杉树坪左线全长1 585.00m, 右线全长1 585.86m, 杉树坪左线进口V级浅埋段长190m, 右线进口V级浅埋段长220m, 浅埋段通过崩坡积体洞顶埋深过浅, 且为堆积体, 围岩含泥量极大, 松散破碎, 施工难度较大, 进度缓慢, 月度进尺为30m/月。为了在保证质量和安全前提下不影响全线工期, 项目部决定由出口进洞开挖, 与入口形成双向对打。杉树坪隧道净空为10.25m×5.00m, 为双车道隧道, 隧道出口向小里程方向100m范围内为小净距隧道。隧道出洞口上方省级道路 (YK37+964-YK37+970) 近于垂直通过, 其路面高程为636.220m, 比隧道出洞口顶设计高程634.350m高出不到2m, 出洞口前为一斜坡, 坡度约为37°, 存在约4.6m厚崩坡积层及强风化层。施工现场照片如图1所示。

出洞口位于斜坡山脊上, 斜坡坡向约171°, 坡角28°～36°。隧道近乎直线出洞, 洞轴线与斜坡走向交角近90°, 与岩层走向交角49°。缓坡零星分布有厚度0.5～1.5m的残坡积层粉质黏土, 结构松散;基岩为志留系中统韩家店组2段页岩, 为软岩。地下水贫乏, 雨后可能有少量渗水且呈滴状渗出, 洞口段未见崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象, 天然斜坡稳定。

隧道出口进洞将横穿S202省道, 原设计出洞施工, 先进行既有道路的挖除, 在原省道路面下方施作明洞, 明洞修筑完成后再在上方恢复沥青混凝土路面。该方案未考虑明洞施工期间断路带来的影响, 根据项目部从2016年5月进场以后的情况来看, 该条道路的车流量较大, 且该省道为石黔项目运送砂石料、钢材、水泥的必经之路, 也是项目部的施工车辆运行便道。所以, 挖断S202省道并在明洞施工完成后恢复, 这种设计方案明显不可行。

经研究, 出口进洞施工的前提有2点: (1) 必须保证S202省道的运行畅通; (2) 保证浅埋下穿既有省道的隧道安全进洞。经邀请总包、设计院、业主等多方多次进行现场查看, 根据这2个大前提给出进洞方案。

1) 取消明洞, 采取暗挖法的施工方法进洞, 进洞前将既有S202省道向山体方向 (隧道小里程) 改移20m, 改移道路完成后封闭既有S202省道段, 运行车辆改由改移道路通行。

2) 进行隧道出口右洞进洞施工, 当右洞出口掌子面施工超过既有道路而又没进入改移道路时, 停止施工, 跟进仰拱、二衬;待位于既有省道下方的二衬施工完毕且强度达到要求后, 将车辆运行路线改回既有省道上, 右洞掌子面继续向前开挖, 二衬持续跟进;待二衬超过改移道路且强度达到要求后, 将运行路线变回改移道路。

3) 因为隧道100m范围内为小净距隧道, 施工前后洞掌子面要距离50m以上, 所以在第二步施工完成且掌子面距离大于50m后, 方可施工左洞, 施工工序和交通转换同第二步。

4) 左右洞均通过改移道路后考虑改移道路距离隧道洞口较远, 比原既有道路具备更大安全性, 遂封闭原既有道路禁止通行, 在改移道路上设置防撞护栏, 在洞口上方设置防抛网, 杉树坪浅埋隧道下穿既有省道施工正式完成。

该进洞方案将浅埋隧道下穿既有省道的复合式难点成功分割为浅埋隧道施工和下穿既有省道施工, 既保证了S202省道的运行通畅, 又保证了将浅埋隧道施工受上方既有道路的干扰降到最低。

针对以上解决方案, 在施工前和施工过程中存在以下重难点。

1) S202省道车流量大, 且多为施工和运输材料的重型车辆, 暗洞开挖覆盖层小于2m, 施工风险大, 安全隐患大。

解决措施:对于覆盖层主要有2个风险点:首先, 改移道路后, 浅埋隧道暗挖的风险;其次, 采用改移道路作为永久省道通行对隧道长期荷载的风险。针对这2个风险提出了以下解决措施。

改移道路后, 隧道为单一的浅埋暗挖隧道, 综合分析决定在洞口施作套拱, 采用30m大管棚进洞, 管棚根数33根, 使拱顶上方形成承载能力较强的拱形整体。进洞方法采用三台阶短进尺七步开挖法, 开挖采用挖机配合破碎锤掘进, 严禁放炮。开挖遵循短进尺、早支护、勤量测的原则, 在开挖断面布设围岩沉降、收敛观测点, 并在路面布设沉降观测点, 一旦发现总沉降值或沉降速率超过预警值, 需立即停止施工, 并查明原因。

针对改移道路作为永久省道通行对隧道长期荷载的风险, 在改移道路施工时, 路面标高要比既有路面标高高出2m, 加厚隧道覆盖层, 并在路面施工时采用工字钢做成的简单简支桥结构, 以此承受一部分路面上的车辆荷载, 保证改路省道和下穿新建公路隧道的安全运行。同时, 二次衬砌原设计采用XS5a下穿原既有路段加强支护, 现改为下穿既有路至改移道路均采用XS5a型加强支护。

2) 杉树坪出口隧道设计线间距11.722m, 为极小净距隧道, 对中夹岩扰动大。隧道开挖后产生的应力交叠极易导致围岩坍塌变形, 使初期支护和二次衬砌的承受较大的围岩压力。同时隧道周边围岩可能产生较大的塑性区, 从而导致隧道结构被破坏。

解决措施:施工方案按小净距隧道施工方案执行, 隧道支护采用XSa型衬砌支护形式, 结构支护较一般段加强, 中夹岩采用长系统锚杆加固。隧道开挖时, 必须尽可能减小对围岩的扰动, 保证中夹岩和周边围岩的稳定性和整体性。

3) 左线出口左侧有一天然冲沟, 拱顶存在节理断层且含水量大。该冲沟常年流水, 极有可能渗入隧道拱顶和边墙围岩, 给隧道开挖造成极大的障碍。

解决措施:项目部在改移道路正对冲沟和涵洞的地方埋设涵管与既有涵洞连接, 再将涵管入口处封堵, 使冲沟水由改移道路的路基边沟排出, 在施工过程中保证冲沟的水不会渗入隧道拱顶和边墙围岩;在出口段施工完成后, 挖开涵管进口封堵施工拱顶排水沟, 由原涵洞经拱顶端墙截水沟排出。

4) S202省道车流量较大, 改用改移道路后需考虑如何确保运行车辆及下方新建高速公路的安全。

解决措施:改移道路完成后, 在隧道一侧施工防撞护栏和防撞墙 (隧道洞口上方) , 并安设防抛网, 防止坠物掉入新建高速公路。

原设计方案为初始风险事件, 初始风险事件为中、高度风险, 属于不可接受范围, 通过改变设计方案, 采取针对性的措施, 将风险降低至可接受或可忽略范围, 并在施工过程中采取加强监控量测、细化施工措施、制定降低风险的实施性施工方案, 以期最大程度地将风险降低至可接受范围。

隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式, 分上、中、下3个台阶7个开挖面, 各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。

三台阶七步开挖法的施工工艺流程如下。

1) 上部弧形导坑环向开挖, 施作拱部初期支护。

2) 中、下台阶左右错开开挖, 施作墙部初期支护。

3) 中心预留核心土开挖、隧底开挖, 施作隧底初期支护。

每步开挖后均应及时支护, 隧底初期支护后应及时施作仰拱, 尽早封闭成环。

因隧道洞口松散, 开挖后围岩难以自稳成拱, 地表易沉陷, 为了确保洞口段的施工安全, 将此项作为必测项目。地表下沉量测在隧道开挖前进行, 借以获得开挖过程中全位移曲线。本隧道地表下沉量测包括洞口段、洞身浅埋段及隧道开挖宽度3～5倍范围内地表建筑物密集区。浅埋段地表下沉量测断面布置与拱顶下沉量测及水平净空变化量测在同一断面内。洞口段地表下沉在进洞前布置好监测断面, 及时采集数据;洞身浅埋段及洞身地表建筑物密集区在开挖前布置好监测断面, 隧道开挖临近时开始采集数据, 直到衬砌结构封闭, 下沉基本停止为止。

针对下穿公路的浅埋隧道提出以改路进行交通转换的方法, 将浅埋隧道下穿既有省道的复合式难点成功分割为浅埋隧道施工和下穿既有省道施工, 并给出了此段隧道的施工措施与改路的施工措施。目前, 该隧道已贯通未通车, 经过长期地表沉降监测未发现明显沉降, 地表无裂缝, 施工和上方省道运行期间无任何安全质量事故, 说明本文提出的施工方案及工艺合理, 取得了显著的经济价值和社会效益, 对以后类似项目的施工提供了重要的参考。