广西钦州大跨度小净距矿山法隧道群设计
时间：2023-06-21 16:55:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
肖 敏
（上海城市交通设计院有限公司，上海市 200120）
矿山法隧道现有分离式、连拱、小净距隧道等结构形式，在场地条件允许情况优先选用分离式隧道，若净距不能满足分离式隧道而连拱隧道又过于复杂,采用小净距隧道的结构形式能更好地满足场地和施工便利性要求，但小净距隧道施工时应确保中夹岩稳定，需严格控制施工期间相互影响[1]。
常规两洞小净距隧道根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》[2]和《公路隧道设计细则》[3]规定进行一系列加强设计，现已有大量工程经验。多条小净距隧道除保证隧道设计加强外，还应合理要求施工顺序，避免施工期间相互影响，类似工程案例较少，特别是大跨度隧道群项目。
某工程项目位于广西钦州，共设计矿山法隧道四条。其中B1 号隧道起讫里程B1K0+000～B1K0+2 66，长266 m，B2 号隧道起讫里程B2K0+028～B2K0+230，长202 m，B3 号隧道起讫里程B3K0+028～B3K0+234，长206 m，B4 号隧道起讫里程B4K0+028～B4K0+237，长209 m。B1 隧道洞口与B2～B4 洞口错幅约60 m，为偏压隧道，一侧采用抗滑桩确保B1 隧道稳定性。
隧道两侧接道路，隧道间净距受制于中央分隔带及侧分带宽度、场地红线要求不能采用分离式隧道布置，中间双向八车道采用连拱隧道布置工程风险较大。综合考虑四条隧道平面布置如图1 所示。
图1 B1、B2、B3、B4 隧道平面布置图
该项目为B1、B4 隧道为人非，建筑限界净宽6.25 m，横断面组成为0.5 m 侧向宽度+3 m 非机动车道+0.25 m 分隔带+2.5 m 人行道，建筑限界净高2.5 m。隧道结构净宽6.55 m，结构净高5.525 m，隧道内轮廓为直墙曲拱形，拱部半径为3.275 m（见图2）。
图2 B1、B4 隧道内轮廓横断面图（单位：mm）
B2、B3 为双向八车道，建筑限界净宽17.50 m，横断面组成为0.75 m 检修道+0.75 m 侧向宽度+14.5 m 机动车道+0.75 m 侧向宽度+0.75 m 检修道，建筑限界净高5 m。隧道结构净宽18.121 m，结构净高11.469 m，隧道内轮廓R1 为10 m，R2 为5.5 m，R3 为1.5 m，R4 为20 m（见图3）。
图3 B2、B3 隧道内轮廓横断面图（单位：mm）
B1、B4 隧道布置在两侧，为人非通道，B2、B3 双八通道布置在中央，中央分隔带及侧分带宽度均为9 m。B1～B4 隧道横断面布置如图4 所示。
图4 B1～B4 隧道剖面布置图（单位：mm）
隧道设计标高离地面最大约60 m，由于洞外红线及征地拆迁限制，四条隧道均采用小净距布置形式，B2、B3 中夹岩的厚度最小仅4.479 m。B1、B2 和B3、B4 中夹岩的厚度最小仅4.899 m。
该项目设计重难点、规范要求及该项目采取措施如下：
（1）B1 与B2，B2 与B3、B3 与B4 隧道间净距较小，最小仅4.479 m，中夹岩如何保持稳定。规范建议对中夹岩进行加固，该隧道采用对拉预应力锚杆方式进行加固。
（2）四条隧道施工过程中如何控制后续隧道开挖对已建隧道影响。规范中仅有两条隧道相互施工影响控制规定。该项目为控制影响，按常规方式先行施工B2、B3 隧道，待B2、B3 二次结构施工完毕后，采用机械开挖方式施工B1、B4 隧道。
（3）B1 为偏压隧道，除按偏压隧道进行衬砌设计外，还应平衡隧道两侧岩土压力，确保隧道整体稳定。规范对于偏压隧道衬砌受力设计有详细要求，两侧不平衡力处理方式有反压、回填、挡墙、抗滑桩等建议，该项目采用抗滑桩进行处理。
2.1 工程地质
根据地勘钻孔取芯结果，隧道范围的地层主要为粘土层、强风化砂岩、中风化砂岩。
黏土层：颜色为黄灰色，状态硬塑，局部含少量碎石，揭示层厚2.5～7.1 m，平均厚度3.76 m，属于土层。
强风化岩层：主要岩性为砂岩，岩石较软，钻芯取样为较破碎到破碎，岩体裂隙发育较多，按照规范计算分级判断为Ⅳ级软石。
中风化岩层：主要岩性为砂岩，岩石较硬，较完整，偶见裂隙，岩芯多呈长柱状，局部少量为短柱状，局部地段岩芯受轻敲后易断裂，断裂面较光滑。按照规范计算分级判断为Ⅴ级岩石且为次坚石。
隧道洞口处于强风化岩，洞身由于隧道埋深较深，主要处于中风化岩层范围。
2.2 水文地质
隧道范围山体经钻孔物探等手段发现地下水主要为孔隙水，由于地形不平缓，大气降水快速经山体排泄，且水量不大。
根据渗透系数综合判断，隧道内粘性土和强风化砂岩为弱透水层，中风化砂岩为弱透水层。
复合式喷锚衬砌支护参数可采用工程类比法或数值计算法确定，在施工过程中应结合现场监控量测资料进行设计。
该隧道设计采用复合式衬砌形式。根据隧道断面尺寸、所处围岩级别，以及类似工程经验，初期支护以锚杆、喷射混凝土、钢拱架及钢筋网组成综合支护体系。B2、B3 隧道初期支护300 mm 厚C25 喷射钢纤维混凝土，预留变形量150 mm，二次衬砌为800 mm 厚C40 防水钢筋混凝土衬砌；
B1、B4 隧道初期支护180 mm 厚C25 喷射混凝土，预留变形量50 mm，二次衬砌为4 800 mm 厚C40 防水钢筋混凝土衬砌。图5 为隧道中夹岩处理剖面图。具体设计参数见表1 所列。
表1 隧道复合式衬砌支护参数表（Ⅴ级围岩）
图5 隧道中夹岩处理剖面图（单位：mm）
由于中夹岩宽度较窄，采用锚杆施工空间不能满足，因此采用对拉预应力锚杆措施，中夹岩柱对拉锚杆采用5.6 m 左右长φ32 的螺纹钢筋，环向间距1 m，纵向间距0.5 m，梅花形布置，施加预应力80 kN，确保中夹岩稳定。
B1 偏压隧道处理（见图6）：隧道两侧偏压高度约近21 m，采用抗滑桩+放坡方式，桩顶控制到隧道顶上约3 m，桩顶以上采用两级1∶0.75 锚钉框架梁边坡。经计算采用直径1.8 m 旋挖钻抗滑桩，桩间距2.8 m，桩间采用300 mm 混凝土模筑混凝土。
图6 B1 偏压隧道抗滑桩处理断面图（单位：mm）
3.1 超前支护
对于B1、B2、B3、B4 隧道洞口段，由于隧道围岩条件较差，均采用超前管棚支护形式以确保围岩稳定性。
对于B2、B3 隧道洞身段Ⅴ级围岩地段，采用超前小导管预注浆的措施以保证结构安全（见图7）。B2、B3 隧道超前小导管拟采用纵向间距3.5 m 的直径42 mm 壁厚4 mm 的热轧无缝钢管，长度为5.0 m，纵向搭接长度大于1 m，注浆材料采用双浆。
图7 B2、B3 隧道超前小导管处理措施图示（单位：mm）
B1、B4 隧道由于开挖断面小，不采用超前支护。
3.2 施工工法
考虑到该隧道B2、B3 隧道开挖断面大，施工中本着“化整为零”的原则。对于洞身Ⅴ级围岩段采用双侧壁法施工；
由于B2、B3 隧道施工风险大，施工过程中需严格按照新奥法动态化设计施工原则，根据监测量控结果及时反馈设计，同步调整开挖节奏，确保隧道整体安全可控。
对于B2、B3 隧道，由于两隧道净距仅4.479 m，左、右主洞开挖掌子面错开间隔根据规范要求应不小于40 m，同时施工中B2、B3 隧道主洞开挖掌子面应确保不相互产生不利影响为前提。当根据监控量测的成果发现B2、B3 隧道初期支护变形不收敛时，应立即进行补强、提前浇筑二次衬砌。
B1、B4 隧道由于开挖断面较小，采用台阶法开挖方式。
3.3 施工顺序
由于B1～B4 隧道间距过近，为减少相互影响，先行施工B2、B3 大断面隧道，待B2、B3 隧道二次衬砌结构施工完毕后，再行开挖B1、B4 隧道。为减少影响，B1、B4 隧道需采用非爆破开挖技术。
B1 隧道由于与B2～B4 隧道洞口错台，需设置抗滑桩确保B1 隧道整体稳定。
四条隧道具体施工工序如下：（1）开挖至B1 隧道抗滑桩顶标高；
（2）施工抗滑桩；
（3）B2～B4 隧道洞口外路基开挖；
（4）先采用爆破开挖施工B2、B3 隧道，两个隧道的施工工序要求见相关要求；
（5）待B2、B3隧道的二次衬砌施工完毕后方可考虑B1、B4 隧道的施工；
（6）B1、B4 隧道的开挖使用非爆破施工技术，由于该项目岩石为软岩，采用机械开挖方式，以避免对已建B2、B3 隧道主体结构的影响。
3.4 施工监控量测、超前地质预报
根据B1～B4 隧道地质特点和结构形式，矿山法隧道监控量测必须按规范要求进行。同时，由于该项目有四条小净距隧道，除了对先行施工B2、B3 隧道进行常规监测外，在B1、B4 隧道施工时应加强对已完成二衬施工的B2、B3 隧道位移监测（见图8、图9）。
图8 B2 隧道拱顶监测位移图（单位：mm）
图9 B3 隧道拱顶监测位移图（单位：mm）
根据监测数据，B2 隧道拱顶沉降最大为1.6 mm，且日变化量小于0.2 mm/d。B3 隧道拱顶最大沉降为1.4 mm（见表2、表3）。
表2 围岩位移报警值一览表
表3 围岩位移速率报警值一览表
位移总值小于1/3 位移设计值（预留变形量）且日变化量小于0.2 mm/d。因此B2、B3 隧道在隧道施工期间拱顶沉降稳定。
在B1～B4 隧道掌子面开挖前，应采用超前地质预报方式对隧道前方围岩状况进行探测，预报B1～B4 隧道前方围岩地质情况。如探测成果显示可能存在不良地质，应采取地质雷达进一步验证。必要时，B1～B4 隧道需布置超前探孔以准确定位不良地质的范围及规模，便于提前处治。施工前应有不良地质应急预案。该工程在施工过程中，超前地质预报未发现不良地质。
3.5 施工中遇到问题及处理措施
由于设计采用对拉预应力锚杆进行中夹岩加固，待B2 先行隧道开挖完毕后打入对拉锚杆，后行隧道B3 爆破开挖时锚杆破坏较严重，张拉质量难以保证。后经各方讨论决定对B3 隧道拉锚杆范围采用机械缓慢开挖方式，确保对拉锚杆施工质量。
此大跨度小净距矿山法隧道群已于2018 年开工建设，2021 年11 月建成，施工过程中监测变形数据均满足规范，B2、B3 隧道在整体隧道施工过程中稳定，整体结构安全。图10 为隧道现场实景。
图10 隧道现场照片实景
因此对于多条小净距大跨度隧道，施工过程中先行施工中间隧道，控制左右洞开挖间距，确保中夹岩稳定。待B2、B3 隧道二次衬砌施工完毕后采用非爆破开挖技术施工B1、B4 隧道，减少隧道群之间相互影响。此工程为以后此类隧道设计施工积累了宝贵工程经验。
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