大跨隧道洞口浅埋段工法转换的探索研究

摘要：本文以马鞍山、井沟岭两座三车道大跨隧道洞口浅埋段的施工为工程背景，系统地阐述了在超前大管棚预支护下，采用双侧壁导坑法进洞，因相关条件而转换为单侧壁、台阶法等施工的过程。分析比较双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、台阶法优缺点,总结灵活采用台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法成功穿越洞口超浅埋段的成功经验。结果表明：工程造价略有节省，隧道的施工进度则有较大的提高。

关 键 词：大跨隧道；浅埋段；超前支护；施工工法；转换；

一、工程概况

马鞍山、井沟岭两座隧道是青兰高速邯涉段的控制性工程，其中马鞍山隧道全长超过4300m，井沟岭隧道全长超过3000m，均为标准分离式三车道隧道。隧道建筑限界宽度14m,高度为5m，洞口段（V级加强）开挖宽度16.81m，开挖高度11.75m。隧址区地震动反应谱特征周期为0. 35~0. 40s,地震动峰值加速度为0. 10~0. 15g,对应抗震设防烈度为Ⅶ度。

二、工程地质条件

马鞍山隧道出口段上部为第四系山前冲洪积亚粘土及碎石组成，下部为强风化页岩，洞口围岩稳定性较差，埋设较浅，属于软弱围岩大跨隧道浅埋段。井沟岭隧道进口洞口段为第四系山前冲洪积亚粘土及碎石组成，亚粘土呈硬塑性～坚硬状，碎石成分为石灰岩，含量60～70%，土质不均，上部具湿陷性。洞口围岩稳定性差，埋设浅，属于典型的软弱围岩大跨隧道浅埋段。

三、进洞方案

大跨浅埋软弱围岩隧道施工，安全进洞犹为重要，稍有不慎可能会造成塌方、冒顶等灾害。此段施工时迫近冬季寒冷天气,如11月份不能顺利进洞,面临着冬季被迫停工的局面。根据洞口土石方开挖所暴露出的围岩情况，均采用双侧壁导坑法进洞。

1、超前支护

超前支护采用40mφ108大管棚。热轧无缝钢管外径108mm，内径8mm，采用15cm丝扣连接，管内设钢筋笼。注浆采用水泥浆+水玻璃双液浆，二者体积之比为1：0.05，水泥浆水灰比1：1，水玻璃浓度：35Be，模数为2.4，注浆压力为初压0.5～1MPa，终压为2.0MPa。注浆完毕后再灌注M30的砂浆增强强度。套拱采用2m长、80cm厚的C25混凝土拱。套拱骨架为4榀间距0.5m的I20b钢架，钢架外侧焊接Φ127的无缝钢管作为导向管，外插角1～2。

2、洞身支护

系统锚杆为R25中空注浆锚杆，长4m，间距75cm×75 cm；I20b工字钢拱架，间距50cm/榀；φ8钢筋网，网格尺寸20 cm×20 cm；喷射混凝土厚度26cm；二衬65cm C25钢筋混凝土。

3、临时支护

喷射混凝土C2018cm；Φ22砂浆锚杆，间距100cmX75cm，L=2m，φ6.5钢筋网，网格尺寸为20cmX20cm；I16工字钢拱架，间距50cm/榀。

四、洞口施工方法的转换

采用双侧壁导坑法施工，开挖工作面狭小，开挖与支护不能平行作业，循环进尺频繁，初期支护与临时支护干扰较大，严重制约施工进度。综合多种因素，从技术角度考虑，在确保安全、质量的前提下，先后对四个洞口的施工方法进行了优化。

1、马鞍山隧道出口左线工法的转换

1.1、调整双侧壁正常施工顺序

马鞍山隧道出口左线（进洞里程ZK157+685）采用双侧壁导坑法进洞，左线I部完成开挖支护15m，III部完成开挖支护28m，掌子面里程ZK157+657。虽然掌子面为V级围岩，但围岩风化强度随进深减弱，地下水不发育。监控量测显示沉降量小，围岩稳定性较好，且有40m的超前管棚保护，因此对双侧壁导坑法进行调整：

暂停II部、IV部开挖与支护，先将I部施工至ZK157+657，再进行V部开挖与支护，最后进行II部、Ⅳ部、Ⅵ部的开挖支护。减弱VI部临时支护，进一步增强V部的支护，可在确保安全的前提下加快施工进度（下图所示）。

V部增强以下两项支护：

（1）、增加超前砂浆锚杆支护，其参数为：φ25、环向间距40cm，纵向排距2m,L=4.0m,搭接长度2.0m。

（2）、增加I20b钢架固定砂浆锚杆，其参数为:φ25长4m、环向间距1m、纵向间距0.5m的砂浆锚杆来固定V部拱部钢拱架。

采取的工程措施：加强监控量测，根据量测信息来确定中隔墙临时支护拆除的时间和数量；为确保安全，采用间隔拆除的方法，同时把预留的钢拱架采用φ22的钢筋重新连接成整体受力结构，V部喷射砼达到设计强度再拆除其余临时钢拱架。

1.2、双侧壁导坑法转换三台阶法施工

施工至ZK157+657里程后，掌子面围岩情况明显变好，断面上部7～8m为灰质页岩，下部为灰岩，近水平层理，整体性较好。监控量测结果表明，开挖支护后围岩变形较小，整体较为稳定，遂进一步调整双侧壁为三台阶法施工，取消临时支护（如下图）。

采用三台阶法的关键是控制拱顶水平岩层的稳定性。对超前大管棚下与开挖轮廓线上的不稳定的三角体，采用超前小导管注浆来加固，使之与管棚支护形成整体受力，以利前方围岩稳定。同时开挖爆破坚持多打眼、少装药、弱爆破，以降低对围岩的扰动。初期支护的参数增强如下：

（1）、钢拱架增设砂浆定位锚杆：φ25、@200cm、L=3米，每榀二环；

（2）、增设超前小导管：φ42@40cm，纵向排距2m,L=3m，搭接长度1m；

（3）、喷砼:厚度由26cm增为30cm。

施工工序调整如下：

开挖Ⅰ―支护1; 开挖Ⅱ; 开挖Ⅲ―支护3; 开挖Ⅳ―支护4; 开挖Ⅴ; 开挖Ⅵ―支护6; 开挖Ⅶ―支护7;施作仰拱Ⅷ；铺设防水板Ⅸ；二衬Ⅹ。在二、三台阶中增加Ⅱ、Ⅴ是为了对Ⅲ、 Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ开挖增加临空面，以减少对周边围岩的扰动，加强围岩的稳定性。

通过12m的施工验证，由双侧壁转换为三台阶法是成功的，围岩稳定，支护可行。但钢拱架的连接钢板与水平基岩面不垂直，拱脚处理困难，受力效果较差，同时台阶高度较低，不利于机械施工，只能采用短台阶，工序较多，进度较为缓慢。

1.3、三台阶变更为台阶法施工

施工至ZK157+620里程，掌子面围岩为厚层页岩及灰岩，地下水不发育，围岩等级为IV级。采用上下台阶法施工，将上台阶底部开挖到起拱线位置，同时适当增强超前支护与初期支护：

（1）、格栅钢锁脚定位锚杆：每榀增加6根φ22、L=3.5米砂浆锚杆，对称布置；

（2）、超前支护：φ25砂浆锚杆间距由40cm变更为30cm，纵向排距由3m变更为2m,L=4m，每环62根，保证开挖搭接长度1m。

台阶法施工爆破断面增大，岩体较坚硬，加之开挖面纵向离山顶危石越来越近，使爆破难度成倍增加。故而加强对山顶危石进行专业化监控，进一步优化前期的爆破设计参数，采用多打眼、少装药，循环进尺严格控制在2m之内。

通过以上技术措施，顺利的通过了该洞口段的施工，安全、质量可控。纵观此隧道的各种工序的转换，其优点为：根据围岩条件优化了施工方法，取消临时支护，节约了部分投资，加强了初期支护，确保隧道安全，适当的提高了施工进度，为后续施工提供便利条件。但工序的多次转换，对现场管理、技术水平、操作工人都有较高的要求。

2、马鞍山隧道出口右线工法的转换

马鞍山隧道出口右线（进洞里程YK157+695）采用双侧壁导坑法通过洞口段40m后，掌子面围岩逐渐变好。通过对监控量测成果、掌子面围岩的评价分析，同时吸取左线工法转换的经验，决定变双侧壁导坑法为小的单侧壁施工：I部继续向前施工，III、V部同步施工，后续再施工其他部分。

此法的优点为：

（1）、有利于洞口双侧壁导坑法的延续，便于工序的顺利转换；

（2）、在确保安全的情况下，III、V部同时施工，有利于机械化施工，提高施工效率。确保进入冬季后，减弱冬季寒冷天气的影响，可进行洞内较大规模施工。

（3）、单侧壁小导坑超前的开挖，起到揭示前方围岩的作用，为后续施工提供依据，同时超前小导坑开挖之后，释放了部分围岩应力，减轻了后续大断面的应力分配。

此法的缺点为：

III、V部合并施工，断面面积较大，对于相对较弱围岩，一次较多方量爆破，不利隧道安全。

实际效果验证，小单侧壁施工方法可行，围岩支护结构稳定。

I号小导坑施工至YK157+610后，围岩为中层灰岩，节理发育不良，围岩稳定性较好，并且此时埋深较深。据此调整小单侧壁为台阶法施工：暂停I部开挖，加快III与V部开挖支护，待与I部平齐后，自然变小单侧壁为台阶法，取消临时支护，同时为确保施工安全，增强超前支护，加固临空围岩。

3、井沟岭隧道进口左线工法的转换

井沟岭隧道进口左线与马鞍山隧道出口右线情况近似，因此整个隧道工序的转化与之一样，只是相似围岩长度不同，所走里程不一。

4、井沟岭隧道进口右线工法转换

井沟岭隧道进口右线（进洞里程YK158+330）采用双侧壁导坑法完成洞口V级加强段Ⅰ部40米，Ⅲ部20米。Ⅰ部里程为K158+370，洞身围岩依次为：碎石土（10米）――强分化页岩（9米）――弱风化灰质页岩(21米），围岩风化强度逐渐减弱，地下水不发育。掌子面为弱风化页岩，水平层理，层状结构，岩层稳定性相对较好。

监控量测成果显示围岩沉降、收敛变形量小，趋于稳定时变形量不超过1cm，遂决定由YK158+370里程，把双侧壁导坑法转变为单侧壁导坑法，工序转化采用渐变形式:

首先进行Ⅰ部施工，循环进尺75cm，每立一榀I20b拱架，横向依次向隧道中线扩移20cm，前进8m后，临时支护拱架逐渐扩移至隧道中线位置，此时停止横移，I部以此断面面积向前推进。然后进行III部施工，当III部开挖至如下图所示位置，在A部留2米岩柱，以稳定围岩。在台阶处按50cm/榀架设I16钢支撑。以后采取单侧壁导坑法开挖，逐步将双侧壁导坑法转换为单侧壁导坑法。

（双侧壁转换单侧壁平面示意图）

此法的优点为：

（1）、双侧壁导坑比较平稳的转换为大单侧壁法施工，相对于断面突变，有利减轻应力的过度集中，利于初期支护的稳定。

（2）、在渐变段及洞口加强段预留15m的保护立柱，有利于洞口大跨浅埋支护的稳定，利于洞口段的安全，利于冬季施工。

（3）、I部、III部贯通之后，利于机械施工，便于机械掉头与缩短运距。

此法缺点为：

渐变段施工，工法较复杂，施工质量要求高，对施工管理水平是个考验，因此选择此法需慎之又慎。

采用此法通过洞口段施工，根据对现场支护结构变形观察、围岩评价等，施工方法调整后措施得当，支护参数满足支护稳定要求，方法可行。

至YK158+540里程，采用与小单侧壁相同的方法，转换单侧壁为台阶法。

五、结语

上述的工法各有利弊，故而进洞方案及洞内工序的转换需慎重选择，经论证成功的方案还必须高质量的完成。这其中必不可少的是对不同地段的围岩情况、支护情况进行分析，确保安全顺利地通过大跨隧道洞口段浅埋段。在实施过程中要始终坚持及时准确地进行监控量测、掌子面地质围岩评价等相关工作，充分利用和有效控制围岩变形，确保施工安全，提高施工效率，对隧道后续施工产生积极的作用。

参考文献:

[1]JTG D70-2004《公路隧道设计规范》；

[2]JTJ042-94《公路隧道施工技术规范》；

[3]丁建隆，浅埋大跨度隧道的合理施工方法[J]，中国铁道科学, 2005, 26(4)；

[4]任尚强，大跨度隧道洞口浅埋段工法探讨及应用，地下空间与工程学报，Vo.省略

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。