深圳南坪快速路新屋大跨度隧道綜合施工技術

陳明春

摘要: 本文通過對新屋隧道施工中的隧道靜態爆破技術、洞口淺埋段施工技術、過F1斷層帶施工技術和地質超前預報、圍巖變形量測等方面進行的深入研究總結，豐富了我國雙向八車道隧道施工技術，為以后類似隧道的施工提供了寶貴的經驗。

關鍵詞: 新屋隧道；F1斷裂帶；靜態爆破；TSP超前地質預報

1.引言

近年來，隨著我國交通基礎設施建設規模的逐步擴大，城市快速路建設的快速發展和交通量的逐步增多，大斷面公路隧道工程將日益增加。但是，對于雙向八車道（或單向四車道）大斷面公路隧道工程施工實踐并不多。當前，我國現階段的四車道大斷面公路隧道建設既無成熟的經驗供參考，又無標準的規范可參照；從目前情況來看，由于其自身具有眾多復雜的因素，再加上四車道隧道的跨度大，因而大斷面隧道的施工技術總結顯得尤為重要。

我們將目前國內雙向八車道公路隧道及相似地下工程建設情況做一匯總，見下表1-1，從表中我們可以看出，雙線八車道公路隧道單洞最大跨度在23米左右，其最大高度含仰拱13米左右，從起拱線算起矢跨比最小為0.41,設計、施工建設難度都很大。而新屋隧道是目前國內扁平率較小、長度較長的雙向八車道公路隧道。

表1－1 雙向八車道公路隧道及相似地下工程建設情況

2、項目概況

2.1、工程簡介

新屋隧道位于深圳市西麗片區塘朗山，是一座雙向八車道公路隧道, 左線起訖里程：Z12+220～Z12+844，長624m；右線起訖里程：Y12+240～Y12+844，長604m；左、右線隧道結構間凈距為19m～34m，左、右線隧道結構間凈距為19m～34m，隧道內設車行橫通道和人行橫通道各1處，中心里程分別為：Y12+430和Y12+550。

2.2、地質及水文情況

根據地域資料及地質調查，勘查區及其周邊出露的地層主要有第四系地層、燕山期粗粒花崗巖、加里東區混合花崗巖。隧道地貌單元為剝蝕丘陵地帶，地勢起伏較大，植被茂盛，自然地形坡度一般20～40度，地面標高一般在30～107m。

新屋隧道隧址區屬南亞熱帶季風氣候，雨量充沛，干濕季節明顯，夏秋季有臺風，臺風影響時間為5～12月。地下水主要為松散土類孔隙水和基巖裂隙水。松散類土厚度變化較大且不穩定，水量中等～貧乏，隧道基巖為燕山期粗粒花崗巖和加里東期混合花崗巖，節理發育，儲水量較大，是該區的主要含水層位，含水層富水性及透水性較好。根據水質分析，地下水對混凝土具分解類酸型中等腐蝕性。

2.3、隧道設計情況

（1）隧道平、縱斷面

左、右線隧道均為曲線隧道，平曲線半徑為1200m，左、右線隧道結構凈距為19～34m。左右線縱坡設計由小里程至大里程分兩個坡度1%和1.25%。

（2）隧道凈空、橫斷面

隧道橫斷面按分離式雙洞、即單洞四車道單向行駛斷面設計。隧道斷面凈寬18.99m，行車寬度15m（4×3.75m），雙側設寬0.75m檢修道；行車道凈高5m。路面橫坡2%，向曲線內側下坡。隧道內輪廓設計為五心圓拱形式。內輪廓尺寸考慮了結構施工誤差、預留變形、運營期間的部分設備安裝及裝修所需空間。

（3）結構形式

按新奧法原理設計，充分利用圍巖自承能力，隧道支護結構除明洞段，均采用復合式襯砌結構。有Ⅴ級復合加強、Ⅴ級復合、Ⅳ級復合、Ⅲ級復合及明洞五種斷面形式，各斷面均設雙側電纜溝，設清、污分流雙側水溝。

2.4、工程特點及難點

2.4.1 工程特點

（1）、隧道跨度超大：新屋隧道是分離式雙向八車道公路隧道，隧道開挖斷面寬最大為21m，高度為13.32m。

（2）、隧道地質狀況差：隧道IV、V級圍巖占79.4%，III級圍巖占20.6%，施工工序轉換復雜，開挖進度慢。隧道在Z12+585～+615和Y12+480～+520范圍內有破碎構造帶F1，為斷層碎裂巖，節理裂隙發育，巖石破碎，需要采用超前大管棚支護、雙側壁導坑法開挖。

（3）、隧道開挖控制爆破要求高：本標段進口為工業廠區周邊建筑物較多（計量院內有精密儀器，不能受震動影響），為了避免爆破對建筑物造成破壞，隧道開挖均采取靜態爆破和光面控制爆破技術。

2.4.2 工程難點

隧道進出洞口段覆蓋較薄，巖性透水性好，雨季施工易出現涌水、坍塌。 Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工采用雙側壁導坑法，工序復雜，組織快速化施工困難。

3、隧道施工關鍵技術

3.1、洞口淺埋暗挖段施工技術

由于地質條件較差，邊、仰坡及圍巖自穩能力極差，在這種情況下，要作好洞口段的施工，以盡快形成安全的進洞條件，采取方案為：進洞前先做好洞頂排水天溝，對仰坡進行噴錨支護，盡量少刷坡。完成長管棚超前支護后，進洞開挖采用雙側壁導坑法，人工配合機械開挖，型鋼鋼架支撐和掛網、噴、錨等聯合支護方式。

圖3-1 隧道洞口段V級圍巖雙側壁導坑法施工效果圖

隧道洞口覆蓋層較薄，暗洞進洞相對困難，因此設置了一定長度的明洞。明洞采用明挖順做法施工，洞口土石方利用人工配合機械自上而下分層開挖、分層噴錨支護；襯砌分兩部分施工，先施工仰拱及墻角鋼筋砼，后進行拱墻襯砌施工。

3.2、F1斷裂帶施工

3.2.1 F1斷裂帶情況

根據設計圖紙，隧道在Z12+590～+617和Y12+480～+524范圍內有破碎構造帶F1。左線F1斷裂帶為斷層碎裂巖、角礫巖、糜棱巖、斷層泥組成，節理裂隙發育，巖石破碎，呈微漲，巖體結構為碎塊狀鑲嵌結構或碎裂及碎裂結構，F1斷裂帶長30m，處于Ⅴ級圍巖，隧道穿越微風化層與弱風化層，隧道頂部弱風化層覆蓋厚度23m，強風化層5m。右線F1斷裂帶位于淺埋地段，圍巖主要為弱～微風化加里東期混合花崗巖，節理裂隙較發育，巖石完整性、穩定性較差，巖體呈碎石狀壓碎結構或碎塊狀鑲嵌結構。F1斷裂帶長40m，處于Ⅴ級圍巖，隧道穿越弱風化層與強風化層，隧道頂部強風化層覆蓋厚度1m，全新統沖洪積層10m。

3.2.2 F1斷裂帶施工方案

(一)左線隧道開挖方案

由于左線隧道F1斷裂帶處于微風化與弱風化之間，隧道頂部弱風化層覆蓋厚度有23m，強風化層有5m。又根據地質超前預報及勘測抽芯報告，該段范圍內巖性主要為混合花崗巖，強～弱風化，總體巖石較堅硬。節理裂隙較發育～發育，巖石較完整～較破碎（其中：+635～+623、+606～+570段節理裂隙發育，巖石較破碎）;地下水較發育，局部有滲水或小股流水；穩定性一般～較差。施工過程中根據現場實際情況，圍巖狀況好的情況下采用“三臺階弧形導坑法”開挖；圍巖狀況差的情況下采用“CD(中壁)臺階法”開挖。支護參數按設計施工。

(二)右線隧道開挖方案

由于右線F1斷裂帶位于淺埋地段，隧道穿越弱風化層與強風化層，隧道頂部強風化層覆蓋厚度1m，全新統沖洪積層10m。圍巖主要為弱～微風化加里東期混合花崗巖，節理裂隙較發育，巖石完整性、穩定性較差，巖體呈碎石狀壓碎結構或碎塊狀鑲嵌結構。開挖方法按設計采用“雙側壁導坑法”開挖。

開挖前，對于開挖掌子面首先采用20cm厚的C20噴射混凝土封閉，然后對開挖線內及開挖線以外2m范圍的巖層進行注漿止水和注漿加固處理，注漿止水加固采用長管和短管相結合的方法，長管長度L=6m，短管長度L=3m，均采用￠42×3.5鋼花管。每次掌子面封閉注漿時，預留出2根管作排水孔。長管注漿每2m一個循環，止漿墻厚度大于2m，長管注漿遺留的空隙有短管注漿彌補。注漿壓力0.5—1.5Mpa。

該段施工按設計拱部1500范圍內打設雙層超前小導管，外插角為10-150和15-300，長度L=3m，環向間距40cm，縱向間距1.5m，采用水泥水玻璃雙漿液注漿。采用雙側壁導坑法進行開挖施工，鋼架架立緊跟開挖面，做好初期支護，并同時做好現場的監控量測工作。

3.3、開挖鉆爆設計

3.3.1 光面控制爆破控制技術

新屋隧道由于開挖斷面跨度大，地質條件較復雜，隧道除進口端采用靜態爆破外，其余均采用光面控制爆破，以最大限度保護周邊巖體的完整性，控制超欠挖量。

光面控制爆破工藝流程：

3.3.2 靜態爆破施工技術

（1）、靜態爆破原理：

靜態爆破（又稱靜態破碎）是將一種含有鈣、鋁、鎂、硅、鐵等元素的無機鹽粉末狀破碎劑，用適量水調成流動狀漿體，直接灌入鉆孔中，經水化反應后，產生巨大膨脹壓力（可達30～50MPa），將巖石（抗拉強度4～10MPa）脹裂、破碎的爆破方法。

（2）、工藝特點：

破碎物體時不產生震動、噪音、飛石、粉塵及有毒氣體，屬無公害環保型產品，不屬易燃、易爆物品。運輸、保管安全可靠，使用方便。膨脹劑破碎效果穩定，一般可使被破碎物在 12 小時以內發生破碎。

（3）施工方法：

因本工程隧道進口端巖石屬Ⅴ級圍巖，隧道跨度達21m，參照暗挖隧道新奧法施工工藝，分段分區開挖作業方案，隧道上部在超前長管棚或超前小導管注漿加固圍巖的措施下，首先完成上半斷面開挖，并將工作面推進到預計位置（進洞40m）。完成上斷面開挖和支護工作后，采用相同方法進行下半斷面開挖。如果不影響上斷面施工，在保持一定距離情況下，上下斷面可同時推進。

靜態破碎工作面開展與炮孔定位受巖石風化情況影響，上斷面開挖容易在上部風化或巖石破碎帶找到突破口，在掌子面上用風鎬或炮機擴大形成一個槽，槽底深度達到一次進尺的深度，這樣增加了一個自由面，以利靜態破碎劑脹裂破巖施工。當開槽困難時，也可用大孔徑鉆孔法形成自由面，以大炮孔為中心向周邊逐步擴展，俗稱掏洞法。上斷面一般采用淺眼法，向下傾斜孔，孔徑40mm，水平進尺0.5～0.8m；下斷面采用深孔法，向下垂直孔，孔徑76mm，臺階高度3～5m。

（4）、靜態爆破參數

①、上斷面開挖

a、水平進尺L ： L＝0.5～0.8m。

b、鉆孔直徑D ：采用手風鉆鉆孔取D＝40mm

c、底盤抵抗線W ： W＝30cm

d、孔距和排距：布孔方式如圖1所示：

圖3－2靜態爆破平面布孔方式示意圖

圖3－3靜態爆破炮孔裝藥結構示意圖

孔距a ：孔距越小，開裂越容易，破碎時間也短。但是孔距越密，孔數增多，必然加大施工成本，影響施工進度，根據下列公式計算出可行的最大孔距：

a=（P/β×R1+1）d

式中：P——破碎劑膨脹壓力30兆帕；

R1——巖體的抗拉強度為6兆帕；

β——膨脹系數，β≈0.5；

d——孔徑，d=0.042。

由此可計算出孔距為30.2cm，取a=30cm。

排距b：排距b一般小于孔距a，可采取b=（0.6～0.9）×a；這里取b=30cm。

e、炮孔長度L1：L1=L＋0.5b

f、灌漿長度L2 ： L2＝b

g、用藥量：靜態爆破與炸藥爆破不同，裝藥需基本填滿空孔，用藥量可按照空孔總長度計算，并隨孔徑、孔距而異，單位體積用藥量表10所列。

單位體積裝藥量

破碎巖石類別 單位體積用藥量（kg/m3）

軟質巖石 8～10

中硬巖石 10～15

硬質巖石 12～20

破碎劑總用藥量也按被破碎巖石體積乘以單位體積耗藥量經驗數據按下式計算：

Q=V×q

式中：V——破碎巖石體積（m3）；

q——單位體積耗破碎劑量（kg/m3）。

②、下斷面開挖

a、臺階高度選取3～5米，預計施工臺階2～3個。為加快施工進度，當上面一個臺階向內靜態破碎開挖完成5～6米時，開始進行下一個臺階的施工，形成梯步式工作面。

b、布孔形式

為提高破碎效果，提高裝車能力，滿足進度需要，根據自由面較多的特點，本工程采用對數形布孔方式，即離自由面越遠，孔的間距越密。

c、鉆孔孔徑

根據以往的施工經驗，結合本工程特點，采用鉆孔直徑選擇d=76mm，當邊緣鉆機擺位空間不足時，先選手風鉆鉆孔，降低高度后再用大鉆。

d、孔距

根據上述公式計算出可行的最大孔距：a=80cm。

e、排距

排距b=60cm。

3.4、隧道開挖方法優化情況

設計要求新屋隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖采用雙側壁導坑法， Ⅲ級圍巖開挖采用弧形導坑上下臺階法。而根據地質超前預報及現場實際開挖的情況，局部地段地質與設計不符，比設計情況要好，因此本著確保安全質量，節約成本，加快進度的原則，對隧道局部地段的開挖進行優化調整，具體如下：

1、隧道出口雙側壁導坑法改為三臺階弧形導坑法。

2、隧道進口弱風化花崗巖地層雙側壁導坑法改為三臺階弧形導坑法。

4、施工過程中輔助性技術措施

4.1、監控量測技術

新屋隧道施工過程中采用較為先進的監控量測手段，對隧道施工過程中的的圍巖變化，地表下沉，初期支護的受力情況及二次襯砌的受力情況進行監控量測，及時提供反饋信息，掌控隧道圍巖變化情況，分析初期支護效果，為隧道施工提供合理的安全方案，為隧道信息化施工提供最原始的數據。

4.1.1監控量測的內容

依據中國《公路隧道施工技術規范》(JTJ02429)中的要求，并根據新屋隧道的結構特點及施工方法，結合設計單位提供的隧道監測建議，擬訂了該隧道的監測項目和測試方法。其中包括：圍巖內部位移、拱頂下沉、底板隆起、錨桿軸力、鋼架支撐應力、爆破振速等，旨在采用中國成熟的快速、準確、可靠的手段，對

4.2、地質超前預報

通過應用TSP203PLUS隧道地質超前預報系統，TSP203PIUS可以預報隧道掌子面前方0～200m范圍的地層狀況，可以滿足長期（長距離）超前地質預報的要求。以新屋隧道左線出口右上導掌子面（里程：Z12+762）前方地質超前預報探測為例：

（1）、測點位置

預報時掌子面位于Z12+762里程處，在Z12＋811里程處布置預報接收孔，接收孔距掌子面49m。

（2）、測線測點布置

在隧道右邊墻（面向掌子面）的同一水平線上從外向里布置一個傳感器鉆孔和22個炮孔，傳感器鉆孔距第一個炮孔15m，炮孔間距1.3m左右，炮孔高度。

（3）、預報成果

通過對二維結果圖、掌子面狀況和設計資料的綜合分析，對主要存在問題區段進行預處理。

5、施工中的一些經驗總結

新屋隧道施工過程中，我們積累了一些施工經驗，在此與大家分享：

1、臺階法施工中，嚴格控制上中下臺階的臺階長度，可以使機械設備發揮最佳效率，有效縮短施工工期。

2、隧道開挖中，如發現圍巖性質、地質情況發生變化，應及時對所用的掘進方法、支護方式作相應調整，以適應新的圍巖條件，確保安全施工。新屋隧道右線Y12+525里程正處于F1斷裂帶與IV級圍巖交界處，由于開挖進尺過大，支護強度不足，造成掌子面局部塌方，拱頂圍巖輕微下沉，增大了投資，同時影響了工期。

3、隧道施工過程中，加強對開挖面、未支護及未襯砌斷面圍巖情況的監測和檢查，如有塌方，冒頂癥兆要及時做強支護處理。對已支護地段亦要經常檢查，有無異常變形或破壞，錨桿是否松動，噴砼層是否開裂、掉落等，一經發現應立即補救，采取適當方式加固處理。還要防止在施工過程中機械對支護的碰撞破壞。

4、當隧道掘進通過溝谷凹地等覆蓋層過薄地帶或通過沿溪傍山偏壓淺埋地段時，因圍巖自身成拱能力差，缺乏足夠穩定性，施工時應特別謹慎、應采取先支護、后開挖、快封閉、勤量測的施工方式，再根據不同地質條件，輔之以必要加固措施，穩定開挖面，確保施工安全。

5、在上臺階施做拱架支護時，應在拱腳處打設斜向鎖腳錨桿，加固圍巖地基，防止拱腳外移引起拱頂下沉開裂。此處應特別注意鎖腳錨桿的方向是斜向上。同時圍巖壓力大的應在兩拱腳間加設足夠的支撐，以防拱腳內移、拱背開裂。拱圈砼澆筑前，找平拱支承面，拱墻施工時應按設計預留鋼筋，以使拱墻連成整體，可防止拱腳內外移，為防止拱腳下沉，仰拱應盡快施作。

5、結束語

本文總結了新屋隧道的關鍵施工控制技術以及施工中遇到的問題及解決方法，我們得出了一套切實可行的大斷面公路隧道的施工經驗，為以后類似隧道的施工提供了寶貴的經驗。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。