复杂地质条件下大跨度双联拱隧道
施工技术研究和施工监控总报告
1.工程概况
贵州省清镇至镇宁高速公路东苗冲双联拱隧道为上下行合建的六车道高速公路联拱隧道。起止里程K9+290～K9+710，全长420m。隧道进出口均为削竹式洞门，并设臵了8m长明洞衬砌。隧道净宽28m，净高5.0m,由中隔墙分隔为左右两洞,内轮廓采用双心圆型式,外边墙为曲墙,中隔墙为直墙。净空面积左洞83.62m2,右洞88.51m2。隧道最大埋深约为77m，最浅埋深约为5m，进口较长地段偏斜严重。
本隧道处于剥蚀、溶蚀丘陵地貌类型，隧道垂直穿越一脊向南北的丘体，地质情况复杂多变，施工过程中判明的围岩类别同设计文件中地质描述相比，出入较大.围岩分类见下表：
具体地质情况及衬砌结构类型详见东苗冲隧道纵断面图1.1，横断面图1.2,1.3。
隧道无地表水系，地下水较贫乏，地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，均接受大气降水补给。隧道施工中只出现滴水或小股脉状涌水，但在K9+580～K9+640段60m范围内属岩溶强烈发育区，在雨季时涌水量相对较大，工程地质情况较差。
2.主要技术难点和课题研究内容
根据东苗冲双联拱隧道地质条件差、开挖跨度大、洞身采用三导洞法分部施工，施工工序转换频繁,多次扰动结构和围岩,受力状况复杂等技术难点确定了科研课题主要研究内容为：
1）联拱隧道三导洞施工技术
2）隧道施工监控及隧道结构稳定性判断
3）隧道控制爆破技术
3.主要项目的研究和实施
3.1.软弱围岩联拱隧道技术方案研究
东苗冲Ⅰ～Ⅲ类软弱围岩联拱隧道采用中导洞—双侧壁三导坑先墙后拱，侧导坑全部贯通的施工方法。在施工中严格按照弱爆破、短进尺、少扰动、早锚喷、勤量测、紧封闭的技术措施组织实施，三导洞分部施工如图3.1.1所示,具体施工顺序见3.1.2工序流程图.
图3.1.1 双联拱隧道施工工序图
⑤-1
⑤-2
Ⅴ-2
Ⅴ-1
①
④-2
Ⅲ-2
Ⅲ-1
④-1
Ⅱ-2
Ⅱ-1
③-2
③-1②-2
②-1
Ⅰ
图3.1.1 双联拱隧道施工工序图
图3.1.2:双联拱隧道中导洞_双侧导坑三导洞法工序流程图
3.1.1 施工步距
由于联拱隧道的特殊性，分部开挖易使围岩受到多次扰动，围岩压力再分布复杂，因此各工序的合理间隔距离非常重要，距离太远不能及时形成有效的支护体系，使围岩松弛变形过大而失稳；距离太近易造成各工序相互干扰，窝工大，近似单工序作业，不能形成有效的生产能力，而且易导致二次衬砌的开裂。东苗冲联拱隧道合理的施工步距控制在：三导坑均采用上、下台阶法施工，其中：Ⅰ类围岩采用超短台阶法施工，台阶长度（3－5）m，上台阶采用预留核心土环型开挖法，循环进尺（0.5-0.8）m；Ⅱ、Ⅲ类围岩采用短台阶法，台阶长度（5－10）m,循环进尺（0.8-1.5）m。中导坑先行开挖支护贯通,两侧导坑等到中隔墙顶部回填完成并达到设计强度后相继进行，左、右导坑错开约一倍洞径距离(30-40)m 。
在侧导坑边墙部二次衬砌强度达到设计强度后进行相应地段主洞开挖。正线隧道主洞开挖采用上、下台阶法施工, Ⅰ、Ⅱ类围岩地段拱部开挖采用环型开挖法.正线隧道拱部开挖支护一次成型，初支完成后，架立圆木中立柱进行临时支撑，二次衬砌前拆除。一侧正洞先行开挖支护，
另一侧正洞滞后约（30-40）m ；一侧主洞开挖地段，另一侧主洞已施工衬砌混凝土强度在80％以上。二次衬砌紧跟，一般和掌子面距离不超过30m ，仰供铺底混凝土适当超前，一般和衬砌面保持20m 以上的距离。
I-I 断面
注：尺寸单位：cm 。
图3.1.3 主洞拱部施工超前小导管布置图
注：尺寸单位：cm 。
I-I 断面
I
图3.1.5侧导坑超前小导管布置图
φ42×3.5m m 热轧无缝钢管，，图3.1.4 中导坑超前小导管布置图
I-I 断面
注：尺寸单位：cm 。
3.1.2、超前支护体系
由于东苗冲联拱隧道施工跨度大、工程地质条件差，施工中必须设臵超前支护。本隧道在进出口Ⅰ、Ⅱ类围岩浅埋段设臵了长度28m的Ф108×6mm无缝钢管超前大管棚，管棚钻机钻孔，双液注浆机注水泥—水玻璃浆液；洞内Ⅰ、Ⅱ类围岩地段设臵了Ф42钢管超前小导管，采用风钻钻孔，注浆机注水泥砂浆。洞内溶洞极发育地段设臵了8m长Ф32超前自进式锚杆。超前支护的设臵不仅对围岩进行注浆加固地层，改善围岩的自承载能力，而且增加了支护结构的刚度，增大了支护结构的整体性，提高了承载能力，对隧道施工的安全性起到了较好的效果。
3.1.3、初期支护
东苗冲联拱隧道初期支护采用常规的钢支撑与锚杆、钢筋网、喷射混凝土联合支护形式。
永久支护Ⅰ类围岩地段下部设喷射混凝土刚性仰拱，Ⅱ、Ⅲ类围岩地段下部设钢筋混凝土仰拱。
3.1.4、二次衬砌
按照新奥法原理，初期支护完成后，一般应待围岩变形收敛后，方可进行二次衬砌。在东苗冲联拱隧道施工中，对此采取了灵活的措施。考虑到围岩变形的发展意味着围岩松弛的加剧，地压力在增加，隧道的危险性也在增加，隧道开挖掘进施工中及时跟进二次衬砌，使初支和二衬形成共同作用的支护体系，实现闭合结构承受荷载，抑制围岩变形的继续发展。
衬砌纵向距离每10m一轮，采用3015组合钢模， I18工字钢作模板背带，门式钢管脚手架作支撑。混凝土均采用集中拌合，6m3混凝土运输车水平运输，HBT60型混凝土输送泵垂直运输入模。
3.2减震控制爆破技术研究
为使既有工作面爆破不对邻近围岩、已施作的初支或二衬产生破坏，东苗冲隧道施工中对出口左洞进行了爆破震动测试，以研究爆破震动衰减规律，测量和比较不同爆破方法的实际减振效果，得到适合本工程的最佳爆破方案，确保邻近结构特别是中隔墙或围岩受到的影响最小。
爆破震动测试采用测震系统来完成，测点布臵四个位臵，具体位臵见下图3.2.1。
图3.2.1爆破振动测点布臵图
取抗震能力最差的初支或二衬钢筋混凝土结构为测试对象，作如下设定：
利用最小二乘法进行回归分析，得出质点振动速度与最大一段装药量Q和测点至爆破工作面的距离R之间的关系曲线：
Q= R3× (V/K)3/α= R3×(5/88.235)3/1.606= 4.691×103×R3
根据Q=f(R)关系式，得出东苗冲隧道爆破开挖时不同距离条件下的最大一段装药量（如下表），并以此控制爆破规模。
根据爆破震动测试及相关分析，东苗冲隧道减震控制爆破设计方案在施工过程中遵循以下几项原则：
a）、分步开挖，缩小爆破开挖断面面积
b)优化钻爆参数，降低炸药单耗。
c)、采用中等爆速的炸药。
d)、起爆采用非电毫秒雷管，大间隔微差起爆，使相邻段别的起爆间隔大于100ms，以减少每段起爆的炸药量及各段爆轰波的叠加，让爆破地震主震相间无叠加效应，达到减小对围岩扰动的目的。
e)、周边眼采用不耦合装药结构的光面爆破。
f）、开挖中严格遵循“弱爆破、短进尺”的施工原则，Ⅰ、Ⅱ类围岩进尺控制在（0.5～0.8）m,Ⅲ类围岩进尺控制在（0.8～1.5）m,以减小每次爆破的炸药总用量。
g)、尽量减小周边眼的间距,根据围岩情况的不同,一般控制在（30～40）cm,周边眼采用小直径药卷间隔装药技术，以控制开挖成型，减小爆破对围岩的扰动。
h）、掏槽方式采用楔型掏槽；起爆采用非电毫秒雷管，大间隔微差起爆，使相邻段别的起爆间隔大于100ms，以减少每段起爆的炸药量及各段爆轰波的叠加，达到减小对围岩扰动的目的。
实际施爆时，预先已采取了如上措施，爆破振动速度一直控制在正常状态。
i）、每次爆破后利用断面仪对开挖断面进行检查记录，并结合监控量测的信息及时调整爆破参数。
3.3典型断面不同工况下应力变化规律及相关分析
针对东苗冲双联拱隧道跨度大、地质复杂、进口埋深浅以及工序转换频繁的特点，为确保隧道施工安全和技术方案的可行性，及时准确地获得不同施工工况下，围岩对衬砌、衬砌内和衬砌之间应力状况以及各种位移变化情况，以便及时调整施工工序甚至修改设计，施工中除对该隧道进行位移监测以外，在隧道进口端K9+380断面还对隧道锚杆轴向力、钢架应力、围岩与喷砼层及喷砼层与模注混凝土间接触应力、喷砼变形进行量测和研究。
通过对观测成果分析及应力变化规律研究,我们得出：
（1）、本隧道的应力监测表明，连拱隧道应力分布复杂，用传统力学方法很难做出较精确分析，对施工进行应力监测可以了解支护的变化动态和稳定情况。
（2）、本隧道支护结构的应力变化具有以下规律：
第一：地表山体倾斜导致偏压，使左洞受力较右洞偏差较大。
第二：施工工况和开挖次序对围岩应力释放和支护结构受力产生较大影响。
第三：Ⅲ、Ⅳ类围岩地段初期支护承担了大部分围岩压力，二次衬砌受力较小，基本上不承受围岩压力。
（3）、实测表明，围岩压力和支护受力变形遵循“急剧变化—缓慢变化—基本稳定”的变形规律，说明本隧道支护结构的强度和刚度是合理有效的，施工方案和施工措施安全可行。
3.4 施工阶段全过程位移变化规律及地质预报
东苗冲隧道跨度大、进出口段埋臵浅，监控量测十分关键，是隧道施工的一个重要工序。针对东苗冲联拱隧道的特点，施工过程中对地质及支护状态、净空收敛、拱顶下沉、地表下沉等项目进行了量测。
地质及支护状态观察分为洞外观察及洞内观察。洞外观察包括对洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察；洞内观察在每次爆破及支护后进行，地质工程师负责观测围岩变化、地下水状态、检查支护结构外观是否发生变化等。对已施工区段的喷射混凝土、锚杆、钢架的状态每天进行一次观察。
净空收敛、拱顶下沉和地表下沉应尽可能布臵在同一断面，测量点应尽可能选择具有代表性的地方，以便对量测数据的分析及为以后的工作提供经验。洞内监控量测点的布臵见下图3.4.1～3.4.4。
洞口地表下沉测点布置图
左导坑中心线
右导坑中心线
图3.4.1 洞口地表下沉测点布臵图（单位：cm ）
主洞拱部监控测点布置
拱顶下沉量测
起拱线
起拱线
3.4.3 侧导坑监控量测布置
3.4.4 中导坑监控量测布置
图3.4.3 侧导坑监控量测布臵 图3.4.4 中导坑监控量测布臵 (单位：cm)
通过观测成果分析及位移变化规律研究,有以下结论：
（1） 从拱顶下沉量测时态曲线图分析表明：单洞上台阶开挖初期（2-3天）变化较大，后缓慢趋于稳定。下台阶开挖时变化急剧增加，随围岩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类类别不同，变化更明显。联拱隧道变形最大值最有可能发生在两主洞的拱顶部分，从拱顶往两边矢量值渐小。因此，我们认为联拱隧道施工应对拱顶下沉给予足够重视，同时拱脚以下及边墙底部的衬砌厚度及质量保证也十分重要。
（2）隧道周边收敛量测时态变化曲线表明：
①边墙衬砌及封闭仰拱闭合成环后，结构基本稳定，初期支护早封闭对围岩的稳定性起到重要作用；
②隧道围岩的稳定性与洞室开挖方法、支护形式有密切关系，开挖施工过程也是围岩应力、应变调整的过程；下台阶开挖后临时支撑的拆除影响着围岩的稳定性。
③由于二次衬砌完工时间有一段间隔，围岩应力释放至初期支护已基本完成，二次衬砌基本无沉降及变形。
(3 ) 地表下沉量测曲线表明：
①隧道埋深越浅，地质条件越差，洞顶同一部位地表下沉值越大；洞顶同一横断面联拱隧道的中墙部位地表沉降最大，往两边逐渐减小，说明中隔墙在承受竖向应力中发挥了极大作用，中隔墙上部的三角地带在施工中要十分精细。
②地表下沉量与隧道偏压有一定关系：隧道进口K9+360～K9+400段为偏压浅埋段，中洞及测洞开挖后，地表最大下沉值达25cm，纵向裂纹8～20cm不等，地表有向右侧下滑趋势。我们在位于衬砌边墙外侧,纵向间距3.5m布臵9根3×2.m钢筋混凝土抗滑柱桩, 柱桩出露地表部分加设拱型挡土板反压回填土，以抵抗山体对洞身的偏压,确保施工安全及结构的稳定性，处理后地表下沉趋于稳定，效果良好。
4、本课题取得的成果
4.1软弱围岩复杂地质条件下大跨度、双联拱东苗冲隧道采用中导洞—双侧壁导坑法施工：先贯通中导洞，两侧导洞待中隔墙及顶部回填达
到设计强度后相继施工；两主洞施工在侧导洞边墙施工完毕后进行。施工方案安全、可靠，保证了工程质量，隧道得以顺利竣工，取得了较好的社会和经济效益，积累了大跨度联拱隧道成套施工技术，可为相近条件下联拱隧道的设计与施工提供借鉴，施工技术有推广价值。
4.2双跨联拱隧道施工中的几个关键问题的处理技术有所突破：
①采用控制爆破技术，减少对围岩的扰动
东苗冲隧道因其所处的地质复杂及隧道结构的特殊性，开挖分部进行，围岩多次受到扰动，施工中通过爆破振动测试及相关分析总结了爆破对邻近围岩及支护结构的影响规律。根据现场地质条件，优化施工方案，严格控制爆破作业，并结合监控量测的信息反馈及时调整爆破参数。实践证明，采取的控制爆破技术措施在减小对围岩的扰动及对中墙混凝土的震动方面是有效的。
②成功解决了中隔墙水平推力的平衡问题
中隔墙水平推力的平衡问题是联拱隧道施工成败的关键，解决不好，会引起拱部的支护开裂失稳，造成严重后果。在东苗冲联拱隧道的施工中，切实处理好了中墙的地基承载力、其侧壁圆木排架支顶平衡及其顶部喷射混凝土回填顶死等问题，保证了中隔墙的受力平衡及其稳定。合理组织好工序，做好控制爆破，尽量减小对围岩的扰动，以控制中墙所受的不平衡推力减至最小；尽快施作仰拱铺底混凝土及二次衬砌，使中墙与支护体系形成一个共同体承力，加大其抵抗不平衡推力的能力。上述技术措施采取后，效果显著，受力体系转换过程中，中隔墙稳定，拱部无开裂、失稳现象发生。
③对联拱隧道中隔墙防渗漏水处理技术取得了一定的经验
二次衬砌与中隔墙联结处始终是联拱隧道防渗漏水的难点。针对这一质量通病，课题组制定了中隔墙防排水施工方案，从实施效果来看，在极大程度上防治了这一质量通病。虽然还存在不完善的地方，但本次施工的经验为今后同类工程提供了有益的借鉴。
4.3 通过典型断面不同工况下应力变化规律及相关分析获得围岩动态和支护工作状态的数据
通过对施工全过程进行位移监控量测，了解位移变化规律，及时根据反馈的信息，采取相应技术措施，确保了隧道施工安全。同时为隧道设计和施工积累了资料，为今后的设计和施工提供了类比依据。
5、经验与体会
东苗冲联拱隧道在施工过程中，在浅埋及富含软—流塑状充填物溶洞发育段开挖面多次出现小型垮塌，严重地段垮塌冒顶。课题组通过认真研究，积极探索，采取了一系列有效措施，使隧道于2004年5月30日顺利贯通。施工期间，未出现任何安全质量事故。通过对本课题的研究，今后在类似工程施工中，以下几个方面要特别引起施工单位的重视：
①浅埋段隧道施工前，对其地表要重点进行整治：地表杂物要清理干净，便于洞内施工时，对地表动态进行观测，发现异常情况及时采取措施处理；地表要密实、平顺、以防地表水渗漏及汇聚；浅埋层为松软围岩时，根据具体情况采取措施对地表进行预加固；建立地表完善的排水系统。
②洞内施工单循环超前支护长度及重叠长度不可过短；超前支护前端
能嵌入稳定性围岩一定长度为最佳，当不具备条件时，单循环超前支护长度不宜小于4m，软—流塑状围岩不宜小于8m。
③注意超前支护的角度，加强超前注浆，保证开挖范围内及周边一定范围内土体固结质量，以防开挖岩面坍塌而引起拱部坍塌。
④围岩自稳状态较差，开挖后，初期支护要迅捷，缩短开挖面裸露时间；初期支护顶部必须回填密实，不得有空洞，以防因震动，拱顶围岩受扰动后，崩落土体逐步下陷冒顶。
东苗冲联拱隧道以其地质条件复杂、跨度大为特点，课题组通过制定和实施科学合理的施工方案，精心策划，周密安排，解决了联拱隧道施工中关键技术难题，圆满完成了课题研究的全部任务，取得了较好的施工效果，为隧道结构的安全运营，提供了科学保证。经安徽省科学技术情报研究所查新：本课题研究内容全面完善，其在施工中采用中隔墙圆木及方木支顶框架平衡推力的技术，国内尚未见有文献报道。
6、项目主要完成者
李为强罗传义张炳根黄正家刘茂兵楼金其申海汪树生朱庆新付志刚欧林果赵中华黄新张军美刘学伟李秀丽
（执笔人：申海）