小净距隧道施工与优化

李志刚，林秀桂

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 工程概述

乌鲁木齐外环改建扩容工程线路以隧道型式穿越蜘蛛山，新建隧道为其关键控制节点之一。新建蜘蛛山隧道隧址位于现状外环线既有蜘蛛山隧道外侧，且线位与其平行布置，水平向净距14.6～31.2 m，竖向距离较近，依据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004），新建蜘蛛山隧道与既有蜘蛛山隧道为小净距隧道。新建蜘蛛山隧道与既有蜘蛛山隧道均为分离式双向4车道隧道。

由于蜘蛛山总体地形中间低两端高，新建蜘蛛山隧道共包含4条短隧道：左线Z1K1+050～Z1K1++180（130m）、Z1K1+625～Z1K1+880（255m），右线Z2K1+027～Z2K1+185（158m） 、 Z2K1+655～Z2K1+875（220m），隧道全长763m。

隧道所处地貌单元为低山，地表水与地下水均不发育，地下水对隧道的影响程度不大。隧址区未发现滑坡、泥石流等不良地质作用。隧道围岩节理裂隙较为发育，岩体较为破碎，隧道穿越区域为Ⅴ级围岩。

2 隧道施工工法优化

2.1 原设计施工工法

新建蜘蛛山隧道与既有蜘蛛山隧道均为分离式2车道山岭隧道。新建隧道开挖轮廓净宽11.52 m，净高9.835 m，开挖面积92.2 m2，可供选择的隧道施工工法主要有全断面法、台阶法、CD法等工法。

新建隧道围岩级别为Ⅴ级，较合理的施工工法为台阶法或多台阶法，但考虑到新建隧道下方为正常运营的既有隧道，避免新建隧道施工对既有隧道结构安全和正常运营的不利影响，因此，新建蜘蛛山隧道的施工工法采用CD法。

新建蜘蛛山隧道支护参数见表1，支护断面图见图1。

表1 隧道支护参数表

图1 隧道支护图

2.2 存在的问题

隧道洞口段按原设计施工工法进行施工，新建隧道围岩和支护情况良好、变形可控，既有隧道振速基本满足设计提出的容许振速标准，但施工进度缓慢，暴露了一些问题：

（1）隧道开挖揭示的围岩情况与地勘报告基本一致，但是隧道断面内围岩主要表现为上部软下部硬，上部为全风化基岩，遇水软化，可免爆开挖，下部为强风化基岩，围岩强度高，需要爆破施工，临时支护与初期支护为不对称支护结构，爆破施工渣石冲击对其支护稳定的不利影响较大；

（2）中隔壁为临时支护，正洞初期支护成环后，需要爆破拆除，施工工期长，而且施工空间较小，影响了其它工序施工。

2.3 试验段方案

针对现有施工工法存在的问题，对施工工法进行优化调整，V级围岩隧道中采用台阶法施工，已有多个工程案例取得成功，因此暂定将CD法调整为台阶法，见图2。

图2 CD法现场施工情况

台阶法取消了原有CD法的中隔壁临时支护及其系统锚杆等，隧道断面施工步骤仍为6步，但开挖区域重新调整，为确保隧道开挖安全，原则上调整后的每个施工步开挖面积基本与原设计一致，台阶法设计见图3。

图3 台阶法设计图

为确保工程安全，需对台阶法施工进行验证，因此在掌子面前方20 m范围内进行台阶法试验段施工。

2.4 试验段监测情况与结论

为掌握试验段施工时的围岩变形、隧道支护和衬砌情况，对试验段附近的新建隧道和既有隧道进行施工全过程的监控量测。

新建蜘蛛山隧道监测情况：拱顶下沉位移2～3 cm，洞周收敛均小于2 cm，且基本上在开挖后5 d内变形趋于稳定。

既有隧道监测情况：拱顶下沉和洞周收敛变形无变化；隧道二衬表面裂缝无开展；隧道二衬振速均在1 cm/s，满足设计要求。

试验段监测数据表明，台阶法能确保新建隧道和既有隧道安全，由于取消中隔壁临时支护，节省了投资，降低工程造价，而且试验段采用台阶法后每天进尺1.6 m，较CD法施工效率提高1倍，因此，新建蜘蛛山隧道其余范围内均采用台阶法施工。

3 出洞口超前支护优化

3.1 原设计出洞口超前支护设计

蜘蛛山隧道出洞口覆盖层为砾石层、含砾砂土和全风化基岩，埋深较浅，围岩级别为V级。

隧道洞口段初期支护和二衬见图1，为确保洞口整体稳定性，保证安全顺利进出洞，在洞口段40 m范围内超前支护均采用大管棚，大管棚主要施工参数为：规格为φ108×6 mm热轧无缝钢管，环向间距35 cm，沿拱顶120°范围内布设，外插角5°，实际钻孔方向应较设计方向上偏1.5°，钢管四周设置φ12注浆孔，间距15 cm，梅花形布置，注浆终止压力2.0 MPa，水灰比1:1，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。

3.2 存在的问题

由于隧道不长，蜘蛛山隧道均采用单向掘进施工。左线Z1K1+625～Z1K1+880（255m）和右线Z2K1+655～Z2K1+875（220m）进出洞口地形较为平缓，而左线Z1K1+050～Z1K1+180（130m）和右线Z2K1+027～Z2K1+185（158m）出洞口直接与桥梁结构衔接，出洞口距离地面约25m，且地势较为陡峭（见图4），大管棚施工较为困难，风险大，同时出洞口覆盖层为砾石层、含砾砂土和全风化基岩，整体结构稳定性较弱，覆盖层浅，在无超前大管棚下进行该进口40 m段施工，存在安全隐患，因此，需要对超前支护型式进行优化调整。

3.3 超前支护优化调整

隧道出洞口地势陡峭，无法自出洞口施作超前大管棚，因此对原设计进行优化，调整为在隧道内部进行出洞口的超前支护。

山岭隧道洞内施作超前支护，可供选择的类型主要有：大管棚、注浆小导管。

洞内施工超前大管棚，需要扩挖隧道断面，设置大管棚工作室，大管棚单节长度4～6 m，倾角小，工作室纵向长度需要5～7 m，大管棚超前支护强度高，对洞口段整体稳定性好，但施工难度大、技术要求高，施工工期长，造价也高；注浆小导管单循环施工周期短，施工难度较小，小导管纵向间距还可根据揭露围岩情况进行调整，节省投资。

小尖山隧道洞口覆盖层为粉质私土及千枚状全风化粉砂岩，洞口段20 m范围设置φ50双层超前小导管，长5 m，纵向间距30 cm，搭接不小于1.5 m；飞鸾2号隧道为3车道公路隧道，洞口残坡积覆盖层薄，岩体直接出露且整体性较好，采取左洞单向贯通，出洞口15 m范围内采用φ50注浆小导管超前支护，纵向间距2.8 m，环向间距50 cm。

结合已建工程案例，并综合分析，确定出洞口40 m范围内超前支护采用注浆小导管。右线和左线进洞口30 m范围（Z1K1+060～Z1K1+090，Z2K1+037～Z2K1+067）内，超前小导管采用Φ50×4.0无缝钢管，长度为4.5 m，纵向间距1.8 m，环向间距0.3 m，初期支护钢拱架规格仍采用I18型钢，间距加密，由原设计80 cm调整为60 cm，锁脚锚杆间距和系统锚杆间距相应调整；右线和左线进洞口段其余10 m范围（Z1K1+090～Z1K1+100，Z2K1+067～Z2K1+077）内，超前小导管采用Φ50×4.0，长度为4.0m，纵向间距1.6m，环向间距0.3m，钢拱架规格和间距不变。

超前注浆小导管施工参数：规格为φ50×4 mm热轧无缝钢管，沿拱顶140°范围内布设，外插角15°～25°，钢管四周设置φ8注浆孔，间距10～15 cm，梅花型布置，注浆终止压力1.0～2.0 MPa，水灰比1:1，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。

同时由于上台阶覆盖层薄围岩稳定性差，上台阶锁脚锚杆由4φ22砂浆锚杆调整为4φ50×4.0注浆小导管（长度3.5m）。

3.4 监测情况

由于出洞口取消超前大管棚，改为采用洞内小导管单向出洞施工，为确保施工过程中安全顺利开展，在施工过程中，对出洞口边坡位移、洞内收敛和拱顶沉降等进行高频率的监控量测。

出洞口布设多个监测断面，监测数据表明：新建隧道拱顶下沉和洞周收敛最大值均小于2 cm，隧洞开挖10 d内均趋于收敛，新建隧道出洞口边坡整体稳定性好，边坡位移小于1 cm，边坡无裂缝，既有隧道洞口边坡位移无变化，见图5。

图5 洞口段拱顶下沉和洞周收敛变化曲线图

4 总结

（1）结合围岩实际情况和施工困难，蜘蛛山隧道施工工法由CD法调整为多台阶法，工程实践证明施工工法的调整是成功，工程安全顺利实施，同时提高了施工效率，缩短了工期。

（2）隧道左线Z1K1+050和右线Z2K1+027出洞口陡峭，将出洞口40 m范围的大管棚超前支护调整为洞内注浆小导管超前支护，并依据“短进尺、勤量测、强支护”的设计和施工原则，实现了隧道的单向顺利贯通。

（3）基于现场实际情况，在确保工程安全的前提下，蜘蛛山隧道施工工法和出洞口超前支护进行优化调整，提高了施工效率，蜘蛛山隧道顺利提前单向贯通，也确保了既有隧道正常运营，对类似工程设计和施工具有一定参考意义。

[1]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].2004.

[2]付天正.三台阶核心土环形开挖法在广以隧道中的应用[J].公路交通技术，2009（4）：55-57.

[3]刘奕辉，谢书良.三台阶法在大王顶隧道施工中的应用[J].公路交通技术，2010（6）：101-104.

[4]钟超权.小尖山隧道出口贯通施工技术[J].建筑机械化，2012（S2）：243-246.

[5]陈成仁.飞鸾2号隧道左洞零开挖出洞单向贯通施工技术[J].中国市政工程，2013（2）：73-75.