隧道大跨度原位对称扩挖方案的探讨

白海洋

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

1 工程简介

既有楼山隧道位于路泽太一级公路楼山村，G104国道与路泽太一级公路基本平行，于2003年完工，采用“新奥法”原理设计和施工，现对既有双向4车道隧道原位扩建为双向8车道隧道。

1.1 地形地貌

隧道所在山体的斜坡规模相对较大，坳沟发育，区内山体海拔达148．9m，最高处位于楼山隧道的西侧花屏头山。山体坡度以10～20°，局部可达35°以上，山体表部植被发育，多以高大乔木、枫树等为主。该段山体斜坡的出露岩性以凝灰岩为主，山体岩性的风化差异较大，局部覆盖层厚度可达4m以上，局部山体（铁炉山山体）基岩出露。隧道进出洞口的边坡、仰坡的主要地层为残坡积含碎石粉质黏土、含黏性土碎石（为Ⅱ级普通土）及全风化凝灰岩（为Ⅲ级硬土）、强风化凝灰岩（为Ⅳ级软石）。

1.2 气候、水文特征

隧址区本项目所经区域属亚热带季风海洋性气候，气候温和，雨量充沛，日照充足，年日照时数1950h以上、平均气温为16．6～17．5℃，极端最低气温-6．8℃，最高气温41．7℃，年平均降雨量为1689．2mm，多年平均径流量lDl3．5mm。降水集中在4～6月的梅雨期和7～l0月的台汛期。

表1

2 支护参数

隧道各级围岩复合式衬砌设计支护参数的选择以工程类比为主，通过理论计算进行检验校核，施工中通过现场监控量测分析，及时调整设计支护参数，实现动态设计、信息化施工。本隧道衬砌结构的计算理论按三维线弹性理论和二维弹塑性理论考虑，采用ANSYS大型通用结构计算程序和MIDAS-GTS隧道专用计算程序分别进行计算，验算设计不同围岩级别隧道衬砌结构最终的可靠性、施工工法的可行性及施工过程支护结构的稳定性。主要支护参数见表1。

3 扩挖方案

3.1 对既有隧道的加固和处理

受进出口既有桥梁、互通、路线整体走向等因素的影响（见图1），新建隧道近似对称扩挖。因交通压力，楼山隧道单洞施工，单洞通行，为了防止爆破施工对通车隧道造成的影响，故先将左洞封闭，进行照明灯具检修加固、二衬背钢拱架及拱顶挂网加固，彻底消除安全隐患。左洞加固完毕后，左洞通车，封闭右洞，进行扩挖施工。右洞土建机电全部施工完毕通车后，再进行左洞扩挖施工。

图1 楼山隧道进口周边环境

右洞扩挖前对既有隧道进行回填处理，因隧道的最大开挖跨度特别大（20．09m），结合考虑Ⅴ级围岩段，采用六部扩挖法，Ⅳ级围岩采用优化的直墙CRD法，优化回填设计方案：下台阶采用碎石土分层碾压回填，并做为上台阶开挖施工的平台，上台阶采用背钢拱架加固既有隧道衬砌（见图2）。

图2 既有隧道扩挖前回填加固处理

背拱加固避免了拱部回填的难度，减少出渣量和2次开挖的工时，同时为开挖作业面增加通风、紧急通道，且不增加工程造价。

3.2 优化设计的扩挖工法

在既有隧道回填压实及拱部加固的基础上，遵循“管超前、短进尺、及支护、早封闭”的原则，因扩挖隧道本身二次衬砌在临时背拱加固后，比正常开挖隧道的临空面小且稳定，因此优化设计临时竖撑底部纵向槽钢连接，最大程度减少拱顶沉降；优化普通双侧壁导坑弧形临时支护为直线型临时支护，取消普通双侧壁导坑临时支护处的锚杆，以及时减少工序。

楼山隧道Ⅴ级围岩段采用六部扩挖法（从双侧壁导坑改进），Ⅳ级围岩段采用优化的直墙CRD法（见图3），Ⅲ级围岩采用常规两台阶上台阶拉中槽法施工，在此不作详述。

图3 Ⅴ级围岩段、Ⅳ级围岩段扩工法示意图

Ⅴ级围岩段扩挖工法步序：打设Ⅰ部拱部超前支护→开挖Ⅰ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅰ部主洞初期支护并施做临时竖向、横向支护→打设Ⅱ部拱部超前支护→开挖Ⅱ部并破除既有的隧道衬砌→施做Ⅱ部主洞初期支护并施做临时横向支护→打设Ⅲ部拱部超前支护→开挖Ⅲ部并破除既有的隧道衬砌→施做Ⅲ部主洞初期支护并施做临时横向支护→开挖Ⅳ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅳ部主洞初期支护并施做临时竖向支护和主洞仰拱初支→开挖Ⅴ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅴ部主洞初期支护并施做临时竖向支护和主洞仰拱初支→开挖Ⅵ部→施做Ⅵ部主洞仰拱初支→拆除临时支护并施工仰拱和仰拱填充→浇筑二衬→施工电缆沟路面排水沟和路面。

Ⅳ级围岩段扩挖工法步序：打设Ⅰ部拱部超前支护→开挖Ⅰ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅰ部主洞初期支护并施做临时竖向、横向支护→打设Ⅱ部拱部超前支护→开挖Ⅱ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅱ部主洞初期支护并施做临时横向支护→开挖Ⅲ部并破除既有隧道衬砌→施做Ⅲ部主洞初期支护并施做临时竖向支护和主洞仰拱初支→开挖Ⅳ部→施做Ⅳ部主洞初期支护和主洞仰拱初支→拆除临时支护并施工仰拱和仰拱填充→浇筑二衬→施工电缆沟路面排水沟和路面。

优化的六部扩挖法（见图4）和直墙CRD法充分考虑了施工机械的高度和宽度，能最大化采用机械化施工，大幅提高施工效率，直接为各个分部及早闭合成环提供保障，间接保障了施工安全。六部扩挖法对沉降收敛的控制效果明显，楼山隧道扩挖过程监控量测体现最大拱顶沉降2．1cm，最大周边收敛1cm。

图4 Ⅴ级围岩段六部扩挖法

3.3 实施扩挖方案的控制要点

（1）控制隧道回填碎石土的质量。分层厚度不超过30cm，要求临时竖撑两侧各1．5m范围压实度不小于90%。一方面尽量约束竖向支撑，控制沉降；另一方面避免下阶段Ⅳ部、Ⅴ部开挖时造成Ⅵ部回填碎石土的垮塌，降低施工风险，节省垮塌处理的时间。

（2）上部临时竖撑落底到纵向分段铺设的槽钢上，进一步控制竖向支撑的位移。

（3）拱部每次开挖前，注重超前支护的施做质量。高质量的超前支护是确保施工安全、进度得以保障的必要条件。

（4）严格每循环短进尺。隧道掌子面方向临空面小，且背拱后留有通道，来自掌子面方向坍塌的威胁较小，高质量的超前支护加上短进尺循环开挖，坍塌的安全风险可控。

（5）确保开挖支护的及时性。每部分单独及早闭合成环，体现分部开挖的作用，控制扩挖过程中产生的沉降收敛。

（6）把控临时支护的拆除时机，不得过早拆除。

扩挖类似隧道时，进一步根据围岩地质条件，可借鉴楼山隧道扩挖工法，灵活调整扩挖工法，在做好常规施工质量的同时，做好以上6点要求，基本可确保扩挖施工工作顺利实施。

4 结语

扩挖施工的机械化程度较低，加之某些隧道本身地质条件较差，国外扩挖机械不能完全适用于国内隧道的扩挖施工，短期内，一般扩挖隧道可能仍需采用分部开挖的方式以确保施工安全。

采用不当的开挖工法、开挖工法未按实际地质变化改变或开挖工法关键步序把控不严格，往往是隧道施工过程中发生事故的原因，国内新建隧道可鉴戒的经验教训已经很多，但是关于扩挖隧道方面可借鉴的案例较少，楼山隧道的扩挖工法为国内扩挖隧道新添一案例。