大斷面小間距隧道施工技術

李正義

(中交一公局廈門工程有限公司　福建廈門　361021)

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大斷面小間距隧道施工技術

李正義

(中交一公局廈門工程有限公司福建廈門361021)

大帽山隧道大斷面、小間距，為國內擴建工程首例。文章依據工程實際存在的問題提出針對性的施工方案，詳細介紹了其施工方法以及新工藝、新設備、新材料的運用，并總結了該工程若干施工經驗。

大斷面；小間距；隧道；施工技術

0　引言

近年來，隨著我國社會經濟的不斷進步，高速公路建設也在迅速發展。一些大中城市交通量日益增加，建設于20世紀的高速公路越來越難滿足交通量需求，于是高速公路擴建工程也逐漸開始興建。擴建工程具有能夠維持現有交通，降低施工成本的優點，但同時也存在著施工干擾大，技術難度高的特點，特別是隧道工程的改擴建無論在設計方面還是施工方面技術都不夠成熟，缺少借鑒經驗，甚至有些施工方法還處在探索階段。本文通過對我國首座大斷面小間距隧道的施工技術進行總結，積累一些好施工經驗，目的在于為以后高速公路擴建施工提供一些參考依據，使擴建工程施工技術不斷完善。

1　工程概況

大帽山隧道為泉廈高速公路擴建工程，擴建方案為在原兩洞之間新建一座4車道隧道，并將右洞擴建為4車道，形成了大斷面小間距隧道群，從左至右有：原左洞兩車道隧道，新建4車道隧道和擴建4車道隧道。兩車道左線隧道與新建4車道隧道的行車道中線間距為23.53m，新建與擴建4車道隧道的行車道中線間距為29.61m，其關系如圖1所示。

圖1　大帽山隧道洞室位置關系圖(單位：米)

大帽山隧道區屬構造剝蝕微丘地貌，地處大帽山體與石崛山體鞍部，山包呈渾圓狀，最大高程147m，山坡坡度一般為15°～25°。地表植被較發育，現有洞口邊坡穩定。隧道穿越的地層巖性為強～弱風化的花崗巖。

隧道長度及圍巖類別情況見表1。

表1　隧道長度及圍巖類別統計表　m

2　問題提出

(1)大帽山隧道為既有高速公路改擴建工程，其中左洞為新建4車道隧道，右洞為原位擴建隧道，隧道施工將對既有高速公路行車造成影響；

(2)新建隧道與擴建隧道均為大斷面扁平隧道，在沒有太多設計經驗及施工經驗可借鑒的情況下，隧道的開挖及支護方案是工程的難點；

(3)新建左線隧道與原有左線隧道的凈距僅5.89m，新建左線隧道與擴建右線隧道的凈距僅8.83m，屬于小凈距隧道，隧道施工會對既有隧道安全產生影響；

(4)由于大帽山隧道為國內首座大斷面小間距隧道，在保證隧道安全的前提下，調整設計參數，優化施工方案是隧道節約施工成本、提高經濟效益的保證。

(5)采用先進的施工工藝及設備，是隧道順利建成的重要條件。

3　方案確定

針對以上在施工過程中面臨的問題，設計單位首先在設計文件中提出了建議性方案，在施工過程中，業主、設計、監理及施工單位根據隧道的實際情況對設計參數進行了優化，并對施工方案進行動態調整，經過了專家、學者的反復論證，最終使得施工方案逐步完善，保證了隧道的勝利建成。

大帽山隧道總體施工方案為：先進行隧道左線施工，左線建成通車后再進行隧道右線施工。隧道采用進出口雙向掘進，洞身根據隧道的圍巖情況采取分部法開挖，其中新建隧道Ⅴ級圍巖采用雙側壁導坑法開挖，雙層初期支護；Ⅳ級圍巖在巖體采用單側壁導坑法開挖，單層初期支護；Ⅱ、Ⅲ級圍巖原則上采用分部上下臺階法施工，單層初期支護，如遇巖體變化，采用單側壁導坑法施工，單層初期支護[1]。

擴建的隧道各級圍巖均采用單側壁導坑法開挖，單層初期支護。

在洞身開挖之前，根據圍巖的不同情況采取了相應的輔助施工措施：Ⅴ級圍巖洞口段采用Φ108mm注漿大管棚超前支護，洞身地段采用Φ50mm注漿小導管超前支護，Ⅳ級圍巖以下采用超前錨桿支護。Ⅴ級圍巖以機械開挖為主，局部實施低振動的松動爆破，Ⅳ級圍巖以下根據圍巖情況原則上采用光面控制爆破。

為了確保高速公路運營安全，同時確保隧道施工安全，在施工過程中，采取爆破震動監測及圍巖監控量測來指導施工，從而也驗證大帽山隧道開挖及支護方案的合理性及可行性。

4　施工方法

4.1隧道的總體施工順序及交通組織

大帽山隧道是在邊通車邊施工的條件下進行的，隧道的施工不能影響高速公路正常運營，這就要求隧道必須安排好合理的施工順序，同時采取有效的交通組織形式，保證施工順利進行[2]。

施工順序：既有隧道左右洞維持交通正常運行，先新建隧道左線，待左線建成通車后，將既有高速公路右線車輛改至新建隧道左線，進行右線隧道擴建施工，原高速公路左洞車輛保持不變。這樣施工對既有高速公路正常運營幾乎不產生影響，但交通會給施工帶來很大困難，因為新建左線位于既有高速公路中央隔離帶內，施工場地受到限制，同時隧道施工出渣進料會受到既有交通干擾，施工工期較長。為了解決這個問題，采取了以下措施：①隧道采取進出口雙向施工的方式，開創兩個工作面，加快了施工進度；②隧道進出口施工場地沿高速公路中央隔離帶狹長布置,風水電靠近洞口布置,機械場、維修間、材料庫、拌和站等遠離洞口布置，經過合理布局，保證施工順利進行；③在高速公路中隔帶修筑施工便道，利用既有高速公路下穿通道作為施工出渣進料通道，必要時，將高速公路臨時改線，修筑臨時通道，解決隧道交通運輸問題。

4.2大斷面小間距隧道的開挖及支護方法[3]

4.2.1洞口工程

大帽山隧道洞口圍巖為強風化花崗巖，洞頂覆蓋殘積土，節理裂隙發育，屬V級圍巖。在進行隧道洞口開挖之前，首先做好高速公路的安全防護工作，在靠近高速公路一側設置防護網，防止滾石滑落。對原隧道邊仰坡面進行清理，除去覆土及浮石，進行坡面防護。坡面采用噴射C20砼、加掛鋼筋網錨桿支護，局部破碎處采用小導管注漿加固。

洞口邊仰坡開挖支護完成后，在隧道進洞前必須先進行隧道的預加固工作，洞隧道開挖輪廓線采用長管棚進行加固，管棚長度40m，鋼管規格Φ108mm,壁厚6mm。鋼管環向間距40cm。同時在新建隧道與既有隧道之間中夾巖采用Φ76mm導管注漿進行加固，長度20m，巖隧道軸向布置，長度20m，鋼管間距1*1m，梅花型布置。

4.2.2洞身工程

針對隧道大斷面的特點，洞身開挖后最大凈空達21m，如果將洞身一次開挖到位，隧道的圍巖很難形成自穩條件，極易造成隧道塌方，所以在隧道施工過程中，根據隧道的圍巖情況，將大斷面分解為小斷面，采取分部開挖，分部支護的方式。圍巖越差，分部越多，斷面越小，其中V級圍巖采用了雙側壁導坑法開挖及支護，IV級圍巖采用了單側壁導坑法開挖及支護，Ⅲ級及Ⅱ級圍巖采用了左右分部臺階法開挖及支護。

(1)新建隧道(V級圍巖)開挖及支護

下列順序應在施工輔助措施完成并達到相應強度要求后進行；一次開挖長度應小于1m。

圖2　隧道開挖及支護

①開挖右側導坑上臺階；

②施工右側導坑上臺階的初期支護、臨時支護、臨時仰拱、鎖腳錨桿；

③開挖右側導坑下臺階；

④施工右側導坑下臺階的初期支護、臨時支護、鎖腳錨桿；

⑤施工左側導坑上臺階；

⑥施工左側導坑上臺階的初期支護、臨時支護、臨時仰拱、鎖腳錨桿；

⑦開挖左側導坑下臺階；

⑧施工左側導坑下臺階的初期支護、臨時支護、鎖腳錨桿；

⑨開挖中部導坑上臺階；

⑩施工拱部初期支護；

(2)擴建隧道(IV級圍巖)開挖及支護(擴建)

下列順序應在施工輔助措施完成并達到相應強度要求后進行；一次開挖長度應小于1m。

①回填原隧道至拱腰；

②機械拆除原隧道支護部分；

③開挖左側導坑上臺階；

④施工左側導坑上臺階初期支護、臨時支護和鎖腳錨桿；

⑤開挖左側導坑下臺階(包括原洞路面及二襯)；

⑥施工左側導坑下臺階初期支護、臨時支護和鎖腳錨桿；

⑦開挖右側導坑上臺階；

⑧施工右側導坑上臺階的初期支護、臨時仰供、鎖腳錨桿；

⑨開挖右側導坑下臺階；

⑩施工右側導坑下臺階的初期支護、鎖腳錨桿；

4.3小間距隧道中夾巖的加固措施

由于新建隧道與原隧道及擴建隧道距離較近，新隧道開挖后造成洞壁圍巖松動，為了保證隧道的穩定和施工安全，洞身開挖前需對隧道中夾巖進行預加固。

4.3.1洞口段加固方案

隧道洞口段圍巖為風化花崗巖，節理裂隙發育，中夾巖巖性較差，為了保證中夾巖穩定，使其起到支撐作用，在隧道進洞前，采用Φ76鋼管對隧道中間巖柱進行預加固，鋼管長度20m，沿隧道軸線方向設置，間距1m*1m，梅花型布置(圖3)。

4.3.2洞身段加固方案

隧道進洞后，新建左幅隧道位于兩原隧道之間，采用雙側加固，新建右幅隧道位于原右線隧道的右側，采用單側加固，Ⅴ級圍巖地段采用Φ50mm注漿小導管加固，導管長度6m，環向間距0.5m，縱向間距1.0m，梅花型布置。IV級圍巖在段采用Φ25脹殼式預應力錨桿，張拉力為80kN，錨桿長度5m，間距1m，梅花型布置。同組錨桿同時張拉，為了防止錨桿張拉產生應力集中現象，在同一截面上先進行1、3、5錨桿張拉，后進行2、4錨桿張拉，在張拉過程中對巖柱的穩定進行觀測(圖4)。

圖3　洞口段中夾巖加固圖

圖4　洞身段加固圖示

4.4微震爆破

大帽山隧道屬超小近距隧道，無論是新建隧道還是擴建隧道施工時，均會對相鄰隧道產生較大的震動干擾，尤其是爆破作業顯得更具明顯，甚至起破壞作用。針對爆破影響，本隧道采用微震光面爆破或預裂爆破，有效地減輕了震動影響，減小對圍巖的擾動，亦是保證本隧道施工安全的重要措施。其施作要點如下：

(1)加強爆破震動地震波測試，將爆破振動監測作為關鍵工序納入施工組織，根據不同圍巖等級調整優化爆破參數，確保相鄰隧道的安全。

(2)實施微差爆破，把一次爆破的許多炮孔分為若干組，按先后順序起爆，以達到改善破碎質量和降低爆破震動的目的(圖5)。

(3)合理安排段間隔時差。為避免爆破震動波形疊加，降低爆破震動強度，毫秒雷管跳段使用，段間隔時差控制在50ms。

圖5　微差爆破炮眼布置圖

(4)根據以往施工經驗，爆破產生大振速部位通常為：掏槽爆破、底板或底角爆破、周邊光面(預裂)爆破。復雜環境下隧道爆破開挖過程中,本工程采用合理的掏槽方式,并進行掏槽眼的參數優化以控制爆破地震危害。

(5)加強炮孔堵塞，以提高炸藥的利用率，有效降低單位耗藥量，減少震動速度。

(6)若爆破震動超過規范允許值，分析原因，查明事實，調整鉆爆方案。如：

①設置干擾減振孔，周邊施打減振孔可以減振 30%～50%。

②調整爆破工程傳爆方向：優化掏槽位置、裝藥結構和起爆順序。

③調整優化微差間隔時間，提高爆破地震波的振動頻率。

4.5監控量測及爆破震動監測

4.5.1監控量測

為確保大斷面小間距隧道的施工安全及減小對既有高速公路通車運營的影響，需要將監控量測工作貫徹始終，重點觀測隧道圍巖的變形情況及支護體系受力情況。在大帽山隧道施工過程中，采用了非接觸量測法對隧道地表沉降、周邊位移、拱頂下沉進行變形觀測，測點斷面Ⅱ級及以上圍巖不小于40m；Ⅲ級圍巖為不大于30m；Ⅳ級圍巖為不大于20m；Ⅴ級圍巖應小于10m，圍巖變化處適當加密。同時采用錨桿軸力計、頻率儀及壓力盒等對圍巖受力情況進行量測，一方面為隧道的施工安全提供了有利的保證，另方面檢驗了隧道施工方案及設計參數的合理性，為優化施工方案及調整設計參數提供了可靠的依據(圖6、圖7)。

圖6　隧道拱頂下沉測點布置圖

圖7　隧道周邊位移測點布置圖

4.5.2爆破振動監測技術

在本工程中隧道爆破振動的影響包括兩方面：一是施工隧道內的影響，隧道開挖時對本身洞壁巖體(塌方、冒頂，側壁可能出現的塌方、失穩等)的影響，對先行施工隧道臨時支護、初期支護、二襯混凝土的結構完整性和穩定性影響，洞內機械電力設備的安全影響；二是臨近隧道的影響，對臨近隧道內的結構和設施的影響。

(1)監測儀器

采用UBOX20016型(6臺)及IDTS3850型(6臺)爆破震動監測專用儀器(共12臺)。

(2)測點布置

根據爆破振動監測的要求，按圖7進行相臨隧道內的爆破振動測點的布置，每個隧道斷面內布置3個監測點，每個點布置3個速度傳感器，其中垂直速度傳感器1個，水平速度傳感器2個，每隔20m布置1個斷面。

爆破施工隧道內的監測斷面測點布置按接近爆破區的拱頂、拱腰和拱腳進行布置。洞內監測斷面的測點布置見圖8所示。

圖8　相臨隧道內爆破振動測點布置圖

(3)監測結果分析

采用薩道夫斯基公式擬合。

薩道夫斯基經驗公式：

式中：v——質點速度，cm/s；

Q——次爆破最大藥量，kg；

R——測點到爆心的距離，m；

dk——與地質條件、爆破方法有關的系數；

α——與地質條件有關的地震波衰減系數。

圖9　液壓襯砌臺車結構示意圖

5　設計參數及施工方案優化

根據前期隧道洞口Ⅴ級圍巖段施工結果分析，隧道在洞口破碎圍巖中采用小斷面側壁導坑法開挖，實施微震爆破，加強初期支護的施工方案是合理穩妥的，能夠保證大跨度隧道施工安全及既有隧道的行車安全，但缺點是施工工序復雜，各工作面相互干擾，施工進度緩慢，隨著隧道開挖向前延伸，圍巖巖性逐漸轉好，由原Ⅴ級向Ⅳ、Ⅲ級過渡，如果仍然采用側壁導坑法開挖，很難保證施工工期。通過隧道專家、學者及業主、設計、監理、施工單位對前期隧道施工及監控量測結果分析研究，結合大跨度小間距隧道施工經驗，對大帽山隧道Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖段施工方案進行優化，總體施工方案優化為：

(1)隧道Ⅳ級圍巖采用上中下臺階法分部開挖及支護；

(2)Ⅲ、Ⅱ級圍巖采用上下臺階法分部開挖及支護；

(3)將隧道洞口段V級圍巖雙層初期支護調整為單層初期支護，取消洞口段雙側壁法左右導洞臨時仰拱支撐，但中導洞臨時仰拱支撐進行保留；

(4)在隧道施工過程中，根據圍巖的變化對施工方案進行動態調整；

(5)在施工過程中需加強圍巖及爆破的監控量測，以驗證開挖及支護效果。

通過前期爆破震動監測結果及量測結果，將原設計規定的爆破振速允許值由10cm/s調整為20cm/s，既保證既有隧道行車安全，又保證隧道爆破開挖效率。

6　新工藝、新設備、新材料的運用

結合大帽山隧道大斷面的結構特點，隧道施工采取了分部開挖，整體襯砌的施工方法。根據以往隧道的結構形式，隧道的襯砌臺車一般為兩車道襯砌臺車，而本隧道成功采用了4車道襯砌臺車的新型設備，為隧道順利建成提供了有利的保證。

臺車各部件組成情況：

本臺車由模板總成、托架總成、平移機構、門架總成、主從行走機構、側向液壓油缸、側向支承千斤、托架支承千斤、門架支承千斤等組成，如圖9所示。

模板總成：模板由3塊頂模及兩塊邊模構成橫斷面，頂模與頂模之間通過螺栓聯成整體，邊模與頂模通過鉸耳軸聯接。每節模板做成1.5m寬，由多節組合而成，縱向由6節1.5m組合成9m襯砌長度，模板之間皆由螺栓聯接。面板采用12mm鋼板，模板上開有呈品字型排列的工作窗，頂部安裝有與輸送泵接口的注漿裝置。

托架總成：托架主要承受澆鑄時上部混凝土及模板的自重，它上承模板，下部通過液壓油缸和支承千斤傳力于門架。托架由3根縱梁、2根邊橫梁、多根中橫梁及立柱組成。縱梁由12mm和14mm鋼板焊接成9 000×500×300的工字形截面；邊橫梁及多根中橫梁由25b#工字鋼制造；立柱由16#工字鋼制造。

7　經驗總結

大帽山隧道作為國內高速公路上第一條大斷面小間距隧道，雖然其地質條件差，施工工藝復雜，施工難度大，但通過精心組織，科學施工，最終勝利建成通車。技術上歸納起來主要在以下幾個方面：

(1)建立合理的施工組織。隧道是在高速公路邊通車邊施工的條件下進行的，受施工安全風險大及施工干擾大等因素的影響，隧道施工前必須建立合理的施工順序及科學的交通組織，選用有經驗的施工隊伍，建立合理的施工體系，確保施工質量及安全。

(2)確定科學的施工方案。針對隧道大斷面的特點，將隧道開挖及支護進行分解，采用分部法開挖及支護，降低施工難度及安全風險。Ⅳ級以上的圍巖采用CD法或CRD法施工，必要時采用雙側壁導坑法施工，Ⅳ級以下的圍巖采用臺階法分部開挖及支護，加快施工進度。針對隧道小間距的特點，在隧道開挖之前預加固，隧道開挖之后強支護。洞口段采用長管棚對中夾巖進行加固，洞身段采用小導管注漿及預應力錨桿對中平巖進行加固，保證隧道支撐體系穩定。

(3)采取有效的監控措施。本隧道在施工過程中，圍巖監控量測及爆破振動監測一直貫穿始終。為了確保監控數據的準確性及科學性，分別將監控量測及爆破振動監測委托專業的科研單位進行實施，通過信息反饋指導施工，驗證施工方案的合理性，確保施工安全。

(4)進行科學的試驗及優化施工方案。在進行隧道爆破開挖前，通過爆破試驗來調整爆破參數，驗證爆破開挖對既有高速公路行車的影響，保證施工安全。同時在隧道施工過程中，根據圍巖的實際情況，對設計參數進行動態調整，優化施工方案，階段性地總結施工經驗，為后續工程提供參考依據。

(5)推動新工藝、新材料、新設備在隧道施工中的運用。由于大帽山隧道為國內首座大斷面小間距隧道，其施工方法本身就是一項新的施工技術。在施工過程中，采取了微震控制爆破、鋼纖維噴射混凝土及大型襯砌臺車等新工藝、新材料、新設備等，在以后的施工過程中，這些新的技術也將會進一步被運用推廣。

8　結語

大帽山隧道是泉廈高速公路擴建工程的重點控制性項目，其成功建成不僅為泉廈高速公路順利通車創造了有利的條件，而且為我國高速公路擴建工程施工技術提供了寶貴的經驗。然而，本隧道作為大斷面小間距隧道，在國內擴建工程中還是首例，設計及施工都處于試驗性階段，所以在施工技術方面有需要進一步完善。本文對隧道施工技術進行了總結，目的是為以后的擴建大斷面小間距隧道提供參考經驗，但也同時希望隧道的設計與施工技術在以后的工程中不斷優化，不斷改進，使得擴建工程隧道施工技術逐步走向成熟。

[1]JTG F60-2009，公路隧道施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術細則[S].北京：人民交通出版社， 2009.

[3]黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社,2001.

The Technology of Large Cross-section and Small Spacing in Tunnel Construction

LI Zhengyi

(The First Highway Engineering Bureau of China Communication Constraction Xiamen Engineering Co.,Ltd.,Xiamen 361021)

Damaoshan tunnel reconstruction project is the first application of large cross-section and small spacing technology engineering in china.The article puts forward the corresponding construction scheme according to the problems existing in the practical engineering,detailed introduces the construction methods and the use of new technology,new equipment,new material,and summarizes some construction experience for the project.

Large cross-section; Small Spacing; Tunnel; Construction Technology

李正義(1978.3-)，男，工程師。

E-mail:282003270@qq.com

2016-03-30

U455

A

1004-6135(2016)08-0088-07