浅谈大跨度连拱隧道施工方法

何叔杭

摘要：连拱隧道跨度大，空间利用率高，线形顺畅，引线占地面积少，在平面线路和洞口位置的选择上均较分修隧道具有一定的优越性，尤其解决了复杂地段修建分修隧道所存在的困难，成为在特定条件下修建隧道时采用较多的大跨度结构形式。文章论述了六车道复合式中墙连拱隧道施工方法,提出保证隧道施工安全的关键技术措施。

关键词:公路;连拱隧道;六车道;施工方法

前言

连拱隧道是由两座隧道通过共用的中墙连成一体的双洞隧道，是一种比较有发展前景的新型隧道结构。与其他隧道结构形式相比，双连拱隧道有以下几方面特点（见表1）。

表1三种隧道结构类型比较表

注:表中B为隧道开挖宽度,T为施工工期,M为工程造价。

连拱隧道地形适应性较强,占地面积少,空间利用率高、展线容易,避免洞口分幅,保持路线线型流畅,具有降低交通事故发生率、缩短行程、提高车速、减少高边坡及桥隧比例、保护环境等优点。

连拱隧道直墙整体式中墙结构存在二次衬砌不能采用整体模板台车一次施作,中墙不可避免的出现纵向施工缝,降低了隧道结构的整体性,如施工缝防水处理不当,难免出现开裂和漏水现象。针对以上问题和不足,复合式曲线中墙结构应运而生。复合式中墙结构的双向六车道双连拱隧道的开挖跨度、施工难度基本与直中墙连拱隧道相当,但复合式中墙连拱隧道二次衬砌可采用模板衬砌台车一次浇筑,提高了结构的整体性,有效解决隧道中墙顶部渗漏水问题。因此,大跨度连拱隧道宜优先考虑复合式中墙连拱隧道，中墙厚度不宜小于2. 2m。

1、工程概况：

刘家湾隧道位于平江县冬塔乡刘家湾村，进口桩号K77＋005，出口桩号K77＋225，隧道长220米。隧道设计为6车道，断面设计为双洞连拱单向行车形式，隧道开挖最大断面宽度为33.58m，高度为12m，从起拱线算起矢高为7. 5 m,其单拱矢跨比最小为0. 45。（如图1）洞口以砂质粘性土及全强风化花岗岩为主，洞身段主要为中微风化花岗岩。结合洞口实际地形及地质条件，进口端采用整体式端墙洞门，设置3m明洞；出口端采用削竹式洞门，设置15m明洞（含10m削竹式洞门结构）。

图1双洞六车道复合式中墙连拱隧道一般施工方案断面图

2施工方法

大跨度连拱隧道结构复杂,工序多且相互干扰大,施工技术水平要求高,且多处于靠近边坡的位置,可能存在偏压。隧道施工过程中中墙存在不平衡推力。设计中应采取有效辅助措施,防止施工中拱部推力不平衡对中墙结构造成危害。

大跨度连拱隧道可能存在偏压,应实测1: 500地形图,加密隧道洞口段纵、横剖面图,准确把握隧道轴线与等高线的关系,设计时尽量避免隧道出现偏压。

连拱隧道设计应考虑相应的施工方法,并提出各类方法的具体要求,辅助施工措施应作专项设计。其施工步序应按分部开挖法进行,针对关键工序、关键部位、关键环节制定针对性措施。由于各个工序间存在相互影响,要求双连拱隧道的施工必须要有科学合理的施工组织,理清各工序的先后顺序和关系,尽量减小各施工工序之间的干扰。制定连拱隧道施工方案时应紧密结合设计要求,Ⅴ级围岩浅埋段严格贯彻“先治水、管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”原则,做到设计施工一体化,及时根据实际工程地质条件和监控量测信息调整设计方案,尽早施工仰拱,确定是否采用临时支护措施等。实践证明,三导洞分部开挖法是大跨度连拱隧道有效施工方法。

2.1中导洞施工方法

连拱隧道施工,宜先行贯通中导洞,探明隧道前方的工程地质情况,指导后续工序施工。如图1中(I)。中导洞施工应严格控制沉降,避免岩体产生散体压力。中导洞开挖宽度一般情况下宜大于4 m,不超过6 m。中导洞断面大小主要考虑导洞开挖施工机械配备情况,单口开挖长度大于100m时,一般采用装载机配汽车出渣,断面宽度最好在5. 5 m左右,在单口长度小于100 m的情况下,导坑宽度不宜过大,以4. 5~5 m宽为宜,中导洞的高度一般比中隔墙高出0. 5 m,太高会造成中隔墙顶回填量大,且不利于安全。中导洞应设置在偏向于主洞先开挖的一侧。这样设置具有如下优点:

(1)在同样宽度情况下,一侧可获得较大的施工空间,便于施工人员的走动和布置施工设施。

(2)在中导坑一侧回填土石或混凝土、加设横向钢支撑时,如果中导坑开挖宽度一样,回填侧较窄,可节约工程数量,降低造价。

(3)隧道主洞开挖并施工了支护和二次衬砌后,先行洞会对中隔墙产生较大的水平推力,将中导坑向该侧偏移,中隔墙顶围岩对中墙的抗力是有利于中墙稳定。

(4)中隔墙顶为一侧高一侧低,中隔墙施工时一般采用泵送混凝土施工,显然从较宽一侧进行输送,靠混凝土的自重和流动,容易保证中隔墙顶的密实性。

(5)中导洞偏向一侧时隧道形成坍落拱的宽度较小,有利于降低围岩对隧道的压力。

(6)当一侧洞室已建成,另一侧洞室开挖时,中墙承受先建成洞室的初期支护的侧向压力,有利于中隔墙的稳定性。

中导坑开挖底面应较中隔墙底面略高。因为在中导坑开挖后,随着施工设备的碾压和水的浸泡,中隔墙底容易软化,且中隔墙在施工过程中需承受很大的竖向压力,所以必须保证基底围岩的承载力。若在开挖时先预留一定的厚度,在中隔墙施工前,清除基底松软层,可提高基底围岩的承载力。通常围岩越差的隧道,预留的厚度也越大。设计宜提出中墙基底承载力要求,采用扩大基础和注浆等措施提高连拱隧道中墙基础承载力。

根据隧道进出口地形条件及施工场地的实际情况,中导洞开挖可以从隧道两端同时施工,在隧道中部贯通,也可以从隧道一端开挖,在另一端贯通。根据围岩级别,中导洞开挖分全断面和台阶法两种施工方法,围岩较好的Ⅲ级、Ⅳ类围岩可采用全断面开挖中导,加快施工进度,Ⅴ级围岩采用台阶法施工。无论采用哪种方法,均应贯彻“短进尺、弱爆破、多循环、少扰动、快支护”原则,采用光面爆破技术尽量减少中导洞对两侧正洞围岩的扰动。Ⅴ级围岩每一循环进尺宜控制在1m以下,Ⅲ级、Ⅳ级围岩不超过1. 5 m。开挖后应及时初喷5cm左右混凝土封闭围岩,缩短围岩暴露时间。中导洞开挖断面较小,施工中应注意开挖断面圆顺,尽量避免坍方,即使小面积坍方,也会造成正洞围岩自身承载力降低。

中导洞施工过程中,应注意做好施工排水,避免施工用水软化基础。中墙混凝土浇筑前应检查中墙基础承载力,承载力不足时应采取小导管注浆等措施提高基础承载力。

中隔墙混凝土的施工顺序与中导洞开挖顺序相反,可采用从隧道中间向两端施工的顺序。如只设一个拌和站。一般采用从远离拌和站的一端向靠近拌和站一端浇筑混凝土,在工期紧张的情况下可采用从隧道中间向两端同时施工。

中墙混凝土顶部应设纵向透水管,纵向透水管应用无纺布包裹,防止中墙顶回填时堵塞,每隔5~10 m用硬塑引管将水引至水沟中。

正洞架设钢架段落,中隔墙顶和基础应注意预埋钢板(图1中○A○B),以便钢架连接,连接部位应焊接。

在中墙混凝土强度达到设计要求后,先行洞开挖前,先行洞Ⅴ级围岩地段施作中墙侧回填(配合临时支撑),如图1中3所示。如采用低标号混凝土回填,回填应分块,并与中墙模筑混凝土之间应以无纺布隔离,以便于拆除。

隧道左右线同时完成一次支护的地段,应对中墙顶回填水泥砂浆。因此,应注意预埋注浆管。

2.2正洞施工方法

六车道连拱隧道具有埋深浅,跨度大,地质条件复杂、围岩风化破碎,雨季受地表水影响大的特点,确定施工方案是关系隧道施工成败的关鍵,尤其是Ⅴ级围岩洞口浅埋段。

进洞施工前应按设计做好超前支护,保证洞口大管棚与洞内超前小导管之间的搭接长度。工程实践证明,Ⅴ、Ⅳ级围岩段的施工,通常采用配合超前支护的三导洞施工方案,其施工步序详见图2。

图2Ⅳ级、Ⅴ级围岩三导洞施工步序图

图2描述左线施工步骤,右线施工步骤同左线,但Ⅴ级围岩洞口浅埋段后行主洞宜在先行洞完成二次衬砌的情况下进行开挖施工。图1正洞导坑临时支护位置不宜超过隧道中线。为减轻相互影响,左右线正洞开挖一般错开30 m~60 m,为确保连拱隧道施工安全,应对相邻洞室的最大临界震动速度进行控制,一般不宜大于15 cm/s。上台阶开挖高度以4 m左右为宜,爆破时要尽量减少对中隔墙的影响,严禁将中导洞作为临空面进行爆破设计。下部开挖要先在边墙处开槽,开槽前应注意设置纵向托梁和锁脚锚杆或锁脚钢管,开槽纵向长度不宜超过2 m。对于三车道连拱隧道而言,下部开挖后应及时浇筑仰拱,使结构闭合成环,提高结构承载力。下部开挖纵向长度应维持在5 m~10 m,仰拱开挖后,由于基础处于悬空状态,应尽量减少暴露时间。仰拱浇筑和回填已经完成的段落,应尽早施作二次衬砌,做到衬砌紧跟。在施工过程中及时做好洞内排水系统,严禁洞内积水、排水沟不能沿边墙设置,避免软化边墙基底。

Ⅲ、Ⅱ级围岩正洞一般采用台阶法,宜采用三台阶,应贯彻“多打眼、短进尺、弱爆破、多循环”原则,严格控制爆破震动,提高光面爆破质量。即使在围岩较好的情况下,也应注意及时施工二次衬砌。

正洞围岩较差地段应采用侧壁导坑开挖，侧壁导坑法包括单侧壁导坑法和双侧壁导坑法。与台阶法开挖相比，侧壁导坑法尤其是双侧壁导坑法开挖引起的地表下沉量较小，因此特别适用于扁坦大跨度浅埋隧道开挖。施工时，需注意临时支护结构要坚固可靠、及时，必要时用“先撑后挖”方式进行开挖(如插板法等)。该法优点是安全可靠，坑道暴露时间短，开挖面，对围岩扰动小。衬砌为先墙后拱，质量较好。但施工进度慢，导坑多，造价高，通风排水困难。开挖时可将临时支撑和拱架都支承于坑道中间未被开挖的大块核心地层上，在衬砌保护之下最后将此核心挖除，必要时再砌筑仰拱。侧导坑的宽度较大，又减少施工干扰。除包括边墙以外，还须有通行出土斗车和工人以及砌筑边墙的工作位置，才能使导坑开挖和边墙衬砌作业同时进行。为了核心部分地层的稳定，也须保持足够的宽度，且其宽度愈大，留在最后的开挖量愈大，开挖费用就愈小。

连拱隧道土质段尽量采用人工开挖方式,石质地段爆破时应采用微震控制爆破,“为确保连拱隧道施工安全,应对相邻洞室的最大临界震动速度进行控制,一般不宜大于15 m/s。两洞施工至少错开30 m~60 m,并错开掌子面放炮时间,先行洞二次衬砌应紧跟。

施工过程中应重视监控量测工作,通过监控量侧,观察掌子面围岩变化情况,掌握隧道围岩和支护变形、应力和应变状态,反馈修正设计,保证施工安全。隧道施工期间一般进行以下量测工作:日常观察、拱顶、地表沉降观测、周边收敛观测等必测项目。选测项目包括围岩内部位移、锚杆轴力、围岩与支护接触压力、支护与衬砌接触压力、钢架内力、支护衬砌内力等量侧。

3结束语

六车道双连拱隧道施工难度大,工程实例稀少,且建成的均为直中墙结构形式,目前,复合式中墙连拱隧道是其发展方向。本文通过刘家湾隧道实践证明,双洞六车道大跨度连拱隧道,对Ⅴ级、Ⅳ级围岩采用中导洞+单侧壁导坑法是可行的,Ⅲ级、Ⅱ级围岩采用中导洞+台阶法可行。

复合式中墙连拱隧道在国内属于一个新兴的研究领域，施工方面还存在一些问题有待进行深入系统的研究和解决。

参考文献:

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。