胡賢國(guó)，鄒金杰

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122）

1 工程概況

杭州市紫之隧道工程南起之江，北至城西，中間線位繞避西湖風(fēng)景區(qū)。工程線路全長(zhǎng)約14 km，由3 座特長(zhǎng)隧道組成。隧道總體規(guī)模為雙向6 車道，采用多級(jí)分流模式，在兩端的之江路和西溪路各設(shè)置一對(duì)進(jìn)出匝道。

工程中間線位穿越西湖群山，巖性以灰黃、青灰色、淺色、紫紅色中厚層狀粉砂巖為主，夾中薄層泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育、遇水易軟化，圍巖級(jí)別Ⅲ～Ⅳ級(jí)。

西湖群山植被茂密、景區(qū)密集，分布有龍塢、靈竺、大清谷、西山森林公園、東岳廟等景點(diǎn)；線路中部緊貼西湖風(fēng)景名勝區(qū)外圍，環(huán)境要求極高。

2 分岔段設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分岔段平面設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)概況

為了滿足交通需求，在隧道兩端需各設(shè)一對(duì)進(jìn)出匝道，并與接口道路進(jìn)行銜接以實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換。因此，工程需設(shè)4處立交分岔段，分別位于隧道南北端山體中。由此涉及的標(biāo)準(zhǔn)段隧道分岔為兼顧安全性及經(jīng)濟(jì)性的雙洞隧道，是十分重要的設(shè)計(jì)。

2.1.2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

分岔段設(shè)計(jì)重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在分岔大跨段寬度、大跨度漸變方式以及分岔雙洞段間距，必須充分考慮結(jié)構(gòu)安全性、施工便利性以及經(jīng)濟(jì)合理性。分岔大跨段最大跨度及分岔雙洞段最小間距，對(duì)結(jié)構(gòu)安全、施工便利及經(jīng)濟(jì)性影響極大。主要體現(xiàn)為以下2 個(gè)方面。

1）大跨段：跨度越大，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度越大、施工風(fēng)險(xiǎn)越高且投資增加；但跨度大小既需滿足分岔雙洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全及施工便利，又要盡量減小跨度，以保障大跨結(jié)構(gòu)安全、降低施工風(fēng)險(xiǎn)及減少投資。同時(shí)，由于大跨段漸變方式需考慮工程投資及施工便利性。因此，結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)，本工程分岔大跨段采用了單側(cè)臺(tái)階式漸變，這可以合理確定大跨段長(zhǎng)度，以減少投資，從而避免連續(xù)漸變帶來(lái)的施工放樣困難。

2）雙洞段：當(dāng)凈距較大時(shí)，可在降低雙洞施工相互影響的同時(shí)增加雙洞安全性，但這會(huì)增加大跨段跨度，增加投資及施工風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)凈距小時(shí)，則會(huì)增加雙洞施工相互影響及風(fēng)險(xiǎn)。考慮到洞內(nèi)連拱隧道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)大且防水效果差，本工程突破常規(guī)，采用了超小凈距隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分岔隧道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

2.1.3 平面布置

大跨段結(jié)構(gòu)過渡方式采用單邊臺(tái)階式的過渡方式，該方式可以實(shí)現(xiàn)比較自然的過渡，從而滿足漸變段和變速車道段的要求，與突變式結(jié)構(gòu)相比開挖量較小。然而，盡管開挖量上比漸變式結(jié)構(gòu)略大，但是，該方式在施工難度上更小，且二次襯砌的施作更方便，只需改變襯砌臺(tái)車寬度即可。不僅如此，大跨段結(jié)構(gòu)過渡方式雖然在外觀上沒有漸變式結(jié)構(gòu)過渡自然，但經(jīng)內(nèi)部裝飾后，也可以達(dá)到美觀效果。

分岔段隧道由3 車道標(biāo)準(zhǔn)段通過單側(cè)臺(tái)階式漸變至大跨段分岔段，同時(shí)，由大跨單洞分岔為超小凈距雙洞，再逐漸過渡至雙洞分離段。對(duì)此，為減少斷面類型且兼顧開挖工程量，本工程在設(shè)計(jì)大跨段時(shí)，采用了4 級(jí)漸變分岔段這一方式。

2.2 大跨段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)階式變截面段是分段逐步擴(kuò)大的，每段隧道的長(zhǎng)度和跨度目前無(wú)規(guī)范可循。對(duì)此，應(yīng)根據(jù)漸變段和變速段長(zhǎng)度的要求，結(jié)合實(shí)際工程和地質(zhì)情況，并在地質(zhì)好的路段將隧道長(zhǎng)度和跨度適當(dāng)加大，同時(shí)，不同跨度隧道之間的跨度變化不宜過大。

從目前國(guó)內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，不同跨度隧道之間的跨度差通常取1～2.5 m 為宜。另外，還應(yīng)在大跨與小凈距隧道交界處設(shè)置堵頭墻封堵。

通常來(lái)說，大跨段采用復(fù)合式襯砌，且支護(hù)參數(shù)需結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比及計(jì)算模擬來(lái)確定。

2.3 小凈距段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程匝道先行施工。匝道作為主線重要的工作面，在進(jìn)入主隧道后，就需要開始往主線兩端施工。考慮到工程連拱隧道施工工序多、施工難度大，所以，此處優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)形式，并取消連拱段，由大跨段直接過渡為小凈距隧道。小凈距段最小凈距約0.5 m，而當(dāng)中巖墻厚度＜1.5 m 時(shí)，對(duì)于松動(dòng)及超挖部位要采用C35 混凝土回填；當(dāng)中巖墻厚度為1.5～6 m 時(shí)，可采用對(duì)拉錨桿加固。隧道南端西線分岔段小凈距隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 隧道南端西線分岔段小凈距隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 分岔段施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 平面施工步序

匝道與主隧道交叉口大斷面，最大開挖跨度約25 m，東西線分別位于Ⅲ級(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖。Ⅲ級(jí)圍巖采用多臺(tái)階分部法開挖，Ⅳ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件和作業(yè)面影響，采用4 個(gè)平面施工步序：（1）匝道施工；（2）匝道施工至交叉口大斷面處，分部橫向開挖大斷面；（3）最大斷面形成后對(duì)大斷面隧道進(jìn)行縱向開挖；（4）大斷面開挖一定距離后，再回頭開挖交叉口處2 車道主隧道，而主隧道先開挖靠近中巖墻側(cè)導(dǎo)洞，并按照小凈距隧道施工方法組織。

3.2 小洞進(jìn)大洞施工工藝

根據(jù)總體施工方案，隧道交叉口段匝道先行開挖，以南端西線分岔口為例，具體施工步驟有3 步：（1）上下臺(tái)階法開挖匝道；（2）匝道上臺(tái)階施工至交叉口處，以上臺(tái)階為超前導(dǎo)坑往前開挖5 m 左右（可根據(jù)施工需要調(diào)整）；（3）分部橫向擴(kuò)挖NX1 型大斷面。大跨段橫向擴(kuò)挖工序見圖1。

圖1 大跨段橫向擴(kuò)挖工序

分部具備縱向開挖條件后，進(jìn)行大斷面隧道縱向開挖。

注：圖中①為大跨段匝道上導(dǎo)洞開挖；②為大跨段左側(cè)上導(dǎo)洞匝道導(dǎo)洞段擴(kuò)挖；③為大跨段右側(cè)上導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖；④為大跨段右側(cè)上導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖；⑤為大跨段左側(cè)下導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖；⑥為大跨段右側(cè)下導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖；⑦為大跨段左側(cè)下導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖；⑧為大跨段右側(cè)下導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖。

3.3 小凈距施工工藝

大斷面在開挖一定距離后，需調(diào)頭開挖交叉口處2 車道主隧道。主隧道先開挖靠近中巖墻側(cè)導(dǎo)洞，按照小凈距隧道[1]施工方法組織。小凈距隧道段主隧道和匝道最小凈距0.5 m，為近接施工。為減小爆破震動(dòng)對(duì)匝道的影響，內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞采用分臺(tái)階法用機(jī)械開挖，中巖柱厚度＜1.5 m 時(shí)采用C35 混凝土回填。另外，隧道開挖需嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺，并嚴(yán)格控制在每循環(huán)進(jìn)尺＜1 m。開挖完成后立即施作初期支護(hù)。

當(dāng)中巖墻厚度＜1.5 m 時(shí)，要用C35 早強(qiáng)混凝土回填密實(shí)，以確保小凈距隧道襯砌受力安全。

4 開挖模擬及現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)情況

4.1 開挖模擬

4.1.1 有限元模型

以南端西線為例，本次計(jì)算采用二維有限元軟件Midas Soilworks 對(duì)地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬。地層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，錨桿加固考慮為固用加固圈作用，采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)采用摩爾-庫(kù)倫模型，參數(shù)的選取按原地層參數(shù)提高一級(jí)進(jìn)行。初支及臨時(shí)支撐采用梁?jiǎn)卧M。

4.1.2 開挖模擬計(jì)算結(jié)果

上臺(tái)階初期支護(hù)及臨時(shí)橫撐施作完成后，彎矩值為279 kN·m（實(shí)際鋼架半鉸接，彎矩值應(yīng)＜279 k N·m）；最大軸力發(fā)生于臨時(shí)橫撐拆除后，初期支護(hù)受力最不利點(diǎn)位于左側(cè)拱肩，最大軸力3 184 k N，對(duì)應(yīng)彎矩值約22.5 k N·m；最大拱頂位移1.58 cm，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力安全。從計(jì)算結(jié)果看，大跨段初期支護(hù)最大彎矩發(fā)生于工序①～④開挖完成后。

在小凈距段的開挖過程中，初期支護(hù)最大軸力普遍發(fā)生在后行洞遠(yuǎn)離中巖墻一側(cè)上臺(tái)階開挖后的臨時(shí)豎撐，最大軸力3 731 k N；最大彎矩發(fā)生在后行洞開挖完成并封閉初支后，位于匝道右側(cè)拱腰，為513 kN·m；最大拱頂位移1.38 cm，位于中巖墻上方。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)情況

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，大跨段拱頂累計(jì)沉降最大值為12.56 mm，沉降速度平緩；分岔匝道及分岔主隧道拱頂最大位移分別為8.1 mm 和9.2 mm。

經(jīng)計(jì)算模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后，通過對(duì)比最大拱頂位移可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值優(yōu)于有限元計(jì)算分析結(jié)果。因此，采用施工方案對(duì)于隧道圍巖穩(wěn)定性控制效果較好，可滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

5 結(jié)語(yǔ)

暗挖法隧道洞內(nèi)立交分岔的隧道案例較少，青島膠州灣隧道及長(zhǎng)沙營(yíng)盤路隧道等均為軟巖地質(zhì)條件。本文對(duì)杭州紫之隧道立交分岔段設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及施工方法，山嶺段Ⅲ、Ⅳ洞內(nèi)立交分岔合理可行。主要結(jié)論如下：

1）大跨段實(shí)際拱頂沉降1.256 cm，小于計(jì)算值1.58 cm，支護(hù)采用預(yù)應(yīng)力錨桿+普通錨桿長(zhǎng)短交錯(cuò)布置，有效加固了隧道圍巖拱圈，提高了圍巖自承能力，支護(hù)參數(shù)合理可行。

2）采用超小凈距分岔隧道減小了大跨段跨度，通過合理的施工工藝能確保小凈距隧道先行洞初期支護(hù)安全及施工安全。

3）在場(chǎng)地受限的情況下，匝道進(jìn)洞、橫向擴(kuò)挖后反向施工分岔隧道合理可行。