超淺埋大偏壓無中導(dǎo)洞連拱隧道安全施工技術(shù)探討

張朝元 王明江

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

連拱隧道具有地形條件適應(yīng)性強(qiáng)、洞外線形銜接方便以及占地面積少等特點(diǎn)，但是常見整體式或三層中墻連拱隧道[1]采用的中導(dǎo)洞法或三導(dǎo)洞法施工工序繁多，中墻受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜，圍巖擾動(dòng)范圍大，甚至影響山體的穩(wěn)定性，且整體式中墻連拱隧道運(yùn)營期易出現(xiàn)滲漏水病害。為優(yōu)化連拱隧道結(jié)構(gòu)形式和施工流程，國內(nèi)學(xué)者提出了無中導(dǎo)洞連拱隧道結(jié)構(gòu)形式[2]，取消了現(xiàn)澆鋼筋混凝土中墻，將后行洞初支直接搭接于先行洞初支上，形成先、后行洞交接處共用初支結(jié)構(gòu)承載體系且先、后行洞襯砌襯砌單獨(dú)成環(huán)。無中導(dǎo)洞連拱隧道通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，有利于簡(jiǎn)化施工工序和施工組織，同時(shí)可提高施工效率，加快施工進(jìn)度。無中導(dǎo)洞連拱隧道技術(shù)雖然得到了大量應(yīng)用，但是受地形、地質(zhì)條件的限制，在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)受力狀態(tài)不均衡，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力及耐久性產(chǎn)生不利的影響[3]。依托云南省楚大高速公路改擴(kuò)建工程勘察試驗(yàn)段金山隧道工程，探討無中導(dǎo)連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力特性，分析先、后行洞初支搭接節(jié)點(diǎn)存在問題及優(yōu)化措施，總結(jié)后行洞微擾動(dòng)施工方法和施工順序，為類似隧道工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

金山隧道為一座連拱隧道+ 單幅隧道，橋隧零間距銜接，隧道右幅里程為K280+250～K280+619，全長369 m；隧道左幅里程為ZK280+310～ZK280+529，全長219 m，其中K280+310～K280+529 段為連拱隧道段；K280+250～K280+310，K280+310～K280+369 為單幅隧道段，隧道段高程為2205～2450 m，相對(duì)高差245 m；屬于構(gòu)造溶蝕低中山地貌區(qū)，該段路線沿山邊穿越，上下邊坡稍陡，路線縱坡較緩，現(xiàn)山坡多為灌木林，交通不便。隧道最大埋深約為30 m，為超淺埋偏壓大跨度隧道。

在K280+429～+450 左下側(cè)5～60 m 的邊坡崩塌而形成淺表小型崩塌體，崩塌以碎石土為主，表土松散不穩(wěn)定；路線以挖方從崩塌體上方穿越，擾動(dòng)較大，邊坡陡峭。路塹開挖后可導(dǎo)致坍塌甚至產(chǎn)生滑坡，存在發(fā)生崩塌的內(nèi)在（地質(zhì)結(jié)構(gòu)）及外在（臨空面）條件，因此為淺表潛在不穩(wěn)定邊坡。地質(zhì)方面，圍巖級(jí)別為Ⅴ2 級(jí)，長度約369 m，地層巖性為墻風(fēng)化灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖體完整程度極破碎，圍巖修正值[BQ]為126.8。隧道區(qū)第四系土劃分為中硬土類型，覆蓋層厚度3～50 m，隧道區(qū)按抗震設(shè)防烈度8 度。

金山隧道圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)均為V 級(jí)，全隧襯砌均采用復(fù)合式襯砌，其中V 級(jí)圍巖地段（SL5）復(fù)合式襯砌斷面支護(hù)形式。

2 施工技術(shù)控制要點(diǎn)

無中導(dǎo)洞連拱隧道多為雙洞四車道形式，雙洞六車道無中導(dǎo)洞連拱隧道尚無工程案例。當(dāng)隧道跨度增大且存在地形偏壓作用時(shí)，先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受地形偏壓和后行洞爆破施工偏壓的共同作用，先行洞圍巖荷載的不對(duì)稱和不平衡性更明顯，直接影響支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，對(duì)安全施工技術(shù)和工藝控制提出了更高的要求[4]。需要從施工工法、初支施工與搭接點(diǎn)、微振爆破與隔振措施幾個(gè)方面改進(jìn)，才能夠提升隧道施工質(zhì)量。

2.1 施工工法優(yōu)化

無中導(dǎo)洞連拱隧道施工中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，主要是后行洞靠中夾巖側(cè)圍巖多次擾動(dòng)穩(wěn)定性變差，兩洞共用初期支護(hù)相連處應(yīng)力較大等問題，當(dāng)后行洞開挖時(shí)，先行洞中墻存在小偏心受壓向大偏壓受壓的受力體系的轉(zhuǎn)換，處理不當(dāng)易導(dǎo)致仰拱縱向裂縫、拱墻襯砌裂縫發(fā)生[5]。在施工時(shí)，堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的管理原則，加強(qiáng)地質(zhì)工作，重視地質(zhì)調(diào)查與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)圍巖變化的情況，按照管理程序及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)；堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的施工原則，減少圍巖擾動(dòng)；堅(jiān)持“控步距、快成環(huán)”的施工原則快速發(fā)揮支護(hù)體系作用。

圖1 中阿拉伯?dāng)?shù)字代表支護(hù)順序，羅馬數(shù)字代表開挖順序。該文以先行洞采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法為例，說明其施工順序，包括以下10 個(gè)步驟：1）先行洞上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑I開挖，并施作相應(yīng)初期支護(hù)1。2）先行洞中臺(tái)階II 開挖，并施作先行洞中臺(tái)階初期支護(hù)2。3）先行洞核心土III 開挖。4）先行洞下臺(tái)階開挖，并施作先行洞下臺(tái)階初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)3。5）澆筑先行洞仰拱二次襯砌及仰拱填充4。6）鋪設(shè)防水層，澆筑先行洞二次襯砌拱墻5。7）后行洞上臺(tái)階V 開挖，并施作后行洞上臺(tái)階初期支護(hù)6。8）后行洞中臺(tái)階VI 開挖，并施作后行洞中臺(tái)階初期支護(hù)7。9）后行洞下臺(tái)階開挖，并施作后行洞下臺(tái)階初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)8。10）澆筑后行洞仰拱二次襯砌及仰拱填充9。11）鋪設(shè)防水層，澆筑后行洞二次襯砌拱墻10。

圖1 先行洞采用3 臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工序圖

在施工中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控結(jié)果及時(shí)調(diào)整開挖預(yù)留變量。隧道洞口施工采用零開挖進(jìn)洞并輔助管棚。隧道洞口淺埋/偏壓采用CDR 開挖、其余級(jí)Ⅴ級(jí)圍巖段采用3 臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖，后行洞采用CD 法開挖。初期支護(hù)錨桿（小導(dǎo)管）按梅花型布置，原則上徑向設(shè)置，并要考慮巖層層面的關(guān)系；為減少后行洞對(duì)先行洞共用側(cè)產(chǎn)生偏壓的影響，共用初期支護(hù)側(cè)拱部采用自進(jìn)式注漿小導(dǎo)管做增強(qiáng)支護(hù)，保證中墻頂巖體的注漿固結(jié)，其余部位采用中空錨桿支護(hù)，為抵抗偏壓、先行洞初期支護(hù)設(shè)置剛度強(qiáng)于后行洞初期支護(hù)剛度，隧道短、埋深淺，巖層風(fēng)化嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能只按照新奧法原則進(jìn)行、初期支護(hù)宜采取強(qiáng)支護(hù)形式，以限制圍巖變形，同時(shí)也應(yīng)采取措施盡量減少擾動(dòng)圍巖，例如徑向注漿中隔墻上三角區(qū)小導(dǎo)管注漿，以減少松動(dòng)荷載，保障結(jié)構(gòu)安全。

2.2 初支施工與搭接點(diǎn)優(yōu)化

金山隧道雙向六車道連拱隧道，屬于大跨度隧道，先行洞承受后行洞偏壓荷載較嚴(yán)重，先行洞與后行洞接頭處彎矩較大，因此對(duì)先行洞二次襯砌與后行洞二次襯砌采取不對(duì)稱厚度設(shè)計(jì)，先行洞靠近中墻側(cè)二次襯砌厚度變大，使二次襯砌抵抗彎矩能力增強(qiáng)，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。對(duì)先行洞二次襯砌配筋也可以根據(jù)實(shí)際圍巖情況，比后行洞配筋略強(qiáng)。早期支護(hù)包括系統(tǒng)錨桿、單層鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼鋼拱和混凝土二次襯砌等[6]。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)為C20，初期支護(hù)為7.5 cm，初期支護(hù)厚度為7.5 cm，第一孔為28 cm，工字鋼為I18 型，間距80 cm；該先導(dǎo)管道是一種具有45 mm 外徑和4.5 mm 壁厚的熱軋無縫鋼管，長度5.0 m，環(huán)距50 cm，外插角10°，表1 列出了早期的巷道支護(hù)參數(shù)。

表1 隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼架單元的劃分是根據(jù)開挖方法設(shè)置并對(duì)應(yīng)，施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整單元長度，并相應(yīng)調(diào)整接頭位置，但不能在拱頂中心處設(shè)置接頭。在鋼拱橋上安裝直徑為φ25mm～30mm 的縱向連接鋼筋，每圈之間間隔65cm。采用內(nèi)貼巖面懸掛鋼筋網(wǎng)，可以改善噴淋混凝土的黏附力，增強(qiáng)初支抗剪、撓度、傳遞錨桿鋼支承，以此來減少懸掛鋼筋網(wǎng)對(duì)巖體表面的影響及限制。噴頭應(yīng)盡可能與巖石平面垂直，噴口與巖石表面的距離通常為0.5m～1.0m。噴射混凝土分段分片由下往上依次進(jìn)行，每個(gè)分段不大于5.5m，每次噴射厚度不小于5.5cm，噴射時(shí)插入長度大于設(shè)計(jì)厚度5.5cm 的鋼絲，每1.5m～3.0m 設(shè)置一條，用于控制施工噴層的厚度；網(wǎng)片由混凝土釘、錨栓、錨桿和鋼支撐等進(jìn)行錨固，以避免混凝土噴射過程中的位移、震動(dòng)，造成混凝土表面開裂、脫落。后行洞鋼拱架間距必須嚴(yán)格與先行洞鋼拱架榀距相對(duì)應(yīng)，保證后行洞鋼架接頭準(zhǔn)確就位，并牢牢固定在先行洞鋼拱架上，達(dá)到共用初期支護(hù)邊墻的目的，形成可靠的支護(hù)體系。襯砌鋼架拱腳接頭處設(shè)置鎖腳小導(dǎo)管，當(dāng)施工落底時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制拱架不下沉變位。后行洞初期支護(hù)準(zhǔn)確就位，拱頂?shù)钠骄谏疃炔淮笥?5cm，邊墻、仰拱和隧底不大于10cm，在開挖過程中，挖掘機(jī)、炮機(jī)不能觸及中導(dǎo)洞的臨時(shí)支護(hù)，以免影響主洞拱頂?shù)闹ёo(hù)。

共用初期支護(hù)位置的移動(dòng)和改變會(huì)導(dǎo)致整個(gè)初期支護(hù)的力學(xué)發(fā)生變化，無中導(dǎo)洞連拱隧道施工的技術(shù)控制難點(diǎn)是后行洞初期支護(hù)拱腳鋼拱架準(zhǔn)確就位在先行洞共用鋼拱架上，在先行洞已施作好的初期支護(hù)上鋼拱架上采用洞外焊接預(yù)埋的方式且連接點(diǎn)不能上下前后變位改變結(jié)構(gòu)受力，從而達(dá)到先、后行洞拱架軸線一致的目的，使后行洞初期支護(hù)快速形成可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

因此，后行洞初期支護(hù)與先行洞的可靠連接是后行洞初期支護(hù)施工技術(shù)的關(guān)鍵，要做到設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確就位，需要注意以下事項(xiàng)：先行洞與后行洞進(jìn)行經(jīng)常性導(dǎo)線聯(lián)測(cè)，保證兩洞測(cè)量放樣和各工序施工精度控制的一致性。在小導(dǎo)管的外形和排列上，縱行小導(dǎo)管之間的交迭長度不少于1m。環(huán)形間隔為25cm～50cm。在注漿前，必須對(duì)采空區(qū)及其基線4.5m范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行噴水或注漿，并檢查注漿器的狀態(tài)，準(zhǔn)備足夠的灌漿材料，注漿后的外插角為15°～30°。先行洞鋼拱架安裝對(duì)后行洞鋼拱架支護(hù)體系就產(chǎn)生了嚴(yán)格的導(dǎo)向和控制作用，因此要嚴(yán)格控制先行洞鋼拱架安裝位置、間距、傾斜度的施工精度，鋼拱架立起后，根據(jù)中線和水平將其校正到正確位置，然后利用徑向定位鋼筋和鎖腳小導(dǎo)管固定，并用縱向連接鋼筋將其和相鄰鋼拱架連接牢固，鋼拱架應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)架設(shè)，并每榀準(zhǔn)確記錄，以利于后行洞初期支護(hù)施工準(zhǔn)確就位。

2.3 微振爆破與隔振措施

控制后行洞施工將會(huì)對(duì)先行洞產(chǎn)生爆破震動(dòng)及偏壓，無中導(dǎo)洞連拱隧道先行洞除了抵抗后行洞傳遞的偏壓荷載外，還需要抵抗后行洞施工的擾動(dòng)，爆破振動(dòng)等帶來的額外荷載，當(dāng)后行洞施工時(shí)，先行洞二次襯砌已經(jīng)施作，二襯襯砌為剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)施工擾動(dòng)和爆破振動(dòng)瞬時(shí)荷載過大時(shí)，易對(duì)先行洞二次襯砌造成損壞，出現(xiàn)裂縫等病害，因此，需要采取相應(yīng)措施保護(hù)二襯襯砌結(jié)構(gòu)，減少瞬時(shí)荷載對(duì)先行洞二次襯砌的破壞[7]。在開挖過程中，土質(zhì)地段以機(jī)械為主，必要時(shí)輔以微量的弱爆破進(jìn)行開挖作業(yè)，巖石地段應(yīng)采用預(yù)裂爆破或光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制超、欠挖。相鄰爆破分段起爆間隔宜不小于100ms。在先行洞二襯測(cè)得的振速應(yīng)≤15cm/s。隔震措施示意圖如圖2 所示。

圖2 隔振措施示意圖（單位：mm）

施工時(shí)，后行洞掌子面與先行洞二襯距離不小于30m 且先行隧道二次襯砌施作完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，才可以進(jìn)行相應(yīng)段落后行隧道的開挖作業(yè)，嚴(yán)禁貫通一幅在施工另外一幅且為了減少后行洞圍巖對(duì)先行洞的偏壓力，使后行洞二襯及早受力，后行洞二襯距離掌子面的距離≤45m。

隔震層在先行洞初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置一層3cm 厚EVA 泡沫減震材料，緩沖后行洞擾動(dòng)和爆破荷載對(duì)先行洞二次襯砌的沖擊，減震材料通過射釘固定與先行洞初期支護(hù)噴射混凝土上。另外在先行洞初期支護(hù)與二次襯砌之間，增設(shè)φ16mm 抗裂鋼筋網(wǎng)（15cm×15cm），在先行洞二次襯砌內(nèi)側(cè)增設(shè)φ8mm 或φ6mm 抗裂鋼筋網(wǎng)（10cm×10cm），增強(qiáng)先行二次襯砌的抗裂能力。

在開挖前，測(cè)量員要確定隧道的中線和軌道的頂面高度，并用紅色顏料繪制輪廓線，以保證開挖斷面的精度。為了保證開挖剖面的精準(zhǔn)施工，必須沿著隧道的開挖輪廓線進(jìn)行施工。挖槽炮眼可按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行，可選用直眼掏槽或斜眼掏槽。副炮孔必須在周圍孔和挖槽之間縱橫交錯(cuò)、均勻分布，以滿足裝碴要求。外周眼和副眼的水平面應(yīng)該是相同的，挖槽的深度是10 cm 左右。在鉆井作業(yè)中，要由專門的人員來指導(dǎo)鉆孔的位置和角度，以保證鉆井的質(zhì)量。要嚴(yán)格控制鉆孔的深度和傾角，挖眼孔的距離不超過5 cm。副眼眼口行距誤差不能超過10 cm，眼眶周圍眼口處的誤差不超過5 cm，眼底的眼底不能超過15cm。在橫截面輪廓線周圍開孔，必須嚴(yán)格控制外插角度，外斜不超過5 cm，以保證前、后兩列炮口的梯級(jí)減少。在基坑表面凹凸不平時(shí)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。鉆孔結(jié)束后，按照井口布置圖進(jìn)行檢驗(yàn)，并作好記錄，對(duì)不合格的要重新鉆孔，通過檢驗(yàn)后才可以上料。清孔將孔中殘?jiān)澳酀{吹出，炸藥由上往下依次排列，炸藥按一定的數(shù)量裝填，并記錄在案，用淤泥填滿25 cm 的槍口。在爆破過程中，必須在工地領(lǐng)導(dǎo)的統(tǒng)一指揮下，疏散所有人員到一個(gè)安全的地方，避免有害氣體、振動(dòng)和飛石的危害。在爆破后，對(duì)爆破的影響進(jìn)行檢驗(yàn)，分析造成不良影響的原因，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性軟硬度、爆破后的碎屑大小，并根據(jù)爆破振動(dòng)速度的變化，適時(shí)調(diào)整單段炸藥量、眼距、雷管段數(shù)。后行洞共用初期支護(hù)表面平整度受先行洞開挖和初期支護(hù)影響，往往后行洞共用初期支護(hù)側(cè)邊墻表面不平整不平順，須先修鑿除軟弱松散夾渣的前期噴射混凝土并清洗，補(bǔ)噴至平整輪廓圓順且不得侵入二次襯砌，從而保證防水板平順無折皺且達(dá)到良好的排水效果，保證二次襯砌厚度均勻且初期支護(hù)間無脫空。

3 結(jié)論

無中導(dǎo)洞連拱隧道具有工序簡(jiǎn)化、施工快速、更利于大型機(jī)械化作業(yè)，拱墻防水各洞獨(dú)立成環(huán)、總體造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但具有施工技術(shù)要求高、施工精度控制難度大、缺乏有經(jīng)驗(yàn)的施工作業(yè)隊(duì)伍等難點(diǎn)，在施工過程中只有做好每個(gè)環(huán)節(jié)的施工技術(shù)質(zhì)量控制工作，不斷在施工中從各方面進(jìn)行總結(jié)，才能實(shí)現(xiàn)無中導(dǎo)洞連拱隧道的順利安全貫通。