基于异型套拱工艺的浅埋偏压隧道施工方案研究

李公岩 李永亮

(中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000)

文章参考近年来相关学者的研究成果[1-3]，以石岭隧道为研究对象，结合实际地形及外界动力荷载的双重因素，采取异型套拱的施工工艺解决因地形与外界动载引起的隧道洞口偏压问题，通过施工方案比选，结合监控量测数据验证，验证了该施工方案可行性，以期为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

石岭隧道为中隧道，左、右线分离布设。左线隧道起讫桩号为ZK105+833～ZK106+380，长度为547 m，出口明洞长度8 m；右线隧道起讫桩号为K105+838～K106+340，长度为502 m。石岭隧道为小净距隧道，出口端洞口段最小线间距约为25.1 m。左、右线隧道进、出口及洞身段位于直线上，隧道纵坡均为人字坡。隧道出口左右洞约有20 m浅埋偏压段落。

2 隧道出口左线洞口情况

左洞出口段均为Ⅴ级围岩，位于浅埋地段，埋深约6 m～8 m，围岩主要由坡残积砂质粉质粘土、燕山期强～中风化花岗岩组成，坡残积砂质粉质粘土、强风化花岗岩强度低，遇水易软化崩解，中风化花岗岩岩体破碎，发育F25断层，两盘地层岩体破碎，雨季潮湿或滴水。

根据现场实际地形地质情况，隧道出洞存在以下不利因素和安全隐患：

1)洞顶覆盖层较薄，最小埋深约2 m～3 m，初期支护锚杆失去着力点，对于新奥法施工的隧道非常不利，覆盖层太薄，在洞身开挖时容易发生坍塌漏顶的情况，存在一定的安全隐患。

2)出口段洞顶左侧有施工便道经过，交通量大，多为重载车辆通过，对隧道产生的动力荷载较大，动力荷载呈从左侧向右侧方向传递，出现严重偏压现象，详见图1。

3)洞口段下半断面虽为强风化花岗岩，但是常规的机械开挖仍然无法施工，需要爆破施工，爆破施工对围岩的扰动较大，围岩本身的自稳能力受到影响。

3 进洞方案比选

隧道进洞方案的选取，应以保护环境，减少开挖，确保施工安全，保持原有地貌为原则，我们在重视隧道进洞安全性的同时，还应考虑隧道与周边自然环境的有机结合，强调二者的协调性，注重环境保护。方案比选见表1。

表1 龙门吊方案比选

3.1 原设计开挖

此方案具体施工顺序为边仰坡开挖→边仰坡防护→套拱施工→管棚施工→双侧壁法洞身开挖。洞口边、仰坡开挖施工时，按设计图放出中线和开挖边线采取分层小切口明挖，开挖时严格控制坡率一致，开挖后要及时进行防护工程施工，并结合护面墙、锚杆护坡、植草护坡等支护措施。清除开挖面上的松碴以及其他杂物，自上而下采用挖掘机配合人工进行开挖，开挖完成后及时进行边仰坡防护。管棚钢拱架采用4榀Ⅰ20b型钢拱架，间距500 mm，钢拱架和导向孔口管外部浇筑C30混凝土，混凝土与洞口开挖面密贴；导向孔口管采用φ133 mm，外倾角为2°～3°。孔口管φ133的外倾角度与大管棚的φ108 mm钢管的外倾角度一致，管棚套拱混凝土厚度为70 cm，大管棚套拱的导向孔口管间距与大管棚中φ108 mm的间距保持一致及管棚导向管中φ133 mm孔口管的外插角度必须与大管棚的外插角度一致，接头采用长15 cm的丝扣直接对口连接。管棚导向管的长度为2.0 m，管棚施工完成后方可按照原设计的双侧壁开挖法进行洞身开挖。

3.2 暗洞明挖

此方案为了解决隧道偏压降低安全风险，对原设计ZK106+360～ZK106+372暗挖段落改为明挖，原套拱ZK106+370～ZK106+372位置调整为ZK106+358～ZK106+360，具体施工顺序为边坡开挖→边坡临时防护→洞身开挖→洞身初期支护→套拱施工→管棚施工→洞身开挖，先进行两侧边坡开挖，设计为1∶0.75，为防止边坡冲刷，应开挖一级防护一级，第一级边坡高度为8 m，剩余为第二级边坡，平台为2 m,边坡采用φ22的药卷锚杆加钢筋网片进行防护，之后进行洞身部分开挖，开挖至洞身初支位置后进行钢拱架安装，喷锚支护，然后进行回填反压。该方案解决了洞口浅埋段的偏压问题，降低了安全风险，但是此方案开挖面积较大，需要将通往横江大桥的便道挖断，待隧道贯通之后才能保证项目的主便道恢复，严重影响了项目的总体施工进度计划。

3.3 异型套拱加超前大管棚

该方案是结合地形地貌，以减少开挖面，保证项目为主便道不受影响，不影响总体施工进度为原则，经过多位专家讨论后得出的最佳方案。具体施工顺序为边仰坡开挖→边仰坡防护→洞顶截水沟施工→套拱施工→大边墙施工→管棚施工→洞顶回填→洞身开挖。具体施工技术方案要点如下：

1)测量放线确定隧道轮廓线并确定套拱左右侧位置，异型套拱的位置确定，根据图1可以看出整个便道及山体走向，为考虑施工便道不受影响，结合该段的地形确定左侧位置按原设计ZK106+370～ZK106+372位置，右侧向大里程方向调整在ZK106+374～ZK106+376，呈现为斜型正交与隧道的异型套拱。

2)进行边仰坡开挖，边坡采用φ22的药卷锚杆加钢筋网片进行防护。

3)套拱钢拱架安装时预留与主洞钢支撑连接的连接板，以便后期洞身开挖时的初期支护施工。在洞身120°角的范围内安装长2 m的导向管51根，模板安装后浇筑厚70 cm的C30混凝土。

4)以套拱为导向墙进行管棚施工，管棚采用外径108 mm，壁厚6 mm热轧无缝钢管每节按3 m，4 m，6 m制作，长度为40 m，按照由3+5×6+4+3+调节段组成，连接方式采用丝扣连接。

5)洞身开挖按照图纸施工，加长段钢拱架采用原设计Ⅰ22b工字钢，与套拱预留连接处连接后进行喷锚。

综上所述，施工中应综合分析，选取最优施工方案，所以最终确定出洞口偏压隧道施工采用异型套拱加超前大管棚施工方案。

4 监控量测分析

4.1 施工监测方案

结合实际情况，依据设计文件及规范要求，该区间隧道监控量测项目为洞内外观察、地表沉降、洞内净空收敛及拱顶沉降。同时给出监测项目表中的监测方法、设备以及监测警戒值，详见表2。测点布置图见图2。

表2 区间隧道监控量测项目表 mm

4.2 监测成果分析

4.2.1终值统计

本次针对左右洞出口段落监测数据进行分析，统计关键监测断面净空收敛、拱顶沉降以及地表沉降的终值数据，各监测终值均未超预警值，详统计见表3。

表3 监测数据累计终值统计表 mm

4.2.2曲线分析

为了减少文章篇幅，选取拱顶沉降和净空收敛测点中累计变化最大测点进行曲线分析，进而判断见图3，图4。

由图3和图4可以看出，隧道开挖过程中，拱顶沉降和净空收敛数据未发生突变。拱顶沉降实测终值为33.87 mm，净空收敛实测终值为28.62 mm，数据距离累计预警值50 mm，相差较大，安全储备空间充足。同时，拱顶沉降及净空收敛均满足指数回归方程趋势，拱顶沉降预测累计终值为36.68 mm，净空收敛预测累计终值为31.26 mm，因实测仅为73 d的测试数据，测试值距预测终值已十分接近，说明回归分析终值预测准确，监测数据变化符合正常状态变化规律。根据监测数据判断，出洞口偏压隧道施工采用异型套拱加超前大管棚施工方案是安全可靠的。

5 结语

异型套拱加超前大管棚施工方案是合理可行的，该方案不仅解决了隧道浅埋偏压及动力荷载的问题，保证了隧道施工安全，还大幅度缩短了施工工期，降低了工程成本，具有较大的经济意义。

隧道浅埋偏压是一项较深的研究课题，文章主要针对石岭隧道工程进行方案比选，该隧道偏压段落较短，自身特点较明显，研究具有局限性。对于超长偏压隧道及地质复杂地段施工方案确定与分析还有待进一步地研究。