隧道大跨度原位對稱擴挖方案的探討

白海洋

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

1 工程簡介

既有樓山隧道位于路澤太一級公路樓山村，G104國道與路澤太一級公路基本平行，于2003年完工，采用“新奧法”原理設計和施工，現對既有雙向4車道隧道原位擴建為雙向8車道隧道。

1.1 地形地貌

隧道所在山體的斜坡規模相對較大，坳溝發育，區內山體海拔達148．9m，最高處位于樓山隧道的西側花屏頭山。山體坡度以10～20°，局部可達35°以上，山體表部植被發育，多以高大喬木、楓樹等為主。該段山體斜坡的出露巖性以凝灰巖為主，山體巖性的風化差異較大，局部覆蓋層厚度可達4m以上，局部山體（鐵爐山山體）基巖出露。隧道進出洞口的邊坡、仰坡的主要地層為殘坡積含碎石粉質黏土、含黏性土碎石（為Ⅱ級普通土）及全風化凝灰巖（為Ⅲ級硬土）、強風化凝灰巖（為Ⅳ級軟石）。

1.2 氣候、水文特征

隧址區本項目所經區域屬亞熱帶季風海洋性氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，年日照時數1950h以上、平均氣溫為16．6～17．5℃，極端最低氣溫-6．8℃，最高氣溫41．7℃，年平均降雨量為1689．2mm，多年平均徑流量lDl3．5mm。降水集中在4～6月的梅雨期和7～l0月的臺汛期。

表1

2 支護參數

隧道各級圍巖復合式襯砌設計支護參數的選擇以工程類比為主，通過理論計算進行檢驗校核，施工中通過現場監控量測分析，及時調整設計支護參數，實現動態設計、信息化施工。本隧道襯砌結構的計算理論按三維線彈性理論和二維彈塑性理論考慮，采用ANSYS大型通用結構計算程序和MIDAS-GTS隧道專用計算程序分別進行計算，驗算設計不同圍巖級別隧道襯砌結構最終的可靠性、施工工法的可行性及施工過程支護結構的穩定性。主要支護參數見表1。

3 擴挖方案

3.1 對既有隧道的加固和處理

受進出口既有橋梁、互通、路線整體走向等因素的影響（見圖1），新建隧道近似對稱擴挖。因交通壓力，樓山隧道單洞施工，單洞通行，為了防止爆破施工對通車隧道造成的影響，故先將左洞封閉，進行照明燈具檢修加固、二襯背鋼拱架及拱頂掛網加固，徹底消除安全隱患。左洞加固完畢后，左洞通車，封閉右洞，進行擴挖施工。右洞土建機電全部施工完畢通車后，再進行左洞擴挖施工。

圖1 樓山隧道進口周邊環境

右洞擴挖前對既有隧道進行回填處理，因隧道的最大開挖跨度特別大（20．09m），結合考慮Ⅴ級圍巖段，采用六部擴挖法，Ⅳ級圍巖采用優化的直墻CRD法，優化回填設計方案：下臺階采用碎石土分層碾壓回填，并做為上臺階開挖施工的平臺，上臺階采用背鋼拱架加固既有隧道襯砌（見圖2）。

圖2 既有隧道擴挖前回填加固處理

背拱加固避免了拱部回填的難度，減少出渣量和2次開挖的工時，同時為開挖作業面增加通風、緊急通道，且不增加工程造價。

3.2 優化設計的擴挖工法

在既有隧道回填壓實及拱部加固的基礎上，遵循“管超前、短進尺、及支護、早封閉”的原則，因擴挖隧道本身二次襯砌在臨時背拱加固后，比正常開挖隧道的臨空面小且穩定，因此優化設計臨時豎撐底部縱向槽鋼連接，最大程度減少拱頂沉降；優化普通雙側壁導坑弧形臨時支護為直線型臨時支護，取消普通雙側壁導坑臨時支護處的錨桿，以及時減少工序。

樓山隧道Ⅴ級圍巖段采用六部擴挖法（從雙側壁導坑改進），Ⅳ級圍巖段采用優化的直墻CRD法（見圖3），Ⅲ級圍巖采用常規兩臺階上臺階拉中槽法施工，在此不作詳述。

圖3 Ⅴ級圍巖段、Ⅳ級圍巖段擴工法示意圖

Ⅴ級圍巖段擴挖工法步序：打設Ⅰ部拱部超前支護→開挖Ⅰ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅰ部主洞初期支護并施做臨時豎向、橫向支護→打設Ⅱ部拱部超前支護→開挖Ⅱ部并破除既有的隧道襯砌→施做Ⅱ部主洞初期支護并施做臨時橫向支護→打設Ⅲ部拱部超前支護→開挖Ⅲ部并破除既有的隧道襯砌→施做Ⅲ部主洞初期支護并施做臨時橫向支護→開挖Ⅳ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅳ部主洞初期支護并施做臨時豎向支護和主洞仰拱初支→開挖Ⅴ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅴ部主洞初期支護并施做臨時豎向支護和主洞仰拱初支→開挖Ⅵ部→施做Ⅵ部主洞仰拱初支→拆除臨時支護并施工仰拱和仰拱填充→澆筑二襯→施工電纜溝路面排水溝和路面。

Ⅳ級圍巖段擴挖工法步序：打設Ⅰ部拱部超前支護→開挖Ⅰ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅰ部主洞初期支護并施做臨時豎向、橫向支護→打設Ⅱ部拱部超前支護→開挖Ⅱ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅱ部主洞初期支護并施做臨時橫向支護→開挖Ⅲ部并破除既有隧道襯砌→施做Ⅲ部主洞初期支護并施做臨時豎向支護和主洞仰拱初支→開挖Ⅳ部→施做Ⅳ部主洞初期支護和主洞仰拱初支→拆除臨時支護并施工仰拱和仰拱填充→澆筑二襯→施工電纜溝路面排水溝和路面。

優化的六部擴挖法（見圖4）和直墻CRD法充分考慮了施工機械的高度和寬度，能最大化采用機械化施工，大幅提高施工效率，直接為各個分部及早閉合成環提供保障，間接保障了施工安全。六部擴挖法對沉降收斂的控制效果明顯，樓山隧道擴挖過程監控量測體現最大拱頂沉降2．1cm，最大周邊收斂1cm。

圖4 Ⅴ級圍巖段六部擴挖法

3.3 實施擴挖方案的控制要點

（1）控制隧道回填碎石土的質量。分層厚度不超過30cm，要求臨時豎撐兩側各1．5m范圍壓實度不小于90%。一方面盡量約束豎向支撐，控制沉降；另一方面避免下階段Ⅳ部、Ⅴ部開挖時造成Ⅵ部回填碎石土的垮塌，降低施工風險，節省垮塌處理的時間。

（2）上部臨時豎撐落底到縱向分段鋪設的槽鋼上，進一步控制豎向支撐的位移。

（3）拱部每次開挖前，注重超前支護的施做質量。高質量的超前支護是確保施工安全、進度得以保障的必要條件。

（4）嚴格每循環短進尺。隧道掌子面方向臨空面小，且背拱后留有通道，來自掌子面方向坍塌的威脅較小，高質量的超前支護加上短進尺循環開挖，坍塌的安全風險可控。

（5）確保開挖支護的及時性。每部分單獨及早閉合成環，體現分部開挖的作用，控制擴挖過程中產生的沉降收斂。

（6）把控臨時支護的拆除時機，不得過早拆除。

擴挖類似隧道時，進一步根據圍巖地質條件，可借鑒樓山隧道擴挖工法，靈活調整擴挖工法，在做好常規施工質量的同時，做好以上6點要求，基本可確保擴挖施工工作順利實施。

4 結語

擴挖施工的機械化程度較低，加之某些隧道本身地質條件較差，國外擴挖機械不能完全適用于國內隧道的擴挖施工，短期內，一般擴挖隧道可能仍需采用分部開挖的方式以確保施工安全。

采用不當的開挖工法、開挖工法未按實際地質變化改變或開挖工法關鍵步序把控不嚴格，往往是隧道施工過程中發生事故的原因，國內新建隧道可鑒戒的經驗教訓已經很多，但是關于擴挖隧道方面可借鑒的案例較少，樓山隧道的擴挖工法為國內擴挖隧道新添一案例。