超大跨度公路隧道穿越破碎带施工技术研究

施昌龄，李九超，朱绪峰，陈文鹏

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重庆 401120；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来中国高速公路通车里程一直保持高速增长，截至2018年底，中国高速公路总里程已达到14.26×104km，是2000年的9.1倍，位居全球第1。高速公路对经济的发展有良好的促进作用，但随着交通运输需求以及汽车保有量的急剧增长，先期建设的双向四车道和双向六车道高速公路的服务水平已经不能满足当前交通运输的需求，因此，有必要提高高速公路的通行能力，在此过程中双洞八车道隧道开始修建[1-4]。双洞八车道公路隧道的开挖跨度一般在18 m以上，属于超大跨度公路隧道[5]。

破碎带是在隧道施工过程中常见的不良地质条件，破碎带围岩整体性差、黏聚力低、渗透能力强、不易形成承载拱，是地下工程结构物稳定的制约因素[6-7]。超大跨度公路隧道具有薄拱、大跨及结构扁平等特点，其支护结构受力状态更加复杂，在穿越破碎带等不良地质时，隧道易出现应力分布不对称，在拱脚和墙角处易出现应力集中，更容易产生大变形[8-9]，施工时难度较高，处理不当极易发生掉块、塌方等灾害，严重影响施工进度[10-12]。然而，目前超大跨度公路隧道修建技术还未形成相应的行业标准和规范，对于超大跨度公路隧道穿越破碎带的施工经验以及研究更少，因此有必要对超大跨度隧道穿越破碎带施工方法进行探索。

1 工程概况

樵岭前隧道位于山东省淄博市博山区青石关村西侧，为分离式双洞八车道公路隧道，设计时速为100 km·h-1，左右线长度分别为740 m和695 m，隧道最大开挖跨度为21.48 m，最大开挖高度为14.30 m，最大埋深约135.0 m。

1.1 地形地貌

樵岭前隧道隧址区地貌为剥蚀低山丘陵，年平均降水量为640.5 mm，夏季降水量充沛，地表植被较发育；海拔为390～534 m，相对高度为144 m；坡角为10°～35°，整体较陡；大部分区域基岩埋深较浅，顶部基岩出露；层间节理裂隙发育，谷底堆积有较厚的洪积物与坡积物。隧道出口地段地势较低、局部有基岩出露、覆盖层较薄，隧道出口如图1所示。隧道所在位置地形坡度较陡，地下水和地表水不易汇集，水容易排泄。隧址附近和地下的水文条件较简单，且隧道设计标高高于地下水稳定水位标高，地下水和地表水对隧道影响较小。根据工程地质调绘及地质勘探资料，判断隧址区围岩以页岩、灰岩夹泥灰岩薄层为主。

图1 樵岭前隧道出口

1.2 破碎带地质情况

樵岭前隧道破碎带主要发育在洞口段及洞身左右线K107+630～K107+725段，在K107+630～K107+725浅埋段。这些地段雨季易产生积水，造成裂隙水增多，层间结合减弱。根据地勘及实际资料，破碎带地质为寒武系页岩、夹泥灰岩薄层，属较软岩，岩体破碎，结构面节理发育，破碎带掌子面围岩如图2所示。

图2 樵岭前隧道破碎带掌子面围岩

2 破碎带施工方案

2.1 隧道施工工艺流程及准备

图3 樵岭前隧道施工工艺流程

根据樵岭前隧道穿越破碎带围岩条件、现场条件及工期要求等特点，按照“均衡生产、突击重点、全面展开”的原则进行施工安排，隧道施工工艺流程如图3所示。在隧道开挖前，加强对掌子面前围岩的勘测，采用长距离TSP203超前地质预报系统，配合地质雷达、超前水平钻和红外探水进行预报，及时预报掌子面前方15～40 m范围内可能出现的地层和岩性情况，并预报地质灾害发生的可能性。通过超前地质预报准确地预报隧道破碎带的位置，及时采取施工保障措施，从而实现有效避免施工过程中掉块、塌方等灾害的目的，降低工程造价，减少施工盲目性，并消除工程安全隐患。

2.2 支护参数

樵岭前隧道穿越破碎带，围岩条件较差，针对这些不利因素，加强超前支护和初期支护支护参数。破碎带支护参数和相同围岩级别下非破碎带支护参数见表1。

表1 樵岭前隧道破碎带支护参数

在隧道破碎带发育地段，采用超前双排小导管注浆对拱顶进行预支护，预防隧道出现掉块、坍塌等病害。双排小导管第1排长450 cm，外插角为3°～6°；第2排长300 cm，外插角为8°～12°，搭接长度为120 cm。小导管采用热轧钢管，在距离止浆环1 m处开始钻孔，孔径为10 mm，钻孔间隔为10 cm，梅花型布置在导管的表面。通过加固拱顶围岩形成承载拱，改善围岩的支护能力。超前注浆小导管侧面和正面布置图如图4、5所示。

图4 樵岭前隧道超前注浆小导管侧面布置

图5 樵岭前隧道超前注浆小导管正面布置

2.3 隧道开挖

樵岭前隧道穿越破碎带时采用CD法施工，为减少对破碎带围岩的扰动，在隧道开挖过程中采用弱爆破、机械或人工开挖。为保证施工安全，同时确保施工进度，及时缩短开挖进尺，每循环的开挖进尺由1.5 m缩短到0.6 m。周边眼采用光面爆破法，尽可能保留半孔痕迹。为防止钢架下沉或2底脚回收，拱部钢架采取锁脚措施。锁脚每侧采用2组2根长3.5 m的Φ25 mm锁脚锚杆固定，将钢架2底脚牢固锁定。樵岭前隧道CD法锁脚锚杆布设如图6所示，CD法施工如图7所示，图中数字为施工顺序。

图6 樵岭前隧道CD法锁脚锚杆布设图

2.4 注浆加固

在开挖后变形过大区域进行注浆处理，确保施工质量和围岩的稳定性。采用Φ50 mm的注浆小导管对隧道边墙周边注浆，小导管长度为5 m，尾部置于钢架顶部，增加共同支护能力，间距为100 cm×60 cm，呈梅花形布置(每榀拱架按6根或5根布置)。水泥浆使用的水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.8∶1。注浆压力控制在1 MPa左右，记录注浆全过程以及出现的异常。当单根小导管注浆量超过0.2 m3时，立即停止注浆，待浆液初凝后，再加注0.05 m3。图8为隧道现场注浆情况，图9为注浆小导管注浆流程图。

图7 樵岭前隧道CD法施工图

图8 樵岭前隧道现场注浆

图9 注浆小导管注浆流程

2.5 防水要求

衬砌混凝土施工以防水混凝土标准施工，施工缝、变形缝须达到防水要求，对混凝土基面进行平整，清除浮渣，使防水层能够紧贴于混凝土基面。防水层铺设完成后采用充气法或真空法进行检查，确保严密可靠，在渗水地段先进行注浆止水，再铺设防水层。排水盲管和纵、横向排水管应安装在平整干净的基底上，确保排水顺畅。

3 施工质量保证措施

3.1 开挖质量保证措施

(1)开挖作业严格按照光面爆破设计进行。

(2)严格控制炮眼的位置、深度和角度。

(3)爆破后，及时对断面进行复测，分析超、欠挖原因，及时修正爆破参数，保证隧道开挖后硬岩的炮眼残留率达到80%以上，中硬岩达到60%以上。

3.2 支护质量保证措施

(1)严格检查支护材料，确保支护材料的材质、质量、类型、数量、规格和性能满足要求。超前小导管插入孔内的长度大于设计长度的95%，孔内灌浆密实饱满，垫板紧贴围岩，用M10砂浆对围岩进行填平处理，锚杆垂直于开挖轮廓线布设。

(2)钢筋网与隧道断面形状相适应并与锚杆或其他固定装置连接牢固。质检人员应跟班检查搭接宽度是否符合要求，网格尺寸是否与图纸相符。

(3)喷射混凝土拌和严格按规范及监理工程师批准的配合比进行。质检人员跟班检查，严格控制喷射混凝土厚度，认真做好施工记录，并在隧道全长内每隔10～20 m取至少1个试件，从拱中心向两侧边墙每隔2 m取样，用以检验强度是否合格。

(4)开挖断面周边有金属杆件和钢支撑时，将杆件和支撑背面喷射填满，粘结好。

(5)按规范检查喷射混凝土表面，若出现松动、开裂、下坠及滑移等现象，应及时清除重喷。

3.3 防水层铺设质量保证措施

在专业技术人员的指导下施作防水层铺设全过程。铺设前保证初喷混凝土表面无湿渍，有湿渍处进行压浆处理。并对初喷混凝土表面进行找平，割除出露的钢筋头，用砂浆抹平。防水层铺设完成后，要对防水层进行保护，以免后续钢筋焊接等施工破坏防水层。

4 现场监控量测与分析

结合樵岭前隧道施工以及围岩条件采取相应监控量测方法，采用较成熟的测试手段对隧道断面进行监控量测，迅速处理、分析监控量测数据，根据量测数据判断围岩的稳定性，指导施工预防坍塌，保证施工安全。采用的仪器主要有拓普康ES-101全站仪。详细检测项目见表2，隧道拱顶下沉及周边位移测点布置如图10所示。施工过程中在ZK108+218桩号处超前地质预报系统探测到掌子面前方15 m处有破碎带，在ZK108+208桩号位置处更换为破碎带支护参数,樵岭前隧道右线隧道破碎带ZK108+190断面拱顶下沉时态曲线图如图11所示，周边位移时态曲线图如图12所示。

表2 现场测试项目及量测方法

图10 隧道拱顶下沉及周边位移测点布置

图11 隧道左线ZK108+190拱顶下沉时态曲线

图12 隧道左线ZK108+190周边位移时态曲线

由图11、12可知，该断面监测最大拱部下沉值为16.4 mm；周边位移最大值为7.1 mm，远小于设计预留变形量，且下沉值和周边位移值远小于设计要求的预留变形量180 mm。隧道开挖后，拱顶下沉和周边位移先急剧增长，之后进入缓慢增长阶段，持续变形30～40 d后趋于稳定，最终达到1个相对稳定的状态，表明初期支护完全能够控制隧道变形。从监测断面的拱顶下沉值可以看出：右侧导洞2号(先导洞)处的下沉变形最大，拱顶0号点与左侧导洞1号(后导洞)点的下沉变形相近且较小。左侧后导洞的开挖对右侧先导洞的下沉稳定有较大影响，右侧先导洞的下沉值显著大于左侧后导洞。

综合分析可知：周边位移和拱顶下沉变形规律一致，都经历了急剧增长、缓慢增长和稳定3个阶段。穿越破碎带时采取的施工控制措施效果良好，对围岩变形的控制效果良好。

5 结 语

(1)超前地质预报确定破碎带位置、对破碎带围岩进行超前注浆加固、拱部结合墙部注浆加固提高破碎带围岩支护强度以及严格控制施工步距等措施可以确保超大跨度公路隧道安全、顺利通过破碎带。

(2)拱部采用Φ50 mm的450 cm+300 cm双排注浆小导管，能够有效控制围岩变形，且变形不超过16.4 mm，远小于设计要求的预留变形量180 m。

(3)采用CD法开挖施工，严格控制施工步距，后导洞滞后于先导洞15～20 m，下台阶滞后于上台阶3～5 m，每循环开挖进尺控制在0.6 m，能够保证超大跨度公路隧道顺利穿越破碎带。