超大跨度公路隧道超前支護措施研究

馬湘波，臧春雷，王 倫，秦童童，陳文鵬

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120； 2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，隨著我國機動車保有量和公路交通量的迅猛增長，城市道路交通堵塞與高速公路“通而不暢”等問題日益突出，原有雙向4車道、6車道公路已不能滿足社會需求，因此一大批雙向8車道公路應運而生，隨之雙向8車道即單洞4車道超大跨度公路隧道的數量也日益增多[1-2]。

超大跨度公路隧道開挖面積大、結構扁平、施工工序復雜，圍巖荷載分布及支護力學特性復雜多變，尤其在軟弱圍巖及斷層、破碎帶等不良地質條件下，極易發生圍巖失穩坍塌和隧道襯砌開裂破壞等問題[3-5]。隧道建設中，主要通過超前大管棚和超前小導管等輔助措施達到加固圍巖、控制圍巖及支護結構變形的目的[6-7]。然而，目前國內超大跨度公路隧道數量還很少，尚未形成系統的針對超大跨度公路隧道的設計和施工規范、標準，超大跨度公路隧道穿越不良地質條件時面臨超前支護的參數設計無據可依、無例可鑒的困境，給施工造成極大不便。因此，對超大跨度公路隧道超前支護措施進行研究十分必要。

本文以濱萊高速公路改擴建工程樂疃隧道為工程依托，通過現場監控量測數據分析圍巖的穩定狀態，對超大跨度公路隧道超前支護措施在不同圍巖條件下的應用及其支護效果進行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

樂疃隧道為濱萊高速公路改擴建工程隧道群中最長的一座，位于淄博市博山區樵嶺前村東北側約800m處，為雙洞8車道分離式隧道。隧道設計速度為100km/h，最大埋深118.5m，最大開挖跨度21.5m，最大開挖高度14.3m。隧道左線長2 010m，右線長1 995m，為超大跨度公路長隧道。樂疃隧道洞身處有一段棚洞橋結構，開挖時由隧道進口、隧道出口和棚洞橋大、小里程洞口端對向掘進，左、右線共計6個工作面，隧道設計參數如表1所示，縱斷面如圖1所示。

表1 樂疃隧道設計參數

圖1 樂疃隧道縱斷面

1.2 地質概況

隧址區為剝蝕低山丘陵地貌區，相對高度>100m，局部基巖出露。隧道洞口段地勢較低，覆蓋層較薄，地形坡度較陡，坡度約33°，第四系覆蓋層分布不均勻，厚0.8～3.5m。隧址區出露和揭露地層以中奧陶系灰巖、泥灰巖為主，層狀構造，巖層節理、裂隙發育，局部溶蝕裂隙發育，裂隙面見泥質充填，穩定性較差。

2 超前支護措施

樂疃隧道采用的超前支護措施主要為超前大管棚和超前小導管。隧道施工過程中根據圍巖條件及施工難度對其進行搭配組合或適當調整其尺寸參數以達到加固圍巖、控制支護結構變形、保證施工安全的目的。此措施在超大跨度隧道施工中極具代表性，故以樂疃隧道所采取措施為例進行分析。同時，由于圍巖變形與初期支護強度有著密切關系，故將初期支護設計參數作為一種分析背景進行交代。

2.1 超前大管棚支護

洞口段是隧道的咽喉部位，圍巖往往軟弱破碎，穩定性差且成拱能力弱，給隧道施工帶來較大困難[8-9]，故一般采用超前大管棚進行預加固以達到良好的控制圍巖變形的效果[10-11]。樂疃隧道各洞口段圍巖節理、裂隙發育，裂隙面見泥質充填，地質條件較差，進洞前設置超前大管棚支護對圍巖進行加固以保護洞口段施工，設置范圍應綜合考慮洞口段及圍巖條件過渡段進行確定。超前大管棚設計參數如表2所示，設計如圖2所示。

表2 樂疃隧道超前大管棚設計參數

圖2 洞口段超前大管棚設計(單位：cm)

施工時先進行套拱施作，套拱沿隧道軸向長2m、厚0.7m。先按設計尺寸架立4榀I25a，間距60cm，然后預埋導向管，環向間距40cm，在拱部122°35′范圍內布置，接著以預留核心土作為支撐，搭建模板，最后澆筑C30混凝土形成套拱，套拱施作如圖3所示。以套拱作為支撐，采用裝載機和管棚鉆機鉆進相結合的工藝進行棚管頂進，鋼管沿隧道周邊以外插角1°(不包括路線縱坡)方向打入圍巖，最后進行注漿作業以完成施工。

圖3 套拱施作

2.2 雙排超前小導管支護

雙排超前小導管支護適用于超大跨度隧道V級圍巖段預加固。樂疃隧道V級圍巖段巖體極破碎，節理、裂隙發育，采用上臺階CD法開挖，采取雙排超前小導管作為超前支護措施并向IV級圍巖段進行適當延伸，通過注漿提高圍巖自身承載力，改善結構受力條件，以保證隧道施工安全，雙排超前小導管設計參數如圖4所示。超前小導管采用φ50×5 熱軋無縫鋼管，使用風動鑿巖機鉆孔并導入，第1排長3.0m，環向間距40cm，外插角為8°～12°，搭接長度1.2m；第2排長4.5m，環向間距40cm，外插角為3°～6°，搭接長度為1.5m。在導管管壁間隔10cm進行鉆孔，孔徑為10mm，梅花形布置在導管表面，尾部留1.0m止漿段。

圖4 V級圍巖段雙排超前小導管設計(單位：cm)

2.3 單排超前小導管支護

單排超前小導管支護適用于超大跨度隧道IV級圍巖段預加固。樂疃隧道IV級圍巖段巖體較破碎，結構面較發育，采用上臺階CD法開挖，采取單排φ50×5 超前小導管作為輔助措施并向III級圍巖段合理延伸，加固拱周軟弱巖體以提高圍巖穩定性，其具體設計參數如圖5所示。超前小導管長4.5m，環向間距40cm，外插角為5°～8°，搭接長度為1.5m，對稱布置在隧道中心線兩側120°拱頂范圍內。

圖5 IV級圍巖段單排超前小導管設計(單位：cm)

3 隧道監控量測

3.1 監控量測內容與方案

為確保樂疃隧道施工安全和工程質量，本項目對圍巖穩定性及支護效果進行監控量測，量測項目包括初期支護拱頂沉降、周邊收斂等。隧道監測項目及監測頻率如表3所示，變形測點布置如圖6所示。

表3 現場測試項目及量測方法

圖6 樂疃隧道初期支護變形試驗段測點布置

3.2 監控量測結果分析

對樂疃隧道全線的初期支護變形進行長期監測，并根據測點位置和監測結果整理出關鍵點的最大沉降量和最大收斂量。對應于各超前支護措施，分別選取施工標準度最高的3個典型斷面進行分析，分別是位于淺埋洞口段的ZK105+957斷面、位于V級圍巖段的ZK105+942斷面和位于IV級圍巖段的ZK105+892斷面。

3.2.1斷面ZK105+957

樂疃隧道淺埋洞口段斷面ZK105+957各觀測點的最大沉降值及收斂值如表4所示。拱頂沉降時態曲線與周邊收斂時態曲線分別如圖7所示。

表4 ZK105+957斷面測點最大變形量統計

圖7 ZK105+957斷面拱頂沉降及周邊收斂時態曲線(2017年)

由表4及圖7可知，斷面ZK105+957的初期支護拱頂沉降最大值出現在2號測點(拱頂偏右)，為25.6mm，僅占預留變形量的17.0%；周邊收斂最大值出現在0-6(拱頂至右拱腳)，為14.5mm，僅占預留變形量的9.7%，均遠小于預留變形量150mm。圍巖及初期支護變形規律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護閉合成環后6d達到穩定狀態。

3.2.2斷面ZK105+942

樂疃隧道V級圍巖段斷面ZK105+942各觀測點的最大沉降值及收斂值如表5所示。拱頂沉降時態曲線和周邊收斂時態曲線如圖8所示。

表5 ZK105+942斷面測點最大變形量統計

圖8 ZK105+942斷面拱頂沉降及周邊收斂時態曲線(2017年)

由表5及圖8可得，斷面ZK105+942的初期支護拱頂沉降最大值出現在2號測點(拱頂偏右)，為21.3mm，僅占預留變形量的14.2%；周邊收斂最大值出現在0-5(拱頂至左拱腳)，為20.2mm，僅占預留變形量的13.5%，均遠小于預留變形量150mm。圍巖及初期支護變形規律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護閉合成環后14d達到穩定狀態。

3.2.3斷面ZK105+892

樂疃隧道IV級圍巖段斷面ZK105+892各觀測點的最大沉降值及收斂值如表6所示。拱頂沉降時態曲線和周邊收斂時態曲線如圖9所示。

表6 ZK105+892斷面測點最大變形量統計

圖9 ZK105+942斷面拱頂沉降及周邊收斂時態曲線(2017年)

由表6及圖9可得，斷面ZK105+892的初期支護拱頂沉降最大值出現在2號測點(拱頂偏右)，為27.8mm，僅占預留變形量的23.2%；周邊收斂最大值出現在5-6(主斷面拱腳)，為25.3mm，僅占預留變形量的21.1%，均遠小于預留變形量120mm。圍巖及初期支護變形規律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護閉合成環后16d達到穩定狀態。

4 結語

本文通過對樂疃隧道各超前支護措施的研究，得出以下結論。

1)隧道淺埋洞口段圍巖條件下，以H200×200型鋼鋼架和30cm厚C25噴射混凝土等進行初期支護時，采取φ108×6超前大管棚進行超前支護措施。初期支護于閉合成環后6d變形達到穩定狀態，其拱頂沉降最大值為25.6mm，周邊收斂最大值為14.5mm，均遠小于設計預留變形量150mm，說明超前大管棚支護能有效控制洞口段圍巖變形。

2)隧道V級圍巖條件下，以H200×200型鋼鋼架和30cm厚C25噴射混凝土等進行初期支護時，采取φ50×5雙排超前小導管進行超前支護。初期支護于閉合成環后14d變形達到穩定狀態，其拱頂沉降最大值為21.3mm，周邊收斂最大值為20.2mm，均遠小于設計預留變形量150mm，雙排超前小導管能保證隧道V級圍巖段圍巖穩定。

3)隧道IV級圍巖條件下，以I20b型鋼鋼架和28cm厚C25噴射混凝土等進行初期支護時，采取φ50×5單排小導管超前支護。初期支護于閉合成環后16d變形達到穩定狀態，其拱頂沉降最大值為27.8mm，周邊收斂最大值為25.3mm，均遠小于設計預留變形量120mm，單排超前小導管能顯著控制隧道IV級圍巖段圍巖變形。