胡詩魁

(梅溪湖投資(長沙)有限公司， 湖南 長沙 410000)

為緩解城市交通擁堵，城市地下工程修建越來越多，地下隧道更是日新月異。在有限的地下空間內(nèi)，多條隧道匯合處會(huì)形成大跨度斷面，因斷面跨度大，施工難度大，結(jié)合不同的周邊環(huán)境及地質(zhì)狀況，涉及工法差異很大。為保障安全，快速施工大跨分岔隧道成為目前施工的關(guān)鍵。而針對(duì)分岔隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制等的研究國內(nèi)外并無系統(tǒng)深入的報(bào)道，更多的是研究連拱隧道、小間距隧道和大跨度隧道的穩(wěn)定性。先挖隧道受后開挖隧道影響顯著，拱部、底部及邊墻位移場(chǎng)和地應(yīng)力場(chǎng)都有不同程度的變化，中間巖柱體受雙向爆破振動(dòng)的影響，受力復(fù)雜，而巖柱體在相鄰隧道開挖中對(duì)掌子面和圍巖的穩(wěn)定性起著重要的作用。根據(jù)近距相鄰隧道的特點(diǎn)，其施工關(guān)鍵技術(shù)為合理的施工步序、加強(qiáng)支護(hù)、合理的開挖方法、減振爆破等，已施工的近距隧道的成功經(jīng)驗(yàn)亦無一不是對(duì)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合實(shí)際的綜合應(yīng)用。有的研究應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理，以地表沉降作為目標(biāo)函數(shù)，建立城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析數(shù)學(xué)模型。隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定性主要受巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水特征、初始應(yīng)力及開挖方式的影響，為防止變形和破壞，需對(duì)圍巖進(jìn)行支撐或襯砌。圍巖的變形隨時(shí)間而發(fā)展，往往會(huì)持續(xù)一個(gè)較長的時(shí)期，這就是圍巖的塑性和流變特征。在研究穩(wěn)定性的同時(shí)，早封閉、快速施工更為關(guān)鍵，在保障安全、質(zhì)量的前提下，通過采取合理施工方案、優(yōu)化施工組織，能有效防止風(fēng)險(xiǎn)，還可降低成本。

1 工程概況

長沙麓景路隧道線路全長2.3 km，由2條主線及2條匝道組成。2條匝道洞口位于2條主線斜上方，匝道與主線在分岔大跨段合流，合流點(diǎn)以北為單向雙車道，以南為單向三車道，其中西線分岔大跨段過渡長度為124.96 m，東線分岔大跨段過渡長度為133.7 m。隧道周邊緊鄰居民小區(qū)，環(huán)境極其復(fù)雜。

西線分岔大跨段洞身主要穿越中風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化砂巖、糜棱巖及碎裂巖，巖體較破碎，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧道開挖時(shí)無涌水、涌泥現(xiàn)象，有少量基巖裂隙水，穩(wěn)定性較好；東線分岔大跨段洞身主要穿越中風(fēng)化石英砂巖及中風(fēng)化砂巖，巖體較完整，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，有少量基巖裂隙水，穩(wěn)定性好。

2 開挖方式研究

2.1 總體思路

大跨分岔段由分岔2條小隧道合流成一個(gè)大斷面隧道，結(jié)構(gòu)形式變化快，合流后漸變?yōu)檎嗝嫠淼?，需采取多種斷面進(jìn)行變化。雖然普通的鉆爆法施工效率高，但擾動(dòng)較大極易造成圍巖失穩(wěn)塌方，且相鄰隧道間的結(jié)構(gòu)極易遭到破壞。為確保安全，在大跨分岔段采用機(jī)械輔以松動(dòng)爆破開挖。

2.2 靜態(tài)破碎機(jī)械開挖法

為減小爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用靜態(tài)破碎機(jī)械開挖法，先采用靜態(tài)破裂圍巖，再通過機(jī)械進(jìn)行巖石破除，開挖成型。該方法工序時(shí)間較長，開挖后的輪廓線成型不均一，易出現(xiàn)大超挖、大欠挖現(xiàn)象，施工效率較低。在預(yù)見斷面變換處，破碎錘作業(yè)角度受限，成型較困難(見圖1)。

圖1 靜態(tài)破碎機(jī)械開挖照片

2.3 機(jī)械配合松動(dòng)爆破

結(jié)合靜態(tài)破碎機(jī)械開挖工法，采用破碎錘鑿除圍巖，擾動(dòng)較小，開挖后圍巖極為穩(wěn)定。為解決斷面變換處及隧道開挖輪廓成型等問題，在原有機(jī)械開挖的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用部分機(jī)械開挖、部分松動(dòng)爆破開挖的方式，在控制爆破振動(dòng)的基礎(chǔ)上解決開挖成型等問題，作業(yè)效率明顯提高。

施工方案：1) 在斷面中間利用人工手持風(fēng)鉆進(jìn)行密排鉆孔，切割圍巖，再通過機(jī)械進(jìn)行中間V形掏槽，深度為開挖進(jìn)尺，寬度和高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。2) 采用松動(dòng)爆破開挖周邊未破除段圍巖，根據(jù)方案要求進(jìn)行鉆孔，仍為周邊眼、輔助眼、掏槽眼、底板眼。3) 遵循“多打眼、少裝藥、多分段”的原則進(jìn)行不耦合裝藥，相應(yīng)減少炸藥用量，隔孔裝藥、間隔裝藥，采用以松動(dòng)為主的控制爆破措施及多段位的毫秒非電雷管控制單段起爆藥量。4) 按方案要求落實(shí)爆破振速、沖擊波的控制及監(jiān)測(cè)措施。5) 聯(lián)線起爆、通風(fēng)排煙、出渣，完成后再根據(jù)松動(dòng)控制爆破效果進(jìn)行修邊鑿除，利用機(jī)械進(jìn)行3次開挖成型(見圖2、圖3)。表1為大跨分岔段3種施工方案對(duì)比。

圖2 開挖縱斷面布置

圖3 機(jī)械配合松動(dòng)爆破現(xiàn)場(chǎng)施工照片

表1 大跨分岔段不同施工方案對(duì)比

3 快速施工技術(shù)

3.1 分岔處施工

分岔隧道合流前將經(jīng)過一小凈距段，在力學(xué)計(jì)算上，2條隧道間的巖柱厚度小于0.75B(B為隧道寬度)時(shí)圍巖塑性區(qū)重合、應(yīng)力集中，易產(chǎn)生滑塌失穩(wěn)現(xiàn)象。中間巖柱小于4.5 m時(shí)，稱為超小間距段，中間巖柱穩(wěn)定性降低，單側(cè)圍巖自身承載力極低，軟弱圍巖基本上不能抵抗上方荷載，極易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。常規(guī)做法是采用雙聯(lián)拱方式進(jìn)行開挖，利用模筑砼替換中間巖柱，提高穩(wěn)定性，降低風(fēng)險(xiǎn)。但該方法的施工難度大、后期結(jié)構(gòu)缺陷多，易發(fā)生結(jié)構(gòu)層連接不緊密而出現(xiàn)開裂、滲水等隱患。

根據(jù)小凈距段中間巖柱替換原理，提出單側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖工法，利用先行洞中間側(cè)邊墻擴(kuò)挖，再回灌砼，形成中間砼中隔墻。該施工方法既可提高施工效率，又能保障初期支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)效果，更能減小同段結(jié)構(gòu)分部施工的質(zhì)量缺陷，最終實(shí)現(xiàn)快速施工。

3.2 大跨處施工

3.2.1 開挖支護(hù)

大跨分岔隧道施工整體可分為由分岔往合流方向施工、由合流往分岔方向施工兩種方式，兩種不同方向決定不同的施工方法。其中第一種較常見，但由2條小斷面隧道突然變成一條合流的大斷面隧道，強(qiáng)制將小斷面調(diào)整為大斷面存在工序轉(zhuǎn)換頻繁、作業(yè)空間狹小的問題，擴(kuò)挖挑頂將多次擾動(dòng)圍巖，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，若出現(xiàn)失穩(wěn)，應(yīng)急救援難度相當(dāng)大。第二種方法雖不常見，但施工難度小、安全風(fēng)險(xiǎn)低。為此結(jié)合兩種不同方式，提出順向施工、逆向擴(kuò)挖的方法，按雙側(cè)壁工法施工，其中一側(cè)導(dǎo)坑先行，通過漸變逐漸進(jìn)入正常合流斷面，然后逆向擴(kuò)挖施工另一側(cè)導(dǎo)坑，漸變形成大斷面，最后通過反向開挖施工中導(dǎo)坑，將左右側(cè)壁導(dǎo)坑合并，形成大斷面合流(見圖4)。該施工方式可化整為零，將復(fù)雜工序簡單化，把關(guān)鍵工序變成非關(guān)鍵，達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)、加快施工的目的。

圖4 優(yōu)化后大斷面變換處施工順序(單位：m)

若按順序施工，月進(jìn)度指標(biāo)為12 m/月；按單向?qū)Ф错樝蚴┕?，再反向擴(kuò)挖，實(shí)際月進(jìn)度指標(biāo)為30 m/月，施工效率更高。采用該方法施工的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果見表2、圖5。

表2 大斷面變換處施工監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

圖5 典型斷面變形歷時(shí)曲線

從表2和圖5可以看出：1) 拱頂下沉、周邊收斂變形均遠(yuǎn)小于規(guī)范值，最大變形速率為2 mm/d，累計(jì)變形為25 mm，安全風(fēng)險(xiǎn)低。2) 左右側(cè)壁導(dǎo)坑變形較均衡，先行導(dǎo)坑在后行導(dǎo)坑開挖過程中出現(xiàn)短暫突變，但很快趨于穩(wěn)定，說明后行洞對(duì)先行洞會(huì)造成一定影響。3) 中側(cè)壁導(dǎo)坑累計(jì)變形最大，且變形持續(xù)較快發(fā)展，在中導(dǎo)坑下部施工后仰拱初期支護(hù)已封閉成環(huán)，變形有減緩趨勢(shì)；仰拱施工前拆除支撐，變形又呈上升趨勢(shì)，但逐步趨于穩(wěn)定。說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，變形最大、風(fēng)險(xiǎn)最高，豎向支撐作用較大，施工時(shí)需根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況適時(shí)拆除支撐，確保安全。仰拱封閉后變形趨于穩(wěn)定，控形控制效果明顯。

3.2.2 襯砌施工

因大跨分岔段由多種變化斷面組成，縱向間距段無法采用模板臺(tái)車一次性澆筑，考慮采用滿堂腳手架配合組合模板系統(tǒng)進(jìn)行襯砌施工。為不影響關(guān)鍵線路施工，把大跨襯砌變?yōu)榉顷P(guān)鍵線路同步施工，在滿堂腳手架底部預(yù)留過車通道，既能保障襯砌施工又能保證正常線路上其他關(guān)鍵工序施工，真正意義上實(shí)現(xiàn)快速施工。

(1) 支撐體系設(shè)置方案。采用滿堂腳手架作為內(nèi)部橫豎支撐；預(yù)留型鋼門字架(4.5 m×5 m)作為行車通道；以雙拼鋼管作為模板支護(hù)的主楞與滿堂支架連接；順襯砌內(nèi)輪廓弧形制作拱架作為模板支護(hù)次楞，拱架間采用螺栓連接，拱架底部與填充側(cè)面連接，形成封閉支護(hù)體。為保障拱腳的穩(wěn)定性，在底部設(shè)置剛性三角撐，上面墊鋼板。兩側(cè)邊墻設(shè)置型鋼斜撐，一側(cè)與拱架連接，另一側(cè)與填充頂面連接，連接處設(shè)置地錨鋼筋。支架系統(tǒng)按要求設(shè)置剪刀撐、斜撐及拋撐，支架系統(tǒng)、門架系統(tǒng)與填充砼連接處為鉸結(jié)，設(shè)置地錨鋼筋或預(yù)埋件穩(wěn)固連接。

(2) 襯砌整體施工方案見表3。

表3 襯砌整體施工方案

(3) 施工效率。1) 單版工序時(shí)間。門字架安裝3 d，滿堂腳手架搭設(shè)2 d，支撐拱架、模板安裝4 d，防水鋼筋2 d，砼澆筑1 d，等強(qiáng)1 d，拆模2 d，合計(jì)15 d/版。2) 整體指標(biāo)。通過預(yù)留門洞滿堂腳手架體系，不影響關(guān)鍵工序，節(jié)約工期4個(gè)月。

4 結(jié)論及建議

(1) 在砂巖風(fēng)化地層、基巖裂隙水少、具有一定穩(wěn)定性的Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)入小凈距段施工時(shí)，可利用擴(kuò)挖回填法代替雙連拱施工，以提高施工效率、快速封閉、減少襯砌分部施工帶來的不便。但施工前需充分了解圍巖情況，并做好圍巖加固措施。

(2) 隧道分岔大跨段施工大體分為由合流處向分岔處施工、從分岔處向合流處施工兩種，其中第二種方法最為有利。但需結(jié)合隧道布置情況及整體工期統(tǒng)籌而定。

(3) 隧道分岔大跨段若采取由分岔處向合流處施工的方法，可采用漸變方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)施工、交叉作業(yè)，加快施工進(jìn)度、減小安全風(fēng)險(xiǎn)、降低施工難度；大斷面處需避免復(fù)雜工序，減少圍巖裸露時(shí)間，及時(shí)封閉成環(huán)；斷面之間的變化盡量優(yōu)化至最優(yōu)，利用機(jī)械作業(yè)減少人工作業(yè)強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 利用漸變施工分岔大跨段，拱架尺寸多，加工及施工過程中常出現(xiàn)亂用現(xiàn)象，后期如何做好加工及安裝的準(zhǔn)確把控是關(guān)鍵。

(5) 隧道小凈距、大跨度、變斷面處施工風(fēng)險(xiǎn)較高，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象，施工前需加強(qiáng)超前支護(hù)，做好各項(xiàng)圍巖加固措施。

(6) 在圍巖破碎或穩(wěn)定性較差時(shí)，超前帷幕注漿如何做到最優(yōu)，需后續(xù)結(jié)合不同地質(zhì)情況及斷面布置形式進(jìn)行考慮。