涌水大跨分岔式隧道施工关键技术研究*

黄国涛

(中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

分岔式隧道作为一种特殊的隧道布置形式，通过在隧道内设置分岔口，在较短距离内由大跨隧道、连拱隧道、小净距隧道逐步过渡到一般分岔式隧道，最终在平面上呈现“Y”形分岔结构形式。铁路分岔式隧道是在地形、地质条件极其复杂的山区，为了满足设计、施工、造价等要求而发展出来的一种新型隧道结构形式，与传统的双向独立式隧道相比，在节约投资、满足特殊功能需求等方面具有较大优势。

目前对于分岔式隧道研究，大部分学者聚焦于连拱隧道、小净距隧道和大跨度隧道的稳定性，仅有少部分学者对分岔式隧道施工参数及施工关键技术做出较详细的说明。为此，本文以阳安二线直通线包湾村隧道工程某段分岔施工为工程背景，总结了一套较完整的分岔式隧道施工关键技术，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景与特点

1.1 工程概况

阳安二线直通线包湾村隧道位于陕西省安康市辖区汉江右岸大巴山低山区，平均海拔410.000～960.000m，洞身地表起伏较大，地表自然坡度30°～50°，地表植被茂密，洞身发育众多冲沟，沟内主要为粉质黏土及膨胀土。隧道起始里程为XDK232+880，属大岭铺—安康东联络线，为2个喇叭口隧道，上行直通线(右线)隧道出口里程为XDyK236+717， 下行货车线隧道出口里程为XHK236+950。该隧道为1双线3单线结构，洞内分为左线(直通线(双线)、下行货车线(单线)、下行客车线(预留单线))、右线(上行直通线(单线))。双线长2 145m，变断面段长 435m，单线长3 099m，斜井长201m，隧道全长5 679m。阳安二线直通线包湾村隧道平面如图1所示。

图1 隧道平面示意

1.2 工程地质条件

隧道地层为第四系全新统洪积膨胀土、坡积粉质黏土、细角砾土，上更新统冲积粉质黏土、膨胀土、粉土、粗圆砾土，中更新统冲积膨胀土；下伏基岩为志留系下统片岩，紧邻南秦岭活动带，正处秦岭峰腰构造南端，呈近东西向分布。受多次构造活动的影响，其内部组成与构造变形十分复杂。隧道区的地下水主要为基岩裂隙水，赋存于岩体节理、裂隙及断层破碎带中，富水性差异较大，在岩体较完整地段，富水性较差；在岩体破碎带、节理密集及断层破碎带，富水性较好。

2 工程重难点

1)分岔式隧道小净距内涉及分离段、小净距段、连拱段和大拱段，隧道结构受力复杂、工序转换频繁导致其各接头处施工难度大。

2)连拱隧道施工工艺复杂，施工技术要求高，易造成隧道开裂现象，施工质量要求高。

3)隧道断面面积从114.03m2逐渐过渡到201.28 m2， 涌水大断面喇叭口支护难度大。

3 施工技术要点

3.1 施工工艺流程

第1个喇叭口断面由双线经过6次断面加宽转换为2个单线断面，第2个喇叭口断面由单线经过3次断面加宽转变为2个单线断面。斜井施工完毕进入第2个喇叭口，在交叉口第1次洞室转换后双向进行正洞施工。大里程端变断面施工完毕，在两单线间采用开挖中导洞、浇筑中隔墙法施工，完成下行客车线和下行货车线38m的小净距段施工，小净距最窄处为0.84m，最宽处为3.6m。小里程单线施工至第1个喇叭口处，采用临时导洞法，从单、双线交界处斜交10%的坡度，完成单线至大跨段正洞的挑顶工作，使单线进入双线正常断面，随后反向扩挖完成单线斜交进入双线断面段落的正洞扩挖工作。最后采用控爆法完成上行直通线与下行直通线120m的小净距段施工。

3.2 确定开挖工艺

3.2.1开挖方法

隧道施工过程为隧道开挖→开挖空间支护→衬砌，维持开挖面稳定→浇筑永久衬砌结构。

各开挖方法施工参数如表1所示。通过对不同施工组织情况下各开挖方法进行对比分析，结果表明三台阶开挖法更适于本工程隧道喇叭口段施工。

表1 5各开挖方法施工参数对比

3.2.2爆破设计

按设计采用台阶法爆破，爆破进尺为2.5m，上、下断面开挖，炮孔直径均为40mm，药卷类型为φ32mm×200mm，采用2号岩石乳化炸药，周边眼采用半节药卷间隔装药，并通过导爆索连接，每3根导爆索通过1个毫秒延期雷管进行连接，其余炮眼均采用连续装药炮泥堵塞，长度≥20cm。

3.3 地层加固措施

针对阳安二线隧道分岔大跨段地层加固，在有条件的地段采用了地表加固施工，在无条件的地段进行了洞内超前帷幕注浆加固，以降低洞内开挖风险。

3.4 分岔段初期支护

开挖一定距离后，及时加设支护是施工的重要环节。分岔大跨度截面初期支护由C25纤维喷射混凝土、双层工字形钢架、钢筋网和连接筋组成。采用内、外双层支护，开挖初期架设外层钢架，随着开挖深度增大，外层钢架架设3～5m后，架设内层钢架。分岔大跨段二次衬砌采用双台车同步施工，并保留临时支撑。

3.5 防水施工

分岔大跨段防水采用排导形式，主要材料有防水板、止水钢板、背贴式止水带、中埋式钢边橡胶止水带和遇水膨胀橡胶止水条。

3.5.1洞内防排水

1)隧道单线地段设置双侧水沟，双线地段设置双侧水沟+中心水沟。为保证隧道内纵向排水顺畅，XDK235+548—XDK235+788喇叭口段两侧水沟深度由72cm加深至128cm，沟底与单线隧道沟底齐平。单线变双线喇叭口施工时，施作临时水沟，在斜井与正洞的交叉口处预留边长2m、深1.5m积水坑。施工区域内，每隔50m在仰拱填充上留宽1m、长6m、深1m积水坑，分段抽排。

2)对于洞身中地下水较多的V级围岩、软弱破碎带地段、下穿沟谷地段，可采取超前预注浆措施加固地层并阻水。

3)衬砌拱墙后设防水板(厚度≥1.5mm)，背衬无纺布(质量≥400g/m2)，拱墙环向及墙角纵向分别设φ50，φ80mm单壁打孔波纹管，并与侧沟相连，环向盲沟间距按4～9m考虑，地下水发育时应密布透水管。

4)施工缝和变形缝应采取可靠的复合防水措施。环向施工缝采用中埋式橡胶止水带+外贴式橡胶止水带，纵向施工缝采用中埋式橡胶止水带+中埋式橡胶止水条；变形缝采用中埋式橡胶止水带+外贴式橡胶止水带+嵌缝材料的复合防水结构。

5)隧道初砌混凝土抗渗等级要求大于P10，且在地下水发育等对混凝土腐蚀严重的地层，混凝土抗渗等级不得低于P12，此时应充分利用初砌结构的自防水性能。

3.5.2洞外防排水

1)隧道洞口应具备完善的排水系统，隧道进出口边仰坡开挖线以外每5～10m设置1道截水沟，引入洞前冲沟内。

2)断面XDK235+890处隧道下穿浅埋沟谷，沟中流水，部分地段位于第四系地层中，采用M10浆砌片石对沟心上游30m至下游20m进行铺砌，铺砌厚度为30cm。

3.6 隧道通风施工

为保证隧道内空气质量，采用单管压入式通风方式进行隧道通风。在距隧道洞口30m处安装1台通风机，采用耐腐蚀的大口径PVC材质管道作为通风管道。随着隧道开挖深度的增大，不断接长通风管至距掌子面50m范围内。在距隧道洞口300m污浊空气中安装1台射流风机辅助通风，以加速污浊空气排出。

4 加宽断面受力及变形分析

断面加宽处面积突然增大，施工对围岩的扰动区域增大，应力释放过程加快，释放的围岩压力增加，导致围岩累积变形量增大，衬砌受力增大，即断面加宽处为危险截面。通过有限元软件MIDAS/NX建立二维模型，模拟分析加宽断面开挖时的隧道围岩变形、衬砌结构应力分布。以典型断面XDK235+220和XDzK235+788为例分析洞室开挖过程中隧道围岩和衬砌结构的内力变形状态。

4.1 洞室周边围岩变形分析

隧道全部开挖支护完成后，断面XDK235+220和XDzK235+788围岩变形情况如图2，3所示。

图2 围岩竖向位移云图

图3 围岩横向位移云图

由图2，3可知，本段隧道属于深埋隧道，围岩形成自然拱，围岩的变形量及其影响在一定范围内，上台阶拱脚处和仰拱处收敛位移变化趋势较大。依设计要求，本项目施工过程中地层变形控制值为15mm，依据新奥法进行隧道施工，衬砌及时，加宽断面围岩变形虽有一定的影响范围，但从数值上看，断面XDK235+220竖向最大变形量为1.58mm，横向最大变形量为0.57mm；断面XDzK235+788竖向最大变形量为1.96mm，横向最大变形量为0.44mm，均满足变形控制要求。

4.2 衬砌受力分析

隧道开挖完成后，分析断面XDK235+220和XDzK235+788支护结构应力分布，最大应力分布如图4所示。

图4 支护结构最大应力

由图4可知，由于采用台阶法施工，开挖断面受到多次地层作用，导致支护结构最大应力大部分呈现负值，对应为压应力，符合衬砌混凝土的受力特性；隧道支护初期阶段，虽然小部分支护结构所受最大拉应力超出其极限拉应力，但由于其范围分布较小，并未造成支护结构破坏失效现象，符合混凝土受力一般特征。

从数值模拟结果看，加宽断面处虽然对围岩的扰动区域增大，但应用新奥法“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”的理念，最终围岩变形量和压力均在允许范围内。

5 结语

1)以阳安二线直通线包湾村隧道工程为背景，根据工程地质、水文等条件，分析全断面法、分部开挖法和台阶开挖法对大跨分岔式隧道的适应性，最终确定了三台阶开挖的隧道开挖方案，并对三台阶开挖方案进行了详细介绍。

2)通过对加宽断面处数值模拟，分析了加宽断面开挖时的隧道围岩变形、衬砌结构应力分布，同时结合实践发现，断面加宽处面积突然增大，施工对围岩的扰动区域增大，应力释放过程加快，释放的围岩压力增加，围岩累积变形量增大，衬砌受力增大。采用合理的断面渐变结构、超大断面的合理分块、保留临时支撑施作二次衬砌等技术是保持隧道稳定性的有效措施。