深圳市谷对岭分岔隧道无中导洞施工与监测技术*

彭俊聪，杨四海，李晓冉，丁文其，段 超

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引言

近年来，大跨度连拱分岔隧道因线形流畅、占地面积小、空间利用率高、可避免洞口路基或大桥分幅，与洞外线路连接方便等优势逐渐受到施工、设计单位的青睐，同时连拱分岔隧道在适应地形条件、环境保护及工程数量上都具优越性[1-4]。蔚立元等[5]对大拱段至连拱段、连拱段至小净距段过渡段进行研究，研发地质力学模型试验系统并分析过渡段稳定性；阙坤生[6]通过数值模拟研究分岔部的非对称小净距隧道施工力学行为；王者超等[7]介绍分岔隧道现场监测方法，分析随开挖和支护表现的施工动态响应特点。从以上可看出分岔隧道传统开挖方法为中导洞法，研究者多基于该工法总结分析相关施工技术。

然而，施工中分岔隧道部分修建条件不适合先施作中导洞，后开挖两边隧道，赵博剑[8]研究大断面段隧道先行导洞反向扩挖施工法，结合数值模拟和现场监测说明该工法的施工步序及细节；张富鹏等[9]比较分岔隧道较少见的反向扩挖法和传统中隔墙法，从隧道结构应力、位移和塑性区范围进行研究。由于当前JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》对分岔隧道的结构设计、施工优化尚处于总结和经验积累阶段[10]，难以很好解决隧道施工问题。本文结合深圳市东部过境高速公路连接线谷对岭分岔隧道工程，介绍城市无中导洞分岔连拱隧道施工技术，并总结该工法工序及支护加强措施。

1 工程概况

东部过境高速公路连接线工程位于深圳市罗湖区，采用地下隧道形式，路线大致为东西走向，西起爱国路立交，穿越东湖公园，位于深圳水库南侧，以隧道形式与东部过境高速公路近期实施段相接[11]。 南主线与SE匝道分岔连拱段桩号为SEK1+064.9—SEK1+074.9和NXK1+279.4—NXK1+289.3。谷对岭分岔隧道埋深49.5～85.4m，围岩较破碎，有断层通过。断层带岩体表现为闭合裂隙极发育，岩体破碎，绿泥石化现象显著，岩体多具碎裂、碎斑结构，岩石多具碎裂岩化特征或为碎裂岩，常不均匀分布有角砾岩、糜棱岩化团块或薄夹层，微细矿物碎屑多为挤压破碎的绿泥石微粒，且裂隙多为绿泥石充填。根据地质勘察报告，沿线岩石单轴饱和抗压强度为30MPa，并依JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》将谷对岭分岔隧道岩层选为Ⅳ级围岩[12]。

2 谷对岭分岔隧道施工方案

2.1 东连线1标段总体施工安排

现有SE和ES匝道分别往南、北主线隧道施工，ES匝道由于路线较长、Ⅵ级围岩较多接入北主线，目前只有SE匝道即将连通南主线。原设计施工方案由主线隧道大断面往分岔方向开中导洞进行分岔，但根据工作面开挖及施工进度情况进行调整：①在南主线大断面段改变方向掉头施工南主线标准段；②继续施工南主线大断面和车行横通道，经由南主线进入北主线创造北主线工作面，创造工作面并开挖北主线后进入ES匝道。

ES匝道与南主线立体交叉处施工为先下后上原则，因此以上掉头施工的总体安排为：优先考虑通过新增加施工横通道由北主线分岔施工ES匝道，使ES匝道立体交叉处先于南主线立体交叉施工，以免造成南主线掌子面空置过久及误工窝工。

2.2 无中导洞分岔隧道施工方案

SE匝道SEK1+050.6—SEK1+064.9为14.3m长的小净距Ⅰ型断面，SEK1+064.9—SEK1+074.9为10m与南主线相接的连拱隧道段(相应南主线里程为NXK1+279.4—NXK1+289.3)，为F4型衬砌。为实现掉头施工，SE匝道完成小净距开挖后，扩大开挖断面至连拱中墙位置，施工中墙钢筋混凝土，如图1所示。

图1 施工顺序平面(单位：m)

中墙钢筋混凝土施工完成后，从分岔大断面C4开始，施工双侧壁右导洞(里程前进方向)至SEK1+097.4，再横向开挖横导洞，再施工双侧壁左导洞(里程前进方向)，完成南主线掉头施工。

分岔隧道施工分为以下阶段：①连拱段施工；②由先行匝道小断面进入主线大断面施工；③主线大断面实现掉头施工；④主线大断面施工。

3 施工技术要点

3.1 连拱段施工

连拱段隧道开挖步序如图2所示。在隧道中部设置加强区，且先行开挖较小断面的隧道，加强区混凝土厚度更大，使隧道开挖断面面积相近。

图2 无中导洞工法施工步序

连拱段施工步序如下：先行洞上台阶开挖①，先行洞拱部初期支护②→先行洞中台阶开挖③，先行洞中台阶初期支护④→先行洞下台阶开挖⑤，先行洞下台阶初期支护⑥→施工范围⑦的中隔墙→施作先行洞边墙、仰拱钢筋混凝土结构⑧→采用模板台车施作先行洞拱墙二次衬砌⑨→后行洞上台阶开挖⑩，后行洞拱部初期支护→后行洞中台阶开挖，后行洞中台阶初期支护→后行洞下台阶开挖，后行洞下台阶初期支护→对范围填充素混凝土→施作后行洞边墙、仰拱钢筋混凝土结构→采用模板台车施作后行洞拱墙二次衬砌。

由于取消中导洞，连拱中墙设计为隐式异形墙的钢筋混凝土结构，考虑到中墙稳定性及施工条件，视情况分2～3层进行浇筑，如图3所示。

图3 中墙分3层浇筑示意

3.2 由先行匝道小断面进入主线大断面施工

先行匝道进入的主线隧道设计为分岔大断面隧道，先开挖靠近先行匝道侧的右上导坑。先行匝道隧道开挖轮廓(含中墙)与主线分岔大断面开挖轮廓断面一般存在差异，如图4所示。

图4 连拱先行洞与主线双侧壁右上导洞开挖轮廓对比

若双侧壁右上导洞开挖线最高处比先行段的衬砌类型段最高处高，则需在隧道进尺时斜向上扩挖围岩，并将连拱隧道扩挖至双侧壁导洞顶部，并安装钢拱架。主线扩挖钢拱架立面如图5所示。

图5 主线扩挖钢架立面

3.3 在主线大断面实现掉头施工

结合施工进度，在南主线大断面C4段NXK1+330处施工横向导洞，以实现掉头，横向导洞开挖步序如图6所示。横向导洞宽8m，高6.0～8.8m，采用门式钢拱架进行支护。门式钢拱架上方设置超前注浆小导管，两侧设置药卷锚杆，支架接头处设置锁脚钢管，如图7所示。

图6 横向导洞开挖步序

图7 横向导洞门式钢拱架设计

3.4 主线大断面施工工法

C4，D4，E4大断面左侧壁导洞作为临时车行通道已完成施工，完成C4横通道后，掉头施工大断面右侧，双侧壁不对称，左侧按临时车行通道做加强处理。剩余施工步序如图8所示。

图8 双侧壁导坑法施工工序

具体工序如下：开挖左侧下导坑①，进行人工配合机械开挖→施作左侧下导坑①洞身结构的初期支护Ⅰ，即初喷混凝土，架立钢拱架，喷混凝土进行封闭→左侧下导坑施工长度达10～15m后，开挖右侧上导坑②，施作右侧上导坑②洞身结构的初期支护Ⅱ，即初喷混凝土，架立钢拱架→钻设超前支护后，复喷混凝土至设计厚度，喷混凝土封闭侧壁，架设临时竖向和水平钢架，喷混凝土封闭台阶底面，必要时封闭掌子面→右侧上导坑施工10～15m长后，开挖右侧下导坑③，施作导坑③洞身结构的初期支护Ⅲ，架立钢拱架，喷混凝土进行封闭→开挖中导坑④,⑤，工序参考右侧上、下导坑→初支沉降稳定后，拆除临时钢拱架→灌注仰拱混凝土Ⅵ→灌注隧道底部填充混凝土Ⅶ→利用衬砌模板台车一次性灌注二次衬砌Ⅷ。

4 分岔隧道无中导洞施工监测技术

根据施工方法及施工顺序，大断面分岔隧道采取分阶段监测技术，在隧道开挖完成后紧跟监测，及时获得监测数据，为判断隧道围岩稳定性提供依据，确定衬砌时机。监控量测内容主要为洞周收敛、拱顶下沉、围岩和初衬间接触压力、初衬和二衬间接触压力、锚杆轴力、钢拱架内力、中墙内力、二次衬砌内力、渗水压力等，针对连拱段和大断面段隧道介绍分部分阶段监测技术。

4.1 连拱隧道段监测方案

1)洞周收敛与拱顶沉降监测。

2)围岩与初支、初支与二衬压力监测 无中导洞连拱段隧道施工过程中，围岩与初支、初支与二衬压力监测如图9所示，需加强中间加强区的压力监测布点，注意加强区底部压力监测点的布置。

图9 围岩与初支、初支与二衬压力监测

3)初衬内力、锚杆轴力、渗水压力监测 无中导洞连拱隧道施工过程中，隧道初衬内力、锚杆轴力、渗水压力监测如图10所示，可在每个锚杆上设1个锚杆轴力测点。

图10 隧道初衬内力、锚杆轴力、渗水压力监测

4)二衬内力监测 无中导洞连拱隧道施工过程中，隧道二衬的内力监测如图11所示，应加强中间加强区的二衬压力监测布点。

图11 二衬内力监测方案

4.2 大断面段监测方案

谷对岭分岔隧道大断面段为Ⅳ级围岩，采用双侧壁导坑法进行开挖，施工工序复杂，应根据施工顺序分别设计不同监测方案，开展围岩与初衬、初衬与二衬间的接触压力、拱顶沉降、洞周收敛、锚杆轴力、渗水压力及钢拱架内力监测。

4.3 监测结果及分析

谷对岭分岔隧道监测结果选取连拱及大断面段的部分断面，监测断面测点标注方式如图12所示。

图12 监测断面测点标注方式

1)拱顶沉降监测数据 隧道SEK1+068断面拱顶沉降-时间累计曲线如图13所示。

图13 隧道SEK1+068断面拱顶沉降-时间累计曲线

由图13可知，谷对岭隧道连拱段开挖后围岩稳定所需整体时间较长，因为连拱段先行洞开挖后仍受后行洞开挖影响；先行洞上台阶开挖后及时对围岩进行初期支护，开挖后30d内沉降较快，此后沉降速度减缓。拱顶沉降累计位移在允许极限位移值内，施工安全。

2)断面收敛监测数据 隧道SEK1+064与SEK1+081断面收敛-时间累计曲线如图14所示。

图14 隧道断面收敛-时间累计曲线

由图14可知，整体上大断面段收敛值小于连拱段，因为连拱段所受空间荷载复杂，且涉及施工工序转换，实际施工时应及时跟进仰拱和施作二衬，使隧道尽早闭合成环，防止或减少受力变形。

3)土压力监测数据 隧道SEK1+069土压力-时间曲线如图15所示。

图15 土压力-时间曲线

由图15可知，隧道断面所设的压力盒绝大多数处于压缩状态，初衬与围岩间的压力<0.5MPa，监测期间处于稳定状态，表明围岩自稳后，不发生二次变形时，由于变形很小，产生的压力较小，有利于初期支护的稳定。

4)锚杆轴力监测数据 隧道SEK1+074锚杆轴力-时间曲线如图16所示。

图16 锚杆轴力-时间曲线

由图16可知，部分锚杆受力大<5kN，与该段围岩地质条件较好有很大关系。锚杆受力大多处于拉伸状态，且施作初期锚杆受力增长较快，但很快趋于稳定，因此施作锚杆时，应及时在隧道开挖后的所需位置进行施作，以便较好发挥作用。

5 结语

1)整体施工流程为先开挖匝道后反向扩挖，不需要设置中导洞，避免中导洞施工相应的爆破、支护等措施。

2)连拱隧道段隐式中墙为异形墙，考虑到墙体的稳定性及施工条件，中墙可视情况分2～3层浇筑。

3)考虑到匝道小断面与主线大断面的开挖轮廓差异，采用斜向上扩挖导洞技术并同时安装钢架。

4)为实现大断面段中掉头施工，采用门式钢拱架支护设置横导洞，为双侧壁导坑法施工创造条件。

同时，监控量测作为重要施工工序，本文根据分岔隧道断面过渡、工法转换特点，设计分部分阶段的监控量测方案。通过分析洞周收敛、拱顶下沉、围岩和初衬间接触压力、锚杆轴力等监测数据，得到无中导洞连拱段及大断面段应力、应变规律，从而指导设计并保障施工安全进行。