浅埋大跨径双连拱隧道的开挖与支护

 

　　关键词：连拱隧道；三导洞法；优化设计；开挖及支护方案

 

　　宛坪高速公路是上海至西安国家重点干线公路的重要组成部分，公路总长150.8km,批准概算约72亿元。宛坪高速公路全线设计有16座大跨径、浅埋置的双连拱隧道，总长度3249米，均为短隧道。设计指标建筑限界宽度14.0 m，内轮廓采用三心圆，建筑限界高度5.0m,设计车速为100km/h。其中7座隧道围岩岩性以风化细砂岩为主，而另外9座隧道围岩为变质岩，岩性以风化的二云石英岩为主。隧道大多为浅埋置(埋置厚度最浅的1m，最深的46m)、围岩以Ⅱ类和Ⅲ类（Ⅴ级和Ⅳ级）为主，强度低，地质条件复杂。16座大跨径、浅埋置、地质条件差的连拱隧道同时出现在同一条高速公路上，在国内、国际上都是首屈一指的，同时也成为宛坪高速重点控制工程。

　　宛坪高速16座隧道隧址大都位于位于地形陡峻、脊谷相间的“鸡爪”地带，分离式路基很难满足《公路隧道设计规范》对左右洞距的要求，不得不采用小净距或连拱隧道方案。由于小间距隧道对中隔墙两侧岩体光面爆破技术要求极高，施工难度较大，且主洞的开挖及支护过程使中间岩柱受到多次扰动，岩体力学指标大大降低，其自身稳定性受到很大影响，需要进行加固处理，特别是对于软岩隧道，将会大幅增加投资。国内对小间距隧道目前还没有形成完整的、成熟的设计、施工技术规范，对于隧道在不同跨径下中间岩柱最小尺寸、形状、支护参数、施工工艺、开挖方法及控制爆破等关键技术还缺乏系统的研究，小间距隧道的适用范围还不够明确。因而，综合考虑以上因素，16座隧道全部选用连拱隧道方案。

　　施工过程中围岩应力分布、衬砌受力变形状况不明确，左右洞施工对中隔墙的影响难以把握，增加了隧道施工变形和稳定控制的难度，稍有不慎，就会产生塌方。在设计过程中，针对连拱隧道断面及地质情况的特殊性，采用三维有限元数值分析方法动态模拟连拱隧道施工全过程中围岩和支护结构，了解连拱隧道的变形规律和工程特点，获得不同施工时序隧道围岩和支护结构的应力、位移变化特征，从而论证设计及施工方法的合理性和科学性。

　　根据前期勘探及地质调查资料表明，16座隧道全部处于Ⅴ级和Ⅳ级软岩当中，为确保不对围岩进行大的扰动和施工过程中不产生坍塌，设计提出台阶法及三导洞先墙后拱法两种方案对比论证。

　　采用台阶法开挖，即先行中导坑及中隔墙，其次主洞分上、中、下三个台阶依次开挖。这种开挖方法施工工序简单，操作方便，但主洞开挖支护后，中隔墙即开始承重，其顶部、底部围岩出现高应力承压区，特别是顶部角隅处围岩产生应力集中，施工时掌子面稳定性较差，周边变形量较大，存在一定的隐患。

　　采用三导洞先墙后拱法施工，施工要点：

　　①对Ⅱ、Ⅲ类围岩段合理控制三个导洞开挖作业之间的距离，中导洞先行，系隧道开挖的关键；再开挖地质条件较差或受力不利一侧的导洞a，a导洞滞后中导洞8～10米；然后再开挖另一侧导洞b，b导洞滞后a导洞8～10米，导洞均采用正台阶法施工，台阶长度5～8米，开挖进尺按两榀钢架间距进行。

　　②对Ⅱ、Ⅲ类围岩段合理控制左、右主洞开挖作业面之间的距离，主洞开挖先进行导洞a侧主洞，导洞b侧主洞滞后a侧主洞8～10米，主洞开挖亦采用台阶法，Ⅱ类围岩上台阶分部开挖留核心土，进尺控制同导洞开挖，然后进行初期支护施工，防排水施工。

　　③控制正洞开挖作业面与二次衬砌作业面之间的距离，正洞隧道开挖作业面与衬砌作业面之间距离最小按15米考虑。

　　④二次衬砌采用混凝土运输车、输送泵和衬砌模板台车的机械化配套施工方案，确保混凝土质量达到内实外光。　　⑤Ⅱ、Ⅲ类围岩在施工中要坚持“弱爆破、短开挖、强支护、早封闭”的原则。

　　⑥施工过程加强监控量测，及时处理分析数据，调整支护参数。

　　导洞超前掘进，可起到超前地质预报作用，保证施工的安全性和稳定性，有效地降低地表沉陷，而且施工无须大型机械设备，操作性强，进度稳定，工期保障性强。宛坪高速公路16座隧道的施工实践证明了三导洞法开挖的有效性、安全性。

　　经过对连拱隧道施工过程的受力变形及各部位稳定性的分析，隧道围岩应力集中部位主要出现在各开挖面附近。在隧道边墙和底板相交的转角位置及中隔墙底部，最大主应力集中比较明显，且量值较大；在侧导坑拱顶位置和全断面底板部位有拉应力集中现象。但采取连拱隧道施工方法，在侧导坑顶部的拉应力并没有涉及到隧道全断面，所以侧导坑的开挖不会对全断面隧道顶部产生显着的影响。在边墙与底拱的转角部位和中隔墙底部也有一定范围的应力集中，而核心土的开挖对围岩应力分布影响不大。左右边墙处最大的水平收敛发生在主洞拱部开挖的时候，随后收敛值逐步减小。

　　初期支护对地应力的瞬间释放率比较敏感，开挖瞬间地应力释放越多，初期支护承受的荷载就越小。中隔墙在施工过程中对地应力的瞬间释放率敏感程度较小，其最终应力随应力释放率的增加而略有降低。由于集中应力的存在，围岩的压应力变化不明显，拉应力反而呈上升趋势，但其最终应力则呈下降趋势，底部围岩的隆起和拱顶围岩的沉降都随应力释放率的增加而增大。考虑二次衬砌作用时，围岩的底板隆起和拱顶沉降量减小，边墙水平收敛增大，围岩稳定性增强，应力值降低。

　　隧道开挖形成新的空洞后，破坏了岩体原有的相对平衡状态，使隧道周围部分岩体应力重新分布，引起围岩的变形、破坏和坍塌。为了及时有效地控制围岩变形，防止坍塌，必须采用工程措施进行支护。根据新奥法的设计原理，隧道采用喷、锚、网及钢拱架对围岩进行支护，即尽可能保持围岩的原始状态，最大限度地发挥围岩的自承能力，把隧道围岩和各种支护结构作为一个共同作用的承载体系，控制围岩变形的发展，避免岩体塌方、防止过大的松弛压力出现。锚杆在初期支护中具有悬吊、组合梁、加固作用。喷混凝土具有充填裂隙加固围岩、封闭围岩表面防止风化、与围岩组成共同承载结。