四洞并進(jìn)小凈距超寬隧道群施工技術(shù)研究

摘要 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市道路承載的交通樞紐任務(wù)越來越重，從而涌現(xiàn)出一些快速路加輔路形式的四洞并進(jìn)隧道，文章以國道G316項(xiàng)目董奉山隧道為例，對四洞并進(jìn)形式的小凈距、超大跨隧道，特別是下穿既有隧道施工方法進(jìn)行研究，總結(jié)了一套輔洞先行、超前地質(zhì)勘探與注漿結(jié)合處理富水段開挖、小藥量爆破結(jié)合震動監(jiān)測等施工方法，為類似的四洞并進(jìn)小凈距、大跨度、淺埋段、下穿既有隧道的隧道施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 四洞并進(jìn)；小凈距；大跨度；下穿既有隧道；富水淺埋段施工

中圖分類號 U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0085-04

0 引言

四洞并進(jìn)、小凈距隧道施工中，后開挖施工的隧道對相鄰隧道已經(jīng)施工段存在較大干擾影響。爆破施工時，易將已施工完的相鄰隧道和下穿既有隧道震動破壞。超大斷面隧道在淺埋富水、軟弱圍巖段開挖時，易發(fā)生坍塌事故。該文總結(jié)了小凈距超大斷面隧道施工中采取的多種施工方法，為類似的四洞并進(jìn)小凈距、大斷面隧道群施工提供借鑒。

1 工程概況

國道G316線董奉山隧道下穿董奉山，采用四洞并行12車道。中間布置雙洞雙向8車道主路隧道，兩側(cè)布置雙洞雙向4車道輔路隧道。主路隧道左右洞均長4 048.5 m，輔路隧道左右洞均長4 093 m；主路設(shè)計(jì)為一級公路兼城市快速路，設(shè)計(jì)時速80 km/h；輔路為二級公路兼城市次干路，設(shè)計(jì)時速40 km/h。洞口段每相鄰兩洞之間凈距為12.9～20 m，屬于小凈距結(jié)構(gòu)形式^[1]。后面施工的隧道開挖過程中，爆破震動對已完工的隧道存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。隧道大部分為四級、五級圍巖，且有多個段落處于富水、構(gòu)造斷裂帶，易造成坍塌和涌水。

隧道進(jìn)口采用削竹式洞門，屬于剝蝕殘丘地貌，起伏變化大，相對高差約395 m，山脊陡峭，坡腳及溝谷低洼處為水稻田，隧道進(jìn)口段地勢較為平緩。

隧道進(jìn)口端洞頂有一條排水溝，常年有水流，其河底主要是由坡積粉土和完全風(fēng)化的凝灰熔巖組成。進(jìn)口端覆蓋層和仰拱底部也是全風(fēng)化凝灰熔巖，普通狀態(tài)下地質(zhì)較硬，遇水后會迅速軟化，承載力急速下降。

隧道出口設(shè)計(jì)為端墻式洞門。主路隧道洞口巖土層主要為（含碎石）殘坡積黏性土，全—強(qiáng)風(fēng)化層，輔路左洞洞口巖土層以中—微風(fēng)化凝灰熔巖為主。因人工采石取土形成坡度約80°的不穩(wěn)定斜坡，隧道主路右洞處有一堆積體，隧道洞口施工時容易引起坡體失穩(wěn)，需要清除^[2]。

董奉山隧道的四個隧道依次從福州繞城公路董奉山隧道下穿，兩條隧道之間的交叉角大約為64°。新建隧道與既有繞城隧道左、右線交叉的區(qū)域各約100 m。新舊隧道垂直凈空距離約為26 m。繞城隧道為設(shè)計(jì)時速100 km/h，雙向6車道的分離式高速隧道，繞城隧道已運(yùn)營通車。

2 四洞并進(jìn)隧道施工方法

2.1 總體進(jìn)洞施工方案

結(jié)合地形、地質(zhì)條件和環(huán)境保護(hù)理念，遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”原則，隧道進(jìn)口采用削竹式洞門，出口采用端墻式洞門+明洞形式，盡量減少洞口明洞大開挖。

暗洞開挖前，在洞頂做好截水溝和既有排水溝的改溝，避免地表水滲漏到隧道開挖面影響明洞邊坡和掌子面的穩(wěn)定性。隧道口的邊坡要開挖一級，防護(hù)一級。明洞邊坡開挖到隧道口時，留核心土保證隧道開挖面的穩(wěn)定，洞口長管棚施工完成后再挖除核心土^[1]。

隧道開挖前，根據(jù)監(jiān)測方案與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，做好開挖面的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，探明隧道內(nèi)斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、富水情況、在隧道中的分布位置、斷層破碎帶的規(guī)模、物質(zhì)組成等，并分析其對隧道的危害程度；根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對掌子面進(jìn)行預(yù)加固。

隧道開挖施工中，堅(jiān)守“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤測量、快封閉”的建設(shè)原則。董奉山隧道的施工中，采取四洞并進(jìn)的施工方案，先輔路隧道，后主路隧道施工。一是為主路隧道施工提前探測地質(zhì)情況；二是有效地進(jìn)行排水，降低主隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)^[3]。

在下穿福州繞城公路既有隧道段落施工前，要向公路管理單位提前報(bào)備，簽訂好施工協(xié)議。對繞城隧道做好交通導(dǎo)改，在不影響通車情況下降低車速。隧道開挖過程中，做好超前預(yù)加固，保證隧道開挖施工安全。采用短進(jìn)尺少炸藥爆破，減少對頂部繞城隧道的影響。

2.2 隧道開挖前準(zhǔn)備工作

（1）提前做好隧道頂周圍的排水系統(tǒng)。為減少山體四周雨水對隧道口邊坡的沖刷，防止?jié)B入隧道開挖面造成坍塌。采用截水溝、泄水槽將隧道口山體漫流水引流到附近的河溝或其他既有水系中。

隧道頂部既有河溝在雨季前完成改溝施工。隧道進(jìn)口端明洞仰拱的基礎(chǔ)都在水位較高的全風(fēng)化凝灰熔巖范圍，明洞仰拱開挖時做好抽排水，防止雨水浸泡導(dǎo)致仰拱基礎(chǔ)承載力不足。

（2）盡最大可能做到“零開挖進(jìn)洞”方法。盡量保護(hù)隧道頂部截水溝和隧道洞口之間的原生植物，盡量放緩開挖邊坡，石質(zhì)邊坡選用機(jī)械破除，減少震動破壞。

（3）做好隧道洞頂?shù)谋O(jiān)控測量工作。隧道洞口淺埋段暗洞在開挖時極易造成坍塌、沉降變形情況。邊仰坡開挖前需在隧道頂部，按照監(jiān)測方案設(shè)置好監(jiān)測點(diǎn)，定期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時停止施工。

（4）邊仰坡自上而下逐級開挖，及時防護(hù)。遵循“開挖一級保護(hù)一級”方針，機(jī)械開挖時預(yù)留20 cm由人工進(jìn)行處理，及時按照設(shè)計(jì)圖做好防護(hù)^[2]。

2.3 小凈距隧道開挖施工及加固方法

（1）隧道施工順序。小凈距隧道群相鄰隧道的掌子面距離應(yīng)大于2倍洞徑，并錯開40 m以上。采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工輔路隧道，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工主路隧道。雙壁導(dǎo)坑左右兩個導(dǎo)坑間的距離要保持在15 m以上。當(dāng)導(dǎo)坑和中央的土體同時施工時，導(dǎo)坑應(yīng)超前30 m。

（2）超前支護(hù)。包括：超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前大管棚預(yù)支護(hù)^[1]。洞口段采用大管棚超前預(yù)支護(hù)，采用直徑φ108 mm的熱處理無縫鋼管，首段長度分為4 m和6 m，后面每節(jié)6 m長，環(huán)形距離40 cm。鋼管保持平行，斜度控制在1°～3°。奇數(shù)編號的鋼管，帶孔的花形鋼管，孔徑為15 mm，相鄰兩個孔距離為15 cm梅花形排列，管棚鋼管內(nèi)注水泥漿液。

Ⅴ級圍巖段采用外徑42 mm超前小導(dǎo)管注漿加固；每環(huán)間搭接長度不小于1 m，外插角10°，施工過程中根據(jù)圍巖情況可采用雙層小導(dǎo)管方案；Ⅳ級圍巖巖體破碎地段采用Φ22超前錨桿，外插角15°。

隧道洞口段相鄰兩洞之間凈距為12.9～20 m，為確保圍巖的穩(wěn)定，隧道左右洞兩側(cè)導(dǎo)洞開挖之前，對中夾巖進(jìn)行注漿加固，待注漿達(dá)到強(qiáng)度后再開挖，支護(hù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定^[2]。

2.4 下穿既有隧道施工方法

（1）下穿既有隧道段施工主要情況簡介。董奉山隧道下穿已經(jīng)通車的福州繞城公路隧道，交匯的角度64°，隧道之間豎向凈高約為26 m，交叉段落平面、剖面關(guān)系圖見圖1。隧道下穿100 m區(qū)域?yàn)棰蠹墖鷰r，設(shè)計(jì)為短臺階法開挖，S4j和FS4j復(fù)合襯砌。為減小隧道施工過程中對繞城隧道的影響，在交叉影響段100 m范圍內(nèi)按小藥量爆破開挖。挖掘過程中，嚴(yán)格管控炸藥使用量，每一個循環(huán)施工一榀鋼架，并嚴(yán)格按照光面爆破的設(shè)計(jì)方案來實(shí)施。同時，對頂部已通車的繞城隧道進(jìn)行爆破震動監(jiān)測。

（2）下穿段超前支護(hù)方法。下穿段Ⅲ級圍巖，超前支護(hù)選用22 mm直徑的水泥砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，15°的斜角向上，環(huán)向距離40 cm，縱向距離2 m。兩排錨桿縱向疊加長度不低于1 m。

錨桿鉆孔注漿前，確保孔洞內(nèi)部清潔。注漿管插入到孔底往上50～100 mm的位置，一邊注入砂漿，一邊以均勻且緩慢的速度抽出。輕輕插入錨桿，不可以大力敲打桿體。如發(fā)現(xiàn)孔口沒有剩余的砂漿，立即補(bǔ)充注漿。在裝置錨桿墊板時，要緊貼圍巖表面。

（3）下穿既有隧道段開挖、支護(hù)要求。按照臺階法進(jìn)行開挖。臺階長度控制在隧道寬度的1.5倍。下臺階每循環(huán)開挖長度和上臺階一致，不大于1.5 m。開挖后及時支護(hù)，臺階長度需便于機(jī)械操作。上臺階鋼架施工后，及時觀測沉降和形變。上臺階噴射混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，再進(jìn)行下臺階開挖。

橫向排水管、縱向及環(huán)形排水管通過塑料三通接頭連接在一起，用無紡布包裹并用線串聯(lián)固定。在防水板鋪設(shè)之前，需將錨桿頭和鋼筋網(wǎng)頭磨平，用水泥砂漿抹平，以防破損防水板。

二襯混凝土使用全液壓自動移動的帶模注漿襯砌臺車。臺車設(shè)計(jì)經(jīng)過受力計(jì)算，滿足安全規(guī)則。臺車定位前，必須對所有預(yù)埋件和預(yù)埋管道的數(shù)量和位置進(jìn)行詳盡檢查，防止遺漏。混凝土的澆筑采用滑槽對稱澆筑，防止混凝土離析。

完成二襯混凝土澆筑約3 h后，進(jìn)行帶模注漿。二襯拆模后及時噴霧、灑水養(yǎng)護(hù)，確保二襯表面不出現(xiàn)裂紋。

2.5 交通組織方案

施工交叉段時，采取了“一側(cè)開放通行，一側(cè)繼續(xù)施工”的策略，始終遵循“無須更改行駛路線、保持交通順暢、確保行駛安全”的原則。

為了減小下穿段隧道施工時對繞城隧道車輛正常行駛的影響，保證交通安全運(yùn)行，原分離式隧道雙向6車道改為雙向2車道，開放慢車行車道，即單洞單向靠右通行，并限速40 km/h行駛。

利用優(yōu)秀的施工管理以及交通警察和道路管理部門的協(xié)作，將繞城隧道影響降至最小，通過相關(guān)的標(biāo)示和標(biāo)牌，可以實(shí)現(xiàn)交通疏解的目標(biāo)。

2.6 監(jiān)控量測點(diǎn)埋設(shè)

（1）監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)。下穿交叉影響段100 m范圍內(nèi)，隧道中線左右側(cè)各25 m范圍設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)，網(wǎng)格間距5 m。通過使用高精度的水準(zhǔn)儀對地面沉降點(diǎn)進(jìn)行測量，按照監(jiān)測方案規(guī)定的頻率定期監(jiān)測。若觀測到變形速度增大，需增加監(jiān)測的頻次。

（2）爆破震速檢測。在繞城隧道內(nèi)設(shè)立收集站，收集站上裝置抗地震波探測器，監(jiān)測爆破產(chǎn)生的振動記錄。采用每秒鐘收集數(shù)據(jù)點(diǎn)的方式對振動曲線進(jìn)行離散記錄（量化）。設(shè)定采樣速度為5 000點(diǎn)/s，這樣可以充分顯示達(dá)到1 000 Hz的信號振動記錄。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）的有關(guān)規(guī)定^[4]，在爆破作業(yè)過程中，必須控制爆破產(chǎn)生的震動影響在可承受范圍。下穿段影響范圍內(nèi)繞城隧道洞身結(jié)構(gòu)所在地質(zhì)點(diǎn)振動速度控制在2 cm/s內(nèi)。

（3）洞外觀察、洞內(nèi)監(jiān)測。每次爆破后對繞城隧道影響段外觀進(jìn)行觀察，主要是觀察并記錄既有隧道襯砌開裂、剝落、洞身漏水等可能造成的不利影響，以及隧道內(nèi)既有設(shè)備受損情況。

洞內(nèi)收斂監(jiān)測通常設(shè)兩條水平基線，淺埋、偏壓區(qū)域，設(shè)置四條基線。凈空測變儀的短桿被固定在要測量的兩個測點(diǎn)的巖體內(nèi)，測量間距根據(jù)圍巖環(huán)境設(shè)定。沉降觀測點(diǎn)通常設(shè)置在拱頂部中心和兩側(cè)，每個段面設(shè)有三個點(diǎn)。假設(shè)遇到通風(fēng)管或其他障礙，可改變位置。測量頻次與凈空收斂測量相同。

（4）監(jiān)測資料的分析、預(yù)測及信息反饋。采用專業(yè)技術(shù)軟件自動化地進(jìn)行了初步的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析和處理。根據(jù)真實(shí)測量的數(shù)據(jù)，分析并創(chuàng)建了各種圖表和曲線圖。曲線圖接近平衡時，推算出最終結(jié)果并對建筑的安全性作出提示。

既有隧道監(jiān)控量測內(nèi)容由施工方與福州繞城公路東南段運(yùn)營管理部門共同協(xié)商完成，相互通報(bào)沉降量。檢測人員及時反饋指導(dǎo)信息，調(diào)整施工參數(shù)，嚴(yán)格控制拱頂下沉和地表下沉，保確保既有線運(yùn)營安全。

2.7 做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道施工過程中如果前方地質(zhì)條件突然變化，如塌方、涌水、涌泥等，將會導(dǎo)致施工失去控制，還可能引起人員傷亡、機(jī)械設(shè)備失效并嚴(yán)重破壞，甚至被迫長時間停工，致使巨大經(jīng)濟(jì)損失。所以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工非常重要的輔助工具。

主要方法有地質(zhì)素描、超前水平鉆孔探測、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

（1）地質(zhì)素描法。隧道施工中，及時對其開挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的地層巖性、構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性等進(jìn)行測繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，做好預(yù)案和確定初期支護(hù)方法等。掌子面狀況示意圖見圖2。

（2）超前水平鉆孔探測。采用水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，推斷隧道前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計(jì)和控制，由鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其他情況來預(yù)報(bào)。此法可以反映巖體的大概情況，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水，比較直觀，施工人員可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。水平鉆孔布置示意圖見圖3。

（3）TSP地震波反射法。地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性，預(yù)報(bào)隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等^[5]。數(shù)據(jù)采集時在隧道一邊側(cè)墻等間隔鉆制20余個炮孔，而在兩側(cè)壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達(dá)波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1 h。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有預(yù)報(bào)距離相對較長、精度較高、提交資料及時、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。鉆孔距離標(biāo)示示意圖見圖4，工作原理示意圖見圖5。

3 結(jié)束語

在四洞并進(jìn)、小凈距隧道群施工中，采用輔洞先行，為主洞施工做好地質(zhì)勘探和排水后，降低主洞超寬隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)，取得良好效果。在施工前，做好洞口的既有水系遷改、截水溝引流，減少隧洞開挖時掌子面滲水，為隧道開挖提供保障；在小凈距隧道中，夾巖采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，減少相鄰隧道施工影響；做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前探測隧道開挖面后面的地質(zhì)情況，提前謀劃做好應(yīng)對措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；按照早進(jìn)洞、晚出洞的原則，加長明洞長度；在下穿既有隧道施工中，采用小藥量短進(jìn)尺弱爆破、配合既有隧道爆破監(jiān)測、交通導(dǎo)改降低車速，確保不間斷行車的安全。國道G316線董奉山隧道順利的完工，在交工檢測中質(zhì)量評定為優(yōu)，為類似的四洞并進(jìn)小凈距、大斷面、下穿既有隧道的隧道群施工提供借鑒。

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收稿日期：2023-10-17

作者簡介：王祥（1984—），男，本科，工程師，研究方向：公路、市政工程施工管理。