复杂环境下某特大悬索桥隧道锚施工难点及安全应对措施

余家富，王腾飞，苏 杨，祁舒燕

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 工程概况

某悬索桥主跨1 060m采用有砟双线铁路钢桁梁，主缆跨度为(245+1 060+270)m，主梁跨度为(130+1 060+90)m(见图1)。为较好利用锚址区地质条件，尽量减少破坏周边环境，两岸锚碇均采用隧道锚。

图1 某特大悬索桥桥式立面布置(单位：m)

成都岸锚址区内主要分布坡积碎石土，全、强风化闪长岩/花岗岩，弱风化闪长岩/花岗岩，破碎弱风化花岗岩/闪长岩，碎裂岩(构造破碎带)，微风化闪长岩、花岗岩等。受泸定断裂剪切带影响，锚址区岩体较破碎～破碎，且多有变质，弱风化岩体、破碎弱风化岩体、碎裂岩体等均呈近南北向分布。勘探平洞揭露的碎裂岩(构造破碎带)节理裂隙发育，岩质较软，风化不均，主要为强风化闪长岩、花岗岩，受地质构造挤压破碎明显。隧道锚址区碎裂岩(构造破碎带)岩体抗剪断摩擦系数为0.51，抗剪断黏聚力为0.2MPa，变形模量为0.35GPa；破碎弱风化花岗岩/闪长岩岩体抗剪断摩擦系数为0.80, 抗剪断黏聚力为0.7MPa，变形模量为1.5GPa；弱风化花岗岩/闪长岩岩体抗剪断摩擦系数为0.84，抗剪断黏聚力为0.8MPa，变形模量为5GPa。

2 隧道锚工程特点

1)三大 ①主缆拉力大 成都岸隧道锚主缆拉力4.3×105kN，为国内主缆拉力最大隧道锚；②开挖角度大 隧道锚轴线竖向夹角为38°，开挖底部夹角>40°；③断面尺寸大 隧道锚锚塞体段前锚面尺寸为13.82m×16.70m(宽×高)，后锚面尺寸为17.12m×24.60m(宽×高)(见图2)。

图2 隧道锚断面(单位：m)

2)两变 ①断面多变 隧道锚主缆通过段、前锚室段、锚塞体段、后锚室段断面均不一致，且除主缆通过段为等截面断面外，均为前小后大的变截面；②地质多变 锚址区弱风化岩层、破碎弱风化岩层、碎裂岩间隔分布，十分复杂。

3)一复杂 即周边环境极其复杂。隧道锚与铁路隧道最小距离仅16.782m，按照铁路隧道施工组织筹措，铁路隧道先通过平行导坑开挖至洞内后返打出洞，铁路隧道与隧道锚掌子面存在交叉施工问题(见图3)。

图3 隧道锚与铁路隧道位置关系(单位：m)

3 施工难点分析

3.1 锚洞断面大，成洞难度大

经现场原位测试，碎裂岩变形模量比规范取值小，围岩收敛变形大。锚洞范围围岩级别为Ⅳ1，Ⅴ1，围岩抗剪强度低。隧道断面大，锚洞最大宽度17.12m，最大高度24.6m。隧道锚开挖周期长，开挖期间难以施作二次衬砌控制围岩变形，围岩压力由初期支护及初期支护形成的围岩共同承担。以上因素决定成洞难度大，面临巨大施工风险。

3.2 轴线倾角大，出碴困难

隧道锚锚体轴线倾斜角度为38°，其中前锚室轴线长62m，锚塞体轴线长85m，后锚室轴线长3m。隧道锚坡度大、距离长，锚洞出碴困难，开挖方量大(总计7.4万m3，其中锚塞体及前锚室6.6万m3)，采用传统大角度有轨运输方式，运输效率低、施工工期长，需选择快速出碴方式。

3.3 隧道锚洞与铁路隧道施工相互影响

成都岸设置2个隧道锚，隧道锚间水平净距为45～46m，二郎山铁路隧道从2个隧道锚中间穿过。铁路隧洞与隧道锚距离最近处为散索鞍基础段，最小净距16.782m，锚塞体置于铁路隧道下方，与铁路隧道最小距离约20m。按照铁路隧道施工工序，铁路隧道通过平行导坑开挖至洞内后反打出洞，铁路隧道与隧道锚存在掌子面交叉作业，铁路隧道与隧道锚的施工工序影响成洞及锚固系统安全，需选择合理的施工工序及控制措施，确保隧洞及隧道锚安全。

4 安全应对措施

4.1 加强隧道锚初期支护设计

隧道锚暗挖段按新奥法原理进行设计和施工，隧道锚支护及衬砌参数根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，采用工程类比结合数值分析计算法确定：①初期支护 由格栅钢架或工字钢拱架、径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，钢拱架间用纵向钢筋连接，并与径向锚杆及钢筋网焊为一体，与围岩密贴，形成承载结构；②二次衬砌 采用钢筋混凝土结构，以确保隧道支护结构安全。

隧道锚初期支护采用C30聚丙烯合成纤维喷射混凝土，设置直径8mmHPB300钢筋网，并设置工字钢(或格栅)拱架，采用自进式φ25×5(或φ32×6)中空注浆锚杆。

为保证围岩收敛变形满足要求，隧道锚锚洞在鞍室段、前锚室段、锚塞体段及后锚室段拱部及边墙设置φ51×8自进式预应力中空注浆锚杆，环向每隔3根系统锚杆设置1根，纵向间距与系统锚杆纵向间距均为15m，取消相应位置系统锚杆。预应力锚杆与系统锚杆同时施工，当初期支护喷射混凝土强度达70%，且锚杆砂浆强度达到70%后张拉预应力。为确保成洞安全，隧道锚主缆通过段拱部采用φ108大管棚超前支护，其余地段拱部采用φ89长管棚+φ42小导管超前支护。

按照隧道锚锚洞支护参数及设计确定的施工顺序，采用FLAC 3D进行数值模拟分析，得出如下结论。

1)围岩开挖变形总体表现为向临空面发展的特点，位移大小与分布受地应力大小、岩层分布影响明显，整个锚洞围岩开挖变形较显著区域集中在碎裂岩(破碎带)分布区域，埋深越大、开挖洞径越大，围岩变形越大。开挖完成后锚洞围岩变形量最大约136.2mm，出现在下游侧锚塞体靠近后锚室段边墙部位，该部位是碎裂岩埋深较大部位。支护后锚洞相对收敛位移最大约1.6%，属轻微挤压变形。基于数值计算获得的锚洞围岩收敛变形基本满足GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》要求。

2)计算得到的围岩收敛变形值在规范允许范围内，局部碎裂岩洞段支护后属于轻微挤压变形，围岩损伤破坏较严重区域基本在锚杆控制范围内，支护结构受力较大或屈服部位集中在碎裂岩洞段，但整体占比较小，满足施工期锚洞围岩稳定要求。

4.2 采取合理的开挖方案

隧道锚施工前应先做好边坡、仰坡的防护和加固，施工时尽量减少围岩扰动，按管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测的原则进行开挖和支护。

隧道锚按新奥法原理组织施工，均采用控制爆破法，主缆通过段按照台阶法施工，其余地段采用台阶预留核心土分部开挖法施工，必要时设置临时仰拱或采用CRD法，以减少围岩扰动。洞室上台阶垂直锚洞轴线，其余台阶采用水平分层开挖，实现台阶法施工。台阶法开挖断面如图4所示。

图4 台阶法开挖断面

由于围岩岩性较差，若支护不及时，隧洞存在坍塌风险。因此要求开挖前在掌子面前方打长管棚和小导管等超前支护，开挖时根据钢架间距，每开挖1榀及时施作初期支护。初期支护结构应尽快形成封闭，以控制围岩应力变形和塑性区发展。

4.3 利用泄水洞出碴

利用成都岸泄水洞作为隧道锚出碴运输通道，泄水洞采用单车道无轨运输断面，从后锚室设出碴导洞至前锚室，沿洞室底部布置。隧道锚采用台阶法自上而下施工，弃碴利用自重从出碴导洞向下输送至泄水洞尾段后，利用装载车通过泄水洞外运至弃碴场，如图5所示。

图5 利用泄水洞出碴方案

在隧道锚洞口及泄水洞洞口开设工作断面，同步施工隧道锚主缆通过段及出碴导洞、泄水洞。出碴导洞采用断面尺寸为内净空4.0m×4.0m的拱顶圆弧断面，设初期支护。由于出碴导洞尺寸小、坡度大(40°)，自下往上施工风险高，因此，出碴导洞从上往下施工。

泄水洞按单车道无轨运输断面进行设计，宽为1.0m(人行道)+0.6m(侧向宽度)+2.8m(车宽)+0.6m(侧向宽度)，总宽5.0m，净高3.85m，洞内设1根通风管。

泄水洞与出碴导洞贯通后，从上往下开挖隧道锚前锚室及锚塞体段，弃碴在重力作用下下滑至后锚室。

4.4 施工工序及影响控制措施

由于铁路隧道开挖导致锚塞体向上产生位移，且爆破作业威胁锚固系统安全，为确保锚碇受力安全，应在浇筑锚塞体混凝土前完成影响范围内的铁路隧道爆破作业，铁路隧道与隧道锚施工应在此前提下合理安排施工工序。

为研究合理的施工顺序，对先施工隧道锚再施工铁路隧道(先锚后隧)、先施工铁路隧道再施工隧道锚(先隧后锚)、隧道锚与铁路隧道同步施工(锚隧同步)的情况进行数值模拟分析，隧道锚典型截面特征部位围岩变形值对比如表1所示。可以看出，不同开挖方案中，全部开挖后隧道锚锚洞围岩变形分布规律基本一致，增量变形值相差在1mm内，其中锚隧同步开挖总体上比另两种方案稍大。先锚后隧和先隧后锚方案中，全部开挖后围岩塑性区基本一致。锚隧同步开挖方案中，在锚隧交叉部位围岩塑性屈服区范围开挖扰动相互影响有所增大，但范围有限，一般<3.0m。可见，不同开挖实施方案对锚洞开挖完成后围岩变形、塑性区分布影响较小。

表1 隧道锚典型截面特征部位围岩变形值 mm

铁路隧道与隧道锚先后开挖顺序对成洞安全性影响不大，施工仅考虑爆破对相邻洞室的安全性影响，由于洞室掌子面爆破导致另外的洞室掌子面掉块，因此，按照施工期间开挖掌子面距离最大进行施工组织筹措。铁路隧道与隧道锚施工相互影响控制措施如下。

1)铁路隧道及隧道锚采用合理的爆破控制振动措施。隧道锚影响段铁路隧道采用数码雷管控爆施工。隧道锚采用控制爆破施工，确保相邻洞室爆破振动速率≤5.0cm/s。

2)根据现场施工时序合理调整相互影响段铁路隧道开始施工时间，确保隧道锚浇筑锚塞体前在最短时间内完成相互影响段铁路隧道施工。

3)加强施工期的监控量测及运营期的健康监测。

4)铁路隧道施工单位及隧道锚施工单位应相互配合，成立联合指挥中心，合理布置临时场地，加强施工配合，所有洞室严禁同时爆破，确保施工安全。

4.5 加强监控量测及应急预案

施工单位在施工过程中必须进行现场监控量测，及时掌握围岩开挖过程中的动态和支护结构稳定状态，提供有关隧道锚施工全面、系统的信息资料，以便及时调整支护参数。

隧道锚和铁路隧道施工时，应加强隧道锚本体结构的爆破振动速率监测，如距离掌子面已实施的初期支护、散索鞍基础、邻近构筑物等，爆破振动速率应≤5.0cm/s。

成都岸地质较复杂，应结合出碴导洞进行超前地质预报，对揭露的碎裂岩范围进行必要的加固处理。

除常规应急预案外，应考虑以下特殊应急预案：实际施工过程中，应加强掌子面后方围岩变形监测，若洞室局部位置超过变形预警值应立即停止开挖，采用1 000kN预应力锚索进行加固处理，作为施工预案。

5 结语

某特大悬索桥成都岸隧道锚穿越破碎岩层，具有“三大两变一复杂”的工程特点，针对锚洞断面大、成洞困难，轴线倾角大、出碴困难，与相邻铁路隧道施工相互影响等施工难点，通过加强隧道锚初期支护设计，采取合理的开挖方案，利用泄水洞出碴，合理组织铁路隧道与隧道锚施工工序及进行影响控制，加强监控量测和应急预案等措施，确保成都岸隧道锚及相邻铁路隧道施工安全。