深圳南坪快速路新屋大跨度隧道綜合施工技術(shù)

陳明春

摘要: 本文通過對新屋隧道施工中的隧道靜態(tài)爆破技術(shù)、洞口淺埋段施工技術(shù)、過F1斷層帶施工技術(shù)和地質(zhì)超前預(yù)報、圍巖變形量測等方面進(jìn)行的深入研究總結(jié)，豐富了我國雙向八車道隧道施工技術(shù)，為以后類似隧道的施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞: 新屋隧道；F1斷裂帶；靜態(tài)爆破；TSP超前地質(zhì)預(yù)報

1.引言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，城市快速路建設(shè)的快速發(fā)展和交通量的逐步增多，大斷面公路隧道工程將日益增加。但是，對于雙向八車道（或單向四車道）大斷面公路隧道工程施工實踐并不多。當(dāng)前，我國現(xiàn)階段的四車道大斷面公路隧道建設(shè)既無成熟的經(jīng)驗供參考，又無標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范可參照；從目前情況來看，由于其自身具有眾多復(fù)雜的因素，再加上四車道隧道的跨度大，因而大斷面隧道的施工技術(shù)總結(jié)顯得尤為重要。

我們將目前國內(nèi)雙向八車道公路隧道及相似地下工程建設(shè)情況做一匯總，見下表1-1，從表中我們可以看出，雙線八車道公路隧道單洞最大跨度在23米左右，其最大高度含仰拱13米左右，從起拱線算起矢跨比最小為0.41,設(shè)計、施工建設(shè)難度都很大。而新屋隧道是目前國內(nèi)扁平率較小、長度較長的雙向八車道公路隧道。

表1－1 雙向八車道公路隧道及相似地下工程建設(shè)情況

2、項目概況

2.1、工程簡介

新屋隧道位于深圳市西麗片區(qū)塘朗山，是一座雙向八車道公路隧道, 左線起訖里程：Z12+220～Z12+844，長624m；右線起訖里程：Y12+240～Y12+844，長604m；左、右線隧道結(jié)構(gòu)間凈距為19m～34m，左、右線隧道結(jié)構(gòu)間凈距為19m～34m，隧道內(nèi)設(shè)車行橫通道和人行橫通道各1處，中心里程分別為：Y12+430和Y12+550。

2.2、地質(zhì)及水文情況

根據(jù)地域資料及地質(zhì)調(diào)查，勘查區(qū)及其周邊出露的地層主要有第四系地層、燕山期粗?；◢弾r、加里東區(qū)混合花崗巖。隧道地貌單元為剝蝕丘陵地帶，地勢起伏較大，植被茂盛，自然地形坡度一般20～40度，地面標(biāo)高一般在30～107m。

新屋隧道隧址區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，夏秋季有臺風(fēng)，臺風(fēng)影響時間為5～12月。地下水主要為松散土類孔隙水和基巖裂隙水。松散類土厚度變化較大且不穩(wěn)定，水量中等～貧乏，隧道基巖為燕山期粗粒花崗巖和加里東期混合花崗巖，節(jié)理發(fā)育，儲水量較大，是該區(qū)的主要含水層位，含水層富水性及透水性較好。根據(jù)水質(zhì)分析，地下水對混凝土具分解類酸型中等腐蝕性。

2.3、隧道設(shè)計情況

（1）隧道平、縱斷面

左、右線隧道均為曲線隧道，平曲線半徑為1200m，左、右線隧道結(jié)構(gòu)凈距為19～34m。左右線縱坡設(shè)計由小里程至大里程分兩個坡度1%和1.25%。

（2）隧道凈空、橫斷面

隧道橫斷面按分離式雙洞、即單洞四車道單向行駛斷面設(shè)計。隧道斷面凈寬18.99m，行車寬度15m（4×3.75m），雙側(cè)設(shè)寬0.75m檢修道；行車道凈高5m。路面橫坡2%，向曲線內(nèi)側(cè)下坡。隧道內(nèi)輪廓設(shè)計為五心圓拱形式。內(nèi)輪廓尺寸考慮了結(jié)構(gòu)施工誤差、預(yù)留變形、運營期間的部分設(shè)備安裝及裝修所需空間。

（3）結(jié)構(gòu)形式

按新奧法原理設(shè)計，充分利用圍巖自承能力，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)除明洞段，均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。有Ⅴ級復(fù)合加強、Ⅴ級復(fù)合、Ⅳ級復(fù)合、Ⅲ級復(fù)合及明洞五種斷面形式，各斷面均設(shè)雙側(cè)電纜溝，設(shè)清、污分流雙側(cè)水溝。

2.4、工程特點及難點

2.4.1 工程特點

（1）、隧道跨度超大：新屋隧道是分離式雙向八車道公路隧道，隧道開挖斷面寬最大為21m，高度為13.32m。

（2）、隧道地質(zhì)狀況差：隧道IV、V級圍巖占79.4%，III級圍巖占20.6%，施工工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，開挖進(jìn)度慢。隧道在Z12+585～+615和Y12+480～+520范圍內(nèi)有破碎構(gòu)造帶F1，為斷層碎裂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，需要采用超前大管棚支護(hù)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

（3）、隧道開挖控制爆破要求高：本標(biāo)段進(jìn)口為工業(yè)廠區(qū)周邊建筑物較多（計量院內(nèi)有精密儀器，不能受震動影響），為了避免爆破對建筑物造成破壞，隧道開挖均采取靜態(tài)爆破和光面控制爆破技術(shù)。

2.4.2 工程難點

隧道進(jìn)出洞口段覆蓋較薄，巖性透水性好，雨季施工易出現(xiàn)涌水、坍塌。 Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，工序復(fù)雜，組織快速化施工困難。

3、隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1、洞口淺埋暗挖段施工技術(shù)

由于地質(zhì)條件較差，邊、仰坡及圍巖自穩(wěn)能力極差，在這種情況下，要作好洞口段的施工，以盡快形成安全的進(jìn)洞條件，采取方案為：進(jìn)洞前先做好洞頂排水天溝，對仰坡進(jìn)行噴錨支護(hù)，盡量少刷坡。完成長管棚超前支護(hù)后，進(jìn)洞開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，人工配合機械開挖，型鋼鋼架支撐和掛網(wǎng)、噴、錨等聯(lián)合支護(hù)方式。

圖3-1 隧道洞口段V級圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工效果圖

隧道洞口覆蓋層較薄，暗洞進(jìn)洞相對困難，因此設(shè)置了一定長度的明洞。明洞采用明挖順做法施工，洞口土石方利用人工配合機械自上而下分層開挖、分層噴錨支護(hù)；襯砌分兩部分施工，先施工仰拱及墻角鋼筋砼，后進(jìn)行拱墻襯砌施工。

3.2、F1斷裂帶施工

3.2.1 F1斷裂帶情況

根據(jù)設(shè)計圖紙，隧道在Z12+590～+617和Y12+480～+524范圍內(nèi)有破碎構(gòu)造帶F1。左線F1斷裂帶為斷層碎裂巖、角礫巖、糜棱巖、斷層泥組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，呈微漲，巖體結(jié)構(gòu)為碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎裂及碎裂結(jié)構(gòu)，F(xiàn)1斷裂帶長30m，處于Ⅴ級圍巖，隧道穿越微風(fēng)化層與弱風(fēng)化層，隧道頂部弱風(fēng)化層覆蓋厚度23m，強風(fēng)化層5m。右線F1斷裂帶位于淺埋地段，圍巖主要為弱～微風(fēng)化加里東期混合花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整性、穩(wěn)定性較差，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)或碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。F1斷裂帶長40m，處于Ⅴ級圍巖，隧道穿越弱風(fēng)化層與強風(fēng)化層，隧道頂部強風(fēng)化層覆蓋厚度1m，全新統(tǒng)沖洪積層10m。

3.2.2 F1斷裂帶施工方案

(一)左線隧道開挖方案

由于左線隧道F1斷裂帶處于微風(fēng)化與弱風(fēng)化之間，隧道頂部弱風(fēng)化層覆蓋厚度有23m，強風(fēng)化層有5m。又根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報及勘測抽芯報告，該段范圍內(nèi)巖性主要為混合花崗巖，強～弱風(fēng)化，總體巖石較堅硬。節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，巖石較完整～較破碎（其中：+635～+623、+606～+570段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎）;地下水較發(fā)育，局部有滲水或小股流水；穩(wěn)定性一般～較差。施工過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況，圍巖狀況好的情況下采用“三臺階弧形導(dǎo)坑法”開挖；圍巖狀況差的情況下采用“CD(中壁)臺階法”開挖。支護(hù)參數(shù)按設(shè)計施工。

(二)右線隧道開挖方案

由于右線F1斷裂帶位于淺埋地段，隧道穿越弱風(fēng)化層與強風(fēng)化層，隧道頂部強風(fēng)化層覆蓋厚度1m，全新統(tǒng)沖洪積層10m。圍巖主要為弱～微風(fēng)化加里東期混合花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整性、穩(wěn)定性較差，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)或碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。開挖方法按設(shè)計采用“雙側(cè)壁導(dǎo)坑法”開挖。

開挖前，對于開挖掌子面首先采用20cm厚的C20噴射混凝土封閉，然后對開挖線內(nèi)及開挖線以外2m范圍的巖層進(jìn)行注漿止水和注漿加固處理，注漿止水加固采用長管和短管相結(jié)合的方法，長管長度L=6m，短管長度L=3m，均采用￠42×3.5鋼花管。每次掌子面封閉注漿時，預(yù)留出2根管作排水孔。長管注漿每2m一個循環(huán)，止?jié){墻厚度大于2m，長管注漿遺留的空隙有短管注漿彌補。注漿壓力0.5—1.5Mpa。

該段施工按設(shè)計拱部1500范圍內(nèi)打設(shè)雙層超前小導(dǎo)管，外插角為10-150和15-300，長度L=3m，環(huán)向間距40cm，縱向間距1.5m，采用水泥水玻璃雙漿液注漿。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖施工，鋼架架立緊跟開挖面，做好初期支護(hù)，并同時做好現(xiàn)場的監(jiān)控量測工作。

3.3、開挖鉆爆設(shè)計

3.3.1 光面控制爆破控制技術(shù)

新屋隧道由于開挖斷面跨度大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，隧道除進(jìn)口端采用靜態(tài)爆破外，其余均采用光面控制爆破，以最大限度保護(hù)周邊巖體的完整性，控制超欠挖量。

光面控制爆破工藝流程：

3.3.2 靜態(tài)爆破施工技術(shù)

（1）、靜態(tài)爆破原理：

靜態(tài)爆破（又稱靜態(tài)破碎）是將一種含有鈣、鋁、鎂、硅、鐵等元素的無機鹽粉末狀破碎劑，用適量水調(diào)成流動狀漿體，直接灌入鉆孔中，經(jīng)水化反應(yīng)后，產(chǎn)生巨大膨脹壓力（可達(dá)30～50MPa），將巖石（抗拉強度4～10MPa）脹裂、破碎的爆破方法。

（2）、工藝特點：

破碎物體時不產(chǎn)生震動、噪音、飛石、粉塵及有毒氣體，屬無公害環(huán)保型產(chǎn)品，不屬易燃、易爆物品。運輸、保管安全可靠，使用方便。膨脹劑破碎效果穩(wěn)定，一般可使被破碎物在 12 小時以內(nèi)發(fā)生破碎。

（3）施工方法：

因本工程隧道進(jìn)口端巖石屬Ⅴ級圍巖，隧道跨度達(dá)21m，參照暗挖隧道新奧法施工工藝，分段分區(qū)開挖作業(yè)方案，隧道上部在超前長管棚或超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖的措施下，首先完成上半斷面開挖，并將工作面推進(jìn)到預(yù)計位置（進(jìn)洞40m）。完成上斷面開挖和支護(hù)工作后，采用相同方法進(jìn)行下半斷面開挖。如果不影響上斷面施工，在保持一定距離情況下，上下斷面可同時推進(jìn)。

靜態(tài)破碎工作面開展與炮孔定位受巖石風(fēng)化情況影響，上斷面開挖容易在上部風(fēng)化或巖石破碎帶找到突破口，在掌子面上用風(fēng)鎬或炮機擴(kuò)大形成一個槽，槽底深度達(dá)到一次進(jìn)尺的深度，這樣增加了一個自由面，以利靜態(tài)破碎劑脹裂破巖施工。當(dāng)開槽困難時，也可用大孔徑鉆孔法形成自由面，以大炮孔為中心向周邊逐步擴(kuò)展，俗稱掏洞法。上斷面一般采用淺眼法，向下傾斜孔，孔徑40mm，水平進(jìn)尺0.5～0.8m；下斷面采用深孔法，向下垂直孔，孔徑76mm，臺階高度3～5m。

（4）、靜態(tài)爆破參數(shù)

①、上斷面開挖

a、水平進(jìn)尺L ： L＝0.5～0.8m。

b、鉆孔直徑D ：采用手風(fēng)鉆鉆孔取D＝40mm

c、底盤抵抗線W ： W＝30cm

d、孔距和排距：布孔方式如圖1所示：

圖3－2靜態(tài)爆破平面布孔方式示意圖

圖3－3靜態(tài)爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

孔距a ：孔距越小，開裂越容易，破碎時間也短。但是孔距越密，孔數(shù)增多，必然加大施工成本，影響施工進(jìn)度，根據(jù)下列公式計算出可行的最大孔距：

a=（P/β×R1+1）d

式中：P——破碎劑膨脹壓力30兆帕；

R1——巖體的抗拉強度為6兆帕；

β——膨脹系數(shù)，β≈0.5；

d——孔徑，d=0.042。

由此可計算出孔距為30.2cm，取a=30cm。

排距b：排距b一般小于孔距a，可采取b=（0.6～0.9）×a；這里取b=30cm。

e、炮孔長度L1：L1=L＋0.5b

f、灌漿長度L2 ： L2＝b

g、用藥量：靜態(tài)爆破與炸藥爆破不同，裝藥需基本填滿空孔，用藥量可按照空孔總長度計算，并隨孔徑、孔距而異，單位體積用藥量表10所列。

單位體積裝藥量

破碎巖石類別 單位體積用藥量（kg/m3）

軟質(zhì)巖石 8～10

中硬巖石 10～15

硬質(zhì)巖石 12～20

破碎劑總用藥量也按被破碎巖石體積乘以單位體積耗藥量經(jīng)驗數(shù)據(jù)按下式計算：

Q=V×q

式中：V——破碎巖石體積（m3）；

q——單位體積耗破碎劑量（kg/m3）。

②、下斷面開挖

a、臺階高度選取3～5米，預(yù)計施工臺階2～3個。為加快施工進(jìn)度，當(dāng)上面一個臺階向內(nèi)靜態(tài)破碎開挖完成5～6米時，開始進(jìn)行下一個臺階的施工，形成梯步式工作面。

b、布孔形式

為提高破碎效果，提高裝車能力，滿足進(jìn)度需要，根據(jù)自由面較多的特點，本工程采用對數(shù)形布孔方式，即離自由面越遠(yuǎn)，孔的間距越密。

c、鉆孔孔徑

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，結(jié)合本工程特點，采用鉆孔直徑選擇d=76mm，當(dāng)邊緣鉆機擺位空間不足時，先選手風(fēng)鉆鉆孔，降低高度后再用大鉆。

d、孔距

根據(jù)上述公式計算出可行的最大孔距：a=80cm。

e、排距

排距b=60cm。

3.4、隧道開挖方法優(yōu)化情況

設(shè)計要求新屋隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法， Ⅲ級圍巖開挖采用弧形導(dǎo)坑上下臺階法。而根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報及現(xiàn)場實際開挖的情況，局部地段地質(zhì)與設(shè)計不符，比設(shè)計情況要好，因此本著確保安全質(zhì)量，節(jié)約成本，加快進(jìn)度的原則，對隧道局部地段的開挖進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，具體如下：

1、隧道出口雙側(cè)壁導(dǎo)坑法改為三臺階弧形導(dǎo)坑法。

2、隧道進(jìn)口弱風(fēng)化花崗巖地層雙側(cè)壁導(dǎo)坑法改為三臺階弧形導(dǎo)坑法。

4、施工過程中輔助性技術(shù)措施

4.1、監(jiān)控量測技術(shù)

新屋隧道施工過程中采用較為先進(jìn)的監(jiān)控量測手段，對隧道施工過程中的的圍巖變化，地表下沉，初期支護(hù)的受力情況及二次襯砌的受力情況進(jìn)行監(jiān)控量測，及時提供反饋信息，掌控隧道圍巖變化情況，分析初期支護(hù)效果，為隧道施工提供合理的安全方案，為隧道信息化施工提供最原始的數(shù)據(jù)。

4.1.1監(jiān)控量測的內(nèi)容

依據(jù)中國《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ02429)中的要求，并根據(jù)新屋隧道的結(jié)構(gòu)特點及施工方法，結(jié)合設(shè)計單位提供的隧道監(jiān)測建議，擬訂了該隧道的監(jiān)測項目和測試方法。其中包括：圍巖內(nèi)部位移、拱頂下沉、底板隆起、錨桿軸力、鋼架支撐應(yīng)力、爆破振速等，旨在采用中國成熟的快速、準(zhǔn)確、可靠的手段，對

4.2、地質(zhì)超前預(yù)報

通過應(yīng)用TSP203PLUS隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，TSP203PIUS可以預(yù)報隧道掌子面前方0～200m范圍的地層狀況，可以滿足長期（長距離）超前地質(zhì)預(yù)報的要求。以新屋隧道左線出口右上導(dǎo)掌子面（里程：Z12+762）前方地質(zhì)超前預(yù)報探測為例：

（1）、測點位置

預(yù)報時掌子面位于Z12+762里程處，在Z12＋811里程處布置預(yù)報接收孔，接收孔距掌子面49m。

（2）、測線測點布置

在隧道右邊墻（面向掌子面）的同一水平線上從外向里布置一個傳感器鉆孔和22個炮孔，傳感器鉆孔距第一個炮孔15m，炮孔間距1.3m左右，炮孔高度。

（3）、預(yù)報成果

通過對二維結(jié)果圖、掌子面狀況和設(shè)計資料的綜合分析，對主要存在問題區(qū)段進(jìn)行預(yù)處理。

5、施工中的一些經(jīng)驗總結(jié)

新屋隧道施工過程中，我們積累了一些施工經(jīng)驗，在此與大家分享：

1、臺階法施工中，嚴(yán)格控制上中下臺階的臺階長度，可以使機械設(shè)備發(fā)揮最佳效率，有效縮短施工工期。

2、隧道開挖中，如發(fā)現(xiàn)圍巖性質(zhì)、地質(zhì)情況發(fā)生變化，應(yīng)及時對所用的掘進(jìn)方法、支護(hù)方式作相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)新的圍巖條件，確保安全施工。新屋隧道右線Y12+525里程正處于F1斷裂帶與IV級圍巖交界處，由于開挖進(jìn)尺過大，支護(hù)強度不足，造成掌子面局部塌方，拱頂圍巖輕微下沉，增大了投資，同時影響了工期。

3、隧道施工過程中，加強對開挖面、未支護(hù)及未襯砌斷面圍巖情況的監(jiān)測和檢查，如有塌方，冒頂癥兆要及時做強支護(hù)處理。對已支護(hù)地段亦要經(jīng)常檢查，有無異常變形或破壞，錨桿是否松動，噴砼層是否開裂、掉落等，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)立即補救，采取適當(dāng)方式加固處理。還要防止在施工過程中機械對支護(hù)的碰撞破壞。

4、當(dāng)隧道掘進(jìn)通過溝谷凹地等覆蓋層過薄地帶或通過沿溪傍山偏壓淺埋地段時，因圍巖自身成拱能力差，缺乏足夠穩(wěn)定性，施工時應(yīng)特別謹(jǐn)慎、應(yīng)采取先支護(hù)、后開挖、快封閉、勤量測的施工方式，再根據(jù)不同地質(zhì)條件，輔之以必要加固措施，穩(wěn)定開挖面，確保施工安全。

5、在上臺階施做拱架支護(hù)時，應(yīng)在拱腳處打設(shè)斜向鎖腳錨桿，加固圍巖地基，防止拱腳外移引起拱頂下沉開裂。此處應(yīng)特別注意鎖腳錨桿的方向是斜向上。同時圍巖壓力大的應(yīng)在兩拱腳間加設(shè)足夠的支撐，以防拱腳內(nèi)移、拱背開裂。拱圈砼澆筑前，找平拱支承面，拱墻施工時應(yīng)按設(shè)計預(yù)留鋼筋，以使拱墻連成整體，可防止拱腳內(nèi)外移，為防止拱腳下沉，仰拱應(yīng)盡快施作。

5、結(jié)束語

本文總結(jié)了新屋隧道的關(guān)鍵施工控制技術(shù)以及施工中遇到的問題及解決方法，我們得出了一套切實可行的大斷面公路隧道的施工經(jīng)驗，為以后類似隧道的施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。