双层初期支护在超大跨度公路隧道中的应用

陈 瑶, 罗彦斌*, 高景明, 高栓存, 焦有智

(1.长安大学公路学院， 西安 710064； 2.中交二公局第四工程有限公司， 洛阳 471000)

“十三五”规划第七篇指出：构建横贯东西、纵贯南北、内畅外通的综合运输大通道，加强进出疆、出入藏通道建设。可以看出，西部交通基础设施建设正处于加速发展时期，超大跨度公路隧道工程日益增多[1]。超大跨度隧道由于开挖断面大、形状扁平，围岩整体稳定性较差，特别是在洞口浅埋甚至偏压段，围岩级别多为Ⅴ级或Ⅵ级，承载能力极低[2-3]。因此，超大跨度公路隧道合理的支护形式和支护参数的选择极为关键。在实际工程中，超大跨度公路隧道支护形式多种多样，如采用初期支护+二次衬砌、初期支护+两层二次衬砌、两层初期支护+二次衬砌等，支护形式并没有形成统一的标准，给超大跨度公路隧道设计和施工带来巨大挑战[2]。

双层初期支护指在施作第一层初期支护的基础上紧跟着施作第二层初期支护，以形成双层支护体系，加强初期支护刚度和强度。双层初期支护作为一种重要的支护手段，已被国内外学者进行了深入研究，并取得了一定的成果。李国良等[4]研究了双层支护在郑西高铁高桥隧道以小角度下穿既有南同蒲铁路的工程应用，得出了双层初期支护能有效控制隧道拱部下沉及地表沉降；万继志[5]通过浅埋软弱围岩小净距大跨度隧道，研究了隧道主拱圈双层初期支护施工技术，保证了结构稳定和施工安全；李琳琳[6]研究了双层初期支护在大断面软岩隧道中的应用，得出双层初期支护能有效控制因初期支护大幅下沉和收敛造成的初期支护断面沉陷；宋超业等[7]以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景，通过现场试验与数值模拟，得出外层格栅-内层型钢最适合兴工街车站隧道，合理的支护厚度为外层35 cm，内层20 cm。Jia等[8]以阳泉—矿西巷道为例，提出了一种新的巷道支护方案，即双层缓冲和渐变的支护壳，通过数值模拟和现场监测数据的对比分析，验证了该支护方案的可靠性。通过收集资料发现，双层初期支护在超大跨度公路隧道中的应用效果尚无定论，具体的双层支护设计参数、施工中的开挖支护方案等有很多不确定性。

现以新疆连霍高速(G30)小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程为依托，对双层初期支护在超大跨度隧道Ⅴ级围岩浅埋偏压段(S5b型衬砌)中的应用进行研究，并通过监控量测数据分析了双层初期支护对控制隧道净空收敛和沉降的效果。

1 工程概况

1.1 隧道概况

杏花村2号隧道位于新疆乌鲁木齐市达坂城区，路线沿白杨河河谷及连霍高速公路布设，设计为双洞八车道高速公路隧道。隧道上行线起讫里程为SK3496+835～SK3497+214，全长379.0 m；下行线起讫里程为XK3496+898～XK3497+778，全长880.0 m。隧道最大开挖宽度22.56 m，最大开挖高度14.65 m，属于超大跨度公路隧道[9]。

1.2 地层岩性

杏花村2号隧道下行线出口位于山体斜坡一侧，线走向与坡面等高线交角约不足25°，几乎平行于山体出洞，坡面较陡，坡角约65°。坡面基岩裸露，岩性主要为凝灰质砂岩、凝灰质灰岩等，岩体呈薄层-镶嵌结构，中风化，其中，断裂及其影响带为碎裂结构。出口处见有崩塌碎、块石堆积，堆积体髙度达20 m左右，稳定性差，见有掉块、溜滑现象。

2 隧道支护方案

杏花村2号隧道下行线出口处于浅埋偏压段，属于为Ⅴ级围岩，围岩稳定性差，山体上还有一高压线塔(图1)，对控制隧道沉降要求高。若采用单层初期支护时，其刚度和承载能力明显低于双层初期支护，控制沉降的效果不如双层初期支护；采用双层衬砌时，虽然刚度比双层初期支护大，但是需要两部衬砌台车，洞内拼装耗费人力和时间，施工不便，施工进度明显下降[10-11]。考虑到以上因素，现场设计采用双层初期支护进行隧道施工，以提高初期支护的支护刚度。

选取的隧道双层初期支护施工段为Ⅴ级围岩浅埋偏压段(S5b型衬砌，桩号为XK3497+718～XK3497+748)。S5b型双层初期支护衬砌断面见图2。

图1 杏花村2号隧道下行线出口Fig.1 Downline exit of Xinghuacun No. 2 tunnel

图2 S5b型双层初期支护衬砌断面Fig.2 S5b double-layer initial support lining section

3 双层初期支护施工

3.1 施工方法及步骤

杏花村2号隧道下行线Ⅴ级围岩浅埋偏压段(S5b型衬砌)采用上台阶中隔墙(center diaphragm, CD)法进行施工。施工过程中严格遵循“管超前，严注浆，短进尺，弱爆破，快封闭，强支护，先预报，勤量测，速反馈，早衬砌”的原则[5,12]。上台阶CD法施工示意图及现场施工图见图3。

图3 上台阶CD法施工示意图及现场施工图Fig.3 Construction sketch and site construction drawing of the upper bench CD method

图4 双层初期支护施工现场Fig.4 Construction site of double-layer initial support

施工步骤：①开挖先行导洞1部，每次开挖进尺3 m(6榀钢架)，施作初期支护Ⅰ上部和临时支护Ⅱ。待第一层初期支护超前第二层初期支护10 m时，施作第二层初期支护，每次施作10榀钢架。内层钢架和外层钢架错开布置，以免应力过于集中[13-14]，其施作后的双层初期支护现场效果见图4。②待1部超前2部15～20 m时，开挖后行导洞2部并拆除临时支护Ⅱ，每次开挖进尺3 m，施作初期支护Ⅲ上部，其双层初期支护的施工过程和1部一样。③待2部超前3部20～30 m时，错开开挖左右下导3部，左右下导每次开挖进尺为3～4 m，并及时施作初期Ⅰ、Ⅲ下部。内层钢架与外层钢架同时施作，内外层钢架与上导洞内外层钢架用螺栓进行连接；施作完内层钢架之后，在钢架内外侧施作钢筋网，钢筋网之间用电焊进行连接；各榀钢架之间采用螺纹钢筋进行连接；接着施作外层钢架，再施作第三层钢筋网，双层钢架施作完之后喷射混凝土。④开挖4部，施作初期支护仰拱IV和二次衬砌V下部，仰拱每次施作6～8 m。⑤整体模筑二次衬砌V上部，二次衬砌每次施作9 m。

3.2 锚杆施工

在架立完双层钢架未进行喷射混凝土作业之前(图4)，进行锚杆施工。采用风动凿岩机成孔，锚杆钻孔利用开挖台阶搭设简易施钻平台。钻孔方向尽量与围岩和岩层主要结构面垂直，并按照设计间距布孔。钻孔直径比锚杆直径大15 mm，深度误差不得大于±50 mm。钻孔完成后，利用高压风清孔，清孔完成后，检查开孔孔径、孔深、孔道倾斜度。注浆采用高压注浆泵通过锚杆杆体预留通道接孔口注浆，注浆完成后，应及时清洗，整理注浆用具，除掉砂浆凝聚物，为下次使用创造好条件。

3.3 辅助措施

隧道Ⅴ级围岩浅埋偏压段采用超前大管棚进行超前支护。大管棚采用Φ127 mm无缝钢管，壁厚8 mm，管棚长度30 m，环向间距40 cm。钢管布设于衬砌拱部120°范围内，外插角1°，管心与衬砌设计外轮廓线间距大于20 cm，平行于路面中线布置。钢管前端呈尖锥状，钢管接头采用丝扣连接，丝扣长40 cm，尾部焊接Φ10 mm加筋箍，管壁四周钻两排Φ8 mm注浆孔。注浆浆液采用水灰比为1∶1的水泥浆液，注浆压力0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa，注浆完毕后采用M30水泥砂浆对管棚进行填充。

3.4 双层初期支护施工特点

在隧道进行爆破开挖，清除完掌子面的破碎岩体之后，紧跟隧道掌子面及时施作第一层初期支护，以承担隧道开挖后释放的部分围岩压力，控制围岩变形，发挥围岩的自承能力；再紧跟第一层初期支护施作第二层初期支护增加支护刚度，同时与第一层初期支护形成整体，共同承担围岩压力。另外，当第一层初期支护出现裂缝时，及时施作的第二层初期支护能够有效地补充隧道结构强度和刚度，起到稳固围岩的作用。

4 监控量测及结果分析

4.1 监控量测布设

为及时掌握隧道开挖过程中围岩变形的动态信息，现场通过监控量测判别双层初期支护对控制隧道沉降和收敛的效果[15]。因现场第一层初期支护与第二层初期支护施工时间间隔较短，若将变形监测点布置在第一层初期支护上，无法完整的观测到围岩的动态信息，故将现场变形监测点布置在第二层初期支护上。杏花村2号隧道下行线选取的变形监测断面为XK3497+725、XK3497+730、XK3497+735，现场上台阶CD法变形监测点的布设如图5所示。

图5 初期支护变形监测测点布设Fig.5 Layout of monitoring points for deformation of initial support

4.2 监控结果及分析

4.2.1 净空收敛

对施工现场监控量测的数据进行整理与分析，统计每个监测断面的最大净空收敛值和最终净空收敛值，统计结果见表1。由于各监测断面的规律大体呈现出一致性，所以不再一一叙述，仅选择具有代表性的XK3497+730断面收敛时态曲线图进行分析，XK3497+730断面净空收敛时态曲线如图6所示。

从表1可知，V级围岩浅埋偏压测试段总体净空收敛值较小，主洞拱腰最大收敛值为11.8 mm，主洞拱脚最大收敛值为13.3 mm，主洞拱脚处的最大收敛值比拱腰处大，这可能是因为隧道边墙两侧未及时施作初期支护，导致隧道拱脚两侧的钢架悬空。先导拱腰最大收敛值为21.6 mm，先导拱脚最大收敛值为18.3 mm，可以看出先导拱腰和拱脚的收敛值都要大于主洞拱腰和拱脚的收敛值，这是因

表1 各监测断面净空收敛值监测结果Table 1 Monitoring results of clearance values of each monitoring section

图6 XK3497+730断面净空收敛时态曲线Fig.6 Temporal curve of clearance convergence of XK3497+730 section

为在施工过程中，随着后导掌子面的推进，布置在临时支护结构上的3′点和5′点容易受到爆破开挖的影响，使该点向先导一侧移动，造成先导洞的收敛较大，因此先导的收敛不可作为安全评定指标。

从图6可知，V级围岩浅埋偏压测试段拱脚和拱腰随时间的变化趋势基本一致，先导开挖后围岩应力逐渐释放，先导洞净空收敛随时间迅速增大；后导开挖后，主洞净空收敛缓慢增大，待仰拱施作6 d左右后，净空收敛逐渐趋于稳定。可见，初期支护应尽早封闭成环，形成整体，以控制隧道净空收敛。从整体上看，隧道净空收敛值较小，表明双层初期支护能够有效地约束围岩变形，且支护结构安全可靠。

4.2.2 沉降

各监测断面的最大沉降值和最终沉降值统计结果见表2。由于各监测断面的规律大体呈现出一致性，所以本文就不再一一叙述，仅选择具有代表性的XK3497+730断面沉降时态曲线图进行分析，XK3497+730断面沉降时态曲线图如图7所示。

从表2可知，V级围岩浅埋偏压测试段总体沉降较小，拱部沉降大于拱脚沉降。拱顶最大沉降为22.7 mm，拱顶偏右最大沉降值为22.5 mm，拱顶偏左最大沉降为18.4 mm，右拱腰最大沉降为12.9 mm，左拱腰最大沉降为11.3 mm，右拱脚最大沉降为6.9 mm，左拱脚最大沉降为7.5 mm。主洞最大沉降为22.7 mm，远远小于预留变形量150 mm。隧道拱顶(0)处最大沉降的平均值为20.9 mm，大于各点(1、2、3、4、5、6)处最大沉降的平均值，这主要是因为隧道拱顶处发生应力集中现象，其所受应力的作用比各点处所受应力的作用要明显。

表2 各监测断面沉降监测结果Table 2 Monitoring results of settlement of each monitoring section

图7 XK3497+730断面沉降时态曲线Fig.7 Temporal settlement curve of XK3497+730 section

从图7可知，V级围岩浅埋偏压测试段各点的沉降最终都趋于稳定。拱顶(0点)和拱顶偏左(2点)的沉降值在后导开挖后增长幅度较大，这可能是因为在喷射混凝土未硬化之前，进行了监测点的布置，加上温度降低的影响，使得沉降值增长较快。下导施作后，沉降在小范围波动，并逐渐趋于稳定。从整体上看，隧道沉降较小，表明双层初期支护结构能够有效地约束围岩变形，且支护结构安全可靠。

5 结论

通过对杏花村2号隧道下行线Ⅴ级围岩浅埋偏压段双层初期支护的应用研究，得出以下结论。

(1)Ⅴ级围岩浅埋偏压段采用双层初期支护的支护方案进行施工，净空收敛最大值为21.6 mm，沉降最大值为22.7 mm，沉降最大远远小于设计预留变形量150 mm。

(2)杏花村2号隧道采用上台阶CD法施作双层初期支护，有效地控制了初期支护沉降和收敛，保证了浅埋偏压段围岩的稳定性，为今后类似工程提供了宝贵的借鉴经验。