多交叉口的隧道交通转换带施工及支护技术研究

1 工程概况

四川省仁寿至屏山新市公路五指山隧道起讫里程：K132+910～K137+750，隧道总长4840m。为了把特长隧道分为相对较短的隧道，实现“长隧短运”，方便在运营期间的维修、养护及应急救援转向，五指山隧道于K136+800～K137+000（ZK136+797～ZK136+997）段设置了全长为200m的交通转换带。

交通转换带采用正常主洞两侧加宽的方式，两隧洞相邻侧加宽3m。另一侧加宽2.75m。开挖断面面积（含仰拱）192.36m2（正常段的97.6m2），建筑限界16×5m。开挖面积为普通断面的1.97倍。左右洞间设2个联络通道，如图1所示。

图1 交通转换带设计构造图

五指山隧道交通转换带为Ⅳ、Ⅴ级围岩。围岩以细砂岩、粉砂质泥石为主。细砂石呈灰色，中厚层状构造，石质软～较坚硬，节理裂隙发育。含层间孔隙、裂隙水及风化裂隙水，以线流状渗出为主。围岩局部穿越玄武岩，属较坚硬-坚硬岩，位于宜威组及峨眉山组接触带处，岩体节理裂隙极为发育，岩体破碎，以裂隙碎块状结构为主，地下水相对较丰，隧道涌水量随季节变化，地下水以线～淋雨状渗出为主。

2 交通转换带施工的重难点

①开挖断面变化大，由正常段的97.6m2增加至192.36m2，断面变化处由于围岩临空面突变，边缘线呈折线变化，导致此处围岩分布复杂，且出现应力集中处。尤其是由小断面向大断面掘进时，在断面突变为垂直于隧道轴线的围岩临空面，不仅施工防护困难，且破坏了原隧道圆拱形断面良好的自稳性能，导致突变处发生围岩坍塌的风险极高。如何确保断面突变处围岩稳定、安全是交通转换带施工的技术重难点。②断面突然增大，如何平稳、快速地将小断面施工采用的开挖方法及支护工艺措施转换至适合大断面，是交通转换带需解决的施工难点。③交通转换带包括4个联络通道与主洞的交叉口。联络通道钢拱架与正洞的钢拱架相碰，安装通道钢拱架时，需切除正洞钢拱架的相碰部分，导致该部分正洞围岩的支护缺失，极易产生支护变形及洞壁坍塌问题。避免交叉口处初支变形、防止围岩坍塌是转换带交叉口处施工所面临的技术难题。

3 施工技术措施

3.1 过渡段加强支护措施

在距离交通转换带断面变化处前后10m（ZK136+787～ZK136+797、ZK136+997～ZK137+007、K136+790～K136+800、K137+000～K137+010）的段落加强围岩支护（如图2所示），具体措施如下：

图2 正洞与交通转换过渡段加强支护的技术措施

①距离交通转换带10～3m段的支护类型由原设计的WZ4c变为WZ4b。即原设计为格栅拱架，增强为I16工字钢拱架，其安装间距为100cm，共安装7榀。②在距离交通转换带断面变化处3m段，支护拱架采用I20b工字钢，间距60cm。

通过以上加强措施，可保证交通转换带变截面过渡段的岩体稳定性，确保施工安全。

3.2 掘进断面由小变大的施工方法

五指山隧道现阶段正洞采用三台阶法开挖。在进入交通转换带后采取分级扩挖及支护的方法（如图3所示）。

图3 交通转换带逐级开挖支护示意图

①交通转换带按主洞正常断面采用上导预留核心土法掘进3.2m。完成掘进后喷砼封闭掌子面。②然后对隧洞周边轮廓逐级扩挖。每次扩挖周边外插角约10°。在扩挖中及时喷砼防护。③当掌子面扩挖到位后，立即进行钢拱架支护，并及时喷砼封闭。④上导开挖完成后进行初期支护（包括上导堵头墙）。⑤中下导扩挖采用中间拉槽，单侧扩挖直至到位。切记不得对称开挖，每次开挖不得大于2榀拱架间距。⑥交通转换带断面形成后，根据围岩情况采取适合工法进行转换带的掘进。

3.3 交通转换带开挖支护施工工艺

根据设计围岩与超前地质预报、TSP+3D及瓦斯超前钻孔地质情况综合分析，交通转换带Ⅳ级围岩采用台阶分布开挖法；Ⅳ级偏弱围岩采用单侧壁导坑法；Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法。

3.3.1 Ⅳ级围岩开挖及支护施工工艺

由于交通转换带Ⅳ级围岩段落穿越玄武岩地壳层，围岩主要为强风化玄武岩，接触带古风化壳厚度5～20cm，古风化壳呈土状。构造节理裂隙发育，局部穿越玄武岩，岩石较硬，采用图4所示的台阶分布开挖法。

图4 Ⅳ级围岩台阶分布开挖法工序图

①台阶分布开挖法施工顺序。

1）施做超前锚杆；2）环形开挖上台阶；3）施做上台阶初支；4）开挖上台阶核心土；5）开挖下台阶中部；6）开挖下台阶两侧侧壁；7）施做下台阶初支；8）浇筑仰拱；9）施做防水层，浇筑二衬。

②施工关键技术。

1）上台阶长度≯1.5倍洞径；2）下台阶落底采取左右侧拉中槽交替进行。两侧纵向错位2.5～3m，避免两侧拱脚同时悬空；3）掘进采用人工或机械。环形开挖进尺控制在1.2m内。如需爆破掘时，采用微爆破开挖，控制爆破震速≤15cm/s。

3.3.2 Ⅳ级偏弱围岩开挖及支护施工工艺

采用单侧壁导坑法进行Ⅳ级偏弱围岩的开挖，如图5所示。

图5 Ⅴ级偏强围岩单侧壁导坑法工序图

①单侧壁导坑法施工顺序为：

1）小导管注浆超前支护施做；2）掘进先行导洞的上半断面；3）施做上半断面的临时支护及初支；4）掘进先行导洞的下半断面；5）施做下半断面的临时支护及初支；6）掘进后行洞上半断面；7）施做后行洞上半断面的临时支护及初支；8）掘进后行洞下半断面；9）施做后行洞下半断面初支；10）施做仰拱；防水层施工，浇筑二次衬砌。

②施工关键技术。

1）先、后洞开挖面相距不小于15m；2）该段掘进采用人工或机械。循环开挖进尺控制在0.9m内。如需爆破掘时，采用微爆破开挖，控制爆破震速≤15cm/s。

3.3.3 Ⅴ级围岩开挖及支护施工工艺

Ⅴ级围岩为强风化玄武岩，接触带古风化壳厚度5～20cm，古风化壳呈土状。构造节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软～较软，产状水平，呈薄层状，层间结合差，拱顶围岩容易坍塌。采用三台阶七步开挖法。如图6所示。

图6 Ⅴ级围岩三台阶七部开挖法工序图

施工关键技术：①遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则。精心组织、工序紧跟。②台阶长度控制在3～5m。及时施做支初，严禁初支钢架后有空洞，增设锁脚锚杆，尽快封闭成环。③如出现失稳现象，及时喷砼封闭，增设锚杆、钢支撑等措施加强支护；④仰拱、二衬及时施做，避免隧道边墙向内位移变形。

3.4 交通转换带仰拱、衬砌浇筑的施工组织

由于交通转换带结构复杂，需要台架、台车较多。各台架、台车体型大，在长度较短的交通转换带内施工时，易形成互相干扰，甚至无法正常施工。故需对台架、台车的使用、进场次序及布设，及相应的掘进、支护顺序等进行精心组织和安排，以确保顺利、有序地完成施工。

交通转换带由右线小里程端先行开挖，然后再开挖左洞，左右洞掌子面间里程间距30m。1号联络通道由右线向左线施工31.7m（剩余部分由左线施工），2号联络通道由左线向右线施工31.7m（剩余部分由右线施工）；交通转换带仰拱紧随开挖进行施工，确保安全步距。

交通转换带采用原正洞仰拱栈桥。交通转换带防水板、钢筋台架、衬砌台车、横通道仰拱栈桥需另行制作，现场拼装。横通道防水板台架使用原正洞台架。各类台车按施工方案的布置位置及施工顺序，适时安排进场。

3.5 交通转换带交叉口施工

交通转换带横通道为2个，且与隧道纵向方向呈55°斜交。造成交叉位置横通道洞径为15.33m，其跨度大，施工难度高。采用交通转换带正洞施工至交叉口位置时，先施工联络通道。具体方法（如图7所示）如下：①正洞掘进至交叉口位置后停止开挖，在交叉口处先行施作交通转换带的超前支护，并封闭正洞掌子面。再测量放样确定横通道与交通转换带交叉的轮廓线，在轮廓线拱部120°范围内施作Φ42小导管，单根长度4.5m，环向间距40cm。②沿通道轮廓线切割正洞钢拱架，沿轮廓线周边施做通道的I20b支护钢拱架，每榀施作4根Φ25锁脚锚杆，单根长度6m。③在交叉口正洞段加横向钢拱架与横通道钢拱架连接。④横通道同样采用三台阶法开挖，左右线各施工一段，施工完成后，交通转换带掌子面开始继续施工。

图7 交通转换带交叉口施工支护示意图

4 结语

本项目进行了隧道交通转换带断面由小转大施工及支护的技术研究，采取了加强过渡段支护、逐级扩挖及支护、科学选择开挖方法、合理优化支护参数等综合施工及支护技术，安全顺利地完成了交通转换带正洞及联络通道的掘进施工。可为今后类似工程的实施提供借鉴。