大跨扁平单洞四车道公路隧道浅埋偏压进洞技术

■张建新

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006)

1 前言

近年来，随着我国交通事业的发展，很多地区城市主干线、城市快速干道及国道主干线公路绕城段交通量增长迅速，双向四车道、六车道公路已经不能满足交通量增长要求，部分地区已经开始了八车道高速公路的建设和四车道改八车道的扩建工程。在山区复杂地形条件下修建隧道，隧道洞口不可避免的存在浅埋偏压进洞的难题。近年来，国内外学者和隧道工程技术人员针对隧道偏压进洞技术进行了研究[1-4]，单洞四车道公路隧道与常规的两车道隧道相比在结构受力、开挖工法、施工工序及工艺等方面有着更高的要求，尤其是在浅埋偏压情况下的进洞，浅埋偏压隧道洞口，多为软弱围岩，且一般为倾向洞外、洞侧方向的边坡，多造成掘进困难，严重制约隧道施工的开展，是隧道施工的关键环节[5]，更是工程中的重点和难点。

文章以连霍高速(G30)新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程为依托，结合设计及施工现场的施工情况，从进洞地形地质、隧道结构、开挖工法及工序等方面系统对浅埋偏压区段大跨扁平隧道进洞技术进行分析，施工中所采用的进洞方案有效地减少了洞口偏压、增强了洞口支护强度，确保了浅埋偏压情况下隧道的安全进洞，对今后山区大跨扁平隧道偏压进洞等类似工程具有一定的参考意义。

2 隧道建设条件

隧道位于新疆乌鲁木齐市达坂城区白杨河右岸，与连霍高速G30紧邻，为双洞八车道高速公路隧道。隧道下行线起讫里程为 XK3494+731～XK3495+922，全长1191.0m，隧道出口采用带偏压挡墙的端墙式洞门与路基相连。隧道最大开挖宽度达22.56m(未包括预留变形量)，最大高度(含仰拱)14.65m，从起拱线算起矢高达9.52m，矢跨比最小达0.42，设计施工建设难度大。

图1 隧道洞口与等高线斜交

图2 隧道洞口浅埋、偏压(单位cm)

隧址区位于北天山优地槽向斜褶皱带的三级构造单元博罗霍洛复背斜内，区域构造较为复杂，隧道地层主要为石炭系中统巴音沟第三亚组凝灰质岩体，裂隙、节理发育，隧道出洞口与等高线斜交(见图1)，偏压较为明显，隧道明暗交界处，拱肩埋深仅1.13m(见图2)。洞口岩体层理清晰，表层风化严重，岩层呈中薄层状，层理产状45°∠80°，中-微风化层层间结合紧密，硅钙质充填好，山坡岩体总体以较完整为主，表层风化严重、偶有掉块。

3 大跨扁平隧道浅埋偏压进洞风险

影响大跨扁平隧道浅埋偏压进洞的因素很多，大跨浅埋偏压进洞的主要风险可归结为：地形浅埋偏压风险、大跨结构受力风险等。

3.1 地形浅埋偏压风险

在山区公路建设中，由于走廊带一般比较狭窄，为了满足线型的要求，不可避免的存在大量隧道洞口与等高线斜交的浅埋偏压情况，造成隧道结构两侧的围岩压力不对称的情况。如果采用明挖施工至明暗交界处，将会形成明挖段一侧的高边坡，稳定性难以保证，处治难度大，存在较大的安全隐患。如果采用暗挖，往往埋深较浅，洞身的开挖将会扰动上覆岩层，开挖卸荷作用将会影响周边围岩稳定及结构的安全。

3.2 大跨度开挖的风险

单洞四车道公路隧道，开挖跨度22.56m，结构受力相对于普通隧道相比，更为不利，产生的弯矩、轴力、剪力和塑性区比普通隧道要大的多，开挖过程中产生的松动荷载较大，再加上由于隧道围岩变形较大产生的形变压力，使得开挖风险及初期支护的风险大幅度增加。

4 大跨扁平隧道浅埋偏压进洞控制措施及效果

对于偏压洞口而言，洞口段岩土体形成的变形和应力分布会存在横向推移隧道的趋势，而这不利于抵抗横向为主导的围岩压力，因此采取措施消除这种偏压引起的横向推移既是解决偏压问题的出发点也是解决问题的根本。本文主要从进洞地形地质、隧道结构、开挖工法及工序、超前预支护等方面系统的进行控制，减轻和削弱不对称的偏压荷载，确保隧道施工中隧道位移、拱顶沉降、整体稳定满足要求及管养阶段衬砌结构的安全性。

4.1 偏压挡墙及桩板墙

采用反压回填措施，隧道偏压和应力集中的现象得到一定程度的改善，塑性区范围减小，有利于隧道结构的稳定[5]。本项目存在多处浅埋偏压的洞口，设计及施工中主要采取了抗滑挡墙和抗滑桩板墙的方式来稳定隧道边坡，解决部分偏压的问题[6]。

对于坡度小于30°，偏压不是特别严重，围岩表层分化严重，基岩埋深较浅的隧道洞口，采用偏压挡墙，施工工序为先施工挡墙，回填土石方减轻偏压，然后施做大管棚超前支护，再进行洞身的开挖。对于坡度陡峭，一侧临空较高的隧道洞口，采用桩板墙抵抗偏压，施工工序为施工桩板墙，桩板墙背后回填土石方减轻偏压，然后施做大管棚超前支护，再进行洞身的开挖，如图3所示。

图3 针对浅埋偏压地形采用的偏压挡墙及桩板墙(单位：cm)

4.2 衬砌结构

针对洞口偏压段，设计增强了衬砌结构，采用了双层初期支护，并增加靠山侧锚杆及缩脚小导管，保证了施工过程中初期支护的刚度和围岩的稳定。根据偏压情况下二次衬砌临空侧受力较大、衬砌容易破坏的情况，设计了变截面的偏压型衬砌，既能保证衬砌结构的安全，又能起到一定抵抗靠山侧土压力的作用，衬砌结构图见图4。

4.3 洞口超前预支护

浅埋偏压隧道洞口，一般多为风化严重的破碎软弱围岩，因此隧道洞口的套拱和超前支护对隧道能否顺利进洞十分关键[7]。一般洞口段多采用Φ108的大管棚进洞方案。本项目隧道进口段为强风化的Ⅴ级浅埋偏压段，在加上本隧道为超大断面的扁平隧道，进洞风险更大，设计采用有效长度为30m的Φ127大管棚进洞方案(见图5)，增加了超前支护的刚度，采用加大断面的80cm的套拱，起到良好的管棚支撑作用，稳定了洞口围岩，保证了进洞安全。

4.4 开挖工法

本项目隧道的浅埋偏压洞口段的开挖工法为双侧壁导坑法和CRD法(见图6)，主要考虑到隧道开挖跨度达22.56m，最小矢跨比达0.42，典型的大跨扁平浅埋偏压，在国内比较罕见，开挖工法的选择决定了隧道施工的成败，故将双侧壁导坑法作为本隧道洞口段的主要施工方法，根据围岩情况、偏压程度将CRD法作为备选方案。

施工中针对不同的工程地质情况、不同偏压地形，分别采用了双侧壁和CRD两种施工方法，均达到了设计要求，顺利通过洞口偏压段，目前两座隧道均已安全贯通。实践证明，尽管双侧壁法和CRD法工序繁多、造价高、速度慢，但其临时支撑和临时仰拱起到非常好的抵抗偏压侧向位移的作用，是浅埋偏压洞口段及大跨隧道的有效开挖方案。

4.5 控制效果

项目建设中，通过采取以上措施，在配合洞口偏压段“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，目前偏压洞口已完成4处，部分隧道均已安全贯通，充分证明以上措施的有效性。

5 结论

随着新疆经济的高速发展，面对日益增长的交通量，双向八车道高速公路的建设将会越来越多，四车道超大跨隧道建设将不可避免，针对洞口浅埋偏压段应按以下原则进行施工：

(1)软弱围岩下，浅埋偏压的大断面隧道进洞，优先采取偏压挡墙或桩板墙配合回填反压，部分消除地形引起的土压力不对称造成的偏压。

(2)浅埋偏压情况下，大断面隧道须加强初期支护刚度，保证开挖的顺利进行，根据偏压程度有针对性的设置偏压衬砌或不平衡配筋的二次衬砌。

(3)开挖前重视超前预加固，建议采用超前大管棚，根据围岩破碎及偏压情况须对超前大管棚进行适当加强。

(4)慎重选择隧道开挖工法。选择适合大断面隧道施工的双侧壁导坑法和CRD法，在此基础上分析现场地形、地质情况确定开挖顺序。

图4 衬砌结构采用双层拱架初期支护和变截面偏压型二次衬砌(单位：cm)

图5 隧道浅埋偏压段大管棚支护(管径以mm计，其余尺寸单位：cm)

图6 隧道设计开挖工法