浅埋大跨径连拱隧道施工技术研究

黄远智

(广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

隧道工程对于交通行业的发展具有至关重要的作用，其大大缩短了通车里程，节约了运输过程中的时间成本和燃料成本，具有非常直接的经济效益和社会价值。从某种程度上来说，隧道工程的质量也标志着一个国家交通运输行业的发展状况。近年来，随着我国隧道工程领域的不断发展，大量先进的隧道施工技术以及工程管理经验在不断地运用并得以推广，部分隧道工程的核心施工技术在全球范围内处于行业的领先地位。值得一提的是，在众多隧道的施工技术中，连拱隧道的施工方案一直都是业内专家和相关技术人员研究的重点项目，经过数十年的不断研究与探索，现已逐步形成了一整套科学、高效的连拱隧道施工模式，这与我国隧道工程人员多年来的努力是分不开的。

浅埋大跨径连拱隧道施工在当前我国隧道工程领域中属于施工难度比较大的工程问题，施工的限制因素有很多，在施工过程中不仅要考虑到施工现场的地质条件、气候和环境因素，更要考虑到隧道围岩对施工所造成的诸多影响。浅埋大跨径的连拱隧道施工一般较为复杂，常规的隧道施工理论与施工技术将不再适用。本文通过对基于浅埋大跨径的连拱隧道施工技术的深入研究，提出了保障施工安全性及稳定性的连拱隧道施工模型，并通过具体的工程实例进行验证，具有一定的应用前景[1]。

1 施工方案可行性评估

连拱隧道的具体施工方案受地形、地质条件的综合限制。一般而言，基于浅埋大跨径的连拱隧道施工应将高速公路设计成上、下行彼此分离的双向独立隧道，且隧道间的最小距离不应受到施工的影响。根据隧道基岩、围岩的成分和性质，以及断面的尺寸和具体的施工方案，基于浅埋大跨径的连拱隧道施工应综合考虑上述因素。对地势险峻、脊谷交错的地域，分离式的路基将不适用于施工，因为其无法满足左、右洞的间距要求，应采用小径距和连拱的隧道施工方案为宜。此外，由于小间距的隧道对于中隔墙体双侧的围岩表面爆破技术有一定的技术要求，使得施工难度进一步加大，而主洞开挖和支护的过程必定会使中间部分的岩体受到扰动，导致岩体的承载能力大大减弱，进而影响隧道整体的稳定性和安全性，需通过额外的加固或支护措施来进一步处理。尤其是对于软弱围岩隧道来说，将使工程的投资进一步增加。目前我国对于小间距隧道的施工技术仍没有完全成熟的配套方案以及相关的技术标准和规范，而对于连拱隧道在各种跨径下的围岩尺寸、形状以及各项支护参数、指标的确定，相关的系统研究还比较缺乏，使得小间距隧道工程的适用领域不够明确。因此，采用浅埋大跨径的连拱隧道施工方案应综合上述各种因素进行全方位的勘测和评估[2]。双连拱隧道的施工模型如图1所示。

图1 双连拱隧道的施工模型图

2 施工模拟方案分析

2.1 施工模型搭建

假设隧道围岩属于弹塑性，根据以往的施工经验以及现场的实地施工数据，本次模拟施工的具体条件和力学参数统计如表1所示。约束性条件：该模型双侧为横向约束，底部为水平约束以及垂直约束、旋转约束。单元的类型以三边形单元为主，网格部分应充分考虑计算机容量以及所构造的断层属性，可以自动生成加密三边形单元。因此定义隧道施工稳定性数学模型见式1。

表1 力学参数统计表

G=A(x)=α+β(x)=0

(1)

式中，G——隧道施工的综合稳定程度；

A——x的函数；

x——隧道围岩的强度；

α——隧道基岩强度；

β——隧道周围岩体受力[3]。

2.2 模拟结果分析

中导洞开挖过程相对于围岩应力以及位移应无较大的变化，这是由于中导洞一般为小洞径的隧道开挖，且中隔墙主要承载自重，因此模型中引起围岩应力位移变化不大。开挖过程使得左边导洞拱顶下沉约7 mm左右，右边拱顶下沉约为8 mm左右，但均符合《公路隧道设计规范》中对埋深的要求，并且符合Ⅳ类围岩相对位移的约束值[4]。

3 工程实例验证

以广西南宁小明山隧道为例进行验证，该隧道分为上、下行双向4车道连拱隧道，进口设计桩号为K75+220，出口设计桩号为K75+485，隧道全长285 m，行车道基线间距为4.8 m，底板高程348.50～353.55 m。该隧道的最大埋深约为16 m左右，属于典型的浅埋大跨径连拱隧道。隧道地处低山区，多为起伏地貌，人工进行填土所得到的地质成分差异性较大，属于典型的不稳定土体结构。此外，超风化岩的稳定性较差，在饱和的情况下如果受到施工的扰动则强度会大幅下降，而轻风化岩的岩面埋深大概在3～6 m之间。小明山隧道主要经过轻风化岩层，由于地质构造的原因，该层多为不同风化程度的软弱夹层，且夹层厚度较小[5]。

3.1 施工要点解析

施工过程中通过台阶法开挖，中导洞以及中隔墙首先进行开挖，随后进行左、右两边洞体的开挖，各洞又分为上、中、下三部分台阶。此施工方法较为简便，但需要注意的问题是，在主洞开挖并进行支护以后，中隔墙便开始承重，在其顶部和底部的围岩中会出现较高的应力承载区域，尤其是顶部的围岩所产生的应力比较集中。在实际施工过程中，掌子面的稳定性将会减弱，由于周边岩体的形变量较大，因此应注意这种情况下所产生的安全隐患。

3.2 力学结构分析

通过对小明山连拱隧道施工过程的详细分析可知，隧道周边岩体的应力主要集中在开挖面附近，在边墙、底板交界的转角位置以及在导洞的拱顶部位、断面底板部位均有拉应力集中形成的现象。采用连拱隧道施工方案时，位于侧导洞上方的拉应力并未覆盖隧道的全断面，因此开挖侧导洞对全断面隧道的顶部影响不大。而边缘和拱底转角位置以及中隔墙的底部均分布有一定的应力，但对隧道基岩开挖时应力的分布影响效果不明显，这是因为左、右边墙的横向收敛将在主洞顶部开挖时发生，随后收敛值缓慢变小[6]。常见的隧道力学结构分析如图2所示。

图2 常见的隧道力学结构分析图(cm)

3.3 支护措施

隧道开挖后会形成很多新的空洞，这对于隧道周围的岩体原有的平衡状态较为不利，导致隧道周围岩体的应力发生变化，可能会造成围岩形变和塌方。为使围岩形变以及塌方得到有效控制，应采取必要的措施进行支护。由连拱隧道初始设计方案可知，应通过喷锚以及拱架的方式来对隧道围岩进行支护，最大程度地保留围岩的初始状态并发挥其良好的自承能力，有效控制围岩形变以及塌方等事故的发生。应该注意的问题是，锚杆的初期支护有悬吊和加固的作用，而混凝土的喷涂工序可将围岩裂缝进行良好的填充并加固，以防止围岩风化情况的发生[7]。

4 施工方案优化

原始设计方案中对中导洞先行开挖，中隔墙的施工紧随其后，间距为8 m左右；而在实际施工过程中，中导洞因其断面较小，在中隔墙施工结束后两边仅剩大约1 m的空间，只能容部分施工机械以及施工人员进出，中隔墙施工车的安装会影响正常的施工。通过对施工数据反复对比和精确计算，计划将<150 m的一侧隧道入洞，当中导洞疏通之后再进行中隔墙的施工，但长度在150～350 m范围内的隧道应从两侧入洞，且其中一侧进入约一半时，从里向外对中隔墙开始施工。这种方法便于施工且能够保证工期[8，9]。

5 结语

本文通过对基于浅埋大跨径的连拱隧道施工技术进行深入研究，总结并归纳了此类隧道在施工过程中须注意的事项；通过对具体工程实例的可行性评估来分析施工过程中存在的问题，并以模拟施工模型的搭建来对基于浅埋大跨径的连拱隧道施工进行模拟分析，同时对施工的核心技术要点、物理力学参数以及施工过程中的支护措施进行了阐述；最后通过工程实例进行验证，提出了基于浅埋大跨径的连拱隧道施工的优化方案。本文对国内同类工程的施工以及相关的技术研究具有一定的参考价值。