四洞并进小净距超宽隧道群施工技术研究

摘要 随着我国经济的快速发展，城市道路承载的交通枢纽任务越来越重，从而涌现出一些快速路加辅路形式的四洞并进隧道，文章以国道G316项目董奉山隧道为例，对四洞并进形式的小净距、超大跨隧道，特别是下穿既有隧道施工方法进行研究，总结了一套辅洞先行、超前地质勘探与注浆结合处理富水段开挖、小药量爆破结合震动监测等施工方法，为类似的四洞并进小净距、大跨度、浅埋段、下穿既有隧道的隧道施工提供参考依据。

关键词 四洞并进；小净距；大跨度；下穿既有隧道；富水浅埋段施工

中图分类号 U455.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0085-04

0 引言

四洞并进、小净距隧道施工中，后开挖施工的隧道对相邻隧道已经施工段存在较大干扰影响。爆破施工时，易将已施工完的相邻隧道和下穿既有隧道震动破坏。超大断面隧道在浅埋富水、软弱围岩段开挖时，易发生坍塌事故。该文总结了小净距超大断面隧道施工中采取的多种施工方法，为类似的四洞并进小净距、大断面隧道群施工提供借鉴。

1 工程概况

国道G316线董奉山隧道下穿董奉山，采用四洞并行12车道。中间布置双洞双向8车道主路隧道，两侧布置双洞双向4车道辅路隧道。主路隧道左右洞均长4 048.5 m，辅路隧道左右洞均长4 093 m；主路设计为一级公路兼城市快速路，设计时速80 km/h；辅路为二级公路兼城市次干路，设计时速40 km/h。洞口段每相邻两洞之间净距为12.9～20 m，属于小净距结构形式^[1]。后面施工的隧道开挖过程中，爆破震动对已完工的隧道存在破坏风险。隧道大部分为四级、五级围岩，且有多个段落处于富水、构造断裂带，易造成坍塌和涌水。

隧道进口采用削竹式洞门，属于剥蚀残丘地貌，起伏变化大，相对高差约395 m，山脊陡峭，坡脚及沟谷低洼处为水稻田，隧道进口段地势较为平缓。

隧道进口端洞顶有一条排水沟，常年有水流，其河底主要是由坡积粉土和完全风化的凝灰熔岩组成。进口端覆盖层和仰拱底部也是全风化凝灰熔岩，普通状态下地质较硬，遇水后会迅速软化，承载力急速下降。

隧道出口设计为端墙式洞门。主路隧道洞口岩土层主要为（含碎石）残坡积黏性土，全—强风化层，辅路左洞洞口岩土层以中—微风化凝灰熔岩为主。因人工采石取土形成坡度约80°的不稳定斜坡，隧道主路右洞处有一堆积体，隧道洞口施工时容易引起坡体失稳，需要清除^[2]。

董奉山隧道的四个隧道依次从福州绕城公路董奉山隧道下穿，两条隧道之间的交叉角大约为64°。新建隧道与既有绕城隧道左、右线交叉的区域各约100 m。新旧隧道垂直净空距离约为26 m。绕城隧道为设计时速100 km/h，双向6车道的分离式高速隧道，绕城隧道已运营通车。

2 四洞并进隧道施工方法

2.1 总体进洞施工方案

结合地形、地质条件和环境保护理念，遵循“早进洞，晚出洞”原则，隧道进口采用削竹式洞门，出口采用端墙式洞门+明洞形式，尽量减少洞口明洞大开挖。

暗洞开挖前，在洞顶做好截水沟和既有排水沟的改沟，避免地表水渗漏到隧道开挖面影响明洞边坡和掌子面的稳定性。隧道口的边坡要开挖一级，防护一级。明洞边坡开挖到隧道口时，留核心土保证隧道开挖面的稳定，洞口长管棚施工完成后再挖除核心土^[1]。

隧道开挖前，根据监测方案与超前地质预报方案，做好开挖面的超前地质预报工作，探明隧道内断层的性质、产状、富水情况、在隧道中的分布位置、断层破碎带的规模、物质组成等，并分析其对隧道的危害程度；根据超前地质预报，对掌子面进行预加固。

隧道开挖施工中，坚守“短进尺、强支护、勤测量、快封闭”的建设原则。董奉山隧道的施工中，采取四洞并进的施工方案，先辅路隧道，后主路隧道施工。一是为主路隧道施工提前探测地质情况；二是有效地进行排水，降低主隧道开挖风险^[3]。

在下穿福州绕城公路既有隧道段落施工前，要向公路管理单位提前报备，签订好施工协议。对绕城隧道做好交通导改，在不影响通车情况下降低车速。隧道开挖过程中，做好超前预加固，保证隧道开挖施工安全。采用短进尺少炸药爆破，减少对顶部绕城隧道的影响。

2.2 隧道开挖前准备工作

（1）提前做好隧道顶周围的排水系统。为减少山体四周雨水对隧道口边坡的冲刷，防止渗入隧道开挖面造成坍塌。采用截水沟、泄水槽将隧道口山体漫流水引流到附近的河沟或其他既有水系中。

隧道顶部既有河沟在雨季前完成改沟施工。隧道进口端明洞仰拱的基础都在水位较高的全风化凝灰熔岩范围，明洞仰拱开挖时做好抽排水，防止雨水浸泡导致仰拱基础承载力不足。

（2）尽最大可能做到“零开挖进洞”方法。尽量保护隧道顶部截水沟和隧道洞口之间的原生植物，尽量放缓开挖边坡，石质边坡选用机械破除，减少震动破坏。

（3）做好隧道洞顶的监控测量工作。隧道洞口浅埋段暗洞在开挖时极易造成坍塌、沉降变形情况。边仰坡开挖前需在隧道顶部，按照监测方案设置好监测点，定期监测，发现异常及时停止施工。

（4）边仰坡自上而下逐级开挖，及时防护。遵循“开挖一级保护一级”方针，机械开挖时预留20 cm由人工进行处理，及时按照设计图做好防护^[2]。

2.3 小净距隧道开挖施工及加固方法

（1）隧道施工顺序。小净距隧道群相邻隧道的掌子面距离应大于2倍洞径，并错开40 m以上。采取環形开挖预留核心土法施工辅路隧道，双侧壁导坑法施工主路隧道。双壁导坑左右两个导坑间的距离要保持在15 m以上。当导坑和中央的土体同时施工时，导坑应超前30 m。

（2）超前支护。包括：超前锚杆、超前小导管、超前大管棚预支护^[1]。洞口段采用大管棚超前预支护，采用直径φ108 mm的热处理无缝钢管，首段长度分为4 m和6 m，后面每节6 m长，环形距离40 cm。钢管保持平行，斜度控制在1°～3°。奇数编号的钢管，带孔的花形钢管，孔径为15 mm，相邻两个孔距离为15 cm梅花形排列，管棚钢管内注水泥浆液。

Ⅴ级围岩段采用外径42 mm超前小导管注浆加固；每环间搭接长度不小于1 m，外插角10°，施工过程中根据围岩情况可采用双层小导管方案；Ⅳ级围岩岩体破碎地段采用Φ22超前锚杆，外插角15°。

隧道洞口段相邻两洞之间净距为12.9～20 m，为确保围岩的稳定，隧道左右洞两侧导洞开挖之前，对中夹岩进行注浆加固，待注浆达到强度后再开挖，支护参数进行试验确定^[2]。

2.4 下穿既有隧道施工方法

（1）下穿既有隧道段施工主要情况简介。董奉山隧道下穿已经通车的福州绕城公路隧道，交汇的角度64°，隧道之间竖向净高约为26 m，交叉段落平面、剖面关系图见图1。隧道下穿100 m区域为Ⅲ级围岩，设计为短台阶法开挖，S4j和FS4j复合衬砌。为减小隧道施工过程中对绕城隧道的影响，在交叉影响段100 m范围内按小药量爆破开挖。挖掘过程中，严格管控炸药使用量，每一个循环施工一榀钢架，并严格按照光面爆破的设计方案来实施。同时，对顶部已通车的绕城隧道进行爆破震动监测。

（2）下穿段超前支护方法。下穿段Ⅲ级围岩，超前支护选用22 mm直径的水泥砂浆锚杆，锚杆长3.5 m，15°的斜角向上，环向距离40 cm，纵向距离2 m。两排锚杆纵向叠加长度不低于1 m。

锚杆钻孔注浆前，确保孔洞内部清洁。注浆管插入到孔底往上50～100 mm的位置，一边注入砂漿，一边以均匀且缓慢的速度抽出。轻轻插入锚杆，不可以大力敲打杆体。如发现孔口没有剩余的砂浆，立即补充注浆。在装置锚杆垫板时，要紧贴围岩表面。

（3）下穿既有隧道段开挖、支护要求。按照台阶法进行开挖。台阶长度控制在隧道宽度的1.5倍。下台阶每循环开挖长度和上台阶一致，不大于1.5 m。开挖后及时支护，台阶长度需便于机械操作。上台阶钢架施工后，及时观测沉降和形变。上台阶喷射混凝土达到一定强度后，再进行下台阶开挖。

横向排水管、纵向及环形排水管通过塑料三通接头连接在一起，用无纺布包裹并用线串联固定。在防水板铺设之前，需将锚杆头和钢筋网头磨平，用水泥砂浆抹平，以防破损防水板。

二衬混凝土使用全液压自动移动的带模注浆衬砌台车。台车设计经过受力计算，满足安全规则。台车定位前，必须对所有预埋件和预埋管道的数量和位置进行详尽检查，防止遗漏。混凝土的浇筑采用滑槽对称浇筑，防止混凝土离析。

完成二衬混凝土浇筑约3 h后，进行带模注浆。二衬拆模后及时喷雾、洒水养护，确保二衬表面不出现裂纹。

2.5 交通组织方案

施工交叉段时，采取了“一侧开放通行，一侧继续施工”的策略，始终遵循“无须更改行驶路线、保持交通顺畅、确保行驶安全”的原则。

为了减小下穿段隧道施工时对绕城隧道车辆正常行驶的影响，保证交通安全运行，原分离式隧道双向6车道改为双向2车道，开放慢车行车道，即单洞单向靠右通行，并限速40 km/h行驶。

利用优秀的施工管理以及交通警察和道路管理部门的协作，将绕城隧道影响降至最小，通过相关的标示和标牌，可以实现交通疏解的目标。

2.6 监控量测点埋设

（1）监测点埋设。下穿交叉影响段100 m范围内，隧道中线左右侧各25 m范围设置监测网，网格间距5 m。通过使用高精度的水准仪对地面沉降点进行测量，按照监测方案规定的频率定期监测。若观测到变形速度增大，需增加监测的频次。

（2）爆破震速检测。在绕城隧道内设立收集站，收集站上装置抗地震波探测器，监测爆破产生的振动记录。采用每秒钟收集数据点的方式对振动曲线进行离散记录（量化）。设定采样速度为5 000点/s，这样可以充分显示达到1 000 Hz的信号振动记录。

根据《爆破安全规程》（GB6722—2003）的有关规定^[4]，在爆破作业过程中，必须控制爆破产生的震动影响在可承受范围。下穿段影响范围内绕城隧道洞身结构所在地质点振动速度控制在2 cm/s内。

（3）洞外观察、洞内监测。每次爆破后对绕城隧道影响段外观进行观察，主要是观察并记录既有隧道衬砌开裂、剥落、洞身漏水等可能造成的不利影响，以及隧道内既有设备受损情况。

洞内收敛监测通常设两条水平基线，浅埋、偏压区域，设置四条基线。净空测变仪的短杆被固定在要测量的两个测点的岩体内，测量间距根据围岩环境设定。沉降观测点通常设置在拱顶部中心和两侧，每个段面设有三个点。假设遇到通风管或其他障碍，可改变位置。测量频次与净空收敛测量相同。

（4）监测资料的分析、预测及信息反馈。采用专业技术软件自动化地进行了初步的监控数据分析和处理。根据真实测量的数据，分析并创建了各种图表和曲线图。曲线图接近平衡时，推算出最终结果并对建筑的安全性作出提示。

既有隧道监控量测内容由施工方与福州绕城公路东南段运营管理部门共同协商完成，相互通报沉降量。检测人员及时反馈指导信息，调整施工参数，严格控制拱顶下沉和地表下沉，保确保既有线运营安全。

2.7 做好超前地质预报

隧道施工过程中如果前方地质条件突然变化，如塌方、涌水、涌泥等，将会导致施工失去控制，还可能引起人员伤亡、机械设备失效并严重破坏，甚至被迫长时间停工，致使巨大经济损失。所以超前地质预报是隧道施工非常重要的辅助工具。

主要方法有地质素描、超前水平钻孔探测、TSP超前地质预报方法。

（1）地质素描法。隧道施工中，及时对其开挖面（掌子面、边墙面和拱顶面）上的地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性等进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象，做好预案和确定初期支护方法等。掌子面状况示意图见图2。

（2）超前水平钻孔探测。采用水平钻机进行水平钻进，推断隧道前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制，由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其他情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。水平钻孔布置示意图见图3。

（3）TSP地震波反射法。地震波反射法超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性，预报隧道掌子面前方及周围临近区域的地质情况。可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等^[5]。数据采集时在隧道一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，使检波器置入套管中，依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1 h。TSP超前地质预报技术具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点。钻孔距离标示示意图见图4，工作原理示意图见图5。

3 结束语

在四洞并进、小净距隧道群施工中，采用辅洞先行，为主洞施工做好地质勘探和排水后，降低主洞超宽隧道开挖风险，取得良好效果。在施工前，做好洞口的既有水系迁改、截水沟引流，减少隧洞开挖时掌子面渗水，为隧道开挖提供保障；在小净距隧道中，夹岩采用超前小导管注浆预加固，减少相邻隧道施工影响；做好超前地质预报，提前探测隧道开挖面后面的地质情况，提前谋划做好应对措施，降低施工风险；按照早进洞、晚出洞的原则，加长明洞长度；在下穿既有隧道施工中，采用小药量短进尺弱爆破、配合既有隧道爆破监测、交通导改降低车速，确保不间断行车的安全。国道G316线董奉山隧道顺利的完工，在交工检测中质量评定为优，为类似的四洞并进小净距、大断面、下穿既有隧道的隧道群施工提供借鑒。

参考文献

[1]邹青. 四洞并进特长， 大跨， 小净距隧道进洞及浅埋段施工浅析[J]. 智能城市应用， 2020（1）： 6.

[2]黄宜伟. 近郊区四洞并行大断面小净距隧道洞口浅埋段施工技术分析[J]. 工程技术研究， 2022（22）： 82-84.

[3]刘生秀. 小净距双洞隧道施工技术[J]. 采矿技术， 2004（4）： 79-81.

[4]庄宁， 廖少明， 孙忠成， 等. 大跨度小净距群洞隧道施工方案优化研究[J]. 地下空间与工程学报， 2007（1）： 96-100.

[5]高胜利. 公路双向四洞十车道隧道施工技术研究[J]. 价值工程， 2022（12）： 80-82.

收稿日期：2023-10-17

作者简介：王祥（1984—），男，本科，工程师，研究方向：公路、市政工程施工管理。