深圳市谷對嶺分岔隧道無中導洞施工與監測技術*

彭俊聰，楊四海，李曉冉，丁文其，段 超

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

近年來，大跨度連拱分岔隧道因線形流暢、占地面積小、空間利用率高、可避免洞口路基或大橋分幅，與洞外線路連接方便等優勢逐漸受到施工、設計單位的青睞，同時連拱分岔隧道在適應地形條件、環境保護及工程數量上都具優越性[1-4]。蔚立元等[5]對大拱段至連拱段、連拱段至小凈距段過渡段進行研究，研發地質力學模型試驗系統并分析過渡段穩定性；闕坤生[6]通過數值模擬研究分岔部的非對稱小凈距隧道施工力學行為；王者超等[7]介紹分岔隧道現場監測方法，分析隨開挖和支護表現的施工動態響應特點。從以上可看出分岔隧道傳統開挖方法為中導洞法，研究者多基于該工法總結分析相關施工技術。

然而，施工中分岔隧道部分修建條件不適合先施作中導洞，后開挖兩邊隧道，趙博劍[8]研究大斷面段隧道先行導洞反向擴挖施工法，結合數值模擬和現場監測說明該工法的施工步序及細節；張富鵬等[9]比較分岔隧道較少見的反向擴挖法和傳統中隔墻法，從隧道結構應力、位移和塑性區范圍進行研究。由于當前JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范》對分岔隧道的結構設計、施工優化尚處于總結和經驗積累階段[10]，難以很好解決隧道施工問題。本文結合深圳市東部過境高速公路連接線谷對嶺分岔隧道工程，介紹城市無中導洞分岔連拱隧道施工技術，并總結該工法工序及支護加強措施。

1 工程概況

東部過境高速公路連接線工程位于深圳市羅湖區，采用地下隧道形式，路線大致為東西走向，西起愛國路立交，穿越東湖公園，位于深圳水庫南側，以隧道形式與東部過境高速公路近期實施段相接[11]。 南主線與SE匝道分岔連拱段樁號為SEK1+064.9—SEK1+074.9和NXK1+279.4—NXK1+289.3。谷對嶺分岔隧道埋深49.5～85.4m，圍巖較破碎，有斷層通過。斷層帶巖體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，常不均勻分布有角礫巖、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。根據地質勘察報告，沿線巖石單軸飽和抗壓強度為30MPa，并依JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》將谷對嶺分岔隧道巖層選為Ⅳ級圍巖[12]。

2 谷對嶺分岔隧道施工方案

2.1 東連線1標段總體施工安排

現有SE和ES匝道分別往南、北主線隧道施工，ES匝道由于路線較長、Ⅵ級圍巖較多接入北主線，目前只有SE匝道即將連通南主線。原設計施工方案由主線隧道大斷面往分岔方向開中導洞進行分岔，但根據工作面開挖及施工進度情況進行調整：①在南主線大斷面段改變方向掉頭施工南主線標準段；②繼續施工南主線大斷面和車行橫通道，經由南主線進入北主線創造北主線工作面，創造工作面并開挖北主線后進入ES匝道。

ES匝道與南主線立體交叉處施工為先下后上原則，因此以上掉頭施工的總體安排為：優先考慮通過新增加施工橫通道由北主線分岔施工ES匝道，使ES匝道立體交叉處先于南主線立體交叉施工，以免造成南主線掌子面空置過久及誤工窩工。

2.2 無中導洞分岔隧道施工方案

SE匝道SEK1+050.6—SEK1+064.9為14.3m長的小凈距Ⅰ型斷面，SEK1+064.9—SEK1+074.9為10m與南主線相接的連拱隧道段(相應南主線里程為NXK1+279.4—NXK1+289.3)，為F4型襯砌。為實現掉頭施工，SE匝道完成小凈距開挖后，擴大開挖斷面至連拱中墻位置，施工中墻鋼筋混凝土，如圖1所示。

圖1 施工順序平面(單位：m)

中墻鋼筋混凝土施工完成后，從分岔大斷面C4開始，施工雙側壁右導洞(里程前進方向)至SEK1+097.4，再橫向開挖橫導洞，再施工雙側壁左導洞(里程前進方向)，完成南主線掉頭施工。

分岔隧道施工分為以下階段：①連拱段施工；②由先行匝道小斷面進入主線大斷面施工；③主線大斷面實現掉頭施工；④主線大斷面施工。

3 施工技術要點

3.1 連拱段施工

連拱段隧道開挖步序如圖2所示。在隧道中部設置加強區，且先行開挖較小斷面的隧道，加強區混凝土厚度更大，使隧道開挖斷面面積相近。

圖2 無中導洞工法施工步序

連拱段施工步序如下：先行洞上臺階開挖①，先行洞拱部初期支護②→先行洞中臺階開挖③，先行洞中臺階初期支護④→先行洞下臺階開挖⑤，先行洞下臺階初期支護⑥→施工范圍⑦的中隔墻→施作先行洞邊墻、仰拱鋼筋混凝土結構⑧→采用模板臺車施作先行洞拱墻二次襯砌⑨→后行洞上臺階開挖⑩，后行洞拱部初期支護→后行洞中臺階開挖，后行洞中臺階初期支護→后行洞下臺階開挖，后行洞下臺階初期支護→對范圍填充素混凝土→施作后行洞邊墻、仰拱鋼筋混凝土結構→采用模板臺車施作后行洞拱墻二次襯砌。

由于取消中導洞，連拱中墻設計為隱式異形墻的鋼筋混凝土結構，考慮到中墻穩定性及施工條件，視情況分2～3層進行澆筑，如圖3所示。

圖3 中墻分3層澆筑示意

3.2 由先行匝道小斷面進入主線大斷面施工

先行匝道進入的主線隧道設計為分岔大斷面隧道，先開挖靠近先行匝道側的右上導坑。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存在差異，如圖4所示。

圖4 連拱先行洞與主線雙側壁右上導洞開挖輪廓對比

若雙側壁右上導洞開挖線最高處比先行段的襯砌類型段最高處高，則需在隧道進尺時斜向上擴挖圍巖，并將連拱隧道擴挖至雙側壁導洞頂部，并安裝鋼拱架。主線擴挖鋼拱架立面如圖5所示。

圖5 主線擴挖鋼架立面

3.3 在主線大斷面實現掉頭施工

結合施工進度，在南主線大斷面C4段NXK1+330處施工橫向導洞，以實現掉頭，橫向導洞開挖步序如圖6所示。橫向導洞寬8m，高6.0～8.8m，采用門式鋼拱架進行支護。門式鋼拱架上方設置超前注漿小導管，兩側設置藥卷錨桿，支架接頭處設置鎖腳鋼管，如圖7所示。

圖6 橫向導洞開挖步序

圖7 橫向導洞門式鋼拱架設計

3.4 主線大斷面施工工法

C4，D4，E4大斷面左側壁導洞作為臨時車行通道已完成施工，完成C4橫通道后，掉頭施工大斷面右側，雙側壁不對稱，左側按臨時車行通道做加強處理。剩余施工步序如圖8所示。

圖8 雙側壁導坑法施工工序

具體工序如下：開挖左側下導坑①，進行人工配合機械開挖→施作左側下導坑①洞身結構的初期支護Ⅰ，即初噴混凝土，架立鋼拱架，噴混凝土進行封閉→左側下導坑施工長度達10～15m后，開挖右側上導坑②，施作右側上導坑②洞身結構的初期支護Ⅱ，即初噴混凝土，架立鋼拱架→鉆設超前支護后，復噴混凝土至設計厚度，噴混凝土封閉側壁，架設臨時豎向和水平鋼架，噴混凝土封閉臺階底面，必要時封閉掌子面→右側上導坑施工10～15m長后，開挖右側下導坑③，施作導坑③洞身結構的初期支護Ⅲ，架立鋼拱架，噴混凝土進行封閉→開挖中導坑④,⑤，工序參考右側上、下導坑→初支沉降穩定后，拆除臨時鋼拱架→灌注仰拱混凝土Ⅵ→灌注隧道底部填充混凝土Ⅶ→利用襯砌模板臺車一次性灌注二次襯砌Ⅷ。

4 分岔隧道無中導洞施工監測技術

根據施工方法及施工順序，大斷面分岔隧道采取分階段監測技術，在隧道開挖完成后緊跟監測，及時獲得監測數據，為判斷隧道圍巖穩定性提供依據，確定襯砌時機。監控量測內容主要為洞周收斂、拱頂下沉、圍巖和初襯間接觸壓力、初襯和二襯間接觸壓力、錨桿軸力、鋼拱架內力、中墻內力、二次襯砌內力、滲水壓力等，針對連拱段和大斷面段隧道介紹分部分階段監測技術。

4.1 連拱隧道段監測方案

1)洞周收斂與拱頂沉降監測。

2)圍巖與初支、初支與二襯壓力監測 無中導洞連拱段隧道施工過程中，圍巖與初支、初支與二襯壓力監測如圖9所示，需加強中間加強區的壓力監測布點，注意加強區底部壓力監測點的布置。

圖9 圍巖與初支、初支與二襯壓力監測

3)初襯內力、錨桿軸力、滲水壓力監測 無中導洞連拱隧道施工過程中，隧道初襯內力、錨桿軸力、滲水壓力監測如圖10所示，可在每個錨桿上設1個錨桿軸力測點。

圖10 隧道初襯內力、錨桿軸力、滲水壓力監測

4)二襯內力監測 無中導洞連拱隧道施工過程中，隧道二襯的內力監測如圖11所示，應加強中間加強區的二襯壓力監測布點。

圖11 二襯內力監測方案

4.2 大斷面段監測方案

谷對嶺分岔隧道大斷面段為Ⅳ級圍巖，采用雙側壁導坑法進行開挖，施工工序復雜，應根據施工順序分別設計不同監測方案，開展圍巖與初襯、初襯與二襯間的接觸壓力、拱頂沉降、洞周收斂、錨桿軸力、滲水壓力及鋼拱架內力監測。

4.3 監測結果及分析

谷對嶺分岔隧道監測結果選取連拱及大斷面段的部分斷面，監測斷面測點標注方式如圖12所示。

圖12 監測斷面測點標注方式

1)拱頂沉降監測數據 隧道SEK1+068斷面拱頂沉降-時間累計曲線如圖13所示。

圖13 隧道SEK1+068斷面拱頂沉降-時間累計曲線

由圖13可知，谷對嶺隧道連拱段開挖后圍巖穩定所需整體時間較長，因為連拱段先行洞開挖后仍受后行洞開挖影響；先行洞上臺階開挖后及時對圍巖進行初期支護，開挖后30d內沉降較快，此后沉降速度減緩。拱頂沉降累計位移在允許極限位移值內，施工安全。

2)斷面收斂監測數據 隧道SEK1+064與SEK1+081斷面收斂-時間累計曲線如圖14所示。

圖14 隧道斷面收斂-時間累計曲線

由圖14可知，整體上大斷面段收斂值小于連拱段，因為連拱段所受空間荷載復雜，且涉及施工工序轉換，實際施工時應及時跟進仰拱和施作二襯，使隧道盡早閉合成環，防止或減少受力變形。

3)土壓力監測數據 隧道SEK1+069土壓力-時間曲線如圖15所示。

圖15 土壓力-時間曲線

由圖15可知，隧道斷面所設的壓力盒絕大多數處于壓縮狀態，初襯與圍巖間的壓力<0.5MPa，監測期間處于穩定狀態，表明圍巖自穩后，不發生二次變形時，由于變形很小，產生的壓力較小，有利于初期支護的穩定。

4)錨桿軸力監測數據 隧道SEK1+074錨桿軸力-時間曲線如圖16所示。

圖16 錨桿軸力-時間曲線

由圖16可知，部分錨桿受力大<5kN，與該段圍巖地質條件較好有很大關系。錨桿受力大多處于拉伸狀態，且施作初期錨桿受力增長較快，但很快趨于穩定，因此施作錨桿時，應及時在隧道開挖后的所需位置進行施作，以便較好發揮作用。

5 結語

1)整體施工流程為先開挖匝道后反向擴挖，不需要設置中導洞，避免中導洞施工相應的爆破、支護等措施。

2)連拱隧道段隱式中墻為異形墻，考慮到墻體的穩定性及施工條件，中墻可視情況分2～3層澆筑。

3)考慮到匝道小斷面與主線大斷面的開挖輪廓差異，采用斜向上擴挖導洞技術并同時安裝鋼架。

4)為實現大斷面段中掉頭施工，采用門式鋼拱架支護設置橫導洞，為雙側壁導坑法施工創造條件。

同時，監控量測作為重要施工工序，本文根據分岔隧道斷面過渡、工法轉換特點，設計分部分階段的監控量測方案。通過分析洞周收斂、拱頂下沉、圍巖和初襯間接觸壓力、錨桿軸力等監測數據，得到無中導洞連拱段及大斷面段應力、應變規律，從而指導設計并保障施工安全進行。