城市小凈距大小斷面隧道交叉口段暗挖技術研究

鄭劍鋒

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著城市交通的快速發展，越來越多的城市修建地下快速路[1-2]。為了實現道路交通的快速轉換，在兩條地下快速路的交叉處修建隧道交叉口是最佳的交通結構形式。對于采用新奧法原理修建的地下交叉隧道，交叉口處是一條隧道分成兩條隧道的分流點或兩條隧道合成一條隧道合流點。由于隧道凈距小，交叉口處寬度大，地下結構及圍巖受力復雜[3-4]。因此地下隧道的交叉口開挖通常成為了設計、施工的難點。

本文結合杭州市紫之隧道，針對城市地下兩條快速路的交叉口施工中經常遇到的隧道小凈距的問題，以及交叉口處隧道寬度大、地下結構和圍巖受力復雜等難點，系統研究了復雜環境條件下由小斷面隧道進入大斷面隧道施工技術。

2 工程概況及難點分析

2.1 工程概況

紫之隧道包含3座4～5 km隧道，全長14.4 km，是杭州市最長的隧道，目前也是全國最長的城市隧道。設計為雙向六車道，南北各設置了一對匝道與主隧道相交，如圖1所示。交叉口處形成了跨度24.7 m的特大斷面和0.3 m的小凈距。

圖1 匝道與隧道主線交叉平面圖

2.2 水文地質

立體交叉段東線二車道K2+512.6～K2+555.6屬于Ⅳ級圍巖，巖性為泥巖、粉砂巖、不均質夾巖屑砂巖、泥質粉砂軟巖，相互交錯，巖石均勻性差，地質條件復雜，且場地附近存在地下水，圍巖中泥質結構在地下水作用下易崩解，導致圍巖強度降低。

2.3 工程難點

(1)開挖寬度大

東大跨ND1型斷面開挖寬24.768m，高13.421 m，地處Ⅲ級圍巖。

(2)超小凈距施工

東匝道與東主線并行交匯于東大跨段，形成小凈距施工，中夾巖最薄處0.3 m厚。

(3)高差大，且有變截面施工

東線匝道與東大跨交界處:東線匝道拱頂標高為29.782 m，東大跨段拱頂標高為35.178 m，拱頂高差為5.396 m，且由東線匝道進入東大跨施工。

(4)多斷面交叉施工

匝道(單車道)與主隧道(兩車道)在大跨度斷面段(三車道)處交匯[5]，圍巖受力復雜，工序轉換多，多工作面交叉作業，施工組織難度大[6]。

3 小凈距大小斷面隧道交叉口施工技術

3.1 總體施工方案

如圖2所示，先將小斷面隧道開挖至大跨度斷面隧道，再進行橫向擴挖，然后再進行反向開挖小凈距隧道。在小凈距隧道施工中，放棄了復雜連拱隧道技術，采用了超小凈距隧道的開挖支護技術。

圖2 開挖步序(單位:mm)

3.2 施工關鍵技術

3.2.1 導洞爬坡開挖

(1)匝道開挖至與大跨度斷面相交時，匝道末端拱架進行密排加強。加固完成后，對爬坡導洞進行測量放樣，確定導洞開挖方向和擴挖輪廓線。

(2)導洞向大跨段斷面方向按29°仰角進行快速爬坡(坡度滿足大型挖機和鏟車進入的要求)開挖。

(3)原則上應根據匝道上臺階的高度和寬度控制導洞的高度和寬度，以便與坡道統一使用工作小車。

(4)按照大跨度斷面輪廓控制導洞內輪廓與大跨度斷面隧道重合處的爆破形狀。由于此處存在挑高和側向擴挖同步進行，導洞斷面形狀應滿足受力均勻。

(5)導洞爬坡采用光面爆破，加密炮孔，減少單個炮孔裝藥量，每循環進尺1～1.5 m。視情況對圍巖不穩定部位進行錨桿+網片+噴射砼支護，必要時設置臨時鋼架支撐。

3.2.2 反向擴挖

導洞爬坡施工至設計標高后，導洞頂部進行反向擴挖，并確保大跨度斷面頂部支護到位。

(1)在導洞末端坡道上用碎石反向鋪設臺車施工平臺，在之前簡單噴錨處理的掌子面上，按大跨度斷面輪廓進行炮孔放樣，工班按炮孔位置鉆孔爆破。

(2)在大跨度導洞頂部按照1 m間隔架設工字鋼架，并靠近大跨度斷面未開挖一側設置臨時支撐，噴射混凝土20 cm，直至導洞擴挖完成。

3.2.3 橫挑擴挖

(1)導洞擴挖完成后，大斷面上臺階可進行正向橫挑擴挖。為便于操作開挖臺車，大斷面上臺階高度按原匝道上臺階的施工高度來控制。

(2)每循環在橫、縱向分別擴挖3 m。擴挖面設置豎向臨時支撐，對斷頭部分進行噴射混凝土加固。按此工序依次進行多次擴挖，直至達到大跨段設計斷面[7]。

3.2.4 反向開挖(同步主洞開挖)

(1)大斷面開挖至設計輪廓后，向大跨度斷面隧道方向采用臺階法開挖約5～6 m。此時，大斷面方向形成第一個工作面，主隧道可通過臺階法展開施工。

(2)反向開挖大跨度斷面隧道未擴挖到位部分，每循環開挖進尺1 m[8]。開挖后及時進行錨噴支護，并與前期初期支護連接牢固[9]。根據地質條件和監測數據，對在橫挑擴挖開挖過程中搭設的臨時支護選擇保留或拆除。

3.2.5 中臺階、下臺階及仰拱開挖支護

反向開挖和大斷面上臺階開挖完成，由匝道往大跨度斷面方向依次開挖大斷面中、下臺階和仰拱。施工中應分層、分部開挖，每循環開挖及時進行鋼架接長，并及時封閉仰拱。

3.2.6 超小凈距隧道施工

(1)相鄰隧道(匝道)初期支護封閉成環并回填仰拱后進行超小凈距隧道施工。施工中采用φ42注漿小導管超前預加固，并對夾巖>1.5 m處施作4.5 m長φ25對拉錨桿，如圖3所示。

圖3 小凈距加固示意

(2)在開挖過程中，為便于控制鉆孔精度和爆破裝藥參數，從中夾巖由薄變厚的方向開挖小凈距隧道。

(3)為減小對相鄰匝道的影響，采用控制爆破，按照導洞先行，再擴挖的方式組織施工[10-11]。小凈距隧道施工時爆破開挖分為三部分(見圖4)，每循環進尺1～1.5 m。

①部超前開挖1.5～2 m后，②部進行擴大開挖。這樣不僅①部爆破后可增加爆破自由面，減少一次起爆的炸藥量，還可以降低爆破振動，提高光面爆破效果。上臺階超前開挖支護5～10 m后，對下臺階進行爆破開挖。

(4)當小凈距隧道進尺達到6 m時，即可進入主隧道開挖。此時在小凈距方向形成第二工作面，可以與在大跨度斷面方向的第一工作面同步開挖。大跨度斷面段可展開后續二次襯砌施工[12]。

4 結束語

杭州紫之隧道應用城市地下隧道交叉口小凈距及大斷面施工方法，克服了傳統方法無法由小洞往大洞方向開挖的缺陷。通過大跨段的安全監測結果表明，該段變形在2 cm以內，安全性可靠，施工進度提高10%以上，節約了施工成本。

(1)在匝道處采用小斷面縱向爬坡挑頂進入大斷面，反向擴挖分叉主隧道，保證施工安全。

(2)采用控制爆破技術，保證了小凈距隧道間0.3 m夾層圍巖的穩定。

(3)在軟弱圍巖段采用超前導管、超前預注漿加固地層，保證了交叉隧道開挖穩定。