大跨分岔隧道快速施工技術

胡詩魁

(梅溪湖投資(長沙)有限公司， 湖南 長沙 410000)

為緩解城市交通擁堵，城市地下工程修建越來越多，地下隧道更是日新月異。在有限的地下空間內，多條隧道匯合處會形成大跨度斷面，因斷面跨度大，施工難度大，結合不同的周邊環境及地質狀況，涉及工法差異很大。為保障安全，快速施工大跨分岔隧道成為目前施工的關鍵。而針對分岔隧道施工風險控制等的研究國內外并無系統深入的報道，更多的是研究連拱隧道、小間距隧道和大跨度隧道的穩定性。先挖隧道受后開挖隧道影響顯著，拱部、底部及邊墻位移場和地應力場都有不同程度的變化，中間巖柱體受雙向爆破振動的影響，受力復雜，而巖柱體在相鄰隧道開挖中對掌子面和圍巖的穩定性起著重要的作用。根據近距相鄰隧道的特點，其施工關鍵技術為合理的施工步序、加強支護、合理的開挖方法、減振爆破等，已施工的近距隧道的成功經驗亦無一不是對關鍵技術結合實際的綜合應用。有的研究應用動態規劃最優化原理，以地表沉降作為目標函數，建立城市地鐵區間隧道洞群開挖順序優化分析數學模型。隧道開挖后圍巖的穩定性主要受巖性、巖體結構、地下水特征、初始應力及開挖方式的影響，為防止變形和破壞，需對圍巖進行支撐或襯砌。圍巖的變形隨時間而發展，往往會持續一個較長的時期，這就是圍巖的塑性和流變特征。在研究穩定性的同時，早封閉、快速施工更為關鍵，在保障安全、質量的前提下，通過采取合理施工方案、優化施工組織，能有效防止風險，還可降低成本。

1 工程概況

長沙麓景路隧道線路全長2.3 km，由2條主線及2條匝道組成。2條匝道洞口位于2條主線斜上方，匝道與主線在分岔大跨段合流，合流點以北為單向雙車道，以南為單向三車道，其中西線分岔大跨段過渡長度為124.96 m，東線分岔大跨段過渡長度為133.7 m。隧道周邊緊鄰居民小區，環境極其復雜。

西線分岔大跨段洞身主要穿越中風化石英砂巖、中風化砂巖、糜棱巖及碎裂巖，巖體較破碎，圍巖等級為Ⅴ級，隧道開挖時無涌水、涌泥現象，有少量基巖裂隙水，穩定性較好；東線分岔大跨段洞身主要穿越中風化石英砂巖及中風化砂巖，巖體較完整，圍巖等級為Ⅳ級，有少量基巖裂隙水，穩定性好。

2 開挖方式研究

2.1 總體思路

大跨分岔段由分岔2條小隧道合流成一個大斷面隧道，結構形式變化快，合流后漸變為正常斷面隧道，需采取多種斷面進行變化。雖然普通的鉆爆法施工效率高，但擾動較大極易造成圍巖失穩塌方，且相鄰隧道間的結構極易遭到破壞。為確保安全，在大跨分岔段采用機械輔以松動爆破開挖。

2.2 靜態破碎機械開挖法

為減小爆破對圍巖的擾動，采用靜態破碎機械開挖法，先采用靜態破裂圍巖，再通過機械進行巖石破除，開挖成型。該方法工序時間較長，開挖后的輪廓線成型不均一，易出現大超挖、大欠挖現象，施工效率較低。在預見斷面變換處，破碎錘作業角度受限，成型較困難(見圖1)。

圖1 靜態破碎機械開挖照片

2.3 機械配合松動爆破

結合靜態破碎機械開挖工法，采用破碎錘鑿除圍巖，擾動較小，開挖后圍巖極為穩定。為解決斷面變換處及隧道開挖輪廓成型等問題，在原有機械開挖的基礎上進行改進，采用部分機械開挖、部分松動爆破開挖的方式，在控制爆破振動的基礎上解決開挖成型等問題，作業效率明顯提高。

施工方案：1) 在斷面中間利用人工手持風鉆進行密排鉆孔，切割圍巖，再通過機械進行中間V形掏槽，深度為開挖進尺，寬度和高度根據現場情況確定。2) 采用松動爆破開挖周邊未破除段圍巖，根據方案要求進行鉆孔，仍為周邊眼、輔助眼、掏槽眼、底板眼。3) 遵循“多打眼、少裝藥、多分段”的原則進行不耦合裝藥，相應減少炸藥用量，隔孔裝藥、間隔裝藥，采用以松動為主的控制爆破措施及多段位的毫秒非電雷管控制單段起爆藥量。4) 按方案要求落實爆破振速、沖擊波的控制及監測措施。5) 聯線起爆、通風排煙、出渣，完成后再根據松動控制爆破效果進行修邊鑿除，利用機械進行3次開挖成型(見圖2、圖3)。表1為大跨分岔段3種施工方案對比。

圖2 開挖縱斷面布置

圖3 機械配合松動爆破現場施工照片

表1 大跨分岔段不同施工方案對比

3 快速施工技術

3.1 分岔處施工

分岔隧道合流前將經過一小凈距段，在力學計算上，2條隧道間的巖柱厚度小于0.75B(B為隧道寬度)時圍巖塑性區重合、應力集中，易產生滑塌失穩現象。中間巖柱小于4.5 m時，稱為超小間距段，中間巖柱穩定性降低，單側圍巖自身承載力極低，軟弱圍巖基本上不能抵抗上方荷載，極易發生坍塌現象。常規做法是采用雙聯拱方式進行開挖，利用模筑砼替換中間巖柱，提高穩定性，降低風險。但該方法的施工難度大、后期結構缺陷多，易發生結構層連接不緊密而出現開裂、滲水等隱患。

根據小凈距段中間巖柱替換原理，提出單側導洞擴挖工法，利用先行洞中間側邊墻擴挖，再回灌砼，形成中間砼中隔墻。該施工方法既可提高施工效率，又能保障初期支護結構成環效果，更能減小同段結構分部施工的質量缺陷，最終實現快速施工。

3.2 大跨處施工

3.2.1 開挖支護

大跨分岔隧道施工整體可分為由分岔往合流方向施工、由合流往分岔方向施工兩種方式，兩種不同方向決定不同的施工方法。其中第一種較常見，但由2條小斷面隧道突然變成一條合流的大斷面隧道，強制將小斷面調整為大斷面存在工序轉換頻繁、作業空間狹小的問題，擴挖挑頂將多次擾動圍巖，施工難度大、安全風險高，若出現失穩，應急救援難度相當大。第二種方法雖不常見，但施工難度小、安全風險低。為此結合兩種不同方式，提出順向施工、逆向擴挖的方法，按雙側壁工法施工，其中一側導坑先行，通過漸變逐漸進入正常合流斷面，然后逆向擴挖施工另一側導坑，漸變形成大斷面，最后通過反向開挖施工中導坑，將左右側壁導坑合并，形成大斷面合流(見圖4)。該施工方式可化整為零，將復雜工序簡單化，把關鍵工序變成非關鍵，達到降低風險、加快施工的目的。

圖4 優化后大斷面變換處施工順序(單位：m)

若按順序施工，月進度指標為12 m/月；按單向導洞順向施工，再反向擴挖，實際月進度指標為30 m/月，施工效率更高。采用該方法施工的監控量測結果見表2、圖5。

表2 大斷面變換處施工監控量測結果

圖5 典型斷面變形歷時曲線

從表2和圖5可以看出：1) 拱頂下沉、周邊收斂變形均遠小于規范值，最大變形速率為2 mm/d，累計變形為25 mm，安全風險低。2) 左右側壁導坑變形較均衡，先行導坑在后行導坑開挖過程中出現短暫突變，但很快趨于穩定，說明后行洞對先行洞會造成一定影響。3) 中側壁導坑累計變形最大，且變形持續較快發展，在中導坑下部施工后仰拱初期支護已封閉成環，變形有減緩趨勢；仰拱施工前拆除支撐，變形又呈上升趨勢，但逐步趨于穩定。說明雙側壁導坑法施工時，變形最大、風險最高，豎向支撐作用較大，施工時需根據監控量測情況適時拆除支撐，確保安全。仰拱封閉后變形趨于穩定，控形控制效果明顯。

3.2.2 襯砌施工

因大跨分岔段由多種變化斷面組成，縱向間距段無法采用模板臺車一次性澆筑，考慮采用滿堂腳手架配合組合模板系統進行襯砌施工。為不影響關鍵線路施工，把大跨襯砌變為非關鍵線路同步施工，在滿堂腳手架底部預留過車通道，既能保障襯砌施工又能保證正常線路上其他關鍵工序施工，真正意義上實現快速施工。

(1) 支撐體系設置方案。采用滿堂腳手架作為內部橫豎支撐；預留型鋼門字架(4.5 m×5 m)作為行車通道；以雙拼鋼管作為模板支護的主楞與滿堂支架連接；順襯砌內輪廓弧形制作拱架作為模板支護次楞，拱架間采用螺栓連接，拱架底部與填充側面連接，形成封閉支護體。為保障拱腳的穩定性，在底部設置剛性三角撐，上面墊鋼板。兩側邊墻設置型鋼斜撐，一側與拱架連接，另一側與填充頂面連接，連接處設置地錨鋼筋。支架系統按要求設置剪刀撐、斜撐及拋撐，支架系統、門架系統與填充砼連接處為鉸結，設置地錨鋼筋或預埋件穩固連接。

(2) 襯砌整體施工方案見表3。

表3 襯砌整體施工方案

(3) 施工效率。1) 單版工序時間。門字架安裝3 d，滿堂腳手架搭設2 d，支撐拱架、模板安裝4 d，防水鋼筋2 d，砼澆筑1 d，等強1 d，拆模2 d，合計15 d/版。2) 整體指標。通過預留門洞滿堂腳手架體系，不影響關鍵工序，節約工期4個月。

4 結論及建議

(1) 在砂巖風化地層、基巖裂隙水少、具有一定穩定性的Ⅴ級圍巖進入小凈距段施工時，可利用擴挖回填法代替雙連拱施工，以提高施工效率、快速封閉、減少襯砌分部施工帶來的不便。但施工前需充分了解圍巖情況，并做好圍巖加固措施。

(2) 隧道分岔大跨段施工大體分為由合流處向分岔處施工、從分岔處向合流處施工兩種，其中第二種方法最為有利。但需結合隧道布置情況及整體工期統籌而定。

(3) 隧道分岔大跨段若采取由分岔處向合流處施工的方法，可采用漸變方式進行，實現連續施工、交叉作業，加快施工進度、減小安全風險、降低施工難度；大斷面處需避免復雜工序，減少圍巖裸露時間，及時封閉成環；斷面之間的變化盡量優化至最優，利用機械作業減少人工作業強度，加快施工進度、降低安全風險。

(4) 利用漸變施工分岔大跨段，拱架尺寸多，加工及施工過程中常出現亂用現象，后期如何做好加工及安裝的準確把控是關鍵。

(5) 隧道小凈距、大跨度、變斷面處施工風險較高，易發生圍巖失穩滑塌現象，施工前需加強超前支護，做好各項圍巖加固措施。

(6) 在圍巖破碎或穩定性較差時，超前帷幕注漿如何做到最優，需后續結合不同地質情況及斷面布置形式進行考慮。