深圳南坪快速路新屋大跨度隧道综合施工技术

陈明春

摘要: 本文通过对新屋隧道施工中的隧道静态爆破技术、洞口浅埋段施工技术、过F1断层带施工技术和地质超前预报、围岩变形量测等方面进行的深入研究总结，丰富了我国双向八车道隧道施工技术，为以后类似隧道的施工提供了宝贵的经验。

关键词: 新屋隧道；F1断裂带；静态爆破；TSP超前地质预报

1.引言

近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，城市快速路建设的快速发展和交通量的逐步增多，大断面公路隧道工程将日益增加。但是，对于双向八车道（或单向四车道）大断面公路隧道工程施工实践并不多。当前，我国现阶段的四车道大断面公路隧道建设既无成熟的经验供参考，又无标准的规范可参照；从目前情况来看，由于其自身具有众多复杂的因素，再加上四车道隧道的跨度大，因而大断面隧道的施工技术总结显得尤为重要。

我们将目前国内双向八车道公路隧道及相似地下工程建设情况做一汇总，见下表1-1，从表中我们可以看出，双线八车道公路隧道单洞最大跨度在23米左右，其最大高度含仰拱13米左右，从起拱线算起矢跨比最小为0.41,设计、施工建设难度都很大。而新屋隧道是目前国内扁平率较小、长度较长的双向八车道公路隧道。

表1－1 双向八车道公路隧道及相似地下工程建设情况

2、项目概况

2.1、工程简介

新屋隧道位于深圳市西丽片区塘朗山，是一座双向八车道公路隧道, 左线起讫里程：Z12+220～Z12+844，长624m；右线起讫里程：Y12+240～Y12+844，长604m；左、右线隧道结构间净距为19m～34m，左、右线隧道结构间净距为19m～34m，隧道内设车行横通道和人行横通道各1处，中心里程分别为：Y12+430和Y12+550。

2.2、地质及水文情况

根据地域资料及地质调查，勘查区及其周边出露的地层主要有第四系地层、燕山期粗粒花岗岩、加里东区混合花岗岩。隧道地貌单元为剥蚀丘陵地带，地势起伏较大，植被茂盛，自然地形坡度一般20～40度，地面标高一般在30～107m。

新屋隧道隧址区属南亚热带季风气候，雨量充沛，干湿季节明显，夏秋季有台风，台风影响时间为5～12月。地下水主要为松散土类孔隙水和基岩裂隙水。松散类土厚度变化较大且不稳定，水量中等～贫乏，隧道基岩为燕山期粗粒花岗岩和加里东期混合花岗岩，节理发育，储水量较大，是该区的主要含水层位，含水层富水性及透水性较好。根据水质分析，地下水对混凝土具分解类酸型中等腐蚀性。

2.3、隧道设计情况

（1）隧道平、纵断面

左、右线隧道均为曲线隧道，平曲线半径为1200m，左、右线隧道结构净距为19～34m。左右线纵坡设计由小里程至大里程分两个坡度1%和1.25%。

（2）隧道净空、横断面

隧道横断面按分离式双洞、即单洞四车道单向行驶断面设计。隧道断面净宽18.99m，行车宽度15m（4×3.75m），双侧设宽0.75m检修道；行车道净高5m。路面横坡2%，向曲线内侧下坡。隧道内轮廓设计为五心圆拱形式。内轮廓尺寸考虑了结构施工误差、预留变形、运营期间的部分设备安装及装修所需空间。

（3）结构形式

按新奥法原理设计，充分利用围岩自承能力，隧道支护结构除明洞段，均采用复合式衬砌结构。有Ⅴ级复合加强、Ⅴ级复合、Ⅳ级复合、Ⅲ级复合及明洞五种断面形式，各断面均设双侧电缆沟，设清、污分流双侧水沟。

2.4、工程特点及难点

2.4.1 工程特点

（1）、隧道跨度超大：新屋隧道是分离式双向八车道公路隧道，隧道开挖断面宽最大为21m，高度为13.32m。

（2）、隧道地质状况差：隧道IV、V级围岩占79.4%，III级围岩占20.6%，施工工序转换复杂，开挖进度慢。隧道在Z12+585～+615和Y12+480～+520范围内有破碎构造带F1，为断层碎裂岩，节理裂隙发育，岩石破碎，需要采用超前大管棚支护、双侧壁导坑法开挖。

（3）、隧道开挖控制爆破要求高：本标段进口为工业厂区周边建筑物较多（计量院内有精密仪器，不能受震动影响），为了避免爆破对建筑物造成破坏，隧道开挖均采取静态爆破和光面控制爆破技术。

2.4.2 工程难点

隧道进出洞口段覆盖较薄，岩性透水性好，雨季施工易出现涌水、坍塌。 Ⅳ、Ⅴ级围岩施工采用双侧壁导坑法，工序复杂，组织快速化施工困难。

3、隧道施工关键技术

3.1、洞口浅埋暗挖段施工技术

由于地质条件较差，边、仰坡及围岩自稳能力极差，在这种情况下，要作好洞口段的施工，以尽快形成安全的进洞条件，采取方案为：进洞前先做好洞顶排水天沟，对仰坡进行喷锚支护，尽量少刷坡。完成长管棚超前支护后，进洞开挖采用双侧壁导坑法，人工配合机械开挖，型钢钢架支撑和挂网、喷、锚等联合支护方式。

图3-1 隧道洞口段V级围岩双侧壁导坑法施工效果图

隧道洞口覆盖层较薄，暗洞进洞相对困难，因此设置了一定长度的明洞。明洞采用明挖顺做法施工，洞口土石方利用人工配合机械自上而下分层开挖、分层喷锚支护；衬砌分两部分施工，先施工仰拱及墙角钢筋砼，后进行拱墙衬砌施工。

3.2、F1断裂带施工

3.2.1 F1断裂带情况

根据设计图纸，隧道在Z12+590～+617和Y12+480～+524范围内有破碎构造带F1。左线F1断裂带为断层碎裂岩、角砾岩、糜棱岩、断层泥组成，节理裂隙发育，岩石破碎，呈微涨，岩体结构为碎块状镶嵌结构或碎裂及碎裂结构，F1断裂带长30m，处于Ⅴ级围岩，隧道穿越微风化层与弱风化层，隧道顶部弱风化层覆盖厚度23m，强风化层5m。右线F1断裂带位于浅埋地段，围岩主要为弱～微风化加里东期混合花岗岩，节理裂隙较发育，岩石完整性、稳定性较差，岩体呈碎石状压碎结构或碎块状镶嵌结构。F1断裂带长40m，处于Ⅴ级围岩，隧道穿越弱风化层与强风化层，隧道顶部强风化层覆蓋厚度1m，全新统冲洪积层10m。

3.2.2 F1断裂带施工方案

(一)左线隧道开挖方案

由于左线隧道F1断裂带处于微风化与弱风化之间，隧道顶部弱风化层覆盖厚度有23m，强风化层有5m。又根据地质超前预报及勘测抽芯报告，该段范围内岩性主要为混合花岗岩，强～弱风化，总体岩石较坚硬。节理裂隙较发育～发育，岩石较完整～较破碎（其中：+635～+623、+606～+570段节理裂隙发育，岩石较破碎）;地下水较发育，局部有渗水或小股流水；稳定性一般～较差。施工过程中根据现场实际情况，围岩状况好的情况下采用“三台阶弧形导坑法”开挖；围岩状况差的情况下采用“CD(中壁)台阶法”开挖。支护参数按设计施工。

(二)右线隧道开挖方案

由于右线F1断裂带位于浅埋地段，隧道穿越弱风化层与强风化层，隧道顶部强风化层覆盖厚度1m，全新统冲洪积层10m。围岩主要为弱～微风化加里东期混合花岗岩，节理裂隙较发育，岩石完整性、稳定性较差，岩体呈碎石状压碎结构或碎块状镶嵌结构。开挖方法按设计采用“双侧壁导坑法”开挖。

开挖前，对于开挖掌子面首先采用20cm厚的C20喷射混凝土封闭，然后对开挖线内及开挖线以外2m范围的岩层进行注浆止水和注浆加固处理，注浆止水加固采用长管和短管相结合的方法，长管长度L=6m，短管长度L=3m，均采用￠42×3.5钢花管。每次掌子面封闭注浆时，预留出2根管作排水孔。长管注浆每2m一个循环，止浆墙厚度大于2m，长管注浆遗留的空隙有短管注浆弥补。注浆压力0.5—1.5Mpa。

该段施工按设计拱部1500范围内打设双层超前小导管，外插角为10-150和15-300，长度L=3m，环向间距40cm，纵向间距1.5m，采用水泥水玻璃双浆液注浆。采用双侧壁导坑法进行开挖施工，钢架架立紧跟开挖面，做好初期支护，并同时做好现场的监控量测工作。

3.3、开挖钻爆设计

3.3.1 光面控制爆破控制技术

新屋隧道由于开挖断面跨度大，地质条件较复杂，隧道除进口端采用静态爆破外，其余均采用光面控制爆破，以最大限度保护周边岩体的完整性，控制超欠挖量。

光面控制爆破工艺流程：

3.3.2 静态爆破施工技术

（1）、静态爆破原理：

静态爆破（又称静态破碎）是将一种含有钙、铝、镁、硅、铁等元素的无机盐粉末状破碎剂，用适量水调成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经水化反应后，产生巨大膨胀压力（可达30～50MPa），将岩石（抗拉强度4～10MPa）胀裂、破碎的爆破方法。

（2）、工艺特点：

破碎物体时不产生震动、噪音、飞石、粉尘及有毒气体，属无公害环保型产品，不属易燃、易爆物品。运输、保管安全可靠，使用方便。膨胀剂破碎效果稳定，一般可使被破碎物在 12 小时以内发生破碎。

（3）施工方法：

因本工程隧道进口端岩石属Ⅴ级围岩，隧道跨度达21m，参照暗挖隧道新奥法施工工艺，分段分区开挖作业方案，隧道上部在超前长管棚或超前小导管注浆加固围岩的措施下，首先完成上半断面开挖，并将工作面推进到预计位置（进洞40m）。完成上断面开挖和支护工作后，采用相同方法进行下半断面开挖。如果不影响上断面施工，在保持一定距离情况下，上下断面可同时推进。

静态破碎工作面开展与炮孔定位受岩石风化情况影响，上断面开挖容易在上部风化或岩石破碎带找到突破口，在掌子面上用风镐或炮机扩大形成一个槽，槽底深度达到一次进尺的深度，这样增加了一个自由面，以利静态破碎剂胀裂破岩施工。当开槽困难时，也可用大孔径钻孔法形成自由面，以大炮孔为中心向周边逐步扩展，俗称掏洞法。上断面一般采用浅眼法，向下倾斜孔，孔径40mm，水平进尺0.5～0.8m；下断面采用深孔法，向下垂直孔，孔径76mm，台阶高度3～5m。

（4）、静态爆破参数

①、上断面开挖

a、水平进尺L ： L＝0.5～0.8m。

b、钻孔直径D ：采用手风钻钻孔取D＝40mm

c、底盘抵抗线W ： W＝30cm

d、孔距和排距：布孔方式如图1所示：

图3－2静态爆破平面布孔方式示意图

图3－3静态爆破炮孔装药结构示意图

孔距a ：孔距越小，开裂越容易，破碎时间也短。但是孔距越密，孔数增多，必然加大施工成本，影响施工进度，根据下列公式计算出可行的最大孔距：

a=（P/β×R1+1）d

式中：P——破碎剂膨胀压力30兆帕；

R1——岩体的抗拉强度为6兆帕；

β——膨胀系数，β≈0.5；

d——孔径，d=0.042。

由此可计算出孔距为30.2cm，取a=30cm。

排距b：排距b一般小于孔距a，可采取b=（0.6～0.9）×a；这里取b=30cm。

e、炮孔长度L1：L1=L＋0.5b

f、灌浆长度L2 ： L2＝b

g、用药量：静态爆破与炸药爆破不同，装药需基本填满空孔，用药量可按照空孔总长度计算，并随孔径、孔距而异，单位体积用药量表10所列。

单位体积装药量

破碎岩石类别 单位体积用药量（kg/m3）

软质岩石 8～10

中硬岩石 10～15

硬质岩石 12～20

破碎剂总用药量也按被破碎岩石体积乘以单位体积耗药量经验数据按下式计算：

Q=V×q

式中：V——破碎岩石体积（m3）；

q——单位体积耗破碎剂量（kg/m3）。

②、下断面开挖

a、台阶高度选取3～5米，预计施工台阶2～3个。为加快施工进度，当上面一个台阶向内静态破碎开挖完成5～6米时，开始进行下一个台阶的施工，形成梯步式工作面。

b、布孔形式

为提高破碎效果，提高装车能力，满足进度需要，根据自由面较多的特点，本工程采用对数形布孔方式，即离自由面越远，孔的间距越密。

c、钻孔孔径

根据以往的施工经验，结合本工程特点，采用钻孔直径选择d=76mm，当边缘钻机摆位空间不足时，先选手风钻钻孔，降低高度后再用大钻。

d、孔距

根据上述公式计算出可行的最大孔距：a=80cm。

e、排距

排距b=60cm。

3.4、隧道开挖方法优化情况

设计要求新屋隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖采用双侧壁导坑法， Ⅲ级围岩开挖采用弧形导坑上下台阶法。而根据地质超前预报及现场实际开挖的情况，局部地段地质与设计不符，比设计情况要好，因此本着确保安全质量，节约成本，加快进度的原则，对隧道局部地段的开挖进行优化调整，具体如下：

1、隧道出口双侧壁导坑法改为三台阶弧形导坑法。

2、隧道进口弱风化花岗岩地层双侧壁导坑法改为三台阶弧形导坑法。

4、施工过程中辅助性技术措施

4.1、监控量测技术

新屋隧道施工过程中采用较为先进的监控量测手段，对隧道施工过程中的的围岩变化，地表下沉，初期支护的受力情况及二次衬砌的受力情况进行监控量测，及时提供反馈信息，掌控隧道围岩变化情况，分析初期支护效果，为隧道施工提供合理的安全方案，为隧道信息化施工提供最原始的数据。

4.1.1监控量测的内容

依据中国《公路隧道施工技术规范》(JTJ02429)中的要求，并根据新屋隧道的结构特点及施工方法，结合设计单位提供的隧道监测建议，拟订了该隧道的监测项目和测试方法。其中包括：围岩内部位移、拱顶下沉、底板隆起、锚杆轴力、钢架支撑应力、爆破振速等，旨在采用中国成熟的快速、准确、可靠的手段，对

4.2、地质超前预报

通过应用TSP203PLUS隧道地质超前预报系统，TSP203PIUS可以预报隧道掌子面前方0～200m范围的地层状况，可以满足长期（长距离）超前地质预报的要求。以新屋隧道左线出口右上导掌子面（里程：Z12+762）前方地质超前预报探测为例：

（1）、测点位置

预报时掌子面位于Z12+762里程处，在Z12＋811里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面49m。

（2）、测线测点布置

在隧道右边墙（面向掌子面）的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻孔和22个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔15m，炮孔间距1.3m左右，炮孔高度。

（3）、预报成果

通过对二维结果图、掌子面状况和设计资料的综合分析，对主要存在问题区段进行预处理。

5、施工中的一些经验总结

新屋隧道施工過程中，我们积累了一些施工经验，在此与大家分享：

1、台阶法施工中，严格控制上中下台阶的台阶长度，可以使机械设备发挥最佳效率，有效缩短施工工期。

2、隧道开挖中，如发现围岩性质、地质情况发生变化，应及时对所用的掘进方法、支护方式作相应调整，以适应新的围岩条件，确保安全施工。新屋隧道右线Y12+525里程正处于F1断裂带与IV级围岩交界处，由于开挖进尺过大，支护强度不足，造成掌子面局部塌方，拱顶围岩轻微下沉，增大了投资，同时影响了工期。

3、隧道施工过程中，加强对开挖面、未支护及未衬砌断面围岩情况的监测和检查，如有塌方，冒顶症兆要及时做强支护处理。对已支护地段亦要经常检查，有无异常变形或破坏，锚杆是否松动，喷砼层是否开裂、掉落等，一经发现应立即补救，采取适当方式加固处理。还要防止在施工过程中机械对支护的碰撞破坏。

4、当隧道掘进通过沟谷凹地等覆盖层过薄地带或通过沿溪傍山偏压浅埋地段时，因围岩自身成拱能力差，缺乏足够稳定性，施工时应特别谨慎、应采取先支护、后开挖、快封闭、勤量测的施工方式，再根据不同地质条件，辅之以必要加固措施，稳定开挖面，确保施工安全。

5、在上台阶施做拱架支护时，应在拱脚处打设斜向锁脚锚杆，加固围岩地基，防止拱脚外移引起拱顶下沉开裂。此处应特别注意锁脚锚杆的方向是斜向上。同时围岩压力大的应在两拱脚间加设足够的支撑，以防拱脚内移、拱背开裂。拱圈砼浇筑前，找平拱支承面，拱墙施工时应按设计预留钢筋，以使拱墙连成整体，可防止拱脚内外移，为防止拱脚下沉，仰拱应尽快施作。

5、结束语

本文总结了新屋隧道的关键施工控制技术以及施工中遇到的问题及解决方法，我们得出了一套切实可行的大断面公路隧道的施工经验，为以后类似隧道的施工提供了宝贵的经验。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。