虎跳峽分岔隧道大斷面施工工法優化研究*

張海太，李曉冉

(1.云南麗香高速公路投資開發有限公司，云南 昆明 650217；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

根據隧道間的關系，在互通立交處可能出現如圖1所示的結構形式。在匝道隧道和主隧道連接處，常采用連拱隧道和小間距隧道，形成圖1中的Y形平面分岔。虎跳峽隧道分合流處的大斷面分岔隧道在平面設計上采用多種斷面漸近過渡的方式實現分岔，并且大斷面隧道尺寸較大，拱部成拱難度大、效果差，需結合實際情況研究和優化開挖工法，從而確保隧道安全施工。

圖1 互通立交隧道形式

國內外學者對城市地下分岔隧道進行較多研究，鄒云等[1]側重重慶朝天門隧道的方案和選型研究；鐘祺等[2]采用三臺階法分部施工雙層初期支護的措施，顯著提升施工技術，并取得較好的經濟效益；劉家澍等[3]對分岔隧道中的連拱段開挖過程關鍵工序進行優化，認為中導洞臺階法直接開挖是安全可行的；趙博劍[4]研究大斷面段隧道先行導洞反向擴挖的施工方法，結合數值模擬和現場監測說明該工法的施工步序及細節；張富鵬等[5]比較分岔隧道較少見的反向擴挖法和傳統中隔墻法，從隧道結構應力、位移和塑性區范圍進行研究；劉強等[6]以大跨度分岔隧道地表沉降控制為標準，采用數值模擬法優化比選6種工法；徐沖[7]綜合三維數值模擬、仿生優化、核機器學習和突變理論等方法，反演分岔隧道圍巖力學參數，在開挖與支護方案中選出最優施工方案。綜上，分岔隧道傳統開挖方法采用中導洞法，連拱段及小凈距段左右洞室開挖工法與工序不同對結構和圍巖受力影響很大，相關研究多采用數值模擬方法比較分析不同施工工法，當然近年來也有研究利用智能優化方法對分岔形式、開挖支護方法進行分析。

超大斷面常采用雙側壁導坑法、CD(中隔壁法)或CRD工法(交叉中隔壁法)、上下臺階法、全斷面法或其組合方法進行施工。本文根據虎跳峽分岔隧道大斷面段特點，在雙側壁導坑法的基礎上進行優化，設計相應施工工法，積累新工法施工經驗。

1 工程概況

虎跳峽總體地勢為東南低、西北高，沿線地形地貌復雜、起伏明顯，溝谷切割深，密度集中，隧道線路附近海拔高程為1 362.650～2 746.290m，山脈與當地水系走向基本一致，隧道區域地形較陡，區段內主要分布地層為第四系坡殘積土，嚴格受地質構造控制。大斷面SE隧道的最大開挖面積達358.7m2，起止點為ZK75+990—ZK76+060。主線隧道設計速度為80km/h、匝道部分設計速度為60km/h。該地段圍巖巖性為褐灰色、深灰色、灰黑色、灰白色板巖夾灰巖透鏡體，多呈中風化、塊石碎塊狀，受構造影響，節理裂隙發育，巖體較完整，巖質軟，呈塊(石)碎(石)狀碎裂結構，拱部無支護時可能產生一定坍塌，側壁有時失去穩定性。地下水位埋藏很深，施工段賦存少量裂隙水，富水性較弱，隧道施工中預測涌水量一般，對隧道施工有一定影響。

根據隧道圍巖的地層特征、土體力學性質、風化因素等地質條件，考慮構造應力、地下水及隧道埋藏深度等因素后，綜合評定隧道圍巖級別為Ⅳ級。根據JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范》[8]，得到各級圍巖物理力學指標建議值，即彈性模量E為4GPa，黏結力c為0.5MPa，內摩擦角φ為38°，重度γ為25kN/m3。

2 工程難點

1)地質條件復雜，拱部無支護時可能產生一定坍塌，側壁有時失去穩定性。

2)施工區地表水系發育，水量受季節性影響變化較大，地表水對橋梁和隧道施工有較大影響。

3)施工工期短，需快速安全進行。

3 施工方案及工序

3.1 改進的大斷面隧道施工方案

虎跳峽分岔隧道整體開挖順序如圖2所示。其中隧道左線SE襯砌由B2匝道隧道和虎跳峽左線在ZK76+060里程處并線組成，全長70m，為5車道隧道。SE型襯砌結構開挖寬度27.46m，襯砌凈寬24.2m，如圖3所示。

圖2 分岔隧道整體開挖順序

圖3 分岔隧道大斷面段

分岔隧道小凈距段隧道輪廓、連拱段隧道斷面輪廓分別如圖4a,4b所示，大斷面段的原設計指導方案根據雙側壁導坑法，如圖4c所示，即先開挖隧道兩側導坑，及時施作導坑四周初期支護及臨時支護，然后再分步開挖中部土體的開挖法。

圖4 各斷面輪廓及大斷面施工步驟

實際施工中，先行導洞(左側壁)初期支護施工完成后，繼續正向(香格里拉方向)SC-2襯砌(凈跨徑為16.8m，寬度小于SE襯砌)斷面掘進，然后反向(麗江方向)施工SE襯砌中導洞，此時需要多次挑頂施工才能達到中導洞反向開挖條件，同時二次襯砌與開挖斷面距離近80m，仰拱未閉合，大斷面二次襯砌成環擱置太久，給施工作業帶來較大風險。

考慮隧道先行導洞開挖后，圍巖較干燥無滲水現象，對隧道施工有利。本斷面總長度為70m，采用改進雙側壁導坑法施工，如圖5所示。施工前必須先做超前地質預報，初步判斷前方圍巖后，將開挖斷面分成5塊，即左側壁導坑、右側壁導坑、中導洞上臺階、中導洞中臺階及中導洞下臺階。首先以隧道出口向進口方向開挖隧道的左側壁導坑(開挖方向)，開挖方式為上下兩臺階法，待左側壁全部開挖完成后(70m)，仰拱跟進40m。再施工右側壁導坑，施工方法與左側壁導坑一致，待右側壁開挖35m，掌子面停止施工封閉斷面，在右側壁臨時支撐25m至31m處，進行中導橫洞施工(橫挖中導洞，貫穿左右側壁)，橫洞施工完成后反向(麗江方向)施工中導洞直至施工起點。然后正向(香格里拉方向)同步施工二次襯砌及右側壁、中導洞剩余部分。二次襯砌在ZK76+029—ZK76+060段完全開挖和初支后，開始在該段拼裝臺車，臺車長10.5m，臺車拼裝完成后，從ZK76+060開始施工，直到完成該段。

圖5 改進的雙側壁導坑法施工步驟

改進后的大斷面雙側壁導坑法將調頭反向位置定于SE襯砌隧道段內，相比原施工方案中在SC-2襯砌隧道段內調頭，不需擴挖，且因為斷面形式不存在轉換，減少中導洞反向開挖而設置的橫向導洞挑頂施工量。

3.2 大斷面隧道總體施工工序

大斷面隧道施工工序如下：開挖左側壁上臺階(1次初支和臨時支護)→開挖左側壁下臺階(1次初支和臨時支護)→正向施工左側壁仰拱→開挖右側壁K76+060—K76+025上臺階(1次初支和臨時支護)→開挖右側壁K76+060—K76+025下臺階(1次初支和臨時支護)→施工橫洞段Ⅰ部及龍門架挑頂K76+029—K76+035(1次初支和臨時支護)→施工橫洞段Ⅱ部K76+029—K76+035(1次初支)→反向施工中導洞K76+060—K76+025(1次初支和仰拱)→右側壁施工，同時拆除臨時支撐與拼裝二次襯砌臺車→中導洞施工K76+025—K75+990及二次襯砌K76+060—K76+025→二次襯砌K76+025—K75+990。總體施工順序如圖6所示。

圖6 總體施工順序

4 施工技術要點

4.1 左側壁施工

1)開挖施工由隧道出口向進口方向(麗江至香格里拉方向)掘進，上臺階開挖高度8.58m、寬度14.08m；下臺階高度5.84m、寬度14.08m。

2)采用加工組裝作業臺架配合人工進行開挖，以YT-28氣腿式風動鑿巖機鉆眼、光面爆破技術施工，施工中盡量減少圍巖擾動。側壁采用上下臺階法，上下層掌子面應保持3～5m距離。下臺階一次開挖到仰拱，仍使用YT-28氣腿式風動鑿巖機鉆眼，弱爆破及人工配合機械開挖。開挖每循環進尺控制在2榀拱架間距。初期支護完成后，及時跟進仰拱及仰拱填充，距掌子面≤50m。

3)上臺階拱部徑向設置φ25自進式錨桿，長5m，環向間距100cm，縱向間距60cm。超前支護小導管采用φ42×4熱軋無縫鋼管，長4.5m，每3榀設置1個循環，每循環27根，環向間距30cm，上仰角為15°～20°。臨時支撐上臺階拱部徑向設置φ25中空注漿錨桿，長2.5m，環向間距100cm，縱向間距60cm。超前支護小導管規格與主洞一致，每5榀設置一個循環，每循環12根，環向間距40cm。下臺階邊墻徑向系統采用φ25自進式錨桿，長8m，設置角度為水平向下25°，待左側壁施工完成(70m)后，再施工右側壁。左側壁施工如圖7所示。

圖7 左側壁施工示意

4.2 右側壁施工

1)右側壁(ZK76+060—ZK76+029)導洞由B匝2號隧道施工至SE斷面交匯處后，以B匝向左線進口方向為后行洞，組成SE斷面右側壁導坑，由隧道出口向進口方向(麗江至香格里拉方向)掘進。開挖斷面寬9.6m、高8.58m。上下臺階施工方法及技術參數與左側壁相同。

2)右側壁上臺階開挖至35m(ZK76+025)時，右側壁掌子面停止施工，采用C25噴射混凝土封閉圍巖，以保證開挖面穩定。右側壁施工如圖8所示。

圖8 右側壁施工示意

3)待中導洞(ZK76+025—ZK76+060)段施工完成后，右側壁繼續正向(香格里拉方向)施工剩余的35m斷面。

4.3 中導洞施工

圖9 中導洞施工示意

5 監控量測

虎跳峽分岔隧道處于軟弱破碎圍巖段，且斷層破碎帶發育，應有針對性地設計分階段監測方案，從而適應大斷面分岔互通隧道斷面大、形式多樣、工法轉換復雜的特點。通過對比不同階段獲取的數據，驗證或調整先行制定的施工工法及工序，對達到預警值的部位加強支護措施。

在大斷面段隧道施工中，結合所處區域的地質特征，開展周邊位移、拱頂下沉、地表下沉監測項目。拱頂下沉和周邊位移測點安設在同一斷面，在拱頂及距離隧道軸線水平距離3m處分別設置拱頂下沉測點中測點和左右測點。在起拱線以上1.5m處安設周邊位移測點，監測點布置如圖10所示。地表下沉量測橫向測點一般布置在3～5倍洞室寬范圍，測點橫向布置間距為2～5m，測點布置如圖11所示。

圖10 拱頂下沉、周邊位移測點

圖11 地表下沉測點

本大斷面段施工里程斷面均為Ⅳ級圍巖，故在中導橫洞施工段范圍，監測圍巖、支襯及初砌壓力，鋼拱架內外力， 圍巖體內位移。按規范要求，每10m設置一環監控量測點，監測點布置如圖12所示。

圖12 監測點布置

監控量測頻率初期支護為1～10d，每天2次，根據沉降位移數據判斷是否可正常施工，為下步施工計劃做準備。

大斷面主要位置處的沉降位移監測數據如圖13所示。開挖后30d內，不同位置處的拱頂沉降位移發展較快，之后位移增長緩慢，最終接近25mm。根據JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術細則》[9]，斷面沉降累計位移小于設計極限位移值的 1/3，可正常施工。

圖13 沉降位移監測數據

6 優化施工結果

大斷面SE隧道開挖采用改進的雙側壁導坑法，優化后的施工工序使開挖施工更安全，同時縮短開挖工期。原方案大斷面隧道進度為22m/月，優化方案施工進度為46m/月。大斷面隧道長70m，因此施工大斷面隧道段總工期比原方案縮短近50d。

7 結語

本文基于虎跳嶺大斷面分岔隧道工程，提出改進雙側壁施工方法開挖大斷面段，主要施工工藝及關鍵技術如下：①改進雙側壁導坑法適用于圍巖干燥且強度較大的環境，整體開挖順序為左側壁→右側壁→橫導洞→中導洞；②側壁導洞開挖選用臺階法，防止圍巖過大擾動；③中導洞采取三臺階法，邊開挖邊支護；④隧道施工過程中進行監控量測，動態反饋并指導施工組織方案設計，監測數據反映施工可正常安全進行。