深圳市谷對(duì)嶺分岔隧道無(wú)中導(dǎo)洞施工與監(jiān)測(cè)技術(shù)*

彭俊聰，楊四海，李曉冉，丁文其，段 超

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引言

近年來(lái)，大跨度連拱分岔隧道因線形流暢、占地面積小、空間利用率高、可避免洞口路基或大橋分幅，與洞外線路連接方便等優(yōu)勢(shì)逐漸受到施工、設(shè)計(jì)單位的青睞，同時(shí)連拱分岔隧道在適應(yīng)地形條件、環(huán)境保護(hù)及工程數(shù)量上都具優(yōu)越性[1-4]。蔚立元等[5]對(duì)大拱段至連拱段、連拱段至小凈距段過(guò)渡段進(jìn)行研究，研發(fā)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)并分析過(guò)渡段穩(wěn)定性；闕坤生[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究分岔部的非對(duì)稱小凈距隧道施工力學(xué)行為；王者超等[7]介紹分岔隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，分析隨開(kāi)挖和支護(hù)表現(xiàn)的施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。從以上可看出分岔隧道傳統(tǒng)開(kāi)挖方法為中導(dǎo)洞法，研究者多基于該工法總結(jié)分析相關(guān)施工技術(shù)。

然而，施工中分岔隧道部分修建條件不適合先施作中導(dǎo)洞，后開(kāi)挖兩邊隧道，趙博劍[8]研究大斷面段隧道先行導(dǎo)洞反向擴(kuò)挖施工法，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)說(shuō)明該工法的施工步序及細(xì)節(jié)；張富鵬等[9]比較分岔隧道較少見(jiàn)的反向擴(kuò)挖法和傳統(tǒng)中隔墻法，從隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和塑性區(qū)范圍進(jìn)行研究。由于當(dāng)前JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)分岔隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工優(yōu)化尚處于總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)積累階段[10]，難以很好解決隧道施工問(wèn)題。本文結(jié)合深圳市東部過(guò)境高速公路連接線谷對(duì)嶺分岔隧道工程，介紹城市無(wú)中導(dǎo)洞分岔連拱隧道施工技術(shù)，并總結(jié)該工法工序及支護(hù)加強(qiáng)措施。

1 工程概況

東部過(guò)境高速公路連接線工程位于深圳市羅湖區(qū)，采用地下隧道形式，路線大致為東西走向，西起愛(ài)國(guó)路立交，穿越東湖公園，位于深圳水庫(kù)南側(cè)，以隧道形式與東部過(guò)境高速公路近期實(shí)施段相接[11]。 南主線與SE匝道分岔連拱段樁號(hào)為SEK1+064.9—SEK1+074.9和NXK1+279.4—NXK1+289.3。谷對(duì)嶺分岔隧道埋深49.5～85.4m，圍巖較破碎，有斷層通過(guò)。斷層帶巖體表現(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，常不均勻分布有角礫巖、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。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，沿線巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為30MPa，并依JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》將谷對(duì)嶺分岔隧道巖層選為Ⅳ級(jí)圍巖[12]。

2 谷對(duì)嶺分岔隧道施工方案

2.1 東連線1標(biāo)段總體施工安排

現(xiàn)有SE和ES匝道分別往南、北主線隧道施工，ES匝道由于路線較長(zhǎng)、Ⅵ級(jí)圍巖較多接入北主線，目前只有SE匝道即將連通南主線。原設(shè)計(jì)施工方案由主線隧道大斷面往分岔方向開(kāi)中導(dǎo)洞進(jìn)行分岔，但根據(jù)工作面開(kāi)挖及施工進(jìn)度情況進(jìn)行調(diào)整：①在南主線大斷面段改變方向掉頭施工南主線標(biāo)準(zhǔn)段；②繼續(xù)施工南主線大斷面和車行橫通道，經(jīng)由南主線進(jìn)入北主線創(chuàng)造北主線工作面，創(chuàng)造工作面并開(kāi)挖北主線后進(jìn)入ES匝道。

ES匝道與南主線立體交叉處施工為先下后上原則，因此以上掉頭施工的總體安排為：優(yōu)先考慮通過(guò)新增加施工橫通道由北主線分岔施工ES匝道，使ES匝道立體交叉處先于南主線立體交叉施工，以免造成南主線掌子面空置過(guò)久及誤工窩工。

2.2 無(wú)中導(dǎo)洞分岔隧道施工方案

SE匝道SEK1+050.6—SEK1+064.9為14.3m長(zhǎng)的小凈距Ⅰ型斷面，SEK1+064.9—SEK1+074.9為10m與南主線相接的連拱隧道段(相應(yīng)南主線里程為NXK1+279.4—NXK1+289.3)，為F4型襯砌。為實(shí)現(xiàn)掉頭施工，SE匝道完成小凈距開(kāi)挖后，擴(kuò)大開(kāi)挖斷面至連拱中墻位置，施工中墻鋼筋混凝土，如圖1所示。

圖1 施工順序平面(單位：m)

中墻鋼筋混凝土施工完成后，從分岔大斷面C4開(kāi)始，施工雙側(cè)壁右導(dǎo)洞(里程前進(jìn)方向)至SEK1+097.4，再橫向開(kāi)挖橫導(dǎo)洞，再施工雙側(cè)壁左導(dǎo)洞(里程前進(jìn)方向)，完成南主線掉頭施工。

分岔隧道施工分為以下階段：①連拱段施工；②由先行匝道小斷面進(jìn)入主線大斷面施工；③主線大斷面實(shí)現(xiàn)掉頭施工；④主線大斷面施工。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 連拱段施工

連拱段隧道開(kāi)挖步序如圖2所示。在隧道中部設(shè)置加強(qiáng)區(qū)，且先行開(kāi)挖較小斷面的隧道，加強(qiáng)區(qū)混凝土厚度更大，使隧道開(kāi)挖斷面面積相近。

圖2 無(wú)中導(dǎo)洞工法施工步序

連拱段施工步序如下：先行洞上臺(tái)階開(kāi)挖①，先行洞拱部初期支護(hù)②→先行洞中臺(tái)階開(kāi)挖③，先行洞中臺(tái)階初期支護(hù)④→先行洞下臺(tái)階開(kāi)挖⑤，先行洞下臺(tái)階初期支護(hù)⑥→施工范圍⑦的中隔墻→施作先行洞邊墻、仰拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)⑧→采用模板臺(tái)車施作先行洞拱墻二次襯砌⑨→后行洞上臺(tái)階開(kāi)挖⑩，后行洞拱部初期支護(hù)→后行洞中臺(tái)階開(kāi)挖，后行洞中臺(tái)階初期支護(hù)→后行洞下臺(tái)階開(kāi)挖，后行洞下臺(tái)階初期支護(hù)→對(duì)范圍填充素混凝土→施作后行洞邊墻、仰拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)→采用模板臺(tái)車施作后行洞拱墻二次襯砌。

由于取消中導(dǎo)洞，連拱中墻設(shè)計(jì)為隱式異形墻的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到中墻穩(wěn)定性及施工條件，視情況分2～3層進(jìn)行澆筑，如圖3所示。

圖3 中墻分3層澆筑示意

3.2 由先行匝道小斷面進(jìn)入主線大斷面施工

先行匝道進(jìn)入的主線隧道設(shè)計(jì)為分岔大斷面隧道，先開(kāi)挖靠近先行匝道側(cè)的右上導(dǎo)坑。先行匝道隧道開(kāi)挖輪廓(含中墻)與主線分岔大斷面開(kāi)挖輪廓斷面一般存在差異，如圖4所示。

圖4 連拱先行洞與主線雙側(cè)壁右上導(dǎo)洞開(kāi)挖輪廓對(duì)比

若雙側(cè)壁右上導(dǎo)洞開(kāi)挖線最高處比先行段的襯砌類型段最高處高，則需在隧道進(jìn)尺時(shí)斜向上擴(kuò)挖圍巖，并將連拱隧道擴(kuò)挖至雙側(cè)壁導(dǎo)洞頂部，并安裝鋼拱架。主線擴(kuò)挖鋼拱架立面如圖5所示。

圖5 主線擴(kuò)挖鋼架立面

3.3 在主線大斷面實(shí)現(xiàn)掉頭施工

結(jié)合施工進(jìn)度，在南主線大斷面C4段NXK1+330處施工橫向?qū)Ф?，以?shí)現(xiàn)掉頭，橫向?qū)Ф撮_(kāi)挖步序如圖6所示。橫向?qū)Ф磳?m，高6.0～8.8m，采用門(mén)式鋼拱架進(jìn)行支護(hù)。門(mén)式鋼拱架上方設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管，兩側(cè)設(shè)置藥卷錨桿，支架接頭處設(shè)置鎖腳鋼管，如圖7所示。

圖6 橫向?qū)Ф撮_(kāi)挖步序

圖7 橫向?qū)Ф撮T(mén)式鋼拱架設(shè)計(jì)

3.4 主線大斷面施工工法

C4，D4，E4大斷面左側(cè)壁導(dǎo)洞作為臨時(shí)車行通道已完成施工，完成C4橫通道后，掉頭施工大斷面右側(cè)，雙側(cè)壁不對(duì)稱，左側(cè)按臨時(shí)車行通道做加強(qiáng)處理。剩余施工步序如圖8所示。

圖8 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序

具體工序如下：開(kāi)挖左側(cè)下導(dǎo)坑①，進(jìn)行人工配合機(jī)械開(kāi)挖→施作左側(cè)下導(dǎo)坑①洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)Ⅰ，即初噴混凝土，架立鋼拱架，噴混凝土進(jìn)行封閉→左側(cè)下導(dǎo)坑施工長(zhǎng)度達(dá)10～15m后，開(kāi)挖右側(cè)上導(dǎo)坑②，施作右側(cè)上導(dǎo)坑②洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)Ⅱ，即初噴混凝土，架立鋼拱架→鉆設(shè)超前支護(hù)后，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，噴混凝土封閉側(cè)壁，架設(shè)臨時(shí)豎向和水平鋼架，噴混凝土封閉臺(tái)階底面，必要時(shí)封閉掌子面→右側(cè)上導(dǎo)坑施工10～15m長(zhǎng)后，開(kāi)挖右側(cè)下導(dǎo)坑③，施作導(dǎo)坑③洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)Ⅲ，架立鋼拱架，噴混凝土進(jìn)行封閉→開(kāi)挖中導(dǎo)坑④,⑤，工序參考右側(cè)上、下導(dǎo)坑→初支沉降穩(wěn)定后，拆除臨時(shí)鋼拱架→灌注仰拱混凝土Ⅵ→灌注隧道底部填充混凝土Ⅶ→利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌注二次襯砌Ⅷ。

4 分岔隧道無(wú)中導(dǎo)洞施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

根據(jù)施工方法及施工順序，大斷面分岔隧道采取分階段監(jiān)測(cè)技術(shù)，在隧道開(kāi)挖完成后緊跟監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為判斷隧道圍巖穩(wěn)定性提供依據(jù)，確定襯砌時(shí)機(jī)。監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容主要為洞周收斂、拱頂下沉、圍巖和初襯間接觸壓力、初襯和二襯間接觸壓力、錨桿軸力、鋼拱架內(nèi)力、中墻內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)力、滲水壓力等，針對(duì)連拱段和大斷面段隧道介紹分部分階段監(jiān)測(cè)技術(shù)。

4.1 連拱隧道段監(jiān)測(cè)方案

1)洞周收斂與拱頂沉降監(jiān)測(cè)。

2)圍巖與初支、初支與二襯壓力監(jiān)測(cè) 無(wú)中導(dǎo)洞連拱段隧道施工過(guò)程中，圍巖與初支、初支與二襯壓力監(jiān)測(cè)如圖9所示，需加強(qiáng)中間加強(qiáng)區(qū)的壓力監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，注意加強(qiáng)區(qū)底部壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。

圖9 圍巖與初支、初支與二襯壓力監(jiān)測(cè)

3)初襯內(nèi)力、錨桿軸力、滲水壓力監(jiān)測(cè) 無(wú)中導(dǎo)洞連拱隧道施工過(guò)程中，隧道初襯內(nèi)力、錨桿軸力、滲水壓力監(jiān)測(cè)如圖10所示，可在每個(gè)錨桿上設(shè)1個(gè)錨桿軸力測(cè)點(diǎn)。

圖10 隧道初襯內(nèi)力、錨桿軸力、滲水壓力監(jiān)測(cè)

4)二襯內(nèi)力監(jiān)測(cè) 無(wú)中導(dǎo)洞連拱隧道施工過(guò)程中，隧道二襯的內(nèi)力監(jiān)測(cè)如圖11所示，應(yīng)加強(qiáng)中間加強(qiáng)區(qū)的二襯壓力監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。

圖11 二襯內(nèi)力監(jiān)測(cè)方案

4.2 大斷面段監(jiān)測(cè)方案

谷對(duì)嶺分岔隧道大斷面段為Ⅳ級(jí)圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖，施工工序復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)施工順序分別設(shè)計(jì)不同監(jiān)測(cè)方案，開(kāi)展圍巖與初襯、初襯與二襯間的接觸壓力、拱頂沉降、洞周收斂、錨桿軸力、滲水壓力及鋼拱架內(nèi)力監(jiān)測(cè)。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

谷對(duì)嶺分岔隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果選取連拱及大斷面段的部分?jǐn)嗝妫O(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)標(biāo)注方式如圖12所示。

圖12 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)標(biāo)注方式

1)拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 隧道SEK1+068斷面拱頂沉降-時(shí)間累計(jì)曲線如圖13所示。

圖13 隧道SEK1+068斷面拱頂沉降-時(shí)間累計(jì)曲線

由圖13可知，谷對(duì)嶺隧道連拱段開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定所需整體時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)檫B拱段先行洞開(kāi)挖后仍受后行洞開(kāi)挖影響；先行洞上臺(tái)階開(kāi)挖后及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行初期支護(hù)，開(kāi)挖后30d內(nèi)沉降較快，此后沉降速度減緩。拱頂沉降累計(jì)位移在允許極限位移值內(nèi)，施工安全。

2)斷面收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 隧道SEK1+064與SEK1+081斷面收斂-時(shí)間累計(jì)曲線如圖14所示。

圖14 隧道斷面收斂-時(shí)間累計(jì)曲線

由圖14可知，整體上大斷面段收斂值小于連拱段，因?yàn)檫B拱段所受空間荷載復(fù)雜，且涉及施工工序轉(zhuǎn)換，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)仰拱和施作二襯，使隧道盡早閉合成環(huán)，防止或減少受力變形。

3)土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 隧道SEK1+069土壓力-時(shí)間曲線如圖15所示。

圖15 土壓力-時(shí)間曲線

由圖15可知，隧道斷面所設(shè)的壓力盒絕大多數(shù)處于壓縮狀態(tài)，初襯與圍巖間的壓力<0.5MPa，監(jiān)測(cè)期間處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明圍巖自穩(wěn)后，不發(fā)生二次變形時(shí)，由于變形很小，產(chǎn)生的壓力較小，有利于初期支護(hù)的穩(wěn)定。

4)錨桿軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 隧道SEK1+074錨桿軸力-時(shí)間曲線如圖16所示。

圖16 錨桿軸力-時(shí)間曲線

由圖16可知，部分錨桿受力大<5kN，與該段圍巖地質(zhì)條件較好有很大關(guān)系。錨桿受力大多處于拉伸狀態(tài)，且施作初期錨桿受力增長(zhǎng)較快，但很快趨于穩(wěn)定，因此施作錨桿時(shí)，應(yīng)及時(shí)在隧道開(kāi)挖后的所需位置進(jìn)行施作，以便較好發(fā)揮作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)整體施工流程為先開(kāi)挖匝道后反向擴(kuò)挖，不需要設(shè)置中導(dǎo)洞，避免中導(dǎo)洞施工相應(yīng)的爆破、支護(hù)等措施。

2)連拱隧道段隱式中墻為異形墻，考慮到墻體的穩(wěn)定性及施工條件，中墻可視情況分2～3層澆筑。

3)考慮到匝道小斷面與主線大斷面的開(kāi)挖輪廓差異，采用斜向上擴(kuò)挖導(dǎo)洞技術(shù)并同時(shí)安裝鋼架。

4)為實(shí)現(xiàn)大斷面段中掉頭施工，采用門(mén)式鋼拱架支護(hù)設(shè)置橫導(dǎo)洞，為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工創(chuàng)造條件。

同時(shí)，監(jiān)控量測(cè)作為重要施工工序，本文根據(jù)分岔隧道斷面過(guò)渡、工法轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分部分階段的監(jiān)控量測(cè)方案。通過(guò)分析洞周收斂、拱頂下沉、圍巖和初襯間接觸壓力、錨桿軸力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到無(wú)中導(dǎo)洞連拱段及大斷面段應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)并保障施工安全進(jìn)行。