一帶。斷裂走向由南往北從北東50°逐漸彎轉(zhuǎn)為北東10°左右，傾角約60°，推測斷裂帶寬度約30～40 m，橫穿本工程主線隧道。

（3）F8 斷層：斷裂北段延伸到深圳水庫溢洪道右岸，往南經(jīng)谷對嶺南坡麓，穿過沿河北路進(jìn)入黃貝嶺東南坡，抵達(dá)文錦路中學(xué)一帶。斷裂切過震旦紀(jì)黃婆山組、元古界混合花崗巖、中侏羅統(tǒng)漳平組（即塘廈組）等巖層。斷裂走向由南往北為北東55°轉(zhuǎn)為北東10°，為略向南東凸出的弧形，傾向北西，傾角50°～75°，推測斷裂帶寬度約30～40 m。

F7 構(gòu)造破碎帶巖體主要為碎裂巖夾糜棱巖，局部夾斷層泥，斷裂面附近巖體呈片理化條帶狀，礦物結(jié)晶定向拉長；F6、F8 構(gòu)造破碎帶巖體主要為碎裂巖、角礫巖，綠泥石化現(xiàn)象明顯，巖質(zhì)偏軟，較易擊碎，局部發(fā)育有糜棱巖薄層條帶或斷層泥。

分岔連拱段F 型襯砌及大跨段位于F7 主斷層帶內(nèi)，覆土84 m，IV 級(jí)圍巖地層。隧道開挖斷面大，斷面變化形式多，各類型斷面縱向長度較短，施工工序轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，且在大斷面上方臨近處還存在地下軍事設(shè)施，施工難度極大。

谷對嶺分岔段斷層地質(zhì)平面布置圖見圖2。

圖2 谷對嶺分岔段斷層地質(zhì)平面布置圖

2 大跨度分岔隧道施工技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

與順作法相反，在條件不允許的情況下，可采用逆作法，即由主線（或匝道）小凈距段（連拱段）向最大跨度段、大跨合流末段依次施工。該方案優(yōu)點(diǎn)在于靈活多變，不受施工條件限制。但是缺點(diǎn)在于由小斷面進(jìn)入大跨度段，跨度及高度突變增大，常規(guī)的施工工法無法滿足安全要求。

因此本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用無中導(dǎo)洞反挖施工方案，通過增設(shè)斜坡導(dǎo)坑爬坡至主隧道拱頂，而后橫向擴(kuò)挖形成主洞，再反挖擴(kuò)挖逐步形成交界最大斷面，并向兩端施工，如圖3 所示。將多斷面跨度形成并澆筑二襯后，方可完成連拱段及小凈距段。

圖3 大跨段導(dǎo)坑橫向擴(kuò)挖施工示意圖

對于連拱隧道，傳統(tǒng)工法需單獨(dú)開挖中導(dǎo)洞、施工中隔墻，再開挖兩側(cè)連拱斷面，工序較復(fù)雜，如圖4所示。由于本標(biāo)段接?xùn)|連線二標(biāo)掌子面未提供，該節(jié)點(diǎn)無法采用從標(biāo)準(zhǔn)3 車道向大跨度段開挖的順作法施工。現(xiàn)場考慮由SE 匝道進(jìn)入分岔段，再由大跨段掉頭反挖進(jìn)入南主線。針對本節(jié)點(diǎn)，采用無中導(dǎo)洞工法施工連拱段隧道，即在隧道開挖SE 匝道的同時(shí)留出中墻施工空間，在單洞內(nèi)澆筑中墻和襯砌結(jié)構(gòu)，然后向前開挖至分岔大斷面，再回挖南主線，澆筑襯砌結(jié)構(gòu)。具體施工順序見圖6。

圖4 常規(guī)連拱隧道開挖示意圖

該技術(shù)方案解決了在城市分岔隧道施工中的工序復(fù)雜和施工難度大的問題，取消了諸多臨時(shí)支撐，能夠有效節(jié)約施工成本，簡化施工工藝，給工人和機(jī)械設(shè)備提供更大的工作空間，提高效率，縮短工期，加快施工進(jìn)度。

2.2 施工工藝流程

該方案的具體施工流程為：先行洞小凈距段→無中導(dǎo)洞連拱段→擴(kuò)挖導(dǎo)坑進(jìn)入大跨度漸變段→橫向施工橫導(dǎo)洞→反挖施工大跨度漸變段→完成后行洞連拱段→完成后行洞小凈距段。

分岔大斷面及連拱段平面圖見圖5，施工順序平面圖見圖6。

圖5 分岔大斷面及連拱段平面圖

圖6 施工順序平面圖

2.3 技術(shù)要點(diǎn)

2.3.1 無中導(dǎo)洞連拱段施工

連拱段隧道采用無中導(dǎo)洞施工工藝[4]，在兩隧道中部設(shè)置了加強(qiáng)區(qū)，并且較小斷面的隧道先行開挖，加強(qiáng)區(qū)混凝土厚度較大，使兩隧道開挖斷面面積相近。無中導(dǎo)洞連拱隧道襯砌設(shè)計(jì)圖見圖7。

圖7 無中導(dǎo)洞連拱隧道襯砌設(shè)計(jì)圖

連拱段開挖均采用光面爆破施工，爆破震速控制在1 cm/s 以下，短進(jìn)尺、弱爆破，盡量減少對拱頂圍巖的擾動(dòng)，以便順利實(shí)現(xiàn)調(diào)頭，開挖進(jìn)尺控制在每次1 榀。連拱中墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于斷面為異型，對異型初支進(jìn)行加強(qiáng)處理，增加鎖腳鋼管和加強(qiáng)錨桿。

2.3.2 先行導(dǎo)坑進(jìn)洞

先行匝道隧道開挖輪廓（含中墻）與主線分岔大斷面開挖輪廓斷面一般會(huì)存在差異，見圖8。

圖8 匝道連拱先行洞與主洞橫斷面對比示意圖

在大跨段E 襯砌類型段處，其雙側(cè)壁右上導(dǎo)洞開挖線最高處約比該處連拱段F 襯砌類型段最高處高3.1 m 左右，因此在隧道進(jìn)尺時(shí)需要斜向上擴(kuò)挖圍巖，按照每前進(jìn)約0.8 m，擴(kuò)挖約0.6 m 高度為原則，通過5 榀將連拱隧道擴(kuò)挖至雙側(cè)壁導(dǎo)洞頂部。具體施工工藝：延F 斷面向E 斷面逐層擴(kuò)挖，擴(kuò)挖5 榀后再向前正常施工5 榀即擇機(jī)回頭，將擴(kuò)挖段5 榀鋼架拆除并按正常施工補(bǔ)充鋼拱架[5]。

2.3.3 先行導(dǎo)坑加強(qiáng)

將大跨段E、D、C 雙側(cè)壁左側(cè)上導(dǎo)洞擴(kuò)大作為先行導(dǎo)坑，并采用加強(qiáng)鋼架支護(hù)，以保證臨時(shí)施工通道（見圖9）。

圖9 加強(qiáng)型臨時(shí)支護(hù)鋼架設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

先行導(dǎo)洞作為分岔段反挖施工唯一的材料、設(shè)備、人員進(jìn)入通道及出渣通道，重要性高，且使用時(shí)間較長（預(yù)計(jì)半年以上），存在一定的安全隱患。該處圍巖為F7 主斷層通過位置，以構(gòu)造巖為主，局部發(fā)育有糜棱巖，巖體破碎，構(gòu)造巖破碎帶中存在裂隙承壓水，并具有沿構(gòu)造破碎帶定向富集的特征，圍巖定級(jí)為IV 級(jí)。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）A.0.5 中對圍巖自穩(wěn)能力有相關(guān)描述，對于IV 級(jí)圍巖，當(dāng)開挖跨度為5 m 時(shí)，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日-數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動(dòng)變形、小塌方，進(jìn)而發(fā)展為中-大塌方；埋深大時(shí)，有明顯塑性流動(dòng)變形和擠壓破壞。在該方案中，導(dǎo)洞使用時(shí)間大于半年，遠(yuǎn)超圍巖自穩(wěn)時(shí)間，故須對其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

因此對導(dǎo)坑外側(cè)永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)均采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼?？紤]到導(dǎo)坑成型高度較高，高約10 m，且呈現(xiàn)非對稱受力，側(cè)向圍巖收斂壓力較大，因此在高度中部設(shè)置橫向臨時(shí)支撐，為雙拼HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼，并用桁架角鋼焊接連接。對于導(dǎo)坑底部采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼作為臨時(shí)仰拱連接，以便對整個(gè)導(dǎo)坑形成封閉支護(hù)，確保支護(hù)體系維持較長時(shí)間的安全。

2.3.4 橫導(dǎo)洞施工

在NXK1+325.7～NXK1+333.7 處設(shè)置橫導(dǎo)洞，待C 加強(qiáng)型車行通道施工完成后，拆除左側(cè)臨時(shí)支護(hù)，安裝2 條并列I20b 門式鋼架加強(qiáng)型，由南往北施工。橫導(dǎo)洞寬8 m，高約3.5～10.0 m，長11.9 m，采用門式鋼架支護(hù)。門式鋼架上方設(shè)置φ 50×4 m 超前注漿小導(dǎo)管，長4.5 m，縱距3 m；兩側(cè)及頂部設(shè)置藥卷錨桿，長3.0 m，環(huán)距1.0 m（環(huán)）×1.0 m（縱）；支架接頭處設(shè)置直徑50 mm、長4.5 m 的鎖腳鋼管。如圖10 所示。

圖10 橫導(dǎo)洞門式支架平面設(shè)計(jì)圖

3 大跨段隧道反挖施工有限元分析

3.1 三維模型建立

采用Midas-GTS 有限元分析軟件，模擬隧道施工過程，針對大跨度分岔隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵點(diǎn)，分析隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的位移場和應(yīng)力場分布及變化。

根據(jù)現(xiàn)場施工工況，建立三維有限元計(jì)算模型對開挖方案進(jìn)行數(shù)值模擬。模型選取寬度130 m，高度最大140 m，縱向長度150 m。整體三維有限元模型見圖11，隧道分岔段三維有限元模型見圖12。圍巖材料采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，初期支護(hù)、中隔壁臨時(shí)支護(hù)采用殼結(jié)構(gòu)單元[6]。

圖11 整體三維有限元模型

圖12 隧道分岔段三維有限元模型

3.2 土體及材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)地質(zhì)資料，給出圍巖和支護(hù)參數(shù)，見表1、表2。

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)表

表2 支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果和結(jié)論

按加強(qiáng)措施狀態(tài)計(jì)算，隧道施工反挖后至連拱段，拱頂最大豎向位移為17.8 mm，位置位于大跨段D 斷面，仰拱隆起最大約22 mm（見圖13）。

圖13 三維沉降計(jì)算云圖

因此，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，隧道開挖采取先行加強(qiáng)導(dǎo)洞反挖施工方案，支護(hù)總體變形安全可控。先行導(dǎo)洞的臨時(shí)支撐有較大側(cè)向變形和集中彎矩，承受大跨段較大荷載，設(shè)計(jì)時(shí)需要對臨時(shí)支撐進(jìn)行加強(qiáng)[7]。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

結(jié)合隧道開挖施工方法，通過及時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)開挖施工，達(dá)到信息化施工的目的，確保隧道開挖安全。針對本工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行了專項(xiàng)監(jiān)測實(shí)施方案，通過監(jiān)測大跨度分岔段各施工節(jié)段的變形、圍巖支護(hù)內(nèi)力，確定施工掌子面推進(jìn)時(shí)機(jī)并調(diào)整相關(guān)支護(hù)參數(shù)，保障了施工安全。

本工程監(jiān)測點(diǎn)位布置示意圖見圖14。

圖14 監(jiān)測點(diǎn)位布置示意圖

本文選取施工中主要的2 個(gè)關(guān)鍵斷面，以及連拱段和大跨段的拱部位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖15 可見：連拱段拱部沉降約6.4 mm；大跨段拱部沉降約14.9 mm，與數(shù)值計(jì)算分析的數(shù)據(jù)基本接近，變形在可控范圍內(nèi)。由此說明，所采取的相關(guān)措施對控制開挖過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性具有較好的效果。

圖15 隧道拱頂沉降曲線圖

5 結(jié)語

本文基于深圳市過境高速公路連接線工程下穿谷對嶺隧道大跨度分岔段，對不具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工的條件時(shí)，采用反挖法，分階段完成由分岔小斷面隧道往大斷面隧道的地下立交分岔節(jié)點(diǎn)施工。解決了采用地下互通立交分岔節(jié)點(diǎn)礦山法進(jìn)行隧道施工時(shí)，所存在的掌子面施工進(jìn)度難以控制以及不具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工條件時(shí)分岔節(jié)點(diǎn)的施工問題，且各階段的掌子面施工進(jìn)度容易控制。綜合而言，本施工方法增加的臨時(shí)支護(hù)措施少、綜合效益費(fèi)用比高、可實(shí)施性高、施工難度低、工期較短，可大范圍推廣應(yīng)用。