大跨度無中導洞分岔隧道反挖施工關鍵技術研究

林秀桂，潘春輝

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著城市高速發展，地下互通立交分岔隧道結構越來越多，例如深圳橫龍山隧道[1]、青島膠州灣隧道[2]、杭州紫之隧道[3]等工程均有分岔隧道段。分岔隧道為地下互通立交的關鍵節點和設計施工重難點，對整個地下互通立交的建設起著控制性作用。

通常情況下，分岔隧道主要包含大跨度主隧道標準段、分岔漸變段、連拱段和小凈距段。該隧道受力復雜，工序轉換頻繁，目前尚未形成確定的施工技術體系。分岔隧道常規的施工順序采用順作法，即開挖方向由大跨合流末端向最大跨度段、連拱段、小凈距段依次施工。該方案優點在于施工斷面逐步擴大、風險可控，主體結構斷面易閉合，斷面圍巖受力形式明確，施工工序相對簡單，二襯可及時跟進，安全有保障。然而受暗挖施工工藝特點影響，僅有隧道掌子面為施工作業面，各掌子面施工進度難以控制，特別是對于以礦山法施工的城市隧道，受限因素多，有時很難具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工的條件。

本文以深圳東部過境高速公路連接線工程為依托，結合工程現場實際，提出了地下互通立交分岔段無中導洞反挖施工的工法，解決了不具備由大斷面隧道向分岔小斷面隧道施工條件時，地下互通立交分岔礦山法隧道的施工問題。所建立的科學設計施工方法，可以使工程快速安全的實施，作為一種極具實用價值的技術資源，具有明顯的社會效益和經濟效益。

1 研究背景

1.1 工程概況

深圳市東部過境高速公路連接線工程西起愛國路立交，東西貫穿東湖公園，位于深圳水庫下游。該工程I 標段暗挖隧道主要為下穿谷對嶺實施段，其中北主線共776.19 m，南主線共784.75 m，ES 匝道共757.9 m，SE 匝道共364.9 m。

谷對嶺分岔隧道的設計車道數為主線2 車道（3.5 m+3.5 m）+匝道設緊急停車帶的1 車道（3.5 m+2.5 m）連續流。喇叭口分岔隧道設計采用多種斷面形式漸近過渡的方式，主線由標準3 車道斷面逐漸增大，通過漸變段增至大跨段最大斷面，大跨段向外側擴挖，與連拱隧道段相接；隨著連拱中墻厚度的不斷增大，與小凈距隧道順接，最后分岔為雙線分離式隧道。南線谷對嶺分岔段設A5+ 型、B4 型、C4 型、D4型、E4 型和F4 型共5 種襯砌類型，其中F4 型為復合式連拱襯砌。

谷對嶺分岔段平面圖見圖1。

圖1 谷對嶺分岔段平面圖

谷對嶺分岔隧道為交通分、合流點，該段處最大縱坡約2.8%。大跨段隧道拱頂埋深約26～84 m。

1.2 工程地質條件

谷對嶺區域圍巖較為破碎，有斷層F6、F7、F8 通過，如圖2 所示。斷層帶巖體主要表現為閉合裂隙極發育，巖體破碎，綠泥石化現象顯著，巖體多具碎裂、碎斑結構，巖石多具碎裂巖化特征或為碎裂巖，通常不均勻分布角礫巖、糜棱巖化團塊或薄夾層，微細礦物碎屑多為擠壓破碎的綠泥石微粒，且裂隙多為綠泥石充填。

各斷層分布情況具體如下：

（1）F6 斷層：走向大致為東北偏北方向，傾向西北偏西方向，傾角約70°～75°，其推測斷裂帶寬度約30～40 m，與本工程主線及匝道呈小角度斜交。

（2）F7 斷層：起始于深圳水庫溢洪道西岸，往南經谷對嶺，然后經黃貝嶺北坡，至春風路東側一帶。斷裂走向由南往北從北東50°逐漸彎轉為北東10°左右，傾角約60°，推測斷裂帶寬度約30～40 m，橫穿本工程主線隧道。

（3）F8 斷層：斷裂北段延伸到深圳水庫溢洪道右岸，往南經谷對嶺南坡麓，穿過沿河北路進入黃貝嶺東南坡，抵達文錦路中學一帶。斷裂切過震旦紀黃婆山組、元古界混合花崗巖、中侏羅統漳平組（即塘廈組）等巖層。斷裂走向由南往北為北東55°轉為北東10°，為略向南東凸出的弧形，傾向北西，傾角50°～75°，推測斷裂帶寬度約30～40 m。

F7 構造破碎帶巖體主要為碎裂巖夾糜棱巖，局部夾斷層泥，斷裂面附近巖體呈片理化條帶狀，礦物結晶定向拉長；F6、F8 構造破碎帶巖體主要為碎裂巖、角礫巖，綠泥石化現象明顯，巖質偏軟，較易擊碎，局部發育有糜棱巖薄層條帶或斷層泥。

分岔連拱段F 型襯砌及大跨段位于F7 主斷層帶內，覆土84 m，IV 級圍巖地層。隧道開挖斷面大，斷面變化形式多，各類型斷面縱向長度較短，施工工序轉換較為復雜，且在大斷面上方臨近處還存在地下軍事設施，施工難度極大。

谷對嶺分岔段斷層地質平面布置圖見圖2。

圖2 谷對嶺分岔段斷層地質平面布置圖

2 大跨度分岔隧道施工技術

2.1 技術原理

與順作法相反，在條件不允許的情況下，可采用逆作法，即由主線（或匝道）小凈距段（連拱段）向最大跨度段、大跨合流末段依次施工。該方案優點在于靈活多變，不受施工條件限制。但是缺點在于由小斷面進入大跨度段，跨度及高度突變增大，常規的施工工法無法滿足安全要求。

因此本節點設計采用無中導洞反挖施工方案，通過增設斜坡導坑爬坡至主隧道拱頂，而后橫向擴挖形成主洞，再反挖擴挖逐步形成交界最大斷面，并向兩端施工，如圖3 所示。將多斷面跨度形成并澆筑二襯后，方可完成連拱段及小凈距段。

圖3 大跨段導坑橫向擴挖施工示意圖

對于連拱隧道，傳統工法需單獨開挖中導洞、施工中隔墻，再開挖兩側連拱斷面，工序較復雜，如圖4所示。由于本標段接東連線二標掌子面未提供，該節點無法采用從標準3 車道向大跨度段開挖的順作法施工。現場考慮由SE 匝道進入分岔段，再由大跨段掉頭反挖進入南主線。針對本節點，采用無中導洞工法施工連拱段隧道，即在隧道開挖SE 匝道的同時留出中墻施工空間，在單洞內澆筑中墻和襯砌結構，然后向前開挖至分岔大斷面，再回挖南主線，澆筑襯砌結構。具體施工順序見圖6。

圖4 常規連拱隧道開挖示意圖

該技術方案解決了在城市分岔隧道施工中的工序復雜和施工難度大的問題，取消了諸多臨時支撐，能夠有效節約施工成本，簡化施工工藝，給工人和機械設備提供更大的工作空間，提高效率，縮短工期，加快施工進度。

2.2 施工工藝流程

該方案的具體施工流程為：先行洞小凈距段→無中導洞連拱段→擴挖導坑進入大跨度漸變段→橫向施工橫導洞→反挖施工大跨度漸變段→完成后行洞連拱段→完成后行洞小凈距段。

分岔大斷面及連拱段平面圖見圖5，施工順序平面圖見圖6。

圖5 分岔大斷面及連拱段平面圖

圖6 施工順序平面圖

2.3 技術要點

2.3.1 無中導洞連拱段施工

連拱段隧道采用無中導洞施工工藝[4]，在兩隧道中部設置了加強區，并且較小斷面的隧道先行開挖，加強區混凝土厚度較大，使兩隧道開挖斷面面積相近。無中導洞連拱隧道襯砌設計圖見圖7。

圖7 無中導洞連拱隧道襯砌設計圖

連拱段開挖均采用光面爆破施工，爆破震速控制在1 cm/s 以下，短進尺、弱爆破，盡量減少對拱頂圍巖的擾動，以便順利實現調頭，開挖進尺控制在每次1 榀。連拱中墻為鋼筋混凝土結構，由于斷面為異型，對異型初支進行加強處理，增加鎖腳鋼管和加強錨桿。

2.3.2 先行導坑進洞

先行匝道隧道開挖輪廓（含中墻）與主線分岔大斷面開挖輪廓斷面一般會存在差異，見圖8。

圖8 匝道連拱先行洞與主洞橫斷面對比示意圖

在大跨段E 襯砌類型段處，其雙側壁右上導洞開挖線最高處約比該處連拱段F 襯砌類型段最高處高3.1 m 左右，因此在隧道進尺時需要斜向上擴挖圍巖，按照每前進約0.8 m，擴挖約0.6 m 高度為原則，通過5 榀將連拱隧道擴挖至雙側壁導洞頂部。具體施工工藝：延F 斷面向E 斷面逐層擴挖，擴挖5 榀后再向前正常施工5 榀即擇機回頭，將擴挖段5 榀鋼架拆除并按正常施工補充鋼拱架[5]。

2.3.3 先行導坑加強

將大跨段E、D、C 雙側壁左側上導洞擴大作為先行導坑，并采用加強鋼架支護，以保證臨時施工通道（見圖9）。

圖9 加強型臨時支護鋼架設計圖（單位：mm）

先行導洞作為分岔段反挖施工唯一的材料、設備、人員進入通道及出渣通道，重要性高，且使用時間較長（預計半年以上），存在一定的安全隱患。該處圍巖為F7 主斷層通過位置，以構造巖為主，局部發育有糜棱巖，巖體破碎，構造巖破碎帶中存在裂隙承壓水，并具有沿構造破碎帶定向富集的特征，圍巖定級為IV 級。《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）A.0.5 中對圍巖自穩能力有相關描述，對于IV 級圍巖，當開挖跨度為5 m 時，一般無自穩能力，數日-數月內可發生松動變形、小塌方，進而發展為中-大塌方；埋深大時，有明顯塑性流動變形和擠壓破壞。在該方案中，導洞使用時間大于半年，遠超圍巖自穩時間，故須對其進行加強支護。

因此對導坑外側永久支護和臨時支護均采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼。考慮到導坑成型高度較高，高約10 m，且呈現非對稱受力，側向圍巖收斂壓力較大，因此在高度中部設置橫向臨時支撐，為雙拼HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼，并用桁架角鋼焊接連接。對于導坑底部采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 型鋼作為臨時仰拱連接，以便對整個導坑形成封閉支護，確保支護體系維持較長時間的安全。

2.3.4 橫導洞施工

在NXK1+325.7～NXK1+333.7 處設置橫導洞，待C 加強型車行通道施工完成后，拆除左側臨時支護，安裝2 條并列I20b 門式鋼架加強型，由南往北施工。橫導洞寬8 m，高約3.5～10.0 m，長11.9 m，采用門式鋼架支護。門式鋼架上方設置φ 50×4 m 超前注漿小導管，長4.5 m，縱距3 m；兩側及頂部設置藥卷錨桿，長3.0 m，環距1.0 m（環）×1.0 m（縱）；支架接頭處設置直徑50 mm、長4.5 m 的鎖腳鋼管。如圖10 所示。

圖10 橫導洞門式支架平面設計圖

3 大跨段隧道反挖施工有限元分析

3.1 三維模型建立

采用Midas-GTS 有限元分析軟件，模擬隧道施工過程，針對大跨度分岔隧道設計施工關鍵點，分析隧道圍巖和襯砌結構的位移場和應力場分布及變化。

根據現場施工工況，建立三維有限元計算模型對開挖方案進行數值模擬。模型選取寬度130 m，高度最大140 m，縱向長度150 m。整體三維有限元模型見圖11，隧道分岔段三維有限元模型見圖12。圍巖材料采用彈塑性本構模型，破壞準則選用Mohr-Coulomb 準則，初期支護、中隔壁臨時支護采用殼結構單元[6]。

圖11 整體三維有限元模型

圖12 隧道分岔段三維有限元模型

3.2 土體及材料參數

根據設計規范及相關地質資料，給出圍巖和支護參數，見表1、表2。

表1 有限元模型計算參數表

表2 支護材料物理力學參數

3.3 計算結果和結論

按加強措施狀態計算，隧道施工反挖后至連拱段，拱頂最大豎向位移為17.8 mm，位置位于大跨段D 斷面，仰拱隆起最大約22 mm（見圖13）。

圖13 三維沉降計算云圖

因此，根據數值模擬計算，隧道開挖采取先行加強導洞反挖施工方案，支護總體變形安全可控。先行導洞的臨時支撐有較大側向變形和集中彎矩，承受大跨段較大荷載，設計時需要對臨時支撐進行加強[7]。

4 監測結果分析

結合隧道開挖施工方法，通過及時反饋監測數據來指導開挖施工，達到信息化施工的目的，確保隧道開挖安全。針對本工程關鍵節點，現場進行了專項監測實施方案，通過監測大跨度分岔段各施工節段的變形、圍巖支護內力，確定施工掌子面推進時機并調整相關支護參數，保障了施工安全。

本工程監測點位布置示意圖見圖14。

圖14 監測點位布置示意圖

本文選取施工中主要的2 個關鍵斷面，以及連拱段和大跨段的拱部位移數據進行分析。由圖15 可見：連拱段拱部沉降約6.4 mm；大跨段拱部沉降約14.9 mm，與數值計算分析的數據基本接近，變形在可控范圍內。由此說明，所采取的相關措施對控制開挖過程中的支護結構變形和穩定性具有較好的效果。

圖15 隧道拱頂沉降曲線圖

5 結語

本文基于深圳市過境高速公路連接線工程下穿谷對嶺隧道大跨度分岔段，對不具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工的條件時，采用反挖法，分階段完成由分岔小斷面隧道往大斷面隧道的地下立交分岔節點施工。解決了采用地下互通立交分岔節點礦山法進行隧道施工時，所存在的掌子面施工進度難以控制以及不具備由大斷面隧道段往分岔小斷面隧道段施工條件時分岔節點的施工問題，且各階段的掌子面施工進度容易控制。綜合而言，本施工方法增加的臨時支護措施少、綜合效益費用比高、可實施性高、施工難度低、工期較短，可大范圍推廣應用。