淺埋大跨徑連拱隧道施工技術研究

黃遠智

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道工程對于交通行業的發展具有至關重要的作用，其大大縮短了通車里程，節約了運輸過程中的時間成本和燃料成本，具有非常直接的經濟效益和社會價值。從某種程度上來說，隧道工程的質量也標志著一個國家交通運輸行業的發展狀況。近年來，隨著我國隧道工程領域的不斷發展，大量先進的隧道施工技術以及工程管理經驗在不斷地運用并得以推廣，部分隧道工程的核心施工技術在全球范圍內處于行業的領先地位。值得一提的是，在眾多隧道的施工技術中，連拱隧道的施工方案一直都是業內專家和相關技術人員研究的重點項目，經過數十年的不斷研究與探索，現已逐步形成了一整套科學、高效的連拱隧道施工模式，這與我國隧道工程人員多年來的努力是分不開的。

淺埋大跨徑連拱隧道施工在當前我國隧道工程領域中屬于施工難度比較大的工程問題，施工的限制因素有很多，在施工過程中不僅要考慮到施工現場的地質條件、氣候和環境因素，更要考慮到隧道圍巖對施工所造成的諸多影響。淺埋大跨徑的連拱隧道施工一般較為復雜，常規的隧道施工理論與施工技術將不再適用。本文通過對基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工技術的深入研究，提出了保障施工安全性及穩定性的連拱隧道施工模型，并通過具體的工程實例進行驗證，具有一定的應用前景[1]。

1 施工方案可行性評估

連拱隧道的具體施工方案受地形、地質條件的綜合限制。一般而言，基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工應將高速公路設計成上、下行彼此分離的雙向獨立隧道，且隧道間的最小距離不應受到施工的影響。根據隧道基巖、圍巖的成分和性質，以及斷面的尺寸和具體的施工方案，基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工應綜合考慮上述因素。對地勢險峻、脊谷交錯的地域，分離式的路基將不適用于施工，因為其無法滿足左、右洞的間距要求，應采用小徑距和連拱的隧道施工方案為宜。此外，由于小間距的隧道對于中隔墻體雙側的圍巖表面爆破技術有一定的技術要求，使得施工難度進一步加大，而主洞開挖和支護的過程必定會使中間部分的巖體受到擾動，導致巖體的承載能力大大減弱，進而影響隧道整體的穩定性和安全性，需通過額外的加固或支護措施來進一步處理。尤其是對于軟弱圍巖隧道來說，將使工程的投資進一步增加。目前我國對于小間距隧道的施工技術仍沒有完全成熟的配套方案以及相關的技術標準和規范，而對于連拱隧道在各種跨徑下的圍巖尺寸、形狀以及各項支護參數、指標的確定，相關的系統研究還比較缺乏，使得小間距隧道工程的適用領域不夠明確。因此，采用淺埋大跨徑的連拱隧道施工方案應綜合上述各種因素進行全方位的勘測和評估[2]。雙連拱隧道的施工模型如圖1所示。

圖1 雙連拱隧道的施工模型圖

2 施工模擬方案分析

2.1 施工模型搭建

假設隧道圍巖屬于彈塑性，根據以往的施工經驗以及現場的實地施工數據，本次模擬施工的具體條件和力學參數統計如表1所示。約束性條件：該模型雙側為橫向約束，底部為水平約束以及垂直約束、旋轉約束。單元的類型以三邊形單元為主，網格部分應充分考慮計算機容量以及所構造的斷層屬性，可以自動生成加密三邊形單元。因此定義隧道施工穩定性數學模型見式1。

表1 力學參數統計表

G=A(x)=α+β(x)=0

(1)

式中，G——隧道施工的綜合穩定程度；

A——x的函數；

x——隧道圍巖的強度；

α——隧道基巖強度；

β——隧道周圍巖體受力[3]。

2.2 模擬結果分析

中導洞開挖過程相對于圍巖應力以及位移應無較大的變化，這是由于中導洞一般為小洞徑的隧道開挖，且中隔墻主要承載自重，因此模型中引起圍巖應力位移變化不大。開挖過程使得左邊導洞拱頂下沉約7 mm左右，右邊拱頂下沉約為8 mm左右，但均符合《公路隧道設計規范》中對埋深的要求，并且符合Ⅳ類圍巖相對位移的約束值[4]。

3 工程實例驗證

以廣西南寧小明山隧道為例進行驗證，該隧道分為上、下行雙向4車道連拱隧道，進口設計樁號為K75+220，出口設計樁號為K75+485，隧道全長285 m，行車道基線間距為4.8 m，底板高程348.50～353.55 m。該隧道的最大埋深約為16 m左右，屬于典型的淺埋大跨徑連拱隧道。隧道地處低山區，多為起伏地貌，人工進行填土所得到的地質成分差異性較大，屬于典型的不穩定土體結構。此外，超風化巖的穩定性較差，在飽和的情況下如果受到施工的擾動則強度會大幅下降，而輕風化巖的巖面埋深大概在3～6 m之間。小明山隧道主要經過輕風化巖層，由于地質構造的原因，該層多為不同風化程度的軟弱夾層，且夾層厚度較小[5]。

3.1 施工要點解析

施工過程中通過臺階法開挖，中導洞以及中隔墻首先進行開挖，隨后進行左、右兩邊洞體的開挖，各洞又分為上、中、下三部分臺階。此施工方法較為簡便，但需要注意的問題是，在主洞開挖并進行支護以后，中隔墻便開始承重，在其頂部和底部的圍巖中會出現較高的應力承載區域，尤其是頂部的圍巖所產生的應力比較集中。在實際施工過程中，掌子面的穩定性將會減弱，由于周邊巖體的形變量較大，因此應注意這種情況下所產生的安全隱患。

3.2 力學結構分析

通過對小明山連拱隧道施工過程的詳細分析可知，隧道周邊巖體的應力主要集中在開挖面附近，在邊墻、底板交界的轉角位置以及在導洞的拱頂部位、斷面底板部位均有拉應力集中形成的現象。采用連拱隧道施工方案時，位于側導洞上方的拉應力并未覆蓋隧道的全斷面，因此開挖側導洞對全斷面隧道的頂部影響不大。而邊緣和拱底轉角位置以及中隔墻的底部均分布有一定的應力，但對隧道基巖開挖時應力的分布影響效果不明顯，這是因為左、右邊墻的橫向收斂將在主洞頂部開挖時發生，隨后收斂值緩慢變小[6]。常見的隧道力學結構分析如圖2所示。

圖2 常見的隧道力學結構分析圖(cm)

3.3 支護措施

隧道開挖后會形成很多新的空洞，這對于隧道周圍的巖體原有的平衡狀態較為不利，導致隧道周圍巖體的應力發生變化，可能會造成圍巖形變和塌方。為使圍巖形變以及塌方得到有效控制，應采取必要的措施進行支護。由連拱隧道初始設計方案可知，應通過噴錨以及拱架的方式來對隧道圍巖進行支護，最大程度地保留圍巖的初始狀態并發揮其良好的自承能力，有效控制圍巖形變以及塌方等事故的發生。應該注意的問題是，錨桿的初期支護有懸吊和加固的作用，而混凝土的噴涂工序可將圍巖裂縫進行良好的填充并加固，以防止圍巖風化情況的發生[7]。

4 施工方案優化

原始設計方案中對中導洞先行開挖，中隔墻的施工緊隨其后，間距為8 m左右；而在實際施工過程中，中導洞因其斷面較小，在中隔墻施工結束后兩邊僅剩大約1 m的空間，只能容部分施工機械以及施工人員進出，中隔墻施工車的安裝會影響正常的施工。通過對施工數據反復對比和精確計算，計劃將<150 m的一側隧道入洞，當中導洞疏通之后再進行中隔墻的施工，但長度在150～350 m范圍內的隧道應從兩側入洞，且其中一側進入約一半時，從里向外對中隔墻開始施工。這種方法便于施工且能夠保證工期[8，9]。

5 結語

本文通過對基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工技術進行深入研究，總結并歸納了此類隧道在施工過程中須注意的事項；通過對具體工程實例的可行性評估來分析施工過程中存在的問題，并以模擬施工模型的搭建來對基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工進行模擬分析，同時對施工的核心技術要點、物理力學參數以及施工過程中的支護措施進行了闡述；最后通過工程實例進行驗證，提出了基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工的優化方案。本文對國內同類工程的施工以及相關的技術研究具有一定的參考價值。