大断面浅埋公路隧道施工技术研究

摘要：本文以乌鲁木齐外环快速路扩容改建工程（二期）A2标段蜘蛛山隧道大断面浅埋暗挖施工为工程背景，讨论了蜘蛛山隧道大的施工技术，阐述了城市大跨度隧道的施工方法及施工控制要点，对软弱地层大断面浅埋隧道双侧壁导坑施工技术进行了深入分析，对大跨度隧道施工及软弱围岩隧道施工具有很强的参考价值。

关键词：隧道工程施工技术爆破震动监测

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1. 工程概况

乌鲁木齐外环快速路扩容改建工程（二期）A2标段位于乌鲁木齐新市区蜘蛛山。整体呈现为M的形状，为高架桥+隧道+高架桥+隧道+高架桥的形式。A2标段工程位于乌市西外环路，东接苏州路通北京路，西接二宫火车站及新建高铁火车站。A2标段隧道和桥梁是整个西外环改造工程的瓶颈所在。只有将此打通后才能将整个南外环、北外环、西外环连接。新建蜘蛛山隧道所处地貌单元为黑山头低山，位于乌鲁木齐西侧，最高海拔859.8m，地形起伏较大，分为两个山头，总体为两端高，中间高。无地表水，进口位置地势陡峭，岩层倾向同自然边坡坡向相反，与入口段挖堑边坡呈大角度斜交；隧道出口地形较平缓，岩层倾向同自然边坡坡向一致，与出口段挖堑边坡呈小角度斜交，且倾角与坡脚相近。隧址海拔859.8m,最大埋深25m。隧道围岩节理裂隙较为发育，岩体较为破碎。拟建蜘蛛隧道为分离式双向4车道，隧道位置关系净距16.2m～25.6m，高差6.2m～9.3m，隧道内轮廓：9.92×8.335m，开挖面积65㎡。洞口门采用端墙式洞门。围岩为Ⅴ级围岩，喷射混凝土C25厚25cm，二次衬砌C35厚45cm，钢拱架工字钢I18@0.8m。蜘蛛山隧道长度见表1所示。

表1. 蜘蛛山隧道长度见

新建隧道穿越带内地层为中生界系齐古组、卡扎拉古组，上部覆盖层为第四系下更西域组地层。隧道段地表水及地下水均不发育。其地质构造主要为：

⑴褶皱：黑山头属单斜山，产状为NW309° -338° ∠28° -47°，主要为侏罗纪系古组浅紫红色、灰色粉砂岩，卡扎组红褐色含砾长石岩屑砂岩组成，发育大型交错层理。

⑵断裂：新建蜘蛛山隧道段无断裂发育。

⑶节理：隧道所处的构造单元内，褶皱作用强烈，致使岩体中节理较为发育，且在不同的构造部位以及受岩性差异的影响，在隧道的不同地段，节理产状、密度及组合关系均存在差异。

隧道区段越岭段地震动峰值加速度为0.2g(g=9.8m/s2)，相当于地震基本烈度8度。隧道通过地区地震动反应谱特征周期为0.40s。

2. 施工技术及施工要点

2.1施工方案及控制要点

蜘蛛山隧道正洞开挖全部采用CD法施工，开挖采用机械开挖方式，局部机械无法凿除部分采用爆破施工。CD法是在软弱围岩大跨度隧道中，先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法。CD法施工工艺流程见图2。CD法施工工序如下：

图2CD法施工工序图

（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道Ф42超前小导管及导坑侧壁Ф22水平锚杆及径向临时锚杆。

（2）人力配合机械开挖①部，高约为4.5m，宽约为5.5m。⑶施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚混凝土，架立型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆（管），安装径向、水平锚杆及铺设钢筋网片，复喷混凝土至设计厚度。

（3）在滞后于①部3～5m，开挖②部，人工整修表面。导坑周边部分初喷4cm厚混凝土。

（4）接长型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆（管）。⑷钻设径向锚杆并铺设钢筋网片，复喷混凝土至设计厚度。

（5）在滞后于②部3～5m，开挖③部，人工整修表面，施作导坑周边初期支护，步骤及工序同①。

（6）在滞后于③部10～15m，开挖④部，人工整修表面，施作导坑周边初期支护，步骤及工序同②。在滞后于④部3～5m，开挖⑤部。⑵接长I18临时钢架至隧底，必要时底部垫槽钢。

（7）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18临时钢架。⑵利用仰拱栈桥灌筑边墙基础与仰拱。利用仰拱栈桥灌筑仰拱填充至设计高度。

（8）利用衬砌模板台车一次性灌注二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

图3CD法施工开挖顺序及支护图

2.2CD施工注意事项

（1）上导坑①、③部的开挖循环进尺控制为1榀钢架间距0.8m，下导坑②、④部的开挖可依据地质情况适当加大。

（2）导坑开挖孔径及台阶高度可根据施工机具、人员等安排进行适当调整。

（3）钢架之间纵向连接钢筋应及时施作并连接牢固。

3. 爆破振动监测

3.1 蜘蛛山隧道施工爆破振动监测流程

钻爆法是当前我国隧道施工的常用施工方法，也称矿山法。在邻近既有建（构）筑物隧道工程的施工中，新建隧道爆破施工对邻近建（构）筑物影响巨大，特别是在人口稠密的城市。因此如何既能保证施工进度，又能控制爆破振动范围和强度，这是邻近既有建（构）筑物钻爆法隧道施工的重要任务。爆破振动监测是这一任务顺利完成的必要手段，因此在邻近既有建（构）筑物隧道修建过程中开展爆破振速监测具有极为重要的意义。爆破测量是对爆破引起的有害反应，包括对爆破振动、爆破冲击波、个别飞散物等进行监测计算和评估。现在国际上流行爆破测量的是爆破的振动速度和频率。因此，本次监测主要通过监测爆破影响程度的主要参数—振动速度和频率，进行实时爆破监测、评价爆破效果，不断优化爆破方案，达到指导爆破设计与施工的目的。根据施工情况，在施工单位爆破施工中，对每炮均进行爆破振动检测，并根据检测结果及时调整爆破参数，直至满足规范和设计对爆破振动的要求。监测方法的原理是根据弹性波在地层中的传播规律来监测振动波对建筑物的影响。弹性波在地层传播时，其能量衰减快慢不仅与测点距离有关，也与震动传播所经过的地层介质有关。当介质密度大时，则震动能量衰减小，即在同等距离内监测到的振幅大，反之亦然。另一方面，当震动波经过裂隙发育或断层地段，震动能量则有较大的衰减。爆破监测需要能将爆破产生的多成份地震波记录下来，监测仪器的原理如图4所示。

图4. 监测仪原理图

本监测采用成都中科测控有限公司生产的增强性振动测试仪。本仪器的优点在于质量轻、可防水、防尘、耐压抗击、精度高、应用面广等特点。除此以外，还具有现场设置各项参数的功能。现场采集时，会出现触发电平设置太低，量程设置太小，仪器不触发；采样率设置不正确，波形混叠或者波形被削顶等等的问题。如果现场没有电脑，就很难快速解决我们所遇到的问题。增强的4850型仪器可以在现场没有电脑的情况下，通过按键和液晶屏快速设置参数，从而达到信号快速、准确采集的目的。同时，仪器可以在现场通过仪器本身的功能读出特征值，还能大致预览到已经采集到的信号波形。仪器采用自适应量程，采集时无须做量程调整。时间可单独设置，可根据实际需要设置采集时间。根据实际的情况也可以现场对采集做调整。本仪器使用分离式振动传感器，可对微小振动及超强振动进行测量。

3.2 监测结果分析

经过实测到被测对象的各种振动信号，将此振动信号进行分析。同时分析被测结构的各项特性参数，将两者进行对比分析。而后再对被测对象的安全性做综合性评价。目前国内外多采用萨道夫斯基经验衰减公式对爆破数据进行回归分析，建立如下的数学模型来进行震动衰减的预测。

（1）

式中：V为质点震动速度（cm/s）；K,α为场地因素及衰减指数；Q为爆破药量（kg）；R为爆源与测点之间的距离(m)。

根据《爆破安全规程GB 6722-2003》的规定（见表2所示），并参考国内外对不同经验和理论，根据待保护的建筑对象的不同，进行安全评价，给出频率和振速的判据。结合判据和公式（1）的回归模型，进行爆破参数的反馈调整和优化。

表2. 中国 2003《爆破安全规程》振动安全允许标准

4. 监控量测技术要点

监控量测严格按照设计图纸要求指导现场布设，并按要求进行监控，以保证现场施工安全，指导现场施工参数的选择。现场监控量测是在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为喷锚支护和二次衬砌砼的参数调整提供依据，把量测的资料经整理和分析得到信息及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案，以达到安全、经济、快速施工的目的，围岩量测是本工程施工管理中的一个重要环节，是施工安全和质量的保障。监控量测的作用：⑴了解围岩、支护变形情况，以便及时调整和修正支护参数，保证围岩稳定和施工安全；⑵提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据，确定二次砼衬砌施作时间；⑶依据量测资料采取相应措施，在保证施工安全的前提下加快施工进度；⑷积累量测资料，提高施工技术水平。

4.1地表沉降

为保证施工中周围建筑物的安全，应对地表沉降监控量测，通过量测取得原始量测数据进行分析、绘制散点图，根据图形分布形状求得时态曲线图，推测可能出现的结构沉降及周围岩体变化情况，以信息反馈指导施工。观测仪器：（1）精密水准仪（2）铟瓦水准尺。监测方法：用长20cm圆钢筋头制作成测点，埋于地表，用水泥砂浆固定埋设，钢筋头露出5mm，周边用油漆标志。地表检测基点为标准基点，通过水平基点可测量各观测点的高程值。在隧道开挖前，观测各点的高程值，即为测点初始值。每两次观测值的差值即为两次观测点的沉降值，与初始值的差值即为累计值。量测频率：1次/天，竖井底板施工完成3天后，可停止沉降观测。量测数据分析与应用：根据各点的累计沉降及变形曲线，分析各点沉降，若发现沉降曲线弯变或沉降速率增大时，应及时分析原因，采取确实措施，控制沉降。

覆盖层H＜B时，量测断面间距10m，B≤H＜2B时，量测断面间距20m。量测频率为掌子面距离量测断面d＜2B时，1～2次/天；掌子面距离量测断面d＜5B时，1次/2～3天；掌子面距离量测断面d＞5B时，1次/3～7天。同时对新建隧道山体上方的既有房屋四周布置控制点，每天定期观察该处地表变化情况，根据测量结果，指导隧道开挖参数及地表处理方案。

4.2收敛量测

岩体开挖后，原来的应力平衡受到破坏，应力重新分布，作用于竖井初期支护的应力分布不均匀。通过收敛数值可以反映出应力的变化，通过信息反馈可以确定循环进尺、支护形式。监测仪器：VRM-3型收敛计。监测方法：隧道净空收敛监测断面按20m一个量测断面，与对应地面监测点相重合，每一个断面设5测点4测线方式。安装测点：安装测点时，其球形测点埋件与格栅钢架焊接，上好保护帽，喷射砼，砼凝固后，即可进行量测。监测频率：1次/天，特殊情况下2次/天。数据分析与处理：与地表沉降观测相同，在先做出时间-位移及距离位移点固，对各量测断面内的数据进行回归分析，预测发展趋势，并与实际量测结果对照，由此隧道的稳定性，用以指导隧道施工。

水平净空收敛及拱顶下沉量测布置断面见下图，断面布置结合既有隧道监控量测断面以及地表沉降量测断面布置，尽量布置在同一断面上。收敛观测断面距离掌子面距离越小越好，施工时按2米控制，按设计要求埋设位置进行测点放样钻孔安装埋设测镜进行观测。

图5. 地表沉降控制桩布置图 图6. 净空收敛及拱顶下沉量测布置示意图

蜘蛛山隧道围岩全部为Ⅴ级围岩，覆盖层H＜2B时，量测断面间距5m，施工初期阶段及变形趋于稳定后，量测断面调整为10m。量测频率为开挖完成后前15天1～2次/天；15～30天量测频率为1次/2天，30～90天量测频率为1～2周/次；90天以后，1～3次/月。当数据发生异常时，加密量测频次，并及时和第三方进行数据校核，得出准确结果，用于现场选择合适的施工参数。

4.3 监测管理体系

施工工程中针对本工程监测项目的特点，建立专业监测小组，由具有丰富施工经验、监测经验及有结构受力计算、分析能力的技术人员担任，监测施工组织与流程见图《监控量测施工组织流程图》。为保证量测数据的真实可靠及连续性，特制定以下各项措施：（1）监测组与监理工程师、第三方量测单位密切配合工作，及时向其报告情况和问题，并提供有关切实可靠的数据记录。（2）制定切实可行的监测实施方案和相应的测点埋设保护措施，并将其纳入工程的施工进度控制计划中。（3）项目量测人员要相对固定，保证数据资料的连续性。（4）量测仪器采用专人使用、专人保养、专人检校的管理。（5）量测设备、元器件等在使用前均应经过检校，合格后方可使用。（6）各监测项目在监测过程中必须严格遵守相应的实施细则。（7）量测数据均要经现场检查，室内两级复核后方可上报。（8）各量测项目从设备的管理、使用及资料的整理均设专人负责。

5. 结束语

本文以乌鲁木齐外环快速路扩容改建工程（二期）A2标段蜘蛛山隧道大断面浅埋暗挖施工为工程背景，采用CD法开挖，施工中做到“短进尺、早支护、勤量测、速反馈”，成功解决了工期紧张、工艺复杂、互相干扰、地表沉降控制、微震爆破等难题。对以后大跨度隧道和软弱围岩洞口施工有很好的借鉴作用。

参考文献

石广银，邢心魁，宋战平，等．隧道施工动态仿真分析[J]．水利与建筑工程学报，2008，6(2)：19-21，24．

Hui Li, Xiaohong Yang&Hongfei Liu. Analysis of dynamic stability about prestressed anchor retaining structure [J]. Landslides and Engineered Slopes From the past to the Future, 2008, 07

李辉，刘宏飞，宋战平.西安浅埋暗挖隧道地铁施工地表沉降分析[J]．铁道建筑，2010年第6期

吕勤，张顶立，黄俊．城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践[J]．中国安全科学学报，2003，13(7):：29-34．

杨海芹，李俊才，陈志宁，等．浅埋暗挖隧道施工中纵向地表下沉的规律[J]．南京工业大学学报（自然科学版），2008，30(3)：56-60．