城市浅埋大断面隧道穿越不良地质施工技术探讨

高吉才

（徐州市城市管理局，江苏 徐州 221018）

0 引言

近年来，城市多车道大断面隧道所占的比例越来越多,这些隧道跨度及施工难度大，尤其当隧道穿越浅埋地段时，施工方法不当可能导致隧道出现滑坡、坍塌、衬砌开裂变形等病害，影响隧道结构的完整性、耐久性及使用性。

徐州市黄河路贯通工程拖龙山隧道最大开挖断面宽19.5 m，高13.0 m，隧道埋深2.4～37.2 m。地层和地质构造复杂，存在坍塌和冒顶风险，因此，加强施工技术措施研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 工程概况

徐州市黄河路为新建城市主干道，采用隧道工程穿越拖龙山。隧道埋深为2.4～37.2 m，最大开挖断面宽度为19.5 m，高度为13.0 m，左右线最小线间距5.05 m，长约470 m，属浅埋、大断面、小净距岩质短隧道。隧址区主要以中风化灰岩及角砾岩为主，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩交替，且洞身段穿越F1断裂带，断裂带内为角砾岩，泥质胶结，岩体破碎，裂隙发育，岩质疏松，围岩稳定性差。物理力学参数如表1所示。

表1 拖龙山隧道岩石参数表

2 隧道穿越不良地质总体施工方案

施工时由进口端向出口端单向掘进，按新奥法原理组织施工，进、出口端洞口浅埋段采用超前大管棚超前支护，同时采用CRD法进洞及出洞；洞内Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法，Ⅳ级围岩段采用CRD法。Ⅴ级围岩地段以机械开挖为主，当必须爆破时，坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的原则，采用微震动控制爆破。Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖时，每进尺1～1.2 m即喷射8 cm厚的C20混凝土对掌子面进行封闭；Ⅳ级围岩地段CRD法开挖时，每进尺1.6～1.8 m即喷射8 cm厚的C20混凝土对掌子面进行封闭；不管是双侧壁导坑法开挖还是CRD法开挖，在开挖过程中均设置有临时仰拱及临时支撑。

为减少隧道左、右洞施工过程中的相互不利影响，右洞先行进洞，左洞滞后2个月进洞,同时后行洞掌子面滞后于先行洞二次衬砌不小于30 m。

施工中严格控制掌子面、初期支护、仰拱及二次衬砌之间的距离。双侧壁导坑法掌子面距初期支护封闭位置的距离小于25 m，掌子面距二次衬砌的距离小于40 m；CRD法掌子面至初期支护封闭位置的距离小于35m，掌子面至二次衬砌的距离小于50 m。隧道每循环开挖进尺不大于1倍钢架间距，仰拱每开挖进尺不大于3 m。

施工中将超前地质预报作为一项工序纳入施工组织与管理,起到指导施工的作用。在施工过程中必须通过围岩与支护的变形和围岩压力、钢架内力、喷射混凝土内力等应力的监测结果，对原设计予以修正。

3 隧道穿越不良地质的超前支护方案

3.1 洞口浅埋段超前大管棚支护

为防止隧道洞口拱顶岩层坍塌和地表下沉，采用超前大管棚支护，该方法具有以下优点：（1）能够承载较大的上部荷载；（2）可以起到加固岩体和止水作用；（3）可以减少预支护循环次数，加快施工进度；（4）能够通过专项导向仪精确控制管棚钢管铺设的轨迹线，确保管棚钢管按设计要求铺设，有利于控制隧道施工时的开挖量，减少施工成本；（5）施工效率比较高，大幅度地减少隧道开挖过程中辅助时间，提高施工效率[1]。

隧道进口端40 m、出口端25 m范围内分别采用超前大管棚辅助进洞及出洞。大管棚采用自行式钻灌一体机施作，管棚布置如图1所示，按设计在隧道拱部120°范围内设置φ108 mm（t=6 mm）长管棚超前支护，其环向间距40 cm，外插角1～3°。

图1 洞口浅埋段管棚布置图

超前大管棚由钢花管和钢管交错布置组合而成，施工时先打设钢花管并注浆，然后打设钢管，以便检查钢花管的注浆质量。钢管及钢花管在专用的管床上加工好丝扣，钢花管四周应钻设孔径10～16 mm注浆孔（靠孔口110 cm处的棚管不钻孔），孔间距11 cm，呈梅花型布置。

大管棚注浆时，为防止串浆，钻完孔后，随即安装该孔钢管并注浆，然后再进行下一孔施工。水泥浆液的水灰比控制在1∶1，注浆初压力为0.5～2.0 MPa，终压力为2.0～2.5 MPa，注浆结束后用M10水泥砂浆填充，以增强管棚强度。注浆从低向高进行，浆液由稀到浓,一般单管达到设计注浆量作为注浆结束的标准。

3.2 超前小导管注浆预支护

超前小导管注浆预支护可以稳定掌子面前方的岩体，控制围岩开挖松弛、崩塌和拱顶沉降。超前小导管注浆预支护具有以下优点：小导管注浆的方式比较简单，机械设备常见，总体费用较经济；对隧道其他施工工序影响较小，能适应隧道施工的窄小环境；小导管注浆加固岩体效果明显，能有效控制隧道变形，具有良好的止水效果[1]。

拖龙山隧道施工过程中穿越断层破碎带时隧道拱顶120°范围内设置双层超前小导管，穿越IV级围岩段时隧道拱部120°范围内设置单层超前小导管。双层超前小导管环向间距0.3 m，纵向间距3 m，外插角为40°和5～10°交错布置，采用外径φ50 mm，壁厚5 mm，长5 m的无缝钢管；单层超前小导管环向间距0.4 m，纵向间距3 m，外插角为5～10°，采用外径φ42 mm，壁厚3.5 mm，长4.5 m的无缝钢管。施工中利用小导管向地层注浆。注浆浆液采用水灰比1∶1的水泥浆，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。

4 隧道穿越不良地质的开挖支护方案

不管是双侧壁导坑法开挖还是CRD法开挖，拖龙山隧道在开挖过程中均设置临时仰拱和临时支撑。临时仰拱和临时支撑能有效缓解支护结构的水平收敛，减少隧道围岩变形，保证隧道施工过程中的安全和质量。

4.1 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖支护

隧道穿越V级围岩段采用双侧壁导坑法施工，采用弱爆破及机械开挖。爆破时严格控制炮眼深度及装药量。详见图2和图3双侧壁导坑法施工工序图。

图2 双侧壁导坑法施工横断面示意图

4.2 施工步骤：

（1）开挖①部，同时，每进尺1.0～1.2 m，掌子面喷8 cm厚混凝土封闭。

（2）施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，架立钢架（包括导坑的临时钢架及临时仰拱），设置锁脚钢管。

（3）钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

（4）按步骤1开挖施工②③④⑤⑥部，先后喷混凝土至设计厚度。

（5）两台阶法施工第⑦、⑧部。

（6）喷8 cm厚混凝土封闭掌子面。

（7）导坑底部安设钢架封闭成环，复喷混凝土至设计厚度。

（8）灌筑Ⅸ部仰拱，待砼强度达到设计强度后，逐步拆除临时钢架。

（9）灌筑Ⅹ部隧底填充。

（10）根据监控量测结果分析，待变形收敛后或根据需要，利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅺ部二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

图3 双侧壁导坑法施工平面示意图

4.2 Ⅳ级围岩CRD法开挖支护

隧道穿越IV级围岩段采用CRD法施工。开挖时采用弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。详见图4和图5交叉中隔壁（CRD）法施工工序图。

图4 CRD法施工横断面示意图

图5 CRD法施工平面示意图

4.3 施工步骤：

（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道主体结构超前支护。

（2）分台阶开挖①、②、③部，同时，逐步施作导坑周边的主体结构的初期支护、中隔壁临时支护及临时仰拱，初喷混凝土，架立隧道钢架和接长临时钢架，钻设径向系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

（3）分台阶开挖④、⑤、⑥部，除中隔壁部分临时钢架已施工完毕外，其余步骤均与①、②、③部施工工序相同。

（4）仰拱开挖每循环进尺不超过3 m。开挖完成后以最快的速度完成仰拱二衬施工。

（5）灌筑该段内Ⅷ部仰拱填充，需待仰拱填充砼达到设计强度后，方能拆除此段的中隔壁临时支撑。

（6）上述步骤逐步循环，并根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次灌筑Ⅸ部二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

隧道在穿越Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩段时分别采用双侧壁导坑法和CRD法开挖。开挖过程中的初期支护参数如表2所示。

表2 初期支护主要参数表

5 监控量测与对比分析

监控量测是隧道新奥法施工的重要环节，拖龙山隧道监控量测主要包括拱顶下沉、净空收敛和地表下沉，洞内拱顶下沉和净空收敛布置在同一断面，沿纵向布置。Ⅴ级围岩段，每10 m布设一个监测断面，每个断面布设3个拱顶下沉测点及3条净空收敛观测线；Ⅳ级围岩段，每20 m布设一个监测断面，每个断面布设2个拱顶下沉测点及4条净空收敛观测线。

地表沉降观测测点与拱顶下沉及净空收敛量测测点布置在同一断面内。横断面方向由隧道中线向两侧隧道范围内每2～3 m设一个测点，推测滑移线范围内其它测点按照3～5 m间隔布设。

经归纳整理现场监控量测相关数据，得出隧道在穿越不良地质施工过程中地表沉降最大断面的累积沉降量为18 mm，拱顶下沉最大断面的累积沉降量为19.2 mm，净空收敛最大断面的累计变化值为16.9 mm,均能满足规范要求。

6 结论与建议

浅埋、大断面隧道在穿越不良地质施工时，洞口浅埋段采用超前大管棚支护，洞内不良地质段采用超前小导管注浆预加固技术，双侧壁导坑法、CRD法开挖支护设置的临时支护和临时仰拱，可有效的控制隧道的收敛和拱顶沉降及地表下沉。施工过程中的监控量测数据表明拱顶下沉、水平收敛及地表沉降均处于稳定状态，且施工过程中均未出现初期支护开裂、洞顶覆盖层塌陷等安全、质量问题，充分说明隧道在穿越不良地质过程中所采用的施工技术措施合理可行，方案安全可靠。