大断面小间距隧道施工技术

李正义

(中交一公局厦门工程有限公司　福建厦门　361021)



大断面小间距隧道施工技术

李正义

(中交一公局厦门工程有限公司福建厦门361021)

大帽山隧道大断面、小间距，为国内扩建工程首例。文章依据工程实际存在的问题提出针对性的施工方案，详细介绍了其施工方法以及新工艺、新设备、新材料的运用，并总结了该工程若干施工经验。

大断面；小间距；隧道；施工技术

0　引言

近年来，随着我国社会经济的不断进步，高速公路建设也在迅速发展。一些大中城市交通量日益增加，建设于20世纪的高速公路越来越难满足交通量需求，于是高速公路扩建工程也逐渐开始兴建。扩建工程具有能够维持现有交通，降低施工成本的优点，但同时也存在着施工干扰大，技术难度高的特点，特别是隧道工程的改扩建无论在设计方面还是施工方面技术都不够成熟，缺少借鉴经验，甚至有些施工方法还处在探索阶段。本文通过对我国首座大断面小间距隧道的施工技术进行总结，积累一些好施工经验，目的在于为以后高速公路扩建施工提供一些参考依据，使扩建工程施工技术不断完善。

1　工程概况

大帽山隧道为泉厦高速公路扩建工程，扩建方案为在原两洞之间新建一座4车道隧道，并将右洞扩建为4车道，形成了大断面小间距隧道群，从左至右有：原左洞两车道隧道，新建4车道隧道和扩建4车道隧道。两车道左线隧道与新建4车道隧道的行车道中线间距为23.53m，新建与扩建4车道隧道的行车道中线间距为29.61m，其关系如图1所示。

图1　大帽山隧道洞室位置关系图(单位：米)

大帽山隧道区属构造剥蚀微丘地貌，地处大帽山体与石崛山体鞍部，山包呈浑圆状，最大高程147m，山坡坡度一般为15°～25°。地表植被较发育，现有洞口边坡稳定。隧道穿越的地层岩性为强～弱风化的花岗岩。

隧道长度及围岩类别情况见表1。

表1　隧道长度及围岩类别统计表　m

2　问题提出

(1)大帽山隧道为既有高速公路改扩建工程，其中左洞为新建4车道隧道，右洞为原位扩建隧道，隧道施工将对既有高速公路行车造成影响；

(2)新建隧道与扩建隧道均为大断面扁平隧道，在没有太多设计经验及施工经验可借鉴的情况下，隧道的开挖及支护方案是工程的难点；

(3)新建左线隧道与原有左线隧道的净距仅5.89m，新建左线隧道与扩建右线隧道的净距仅8.83m，属于小净距隧道，隧道施工会对既有隧道安全产生影响；

(4)由于大帽山隧道为国内首座大断面小间距隧道，在保证隧道安全的前提下，调整设计参数，优化施工方案是隧道节约施工成本、提高经济效益的保证。

(5)采用先进的施工工艺及设备，是隧道顺利建成的重要条件。

3　方案确定

针对以上在施工过程中面临的问题，设计单位首先在设计文件中提出了建议性方案，在施工过程中，业主、设计、监理及施工单位根据隧道的实际情况对设计参数进行了优化，并对施工方案进行动态调整，经过了专家、学者的反复论证，最终使得施工方案逐步完善，保证了隧道的胜利建成。

大帽山隧道总体施工方案为：先进行隧道左线施工，左线建成通车后再进行隧道右线施工。隧道采用进出口双向掘进，洞身根据隧道的围岩情况采取分部法开挖，其中新建隧道Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法开挖，双层初期支护；Ⅳ级围岩在岩体采用单侧壁导坑法开挖，单层初期支护；Ⅱ、Ⅲ级围岩原则上采用分部上下台阶法施工，单层初期支护，如遇岩体变化，采用单侧壁导坑法施工，单层初期支护[1]。

扩建的隧道各级围岩均采用单侧壁导坑法开挖，单层初期支护。

在洞身开挖之前，根据围岩的不同情况采取了相应的辅助施工措施：Ⅴ级围岩洞口段采用Φ108mm注浆大管棚超前支护，洞身地段采用Φ50mm注浆小导管超前支护，Ⅳ级围岩以下采用超前锚杆支护。Ⅴ级围岩以机械开挖为主，局部实施低振动的松动爆破，Ⅳ级围岩以下根据围岩情况原则上采用光面控制爆破。

为了确保高速公路运营安全，同时确保隧道施工安全，在施工过程中，采取爆破震动监测及围岩监控量测来指导施工，从而也验证大帽山隧道开挖及支护方案的合理性及可行性。

4　施工方法

4.1隧道的总体施工顺序及交通组织

大帽山隧道是在边通车边施工的条件下进行的，隧道的施工不能影响高速公路正常运营，这就要求隧道必须安排好合理的施工顺序，同时采取有效的交通组织形式，保证施工顺利进行[2]。

施工顺序：既有隧道左右洞维持交通正常运行，先新建隧道左线，待左线建成通车后，将既有高速公路右线车辆改至新建隧道左线，进行右线隧道扩建施工，原高速公路左洞车辆保持不变。这样施工对既有高速公路正常运营几乎不产生影响，但交通会给施工带来很大困难，因为新建左线位于既有高速公路中央隔离带内，施工场地受到限制，同时隧道施工出渣进料会受到既有交通干扰，施工工期较长。为了解决这个问题，采取了以下措施：①隧道采取进出口双向施工的方式，开创两个工作面，加快了施工进度；②隧道进出口施工场地沿高速公路中央隔离带狭长布置,风水电靠近洞口布置,机械场、维修间、材料库、拌和站等远离洞口布置，经过合理布局，保证施工顺利进行；③在高速公路中隔带修筑施工便道，利用既有高速公路下穿通道作为施工出渣进料通道，必要时，将高速公路临时改线，修筑临时通道，解决隧道交通运输问题。

4.2大断面小间距隧道的开挖及支护方法[3]

4.2.1洞口工程

大帽山隧道洞口围岩为强风化花岗岩，洞顶覆盖残积土，节理裂隙发育，属V级围岩。在进行隧道洞口开挖之前，首先做好高速公路的安全防护工作，在靠近高速公路一侧设置防护网，防止滚石滑落。对原隧道边仰坡面进行清理，除去覆土及浮石，进行坡面防护。坡面采用喷射C20砼、加挂钢筋网锚杆支护，局部破碎处采用小导管注浆加固。

洞口边仰坡开挖支护完成后，在隧道进洞前必须先进行隧道的预加固工作，洞隧道开挖轮廓线采用长管棚进行加固，管棚长度40m，钢管规格Φ108mm,壁厚6mm。钢管环向间距40cm。同时在新建隧道与既有隧道之间中夹岩采用Φ76mm导管注浆进行加固，长度20m，岩隧道轴向布置，长度20m，钢管间距1*1m，梅花型布置。

4.2.2洞身工程

针对隧道大断面的特点，洞身开挖后最大净空达21m，如果将洞身一次开挖到位，隧道的围岩很难形成自稳条件，极易造成隧道塌方，所以在隧道施工过程中，根据隧道的围岩情况，将大断面分解为小断面，采取分部开挖，分部支护的方式。围岩越差，分部越多，断面越小，其中V级围岩采用了双侧壁导坑法开挖及支护，IV级围岩采用了单侧壁导坑法开挖及支护，Ⅲ级及Ⅱ级围岩采用了左右分部台阶法开挖及支护。

(1)新建隧道(V级围岩)开挖及支护

下列顺序应在施工辅助措施完成并达到相应强度要求后进行；一次开挖长度应小于1m。

图2　隧道开挖及支护

①开挖右侧导坑上台阶；

②施工右侧导坑上台阶的初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；

③开挖右侧导坑下台阶；

④施工右侧导坑下台阶的初期支护、临时支护、锁脚锚杆；

⑤施工左侧导坑上台阶；

⑥施工左侧导坑上台阶的初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；

⑦开挖左侧导坑下台阶；

⑧施工左侧导坑下台阶的初期支护、临时支护、锁脚锚杆；

⑨开挖中部导坑上台阶；

⑩施工拱部初期支护；

(2)扩建隧道(IV级围岩)开挖及支护(扩建)

下列顺序应在施工辅助措施完成并达到相应强度要求后进行；一次开挖长度应小于1m。

①回填原隧道至拱腰；

②机械拆除原隧道支护部分；

③开挖左侧导坑上台阶；

④施工左侧导坑上台阶初期支护、临时支护和锁脚锚杆；

⑤开挖左侧导坑下台阶(包括原洞路面及二衬)；

⑥施工左侧导坑下台阶初期支护、临时支护和锁脚锚杆；

⑦开挖右侧导坑上台阶；

⑧施工右侧导坑上台阶的初期支护、临时仰供、锁脚锚杆；

⑨开挖右侧导坑下台阶；

⑩施工右侧导坑下台阶的初期支护、锁脚锚杆；

4.3小间距隧道中夹岩的加固措施

由于新建隧道与原隧道及扩建隧道距离较近，新隧道开挖后造成洞壁围岩松动，为了保证隧道的稳定和施工安全，洞身开挖前需对隧道中夹岩进行预加固。

4.3.1洞口段加固方案

隧道洞口段围岩为风化花岗岩，节理裂隙发育，中夹岩岩性较差，为了保证中夹岩稳定，使其起到支撑作用，在隧道进洞前，采用Φ76钢管对隧道中间岩柱进行预加固，钢管长度20m，沿隧道轴线方向设置，间距1m*1m，梅花型布置(图3)。

4.3.2洞身段加固方案

隧道进洞后，新建左幅隧道位于两原隧道之间，采用双侧加固，新建右幅隧道位于原右线隧道的右侧，采用单侧加固，Ⅴ级围岩地段采用Φ50mm注浆小导管加固，导管长度6m，环向间距0.5m，纵向间距1.0m，梅花型布置。IV级围岩在段采用Φ25胀壳式预应力锚杆，张拉力为80kN，锚杆长度5m，间距1m，梅花型布置。同组锚杆同时张拉，为了防止锚杆张拉产生应力集中现象，在同一截面上先进行1、3、5锚杆张拉，后进行2、4锚杆张拉，在张拉过程中对岩柱的稳定进行观测(图4)。

图3　洞口段中夹岩加固图

图4　洞身段加固图示

4.4微震爆破

大帽山隧道属超小近距隧道，无论是新建隧道还是扩建隧道施工时，均会对相邻隧道产生较大的震动干扰，尤其是爆破作业显得更具明显，甚至起破坏作用。针对爆破影响，本隧道采用微震光面爆破或预裂爆破，有效地减轻了震动影响，减小对围岩的扰动，亦是保证本隧道施工安全的重要措施。其施作要点如下：

(1)加强爆破震动地震波测试，将爆破振动监测作为关键工序纳入施工组织，根据不同围岩等级调整优化爆破参数，确保相邻隧道的安全。

(2)实施微差爆破，把一次爆破的许多炮孔分为若干组，按先后顺序起爆，以达到改善破碎质量和降低爆破震动的目的(图5)。

(3)合理安排段间隔时差。为避免爆破震动波形叠加，降低爆破震动强度，毫秒雷管跳段使用，段间隔时差控制在50ms。

图5　微差爆破炮眼布置图

(4)根据以往施工经验，爆破产生大振速部位通常为：掏槽爆破、底板或底角爆破、周边光面(预裂)爆破。复杂环境下隧道爆破开挖过程中,本工程采用合理的掏槽方式,并进行掏槽眼的参数优化以控制爆破地震危害。

(5)加强炮孔堵塞，以提高炸药的利用率，有效降低单位耗药量，减少震动速度。

(6)若爆破震动超过规范允许值，分析原因，查明事实，调整钻爆方案。如：

①设置干扰减振孔，周边施打减振孔可以减振 30%～50%。

②调整爆破工程传爆方向：优化掏槽位置、装药结构和起爆顺序。

③调整优化微差间隔时间，提高爆破地震波的振动频率。

4.5监控量测及爆破震动监测

4.5.1监控量测

为确保大断面小间距隧道的施工安全及减小对既有高速公路通车运营的影响，需要将监控量测工作贯彻始终，重点观测隧道围岩的变形情况及支护体系受力情况。在大帽山隧道施工过程中，采用了非接触量测法对隧道地表沉降、周边位移、拱顶下沉进行变形观测，测点断面Ⅱ级及以上围岩不小于40m；Ⅲ级围岩为不大于30m；Ⅳ级围岩为不大于20m；Ⅴ级围岩应小于10m，围岩变化处适当加密。同时采用锚杆轴力计、频率仪及压力盒等对围岩受力情况进行量测，一方面为隧道的施工安全提供了有利的保证，另方面检验了隧道施工方案及设计参数的合理性，为优化施工方案及调整设计参数提供了可靠的依据(图6、图7)。

图6　隧道拱顶下沉测点布置图

图7　隧道周边位移测点布置图

4.5.2爆破振动监测技术

在本工程中隧道爆破振动的影响包括两方面：一是施工隧道内的影响，隧道开挖时对本身洞壁岩体(塌方、冒顶，侧壁可能出现的塌方、失稳等)的影响，对先行施工隧道临时支护、初期支护、二衬混凝土的结构完整性和稳定性影响，洞内机械电力设备的安全影响；二是临近隧道的影响，对临近隧道内的结构和设施的影响。

(1)监测仪器

采用UBOX20016型(6台)及IDTS3850型(6台)爆破震动监测专用仪器(共12台)。

(2)测点布置

根据爆破振动监测的要求，按图7进行相临隧道内的爆破振动测点的布置，每个隧道断面内布置3个监测点，每个点布置3个速度传感器，其中垂直速度传感器1个，水平速度传感器2个，每隔20m布置1个断面。

爆破施工隧道内的监测断面测点布置按接近爆破区的拱顶、拱腰和拱脚进行布置。洞内监测断面的测点布置见图8所示。

图8　相临隧道内爆破振动测点布置图

(3)监测结果分析

采用萨道夫斯基公式拟合。

萨道夫斯基经验公式：

式中：v——质点速度，cm/s；

Q——次爆破最大药量，kg；

R——测点到爆心的距离，m；

dk——与地质条件、爆破方法有关的系数；

α——与地质条件有关的地震波衰减系数。

图9　液压衬砌台车结构示意图

5　设计参数及施工方案优化

根据前期隧道洞口Ⅴ级围岩段施工结果分析，隧道在洞口破碎围岩中采用小断面侧壁导坑法开挖，实施微震爆破，加强初期支护的施工方案是合理稳妥的，能够保证大跨度隧道施工安全及既有隧道的行车安全，但缺点是施工工序复杂，各工作面相互干扰，施工进度缓慢，随着隧道开挖向前延伸，围岩岩性逐渐转好，由原Ⅴ级向Ⅳ、Ⅲ级过渡，如果仍然采用侧壁导坑法开挖，很难保证施工工期。通过隧道专家、学者及业主、设计、监理、施工单位对前期隧道施工及监控量测结果分析研究，结合大跨度小间距隧道施工经验，对大帽山隧道Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩段施工方案进行优化，总体施工方案优化为：

(1)隧道Ⅳ级围岩采用上中下台阶法分部开挖及支护；

(2)Ⅲ、Ⅱ级围岩采用上下台阶法分部开挖及支护；

(3)将隧道洞口段V级围岩双层初期支护调整为单层初期支护，取消洞口段双侧壁法左右导洞临时仰拱支撑，但中导洞临时仰拱支撑进行保留；

(4)在隧道施工过程中，根据围岩的变化对施工方案进行动态调整；

(5)在施工过程中需加强围岩及爆破的监控量测，以验证开挖及支护效果。

通过前期爆破震动监测结果及量测结果，将原设计规定的爆破振速允许值由10cm/s调整为20cm/s，既保证既有隧道行车安全，又保证隧道爆破开挖效率。

6　新工艺、新设备、新材料的运用

结合大帽山隧道大断面的结构特点，隧道施工采取了分部开挖，整体衬砌的施工方法。根据以往隧道的结构形式，隧道的衬砌台车一般为两车道衬砌台车，而本隧道成功采用了4车道衬砌台车的新型设备，为隧道顺利建成提供了有利的保证。

台车各部件组成情况：

本台车由模板总成、托架总成、平移机构、门架总成、主从行走机构、侧向液压油缸、侧向支承千斤、托架支承千斤、门架支承千斤等组成，如图9所示。

模板总成：模板由3块顶模及两块边模构成横断面，顶模与顶模之间通过螺栓联成整体，边模与顶模通过铰耳轴联接。每节模板做成1.5m宽，由多节组合而成，纵向由6节1.5m组合成9m衬砌长度，模板之间皆由螺栓联接。面板采用12mm钢板，模板上开有呈品字型排列的工作窗，顶部安装有与输送泵接口的注浆装置。

托架总成：托架主要承受浇铸时上部混凝土及模板的自重，它上承模板，下部通过液压油缸和支承千斤传力于门架。托架由3根纵梁、2根边横梁、多根中横梁及立柱组成。纵梁由12mm和14mm钢板焊接成9 000×500×300的工字形截面；边横梁及多根中横梁由25b#工字钢制造；立柱由16#工字钢制造。

7　经验总结

大帽山隧道作为国内高速公路上第一条大断面小间距隧道，虽然其地质条件差，施工工艺复杂，施工难度大，但通过精心组织，科学施工，最终胜利建成通车。技术上归纳起来主要在以下几个方面：

(1)建立合理的施工组织。隧道是在高速公路边通车边施工的条件下进行的，受施工安全风险大及施工干扰大等因素的影响，隧道施工前必须建立合理的施工顺序及科学的交通组织，选用有经验的施工队伍，建立合理的施工体系，确保施工质量及安全。

(2)确定科学的施工方案。针对隧道大断面的特点，将隧道开挖及支护进行分解，采用分部法开挖及支护，降低施工难度及安全风险。Ⅳ级以上的围岩采用CD法或CRD法施工，必要时采用双侧壁导坑法施工，Ⅳ级以下的围岩采用台阶法分部开挖及支护，加快施工进度。针对隧道小间距的特点，在隧道开挖之前预加固，隧道开挖之后强支护。洞口段采用长管棚对中夹岩进行加固，洞身段采用小导管注浆及预应力锚杆对中平岩进行加固，保证隧道支撑体系稳定。

(3)采取有效的监控措施。本隧道在施工过程中，围岩监控量测及爆破振动监测一直贯穿始终。为了确保监控数据的准确性及科学性，分别将监控量测及爆破振动监测委托专业的科研单位进行实施，通过信息反馈指导施工，验证施工方案的合理性，确保施工安全。

(4)进行科学的试验及优化施工方案。在进行隧道爆破开挖前，通过爆破试验来调整爆破参数，验证爆破开挖对既有高速公路行车的影响，保证施工安全。同时在隧道施工过程中，根据围岩的实际情况，对设计参数进行动态调整，优化施工方案，阶段性地总结施工经验，为后续工程提供参考依据。

(5)推动新工艺、新材料、新设备在隧道施工中的运用。由于大帽山隧道为国内首座大断面小间距隧道，其施工方法本身就是一项新的施工技术。在施工过程中，采取了微震控制爆破、钢纤维喷射混凝土及大型衬砌台车等新工艺、新材料、新设备等，在以后的施工过程中，这些新的技术也将会进一步被运用推广。

8　结语

大帽山隧道是泉厦高速公路扩建工程的重点控制性项目，其成功建成不仅为泉厦高速公路顺利通车创造了有利的条件，而且为我国高速公路扩建工程施工技术提供了宝贵的经验。然而，本隧道作为大断面小间距隧道，在国内扩建工程中还是首例，设计及施工都处于试验性阶段，所以在施工技术方面有需要进一步完善。本文对隧道施工技术进行了总结，目的是为以后的扩建大断面小间距隧道提供参考经验，但也同时希望隧道的设计与施工技术在以后的工程中不断优化，不断改进，使得扩建工程隧道施工技术逐步走向成熟。

[1]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技术细则[S].北京：人民交通出版社， 2009.

[3]黄成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社,2001.

The Technology of Large Cross-section and Small Spacing in Tunnel Construction

LI Zhengyi

(The First Highway Engineering Bureau of China Communication Constraction Xiamen Engineering Co.,Ltd.,Xiamen 361021)

Damaoshan tunnel reconstruction project is the first application of large cross-section and small spacing technology engineering in china.The article puts forward the corresponding construction scheme according to the problems existing in the practical engineering,detailed introduces the construction methods and the use of new technology,new equipment,new material,and summarizes some construction experience for the project.

Large cross-section; Small Spacing; Tunnel; Construction Technology

李正义(1978.3-)，男，工程师。

E-mail:282003270@qq.com

2016-03-30

U455

A

1004-6135(2016)08-0088-07