城市淺埋大斷面隧道穿越不良地質施工技術探討

高吉才

（徐州市城市管理局，江蘇 徐州 221018）

0 引言

近年來，城市多車道大斷面隧道所占的比例越來越多,這些隧道跨度及施工難度大，尤其當隧道穿越淺埋地段時，施工方法不當可能導致隧道出現滑坡、坍塌、襯砌開裂變形等病害，影響隧道結構的完整性、耐久性及使用性。

徐州市黃河路貫通工程拖龍山隧道最大開挖斷面寬19.5 m，高13.0 m，隧道埋深2.4～37.2 m。地層和地質構造復雜，存在坍塌和冒頂風險，因此，加強施工技術措施研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 工程概況

徐州市黃河路為新建城市主干道，采用隧道工程穿越拖龍山。隧道埋深為2.4～37.2 m，最大開挖斷面寬度為19.5 m，高度為13.0 m，左右線最小線間距5.05 m，長約470 m，屬淺埋、大斷面、小凈距巖質短隧道。隧址區主要以中風化灰巖及角礫巖為主，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖交替，且洞身段穿越F1斷裂帶，斷裂帶內為角礫巖，泥質膠結，巖體破碎，裂隙發育，巖質疏松，圍巖穩定性差。物理力學參數如表1所示。

表1 拖龍山隧道巖石參數表

2 隧道穿越不良地質總體施工方案

施工時由進口端向出口端單向掘進，按新奧法原理組織施工，進、出口端洞口淺埋段采用超前大管棚超前支護，同時采用CRD法進洞及出洞；洞內Ⅴ級圍巖段采用雙側壁導坑法，Ⅳ級圍巖段采用CRD法。Ⅴ級圍巖地段以機械開挖為主，當必須爆破時，堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”的原則，采用微震動控制爆破。Ⅴ級圍巖雙側壁導坑法開挖時，每進尺1～1.2 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對掌子面進行封閉；Ⅳ級圍巖地段CRD法開挖時，每進尺1.6～1.8 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對掌子面進行封閉；不管是雙側壁導坑法開挖還是CRD法開挖，在開挖過程中均設置有臨時仰拱及臨時支撐。

為減少隧道左、右洞施工過程中的相互不利影響，右洞先行進洞，左洞滯后2個月進洞,同時后行洞掌子面滯后于先行洞二次襯砌不小于30 m。

施工中嚴格控制掌子面、初期支護、仰拱及二次襯砌之間的距離。雙側壁導坑法掌子面距初期支護封閉位置的距離小于25 m，掌子面距二次襯砌的距離小于40 m；CRD法掌子面至初期支護封閉位置的距離小于35m，掌子面至二次襯砌的距離小于50 m。隧道每循環開挖進尺不大于1倍鋼架間距，仰拱每開挖進尺不大于3 m。

施工中將超前地質預報作為一項工序納入施工組織與管理,起到指導施工的作用。在施工過程中必須通過圍巖與支護的變形和圍巖壓力、鋼架內力、噴射混凝土內力等應力的監測結果，對原設計予以修正。

3 隧道穿越不良地質的超前支護方案

3.1 洞口淺埋段超前大管棚支護

為防止隧道洞口拱頂巖層坍塌和地表下沉，采用超前大管棚支護，該方法具有以下優點：（1）能夠承載較大的上部荷載；（2）可以起到加固巖體和止水作用；（3）可以減少預支護循環次數，加快施工進度；（4）能夠通過專項導向儀精確控制管棚鋼管鋪設的軌跡線，確保管棚鋼管按設計要求鋪設，有利于控制隧道施工時的開挖量，減少施工成本；（5）施工效率比較高，大幅度地減少隧道開挖過程中輔助時間，提高施工效率[1]。

隧道進口端40 m、出口端25 m范圍內分別采用超前大管棚輔助進洞及出洞。大管棚采用自行式鉆灌一體機施作，管棚布置如圖1所示，按設計在隧道拱部120°范圍內設置φ108 mm（t=6 mm）長管棚超前支護，其環向間距40 cm，外插角1～3°。

圖1 洞口淺埋段管棚布置圖

超前大管棚由鋼花管和鋼管交錯布置組合而成，施工時先打設鋼花管并注漿，然后打設鋼管，以便檢查鋼花管的注漿質量。鋼管及鋼花管在專用的管床上加工好絲扣，鋼花管四周應鉆設孔徑10～16 mm注漿孔（靠孔口110 cm處的棚管不鉆孔），孔間距11 cm，呈梅花型布置。

大管棚注漿時，為防止串漿，鉆完孔后，隨即安裝該孔鋼管并注漿，然后再進行下一孔施工。水泥漿液的水灰比控制在1∶1，注漿初壓力為0.5～2.0 MPa，終壓力為2.0～2.5 MPa，注漿結束后用M10水泥砂漿填充，以增強管棚強度。注漿從低向高進行，漿液由稀到濃,一般單管達到設計注漿量作為注漿結束的標準。

3.2 超前小導管注漿預支護

超前小導管注漿預支護可以穩定掌子面前方的巖體，控制圍巖開挖松弛、崩塌和拱頂沉降。超前小導管注漿預支護具有以下優點：小導管注漿的方式比較簡單，機械設備常見，總體費用較經濟；對隧道其他施工工序影響較小，能適應隧道施工的窄小環境；小導管注漿加固巖體效果明顯，能有效控制隧道變形，具有良好的止水效果[1]。

拖龍山隧道施工過程中穿越斷層破碎帶時隧道拱頂120°范圍內設置雙層超前小導管，穿越IV級圍巖段時隧道拱部120°范圍內設置單層超前小導管。雙層超前小導管環向間距0.3 m，縱向間距3 m，外插角為40°和5～10°交錯布置，采用外徑φ50 mm，壁厚5 mm，長5 m的無縫鋼管；單層超前小導管環向間距0.4 m，縱向間距3 m，外插角為5～10°，采用外徑φ42 mm，壁厚3.5 mm，長4.5 m的無縫鋼管。施工中利用小導管向地層注漿。注漿漿液采用水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。

4 隧道穿越不良地質的開挖支護方案

不管是雙側壁導坑法開挖還是CRD法開挖，拖龍山隧道在開挖過程中均設置臨時仰拱和臨時支撐。臨時仰拱和臨時支撐能有效緩解支護結構的水平收斂，減少隧道圍巖變形，保證隧道施工過程中的安全和質量。

4.1 Ⅴ級圍巖雙側壁導坑法開挖支護

隧道穿越V級圍巖段采用雙側壁導坑法施工，采用弱爆破及機械開挖。爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。詳見圖2和圖3雙側壁導坑法施工工序圖。

圖2 雙側壁導坑法施工橫斷面示意圖

4.2 施工步驟：

（1）開挖①部，同時，每進尺1.0～1.2 m，掌子面噴8 cm厚混凝土封閉。

（2）施作①部導坑周邊的初期支護和臨時支護，架立鋼架（包括導坑的臨時鋼架及臨時仰拱），設置鎖腳鋼管。

（3）鉆設徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

（4）按步驟1開挖施工②③④⑤⑥部，先后噴混凝土至設計厚度。

（5）兩臺階法施工第⑦、⑧部。

（6）噴8 cm厚混凝土封閉掌子面。

（7）導坑底部安設鋼架封閉成環，復噴混凝土至設計厚度。

（8）灌筑Ⅸ部仰拱，待砼強度達到設計強度后，逐步拆除臨時鋼架。

（9）灌筑Ⅹ部隧底填充。

（10）根據監控量測結果分析，待變形收斂后或根據需要，利用襯砌模板臺車一次性灌筑Ⅺ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

圖3 雙側壁導坑法施工平面示意圖

4.2 Ⅳ級圍巖CRD法開挖支護

隧道穿越IV級圍巖段采用CRD法施工。開挖時采用弱爆破，爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。詳見圖4和圖5交叉中隔壁（CRD）法施工工序圖。

圖4 CRD法施工橫斷面示意圖

圖5 CRD法施工平面示意圖

4.3 施工步驟：

（1）利用上一循環架立的鋼架施作隧道主體結構超前支護。

（2）分臺階開挖①、②、③部，同時，逐步施作導坑周邊的主體結構的初期支護、中隔壁臨時支護及臨時仰拱，初噴混凝土，架立隧道鋼架和接長臨時鋼架，鉆設徑向系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

（3）分臺階開挖④、⑤、⑥部，除中隔壁部分臨時鋼架已施工完畢外，其余步驟均與①、②、③部施工工序相同。

（4）仰拱開挖每循環進尺不超過3 m。開挖完成后以最快的速度完成仰拱二襯施工。

（5）灌筑該段內Ⅷ部仰拱填充，需待仰拱填充砼達到設計強度后，方能拆除此段的中隔壁臨時支撐。

（6）上述步驟逐步循環，并根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，利用襯砌模板臺車一次灌筑Ⅸ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

隧道在穿越Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖段時分別采用雙側壁導坑法和CRD法開挖。開挖過程中的初期支護參數如表2所示。

表2 初期支護主要參數表

5 監控量測與對比分析

監控量測是隧道新奧法施工的重要環節，拖龍山隧道監控量測主要包括拱頂下沉、凈空收斂和地表下沉，洞內拱頂下沉和凈空收斂布置在同一斷面，沿縱向布置。Ⅴ級圍巖段，每10 m布設一個監測斷面，每個斷面布設3個拱頂下沉測點及3條凈空收斂觀測線；Ⅳ級圍巖段，每20 m布設一個監測斷面，每個斷面布設2個拱頂下沉測點及4條凈空收斂觀測線。

地表沉降觀測測點與拱頂下沉及凈空收斂量測測點布置在同一斷面內。橫斷面方向由隧道中線向兩側隧道范圍內每2～3 m設一個測點，推測滑移線范圍內其它測點按照3～5 m間隔布設。

經歸納整理現場監控量測相關數據，得出隧道在穿越不良地質施工過程中地表沉降最大斷面的累積沉降量為18 mm，拱頂下沉最大斷面的累積沉降量為19.2 mm，凈空收斂最大斷面的累計變化值為16.9 mm,均能滿足規范要求。

6 結論與建議

淺埋、大斷面隧道在穿越不良地質施工時，洞口淺埋段采用超前大管棚支護，洞內不良地質段采用超前小導管注漿預加固技術，雙側壁導坑法、CRD法開挖支護設置的臨時支護和臨時仰拱，可有效的控制隧道的收斂和拱頂沉降及地表下沉。施工過程中的監控量測數據表明拱頂下沉、水平收斂及地表沉降均處于穩定狀態，且施工過程中均未出現初期支護開裂、洞頂覆蓋層塌陷等安全、質量問題，充分說明隧道在穿越不良地質過程中所采用的施工技術措施合理可行，方案安全可靠。