虎跳峡分岔隧道大断面施工工法优化研究*

张海太，李晓冉

(1.云南丽香高速公路投资开发有限公司，云南 昆明 650217；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引言

根据隧道间的关系，在互通立交处可能出现如图1所示的结构形式。在匝道隧道和主隧道连接处，常采用连拱隧道和小间距隧道，形成图1中的Y形平面分岔。虎跳峡隧道分合流处的大断面分岔隧道在平面设计上采用多种断面渐近过渡的方式实现分岔，并且大断面隧道尺寸较大，拱部成拱难度大、效果差，需结合实际情况研究和优化开挖工法，从而确保隧道安全施工。

图1 互通立交隧道形式

国内外学者对城市地下分岔隧道进行较多研究，邹云等[1]侧重重庆朝天门隧道的方案和选型研究；钟祺等[2]采用三台阶法分部施工双层初期支护的措施，显著提升施工技术，并取得较好的经济效益；刘家澍等[3]对分岔隧道中的连拱段开挖过程关键工序进行优化，认为中导洞台阶法直接开挖是安全可行的；赵博剑[4]研究大断面段隧道先行导洞反向扩挖的施工方法，结合数值模拟和现场监测说明该工法的施工步序及细节；张富鹏等[5]比较分岔隧道较少见的反向扩挖法和传统中隔墙法，从隧道结构应力、位移和塑性区范围进行研究；刘强等[6]以大跨度分岔隧道地表沉降控制为标准，采用数值模拟法优化比选6种工法；徐冲[7]综合三维数值模拟、仿生优化、核机器学习和突变理论等方法，反演分岔隧道围岩力学参数，在开挖与支护方案中选出最优施工方案。综上，分岔隧道传统开挖方法采用中导洞法，连拱段及小净距段左右洞室开挖工法与工序不同对结构和围岩受力影响很大，相关研究多采用数值模拟方法比较分析不同施工工法，当然近年来也有研究利用智能优化方法对分岔形式、开挖支护方法进行分析。

超大断面常采用双侧壁导坑法、CD(中隔壁法)或CRD工法(交叉中隔壁法)、上下台阶法、全断面法或其组合方法进行施工。本文根据虎跳峡分岔隧道大断面段特点，在双侧壁导坑法的基础上进行优化，设计相应施工工法，积累新工法施工经验。

1 工程概况

虎跳峡总体地势为东南低、西北高，沿线地形地貌复杂、起伏明显，沟谷切割深，密度集中，隧道线路附近海拔高程为1 362.650～2 746.290m，山脉与当地水系走向基本一致，隧道区域地形较陡，区段内主要分布地层为第四系坡残积土，严格受地质构造控制。大断面SE隧道的最大开挖面积达358.7m2，起止点为ZK75+990—ZK76+060。主线隧道设计速度为80km/h、匝道部分设计速度为60km/h。该地段围岩岩性为褐灰色、深灰色、灰黑色、灰白色板岩夹灰岩透镜体，多呈中风化、块石碎块状，受构造影响，节理裂隙发育，岩体较完整，岩质软，呈块(石)碎(石)状碎裂结构，拱部无支护时可能产生一定坍塌，侧壁有时失去稳定性。地下水位埋藏很深，施工段赋存少量裂隙水，富水性较弱，隧道施工中预测涌水量一般，对隧道施工有一定影响。

根据隧道围岩的地层特征、土体力学性质、风化因素等地质条件，考虑构造应力、地下水及隧道埋藏深度等因素后，综合评定隧道围岩级别为Ⅳ级。根据JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》[8]，得到各级围岩物理力学指标建议值，即弹性模量E为4GPa，黏结力c为0.5MPa，内摩擦角φ为38°，重度γ为25kN/m3。

2 工程难点

1)地质条件复杂，拱部无支护时可能产生一定坍塌，侧壁有时失去稳定性。

2)施工区地表水系发育，水量受季节性影响变化较大，地表水对桥梁和隧道施工有较大影响。

3)施工工期短，需快速安全进行。

3 施工方案及工序

3.1 改进的大断面隧道施工方案

虎跳峡分岔隧道整体开挖顺序如图2所示。其中隧道左线SE衬砌由B2匝道隧道和虎跳峡左线在ZK76+060里程处并线组成，全长70m，为5车道隧道。SE型衬砌结构开挖宽度27.46m，衬砌净宽24.2m，如图3所示。

图2 分岔隧道整体开挖顺序

图3 分岔隧道大断面段

分岔隧道小净距段隧道轮廓、连拱段隧道断面轮廓分别如图4a,4b所示，大断面段的原设计指导方案根据双侧壁导坑法，如图4c所示，即先开挖隧道两侧导坑，及时施作导坑四周初期支护及临时支护，然后再分步开挖中部土体的开挖法。

图4 各断面轮廓及大断面施工步骤

实际施工中，先行导洞(左侧壁)初期支护施工完成后，继续正向(香格里拉方向)SC-2衬砌(净跨径为16.8m，宽度小于SE衬砌)断面掘进，然后反向(丽江方向)施工SE衬砌中导洞，此时需要多次挑顶施工才能达到中导洞反向开挖条件，同时二次衬砌与开挖断面距离近80m，仰拱未闭合，大断面二次衬砌成环搁置太久，给施工作业带来较大风险。

考虑隧道先行导洞开挖后，围岩较干燥无渗水现象，对隧道施工有利。本断面总长度为70m，采用改进双侧壁导坑法施工，如图5所示。施工前必须先做超前地质预报，初步判断前方围岩后，将开挖断面分成5块，即左侧壁导坑、右侧壁导坑、中导洞上台阶、中导洞中台阶及中导洞下台阶。首先以隧道出口向进口方向开挖隧道的左侧壁导坑(开挖方向)，开挖方式为上下两台阶法，待左侧壁全部开挖完成后(70m)，仰拱跟进40m。再施工右侧壁导坑，施工方法与左侧壁导坑一致，待右侧壁开挖35m，掌子面停止施工封闭断面，在右侧壁临时支撑25m至31m处，进行中导横洞施工(横挖中导洞，贯穿左右侧壁)，横洞施工完成后反向(丽江方向)施工中导洞直至施工起点。然后正向(香格里拉方向)同步施工二次衬砌及右侧壁、中导洞剩余部分。二次衬砌在ZK76+029—ZK76+060段完全开挖和初支后，开始在该段拼装台车，台车长10.5m，台车拼装完成后，从ZK76+060开始施工，直到完成该段。

图5 改进的双侧壁导坑法施工步骤

改进后的大断面双侧壁导坑法将调头反向位置定于SE衬砌隧道段内，相比原施工方案中在SC-2衬砌隧道段内调头，不需扩挖，且因为断面形式不存在转换，减少中导洞反向开挖而设置的横向导洞挑顶施工量。

3.2 大断面隧道总体施工工序

大断面隧道施工工序如下：开挖左侧壁上台阶(1次初支和临时支护)→开挖左侧壁下台阶(1次初支和临时支护)→正向施工左侧壁仰拱→开挖右侧壁K76+060—K76+025上台阶(1次初支和临时支护)→开挖右侧壁K76+060—K76+025下台阶(1次初支和临时支护)→施工横洞段Ⅰ部及龙门架挑顶K76+029—K76+035(1次初支和临时支护)→施工横洞段Ⅱ部K76+029—K76+035(1次初支)→反向施工中导洞K76+060—K76+025(1次初支和仰拱)→右侧壁施工，同时拆除临时支撑与拼装二次衬砌台车→中导洞施工K76+025—K75+990及二次衬砌K76+060—K76+025→二次衬砌K76+025—K75+990。总体施工顺序如图6所示。

图6 总体施工顺序

4 施工技术要点

4.1 左侧壁施工

1)开挖施工由隧道出口向进口方向(丽江至香格里拉方向)掘进，上台阶开挖高度8.58m、宽度14.08m；下台阶高度5.84m、宽度14.08m。

2)采用加工组装作业台架配合人工进行开挖，以YT-28气腿式风动凿岩机钻眼、光面爆破技术施工，施工中尽量减少围岩扰动。侧壁采用上下台阶法，上下层掌子面应保持3～5m距离。下台阶一次开挖到仰拱，仍使用YT-28气腿式风动凿岩机钻眼，弱爆破及人工配合机械开挖。开挖每循环进尺控制在2榀拱架间距。初期支护完成后，及时跟进仰拱及仰拱填充，距掌子面≤50m。

3)上台阶拱部径向设置φ25自进式锚杆，长5m，环向间距100cm，纵向间距60cm。超前支护小导管采用φ42×4热轧无缝钢管，长4.5m，每3榀设置1个循环，每循环27根，环向间距30cm，上仰角为15°～20°。临时支撑上台阶拱部径向设置φ25中空注浆锚杆，长2.5m，环向间距100cm，纵向间距60cm。超前支护小导管规格与主洞一致，每5榀设置一个循环，每循环12根，环向间距40cm。下台阶边墙径向系统采用φ25自进式锚杆，长8m，设置角度为水平向下25°，待左侧壁施工完成(70m)后，再施工右侧壁。左侧壁施工如图7所示。

图7 左侧壁施工示意

4.2 右侧壁施工

1)右侧壁(ZK76+060—ZK76+029)导洞由B匝2号隧道施工至SE断面交汇处后，以B匝向左线进口方向为后行洞，组成SE断面右侧壁导坑，由隧道出口向进口方向(丽江至香格里拉方向)掘进。开挖断面宽9.6m、高8.58m。上下台阶施工方法及技术参数与左侧壁相同。

2)右侧壁上台阶开挖至35m(ZK76+025)时，右侧壁掌子面停止施工，采用C25喷射混凝土封闭围岩，以保证开挖面稳定。右侧壁施工如图8所示。

图8 右侧壁施工示意

3)待中导洞(ZK76+025—ZK76+060)段施工完成后，右侧壁继续正向(香格里拉方向)施工剩余的35m断面。

4.3 中导洞施工

图9 中导洞施工示意

5 监控量测

虎跳峡分岔隧道处于软弱破碎围岩段，且断层破碎带发育，应有针对性地设计分阶段监测方案，从而适应大断面分岔互通隧道断面大、形式多样、工法转换复杂的特点。通过对比不同阶段获取的数据，验证或调整先行制定的施工工法及工序，对达到预警值的部位加强支护措施。

在大断面段隧道施工中，结合所处区域的地质特征，开展周边位移、拱顶下沉、地表下沉监测项目。拱顶下沉和周边位移测点安设在同一断面，在拱顶及距离隧道轴线水平距离3m处分别设置拱顶下沉测点中测点和左右测点。在起拱线以上1.5m处安设周边位移测点，监测点布置如图10所示。地表下沉量测横向测点一般布置在3～5倍洞室宽范围，测点横向布置间距为2～5m，测点布置如图11所示。

图10 拱顶下沉、周边位移测点

图11 地表下沉测点

本大断面段施工里程断面均为Ⅳ级围岩，故在中导横洞施工段范围，监测围岩、支衬及初砌压力，钢拱架内外力， 围岩体内位移。按规范要求，每10m设置一环监控量测点，监测点布置如图12所示。

图12 监测点布置

监控量测频率初期支护为1～10d，每天2次，根据沉降位移数据判断是否可正常施工，为下步施工计划做准备。

大断面主要位置处的沉降位移监测数据如图13所示。开挖后30d内，不同位置处的拱顶沉降位移发展较快，之后位移增长缓慢，最终接近25mm。根据JTG/T F60—2009《公路隧道施工技术细则》[9]，断面沉降累计位移小于设计极限位移值的 1/3，可正常施工。

图13 沉降位移监测数据

6 优化施工结果

大断面SE隧道开挖采用改进的双侧壁导坑法，优化后的施工工序使开挖施工更安全，同时缩短开挖工期。原方案大断面隧道进度为22m/月，优化方案施工进度为46m/月。大断面隧道长70m，因此施工大断面隧道段总工期比原方案缩短近50d。

7 结语

本文基于虎跳岭大断面分岔隧道工程，提出改进双侧壁施工方法开挖大断面段，主要施工工艺及关键技术如下：①改进双侧壁导坑法适用于围岩干燥且强度较大的环境，整体开挖顺序为左侧壁→右侧壁→横导洞→中导洞；②侧壁导洞开挖选用台阶法，防止围岩过大扰动；③中导洞采取三台阶法，边开挖边支护；④隧道施工过程中进行监控量测，动态反馈并指导施工组织方案设计，监测数据反映施工可正常安全进行。