超淺埋大偏壓無中導洞連拱隧道安全施工技術探討

張朝元 王明江

（新疆北新路橋集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

連拱隧道具有地形條件適應性強、洞外線形銜接方便以及占地面積少等特點，但是常見整體式或三層中墻連拱隧道[1]采用的中導洞法或三導洞法施工工序繁多，中墻受力轉換復雜，圍巖擾動范圍大，甚至影響山體的穩定性，且整體式中墻連拱隧道運營期易出現滲漏水病害。為優化連拱隧道結構形式和施工流程，國內學者提出了無中導洞連拱隧道結構形式[2]，取消了現澆鋼筋混凝土中墻，將后行洞初支直接搭接于先行洞初支上，形成先、后行洞交接處共用初支結構承載體系且先、后行洞襯砌襯砌單獨成環。無中導洞連拱隧道通過優化結構形式，有利于簡化施工工序和施工組織，同時可提高施工效率，加快施工進度。無中導洞連拱隧道技術雖然得到了大量應用，但是受地形、地質條件的限制，在工程實踐中發現受力狀態不均衡，對襯砌結構承載力及耐久性產生不利的影響[3]。依托云南省楚大高速公路改擴建工程勘察試驗段金山隧道工程，探討無中導連拱隧道支護結構變形與受力特性，分析先、后行洞初支搭接節點存在問題及優化措施，總結后行洞微擾動施工方法和施工順序，為類似隧道工程建設提供參考。

1 工程概況

金山隧道為一座連拱隧道+ 單幅隧道，橋隧零間距銜接，隧道右幅里程為K280+250～K280+619，全長369 m；隧道左幅里程為ZK280+310～ZK280+529，全長219 m，其中K280+310～K280+529 段為連拱隧道段；K280+250～K280+310，K280+310～K280+369 為單幅隧道段，隧道段高程為2205～2450 m，相對高差245 m；屬于構造溶蝕低中山地貌區，該段路線沿山邊穿越，上下邊坡稍陡，路線縱坡較緩，現山坡多為灌木林，交通不便。隧道最大埋深約為30 m，為超淺埋偏壓大跨度隧道。

在K280+429～+450 左下側5～60 m 的邊坡崩塌而形成淺表小型崩塌體，崩塌以碎石土為主，表土松散不穩定；路線以挖方從崩塌體上方穿越，擾動較大，邊坡陡峭。路塹開挖后可導致坍塌甚至產生滑坡，存在發生崩塌的內在（地質結構）及外在（臨空面）條件，因此為淺表潛在不穩定邊坡。地質方面，圍巖級別為Ⅴ2 級，長度約369 m，地層巖性為墻風化灰巖、白云質灰巖，巖體完整程度極破碎，圍巖修正值[BQ]為126.8。隧道區第四系土劃分為中硬土類型，覆蓋層厚度3～50 m，隧道區按抗震設防烈度8 度。

金山隧道圍巖設計等級均為V 級，全隧襯砌均采用復合式襯砌，其中V 級圍巖地段（SL5）復合式襯砌斷面支護形式。

2 施工技術控制要點

無中導洞連拱隧道多為雙洞四車道形式，雙洞六車道無中導洞連拱隧道尚無工程案例。當隧道跨度增大且存在地形偏壓作用時，先行洞支護結構將承受地形偏壓和后行洞爆破施工偏壓的共同作用，先行洞圍巖荷載的不對稱和不平衡性更明顯，直接影響支護結構安全，對安全施工技術和工藝控制提出了更高的要求[4]。需要從施工工法、初支施工與搭接點、微振爆破與隔振措施幾個方面改進，才能夠提升隧道施工質量。

2.1 施工工法優化

無中導洞連拱隧道施工中存在一定的風險，主要是后行洞靠中夾巖側圍巖多次擾動穩定性變差，兩洞共用初期支護相連處應力較大等問題，當后行洞開挖時，先行洞中墻存在小偏心受壓向大偏壓受壓的受力體系的轉換，處理不當易導致仰拱縱向裂縫、拱墻襯砌裂縫發生[5]。在施工時，堅持動態設計、動態施工的管理原則，加強地質工作，重視地質調查與超前地質預報，根據圍巖變化的情況，按照管理程序及時修正支護參數；堅持“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、勤量測”的施工原則，減少圍巖擾動；堅持“控步距、快成環”的施工原則快速發揮支護體系作用。

圖1 中阿拉伯數字代表支護順序，羅馬數字代表開挖順序。該文以先行洞采用三臺階預留核心土法為例，說明其施工順序，包括以下10 個步驟：1）先行洞上臺階弧形導坑I開挖，并施作相應初期支護1。2）先行洞中臺階II 開挖，并施作先行洞中臺階初期支護2。3）先行洞核心土III 開挖。4）先行洞下臺階開挖，并施作先行洞下臺階初期支護及仰拱初期支護3。5）澆筑先行洞仰拱二次襯砌及仰拱填充4。6）鋪設防水層，澆筑先行洞二次襯砌拱墻5。7）后行洞上臺階V 開挖，并施作后行洞上臺階初期支護6。8）后行洞中臺階VI 開挖，并施作后行洞中臺階初期支護7。9）后行洞下臺階開挖，并施作后行洞下臺階初期支護及仰拱初期支護8。10）澆筑后行洞仰拱二次襯砌及仰拱填充9。11）鋪設防水層，澆筑后行洞二次襯砌拱墻10。

圖1 先行洞采用3 臺階預留核心土法施工工序圖

在施工中應根據圍巖監控結果及時調整開挖預留變量。隧道洞口施工采用零開挖進洞并輔助管棚。隧道洞口淺埋/偏壓采用CDR 開挖、其余級Ⅴ級圍巖段采用3 臺階預留核心土法開挖，后行洞采用CD 法開挖。初期支護錨桿（小導管）按梅花型布置，原則上徑向設置，并要考慮巖層層面的關系；為減少后行洞對先行洞共用側產生偏壓的影響，共用初期支護側拱部采用自進式注漿小導管做增強支護，保證中墻頂巖體的注漿固結，其余部位采用中空錨桿支護，為抵抗偏壓、先行洞初期支護設置剛度強于后行洞初期支護剛度，隧道短、埋深淺，巖層風化嚴重，圍巖穩定性差，易發生坍塌，支護結構不能只按照新奧法原則進行、初期支護宜采取強支護形式，以限制圍巖變形，同時也應采取措施盡量減少擾動圍巖，例如徑向注漿中隔墻上三角區小導管注漿，以減少松動荷載，保障結構安全。

2.2 初支施工與搭接點優化

金山隧道雙向六車道連拱隧道，屬于大跨度隧道，先行洞承受后行洞偏壓荷載較嚴重，先行洞與后行洞接頭處彎矩較大，因此對先行洞二次襯砌與后行洞二次襯砌采取不對稱厚度設計，先行洞靠近中墻側二次襯砌厚度變大，使二次襯砌抵抗彎矩能力增強，滿足結構受力要求。對先行洞二次襯砌配筋也可以根據實際圍巖情況，比后行洞配筋略強。早期支護包括系統錨桿、單層鋼筋網、噴射混凝土、工字鋼鋼拱和混凝土二次襯砌等[6]。初期支護結構為C20，初期支護為7.5 cm，初期支護厚度為7.5 cm，第一孔為28 cm，工字鋼為I18 型，間距80 cm；該先導管道是一種具有45 mm 外徑和4.5 mm 壁厚的熱軋無縫鋼管，長度5.0 m，環距50 cm，外插角10°，表1 列出了早期的巷道支護參數。

表1 隧道初期支護設計參數

鋼架單元的劃分是根據開挖方法設置并對應，施工時可根據實際情況調整單元長度，并相應調整接頭位置，但不能在拱頂中心處設置接頭。在鋼拱橋上安裝直徑為φ25mm～30mm 的縱向連接鋼筋，每圈之間間隔65cm。采用內貼巖面懸掛鋼筋網，可以改善噴淋混凝土的黏附力，增強初支抗剪、撓度、傳遞錨桿鋼支承，以此來減少懸掛鋼筋網對巖體表面的影響及限制。噴頭應盡可能與巖石平面垂直，噴口與巖石表面的距離通常為0.5m～1.0m。噴射混凝土分段分片由下往上依次進行，每個分段不大于5.5m，每次噴射厚度不小于5.5cm，噴射時插入長度大于設計厚度5.5cm 的鋼絲，每1.5m～3.0m 設置一條，用于控制施工噴層的厚度；網片由混凝土釘、錨栓、錨桿和鋼支撐等進行錨固，以避免混凝土噴射過程中的位移、震動，造成混凝土表面開裂、脫落。后行洞鋼拱架間距必須嚴格與先行洞鋼拱架榀距相對應，保證后行洞鋼架接頭準確就位，并牢牢固定在先行洞鋼拱架上，達到共用初期支護邊墻的目的，形成可靠的支護體系。襯砌鋼架拱腳接頭處設置鎖腳小導管，當施工落底時，應嚴格控制拱架不下沉變位。后行洞初期支護準確就位，拱頂的平均超挖深度不大于15cm，邊墻、仰拱和隧底不大于10cm，在開挖過程中，挖掘機、炮機不能觸及中導洞的臨時支護，以免影響主洞拱頂的支護。

共用初期支護位置的移動和改變會導致整個初期支護的力學發生變化，無中導洞連拱隧道施工的技術控制難點是后行洞初期支護拱腳鋼拱架準確就位在先行洞共用鋼拱架上，在先行洞已施作好的初期支護上鋼拱架上采用洞外焊接預埋的方式且連接點不能上下前后變位改變結構受力，從而達到先、后行洞拱架軸線一致的目的，使后行洞初期支護快速形成可靠的支護結構。

因此，后行洞初期支護與先行洞的可靠連接是后行洞初期支護施工技術的關鍵，要做到設計位置準確就位，需要注意以下事項：先行洞與后行洞進行經常性導線聯測，保證兩洞測量放樣和各工序施工精度控制的一致性。在小導管的外形和排列上，縱行小導管之間的交迭長度不少于1m。環形間隔為25cm～50cm。在注漿前，必須對采空區及其基線4.5m范圍內的巖體進行噴水或注漿，并檢查注漿器的狀態，準備足夠的灌漿材料，注漿后的外插角為15°～30°。先行洞鋼拱架安裝對后行洞鋼拱架支護體系就產生了嚴格的導向和控制作用，因此要嚴格控制先行洞鋼拱架安裝位置、間距、傾斜度的施工精度，鋼拱架立起后，根據中線和水平將其校正到正確位置，然后利用徑向定位鋼筋和鎖腳小導管固定，并用縱向連接鋼筋將其和相鄰鋼拱架連接牢固，鋼拱架應嚴格按設計架設，并每榀準確記錄，以利于后行洞初期支護施工準確就位。

2.3 微振爆破與隔振措施

控制后行洞施工將會對先行洞產生爆破震動及偏壓，無中導洞連拱隧道先行洞除了抵抗后行洞傳遞的偏壓荷載外，還需要抵抗后行洞施工的擾動，爆破振動等帶來的額外荷載，當后行洞施工時，先行洞二次襯砌已經施作，二襯襯砌為剛性結構，當施工擾動和爆破振動瞬時荷載過大時，易對先行洞二次襯砌造成損壞，出現裂縫等病害，因此，需要采取相應措施保護二襯襯砌結構，減少瞬時荷載對先行洞二次襯砌的破壞[7]。在開挖過程中，土質地段以機械為主，必要時輔以微量的弱爆破進行開挖作業，巖石地段應采用預裂爆破或光面爆破技術，嚴格控制超、欠挖。相鄰爆破分段起爆間隔宜不小于100ms。在先行洞二襯測得的振速應≤15cm/s。隔震措施示意圖如圖2 所示。

圖2 隔振措施示意圖（單位：mm）

施工時，后行洞掌子面與先行洞二襯距離不小于30m 且先行隧道二次襯砌施作完成并達到設計強度后，才可以進行相應段落后行隧道的開挖作業，嚴禁貫通一幅在施工另外一幅且為了減少后行洞圍巖對先行洞的偏壓力，使后行洞二襯及早受力，后行洞二襯距離掌子面的距離≤45m。

隔震層在先行洞初期支護與二次襯砌之間設置一層3cm 厚EVA 泡沫減震材料，緩沖后行洞擾動和爆破荷載對先行洞二次襯砌的沖擊，減震材料通過射釘固定與先行洞初期支護噴射混凝土上。另外在先行洞初期支護與二次襯砌之間，增設φ16mm 抗裂鋼筋網（15cm×15cm），在先行洞二次襯砌內側增設φ8mm 或φ6mm 抗裂鋼筋網（10cm×10cm），增強先行二次襯砌的抗裂能力。

在開挖前，測量員要確定隧道的中線和軌道的頂面高度，并用紅色顏料繪制輪廓線，以保證開挖斷面的精度。為了保證開挖剖面的精準施工，必須沿著隧道的開挖輪廓線進行施工。挖槽炮眼可按現場實際情況進行，可選用直眼掏槽或斜眼掏槽。副炮孔必須在周圍孔和挖槽之間縱橫交錯、均勻分布，以滿足裝碴要求。外周眼和副眼的水平面應該是相同的，挖槽的深度是10 cm 左右。在鉆井作業中，要由專門的人員來指導鉆孔的位置和角度，以保證鉆井的質量。要嚴格控制鉆孔的深度和傾角，挖眼孔的距離不超過5 cm。副眼眼口行距誤差不能超過10 cm，眼眶周圍眼口處的誤差不超過5 cm，眼底的眼底不能超過15cm。在橫截面輪廓線周圍開孔，必須嚴格控制外插角度，外斜不超過5 cm，以保證前、后兩列炮口的梯級減少。在基坑表面凹凸不平時，要根據具體情況進行調整。鉆孔結束后，按照井口布置圖進行檢驗，并作好記錄，對不合格的要重新鉆孔，通過檢驗后才可以上料。清孔將孔中殘渣及泥漿吹出，炸藥由上往下依次排列，炸藥按一定的數量裝填，并記錄在案，用淤泥填滿25 cm 的槍口。在爆破過程中，必須在工地領導的統一指揮下，疏散所有人員到一個安全的地方，避免有害氣體、振動和飛石的危害。在爆破后，對爆破的影響進行檢驗，分析造成不良影響的原因，對爆破參數進行調整。根據巖體節理裂隙發育、巖性軟硬度、爆破后的碎屑大小，并根據爆破振動速度的變化，適時調整單段炸藥量、眼距、雷管段數。后行洞共用初期支護表面平整度受先行洞開挖和初期支護影響，往往后行洞共用初期支護側邊墻表面不平整不平順，須先修鑿除軟弱松散夾渣的前期噴射混凝土并清洗，補噴至平整輪廓圓順且不得侵入二次襯砌，從而保證防水板平順無折皺且達到良好的排水效果，保證二次襯砌厚度均勻且初期支護間無脫空。

3 結論

無中導洞連拱隧道具有工序簡化、施工快速、更利于大型機械化作業，拱墻防水各洞獨立成環、總體造價低的優點，但具有施工技術要求高、施工精度控制難度大、缺乏有經驗的施工作業隊伍等難點，在施工過程中只有做好每個環節的施工技術質量控制工作，不斷在施工中從各方面進行總結，才能實現無中導洞連拱隧道的順利安全貫通。