四洞并進小凈距超寬隧道群施工技術研究

摘要 隨著我國經濟的快速發展，城市道路承載的交通樞紐任務越來越重，從而涌現出一些快速路加輔路形式的四洞并進隧道，文章以國道G316項目董奉山隧道為例，對四洞并進形式的小凈距、超大跨隧道，特別是下穿既有隧道施工方法進行研究，總結了一套輔洞先行、超前地質勘探與注漿結合處理富水段開挖、小藥量爆破結合震動監測等施工方法，為類似的四洞并進小凈距、大跨度、淺埋段、下穿既有隧道的隧道施工提供參考依據。

關鍵詞 四洞并進；小凈距；大跨度；下穿既有隧道；富水淺埋段施工

中圖分類號 U455.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0085-04

0 引言

四洞并進、小凈距隧道施工中，后開挖施工的隧道對相鄰隧道已經施工段存在較大干擾影響。爆破施工時，易將已施工完的相鄰隧道和下穿既有隧道震動破壞。超大斷面隧道在淺埋富水、軟弱圍巖段開挖時，易發生坍塌事故。該文總結了小凈距超大斷面隧道施工中采取的多種施工方法，為類似的四洞并進小凈距、大斷面隧道群施工提供借鑒。

1 工程概況

國道G316線董奉山隧道下穿董奉山，采用四洞并行12車道。中間布置雙洞雙向8車道主路隧道，兩側布置雙洞雙向4車道輔路隧道。主路隧道左右洞均長4 048.5 m，輔路隧道左右洞均長4 093 m；主路設計為一級公路兼城市快速路，設計時速80 km/h；輔路為二級公路兼城市次干路，設計時速40 km/h。洞口段每相鄰兩洞之間凈距為12.9～20 m，屬于小凈距結構形式^[1]。后面施工的隧道開挖過程中，爆破震動對已完工的隧道存在破壞風險。隧道大部分為四級、五級圍巖，且有多個段落處于富水、構造斷裂帶，易造成坍塌和涌水。

隧道進口采用削竹式洞門，屬于剝蝕殘丘地貌，起伏變化大，相對高差約395 m，山脊陡峭，坡腳及溝谷低洼處為水稻田，隧道進口段地勢較為平緩。

隧道進口端洞頂有一條排水溝，常年有水流，其河底主要是由坡積粉土和完全風化的凝灰熔巖組成。進口端覆蓋層和仰拱底部也是全風化凝灰熔巖，普通狀態下地質較硬，遇水后會迅速軟化，承載力急速下降。

隧道出口設計為端墻式洞門。主路隧道洞口巖土層主要為（含碎石）殘坡積黏性土，全—強風化層，輔路左洞洞口巖土層以中—微風化凝灰熔巖為主。因人工采石取土形成坡度約80°的不穩定斜坡，隧道主路右洞處有一堆積體，隧道洞口施工時容易引起坡體失穩，需要清除^[2]。

董奉山隧道的四個隧道依次從福州繞城公路董奉山隧道下穿，兩條隧道之間的交叉角大約為64°。新建隧道與既有繞城隧道左、右線交叉的區域各約100 m。新舊隧道垂直凈空距離約為26 m。繞城隧道為設計時速100 km/h，雙向6車道的分離式高速隧道，繞城隧道已運營通車。

2 四洞并進隧道施工方法

2.1 總體進洞施工方案

結合地形、地質條件和環境保護理念，遵循“早進洞，晚出洞”原則，隧道進口采用削竹式洞門，出口采用端墻式洞門+明洞形式，盡量減少洞口明洞大開挖。

暗洞開挖前，在洞頂做好截水溝和既有排水溝的改溝，避免地表水滲漏到隧道開挖面影響明洞邊坡和掌子面的穩定性。隧道口的邊坡要開挖一級，防護一級。明洞邊坡開挖到隧道口時，留核心土保證隧道開挖面的穩定，洞口長管棚施工完成后再挖除核心土^[1]。

隧道開挖前，根據監測方案與超前地質預報方案，做好開挖面的超前地質預報工作，探明隧道內斷層的性質、產狀、富水情況、在隧道中的分布位置、斷層破碎帶的規模、物質組成等，并分析其對隧道的危害程度；根據超前地質預報，對掌子面進行預加固。

隧道開挖施工中，堅守“短進尺、強支護、勤測量、快封閉”的建設原則。董奉山隧道的施工中，采取四洞并進的施工方案，先輔路隧道，后主路隧道施工。一是為主路隧道施工提前探測地質情況；二是有效地進行排水，降低主隧道開挖風險^[3]。

在下穿福州繞城公路既有隧道段落施工前，要向公路管理單位提前報備，簽訂好施工協議。對繞城隧道做好交通導改，在不影響通車情況下降低車速。隧道開挖過程中，做好超前預加固，保證隧道開挖施工安全。采用短進尺少炸藥爆破，減少對頂部繞城隧道的影響。

2.2 隧道開挖前準備工作

（1）提前做好隧道頂周圍的排水系統。為減少山體四周雨水對隧道口邊坡的沖刷，防止滲入隧道開挖面造成坍塌。采用截水溝、泄水槽將隧道口山體漫流水引流到附近的河溝或其他既有水系中。

隧道頂部既有河溝在雨季前完成改溝施工。隧道進口端明洞仰拱的基礎都在水位較高的全風化凝灰熔巖范圍，明洞仰拱開挖時做好抽排水，防止雨水浸泡導致仰拱基礎承載力不足。

（2）盡最大可能做到“零開挖進洞”方法。盡量保護隧道頂部截水溝和隧道洞口之間的原生植物，盡量放緩開挖邊坡，石質邊坡選用機械破除，減少震動破壞。

（3）做好隧道洞頂的監控測量工作。隧道洞口淺埋段暗洞在開挖時極易造成坍塌、沉降變形情況。邊仰坡開挖前需在隧道頂部，按照監測方案設置好監測點，定期監測，發現異常及時停止施工。

（4）邊仰坡自上而下逐級開挖，及時防護。遵循“開挖一級保護一級”方針，機械開挖時預留20 cm由人工進行處理，及時按照設計圖做好防護^[2]。

2.3 小凈距隧道開挖施工及加固方法

（1）隧道施工順序。小凈距隧道群相鄰隧道的掌子面距離應大于2倍洞徑，并錯開40 m以上。采取環形開挖預留核心土法施工輔路隧道，雙側壁導坑法施工主路隧道。雙壁導坑左右兩個導坑間的距離要保持在15 m以上。當導坑和中央的土體同時施工時，導坑應超前30 m。

（2）超前支護。包括：超前錨桿、超前小導管、超前大管棚預支護^[1]。洞口段采用大管棚超前預支護，采用直徑φ108 mm的熱處理無縫鋼管，首段長度分為4 m和6 m，后面每節6 m長，環形距離40 cm。鋼管保持平行，斜度控制在1°～3°。奇數編號的鋼管，帶孔的花形鋼管，孔徑為15 mm，相鄰兩個孔距離為15 cm梅花形排列，管棚鋼管內注水泥漿液。

Ⅴ級圍巖段采用外徑42 mm超前小導管注漿加固；每環間搭接長度不小于1 m，外插角10°，施工過程中根據圍巖情況可采用雙層小導管方案；Ⅳ級圍巖巖體破碎地段采用Φ22超前錨桿，外插角15°。

隧道洞口段相鄰兩洞之間凈距為12.9～20 m，為確保圍巖的穩定，隧道左右洞兩側導洞開挖之前，對中夾巖進行注漿加固，待注漿達到強度后再開挖，支護參數進行試驗確定^[2]。

2.4 下穿既有隧道施工方法

（1）下穿既有隧道段施工主要情況簡介。董奉山隧道下穿已經通車的福州繞城公路隧道，交匯的角度64°，隧道之間豎向凈高約為26 m，交叉段落平面、剖面關系圖見圖1。隧道下穿100 m區域為Ⅲ級圍巖，設計為短臺階法開挖，S4j和FS4j復合襯砌。為減小隧道施工過程中對繞城隧道的影響，在交叉影響段100 m范圍內按小藥量爆破開挖。挖掘過程中，嚴格管控炸藥使用量，每一個循環施工一榀鋼架，并嚴格按照光面爆破的設計方案來實施。同時，對頂部已通車的繞城隧道進行爆破震動監測。

（2）下穿段超前支護方法。下穿段Ⅲ級圍巖，超前支護選用22 mm直徑的水泥砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，15°的斜角向上，環向距離40 cm，縱向距離2 m。兩排錨桿縱向疊加長度不低于1 m。

錨桿鉆孔注漿前，確保孔洞內部清潔。注漿管插入到孔底往上50～100 mm的位置，一邊注入砂漿，一邊以均勻且緩慢的速度抽出。輕輕插入錨桿，不可以大力敲打桿體。如發現孔口沒有剩余的砂漿，立即補充注漿。在裝置錨桿墊板時，要緊貼圍巖表面。

（3）下穿既有隧道段開挖、支護要求。按照臺階法進行開挖。臺階長度控制在隧道寬度的1.5倍。下臺階每循環開挖長度和上臺階一致，不大于1.5 m。開挖后及時支護，臺階長度需便于機械操作。上臺階鋼架施工后，及時觀測沉降和形變。上臺階噴射混凝土達到一定強度后，再進行下臺階開挖。

橫向排水管、縱向及環形排水管通過塑料三通接頭連接在一起，用無紡布包裹并用線串聯固定。在防水板鋪設之前，需將錨桿頭和鋼筋網頭磨平，用水泥砂漿抹平，以防破損防水板。

二襯混凝土使用全液壓自動移動的帶模注漿襯砌臺車。臺車設計經過受力計算，滿足安全規則。臺車定位前，必須對所有預埋件和預埋管道的數量和位置進行詳盡檢查，防止遺漏。混凝土的澆筑采用滑槽對稱澆筑，防止混凝土離析。

完成二襯混凝土澆筑約3 h后，進行帶模注漿。二襯拆模后及時噴霧、灑水養護，確保二襯表面不出現裂紋。

2.5 交通組織方案

施工交叉段時，采取了“一側開放通行，一側繼續施工”的策略，始終遵循“無須更改行駛路線、保持交通順暢、確保行駛安全”的原則。

為了減小下穿段隧道施工時對繞城隧道車輛正常行駛的影響，保證交通安全運行，原分離式隧道雙向6車道改為雙向2車道，開放慢車行車道，即單洞單向靠右通行，并限速40 km/h行駛。

利用優秀的施工管理以及交通警察和道路管理部門的協作，將繞城隧道影響降至最小，通過相關的標示和標牌，可以實現交通疏解的目標。

2.6 監控量測點埋設

（1）監測點埋設。下穿交叉影響段100 m范圍內，隧道中線左右側各25 m范圍設置監測網，網格間距5 m。通過使用高精度的水準儀對地面沉降點進行測量，按照監測方案規定的頻率定期監測。若觀測到變形速度增大，需增加監測的頻次。

（2）爆破震速檢測。在繞城隧道內設立收集站，收集站上裝置抗地震波探測器，監測爆破產生的振動記錄。采用每秒鐘收集數據點的方式對振動曲線進行離散記錄（量化）。設定采樣速度為5 000點/s，這樣可以充分顯示達到1 000 Hz的信號振動記錄。

根據《爆破安全規程》（GB6722—2003）的有關規定^[4]，在爆破作業過程中，必須控制爆破產生的震動影響在可承受范圍。下穿段影響范圍內繞城隧道洞身結構所在地質點振動速度控制在2 cm/s內。

（3）洞外觀察、洞內監測。每次爆破后對繞城隧道影響段外觀進行觀察，主要是觀察并記錄既有隧道襯砌開裂、剝落、洞身漏水等可能造成的不利影響，以及隧道內既有設備受損情況。

洞內收斂監測通常設兩條水平基線，淺埋、偏壓區域，設置四條基線。凈空測變儀的短桿被固定在要測量的兩個測點的巖體內，測量間距根據圍巖環境設定。沉降觀測點通常設置在拱頂部中心和兩側，每個段面設有三個點。假設遇到通風管或其他障礙，可改變位置。測量頻次與凈空收斂測量相同。

（4）監測資料的分析、預測及信息反饋。采用專業技術軟件自動化地進行了初步的監控數據分析和處理。根據真實測量的數據，分析并創建了各種圖表和曲線圖。曲線圖接近平衡時，推算出最終結果并對建筑的安全性作出提示。

既有隧道監控量測內容由施工方與福州繞城公路東南段運營管理部門共同協商完成，相互通報沉降量。檢測人員及時反饋指導信息，調整施工參數，嚴格控制拱頂下沉和地表下沉，保確保既有線運營安全。

2.7 做好超前地質預報

隧道施工過程中如果前方地質條件突然變化，如塌方、涌水、涌泥等，將會導致施工失去控制，還可能引起人員傷亡、機械設備失效并嚴重破壞，甚至被迫長時間停工，致使巨大經濟損失。所以超前地質預報是隧道施工非常重要的輔助工具。

主要方法有地質素描、超前水平鉆孔探測、TSP超前地質預報方法。

（1）地質素描法。隧道施工中，及時對其開挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的地層巖性、構造和節理裂隙發育情況、地下水狀態、圍巖穩定性等進行測繪和記錄，利用已挖洞段地質情況來預報前方可能出現的不良地質現象，做好預案和確定初期支護方法等。掌子面狀況示意圖見圖2。

（2）超前水平鉆孔探測。采用水平鉆機進行水平鉆進，推斷隧道前方的地質情況。鉆孔數量、角度及鉆孔深度可人為設計和控制，由鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其他情況來預報。此法可以反映巖體的大概情況，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水，比較直觀，施工人員可根據實際地質情況進行下步施工組織。水平鉆孔布置示意圖見圖3。

（3）TSP地震波反射法。地震波反射法超前地質預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性，預報隧道掌子面前方及周圍臨近區域的地質情況。可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規則體、不連續面、斷層和破碎帶等^[5]。數據采集時在隧道一邊側墻等間隔鉆制20余個炮孔，而在兩側壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1 h。TSP超前地質預報技術具有預報距離相對較長、精度較高、提交資料及時、經濟等優點。鉆孔距離標示示意圖見圖4，工作原理示意圖見圖5。

3 結束語

在四洞并進、小凈距隧道群施工中，采用輔洞先行，為主洞施工做好地質勘探和排水后，降低主洞超寬隧道開挖風險，取得良好效果。在施工前，做好洞口的既有水系遷改、截水溝引流，減少隧洞開挖時掌子面滲水，為隧道開挖提供保障；在小凈距隧道中，夾巖采用超前小導管注漿預加固，減少相鄰隧道施工影響；做好超前地質預報，提前探測隧道開挖面后面的地質情況，提前謀劃做好應對措施，降低施工風險；按照早進洞、晚出洞的原則，加長明洞長度；在下穿既有隧道施工中，采用小藥量短進尺弱爆破、配合既有隧道爆破監測、交通導改降低車速，確保不間斷行車的安全。國道G316線董奉山隧道順利的完工，在交工檢測中質量評定為優，為類似的四洞并進小凈距、大斷面、下穿既有隧道的隧道群施工提供借鑒。

參考文獻

[1]鄒青. 四洞并進特長， 大跨， 小凈距隧道進洞及淺埋段施工淺析[J]. 智能城市應用， 2020（1）： 6.

[2]黃宜偉. 近郊區四洞并行大斷面小凈距隧道洞口淺埋段施工技術分析[J]. 工程技術研究， 2022（22）： 82-84.

[3]劉生秀. 小凈距雙洞隧道施工技術[J]. 采礦技術， 2004（4）： 79-81.

[4]莊寧， 廖少明， 孫忠成， 等. 大跨度小凈距群洞隧道施工方案優化研究[J]. 地下空間與工程學報， 2007（1）： 96-100.

[5]高勝利. 公路雙向四洞十車道隧道施工技術研究[J]. 價值工程， 2022（12）： 80-82.

收稿日期：2023-10-17

作者簡介：王祥（1984—），男，本科，工程師，研究方向：公路、市政工程施工管理。