浅埋软弱围岩隧道一直是隧道设计和施工的难点, 存在安全事故多发的问题, 国内外对此十分重视, 开展了较多研究。

1) 软弱围岩的特征软弱围岩具有岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎等特点, 以V、VI级围岩为主, 部分为IV级围岩。

2) 浅埋隧道的特征相对于深埋隧道, 浅埋隧道的主要问题在于开挖时不能形成承压拱, 隧道上方往往存在严重的风化问题, 稳定性较差, 极易受到地表水的影响, 开挖后若不及时支护, 极易造成拱顶掉块、坍塌等地质灾害。

综上, 浅埋软弱围岩隧道水文地质条件差、围岩自稳能力差, 部分隧道需穿越既有建 (构) 筑物, 若开挖、支护方法不当, 极易出现初期支护变形、崩塌等问题。对此, 必须加强隧道开挖方法、超前预加固、支护方式、围岩稳定性控制、监控量测等方面的研究分析, 切实保障隧道作业安全。

在浅埋软弱围岩下的隧道施工前, 需根据隧道长度、断面形状、工程地质及周边环境合理选择施工工艺, 无论是开挖还是支护等方法均需慎重比选。总的来看, 可将其施工工艺概括为以下3种。

1) 明挖法此方法施工简单、方便、经济、安全, 关键工序包括: (1) 降低地下水位; (2) 边坡支护; (3) 土方开挖; (4) 结构施工; (5) 防水作业。我国城市隧道发展初期将此方法作为施工首选开挖技术, 但其对周边环境影响较大, 现主要用于软弱浅埋隧道, 且要求周边地表建筑物较少。

2) 暗挖法此方法适用于无法采用明挖法施工的隧道, 主要采用“新奥法”施工原理, 遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”施工原则, 采用管棚、小导管进行超前支护, 增强围岩自稳能力, 开挖进尺过程中做好初期支护工作, 做好防水层后再做二次衬砌。

3) 盖挖法此方法适用于隧道穿越公路、建筑等障碍物施工, 主要是从地面开挖至一定深度后封闭顶部, 然后完成其余下部工程, 具体可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法。

上述3种方法各有优缺点与适用范围, 实际工程中应根据项目情况进行合理比选。

浅埋软弱围岩下隧道开挖断面形式较多, 下面重点就台阶法、CD (侧壁导坑) 法、双侧壁导坑开挖法作简要分析。

1) 台阶法隧道台阶法开挖施工相对灵活, 可采用大型机械设备, 将其用于浅埋软弱围岩地段, 需合理调整施工方法, 如分散爆破、超前施作混凝土仰拱等, 切实保证作业安全、稳定, 同时在保证工期方面具有较大优势。

2) 中壁法 (CD法) 在掌子面不稳、埋深浅、围岩差的隧道工程中CD法使用较多, 其纵向分割断面、开挖断面相对较小, 在保证掌子面稳定方面具有优势。此方法施工难度小、工序少、进度快、造价低, 步步成环, 配合超前支护手段, 可有效保证结构受力良好, 安全性高。

3) 双侧壁导坑开挖法此方法较多用于埋深超浅、围岩特别差的隧道工程中, 其分割断面细, 通过超前导坑探明前方地质情况, 在保证掌子面稳定、控制地面沉降方面优势显著。但此方法工序较为复杂, 无法使用大型机械, 施工速度较慢。

浅埋软弱围岩下隧道施工需解决的首要问题是掌子面的稳定性, 超前支护是不可缺少的手段, 工程实践中多采用管棚或超前导管法, 开挖前在隧道开挖轮廓线外弧线上安装伞形金属保护棚架 (由大惯性力矩钢管构成) , 然后打入金属钢管, 使用注浆机压入水泥砂浆, 待其凝固后方可开挖施工。

现代支护理念认为, 所有结构性岩层均具备自稳能力。因此, 在进行支护施工时, 需将其与围岩看作统一的整体。当前, 我国初期支护主要采用喷锚支护体系, 根据实际需要包括以下几种技术方法: (1) 喷射混凝土支护, 包括“干喷”和“湿喷”2种; (2) 锚杆支护, 包括普通锚杆和预应力锚杆; (3) 喷射混凝土锚杆支护, 喷射混凝土+锚杆; (4) 钢筋网喷射混凝土支护, 喷射混凝土中设钢筋网, 增强了喷层整体性、抗弯与抗剪能力; (5) 钢筋网喷射混凝土锚杆支护, 即钢筋网喷射混凝土+锚杆。

本标起止里程为:ZK1+220—ZK1+738、YK1+224—YK1+740, 左线长518m, 右线长516m, 位于湖里区高崎段附近, 场地原始地貌位于海陆交互地段。主线隧道限界净宽为10.5m, 三车道隧道限界净宽为14.5m, A匝道隧道限界净宽为9.7m, 紧急停车带隧道限界净宽为13.5m, 车行横洞建筑限界净宽4.5m, 人行横洞建筑限界净宽2.0m, 净高2.5m。

结合本隧道的特点、场地条件和施工难易度、工期、交通组织与相关施工经验, 隧道施工主要采取明挖暗埋和浅埋暗挖2种施工方式。

1) 明挖暗埋法施工主线隧道进口侧ZK1+220—ZK1+490 (YK1+224—YK1+497) 段隧道采用明挖暗埋施工, 基坑围护形式为上部放坡钻孔灌注桩+钢管内支撑+高压旋喷止水帷幕。

2) 浅埋暗挖法施工主线隧道ZK1+490～ZK1+738 (YK1+497—YK1+740) 采用浅埋暗挖法施工, 主要下穿铁路盐专线、嘉禾路、北溪引水渠、佳贝美集团、特区供水管等, 左线隧道暗挖长248m, 右线隧道暗挖段长243m。

1) 基坑开挖

ZK1+220—ZK1+320 (YK1+224—YK1+325) 基坑开挖深度7～11m, 基坑支护方案采用φ1 000mm钻孔灌注排桩+一道钢管内支撑+桩间高压旋喷桩止水帷幕。

ZK1+320—ZK1+400 (YK1+325—YK1+407) 基坑开挖深度10～14m, 基坑支护方案采用局部放坡降低地表+坡面喷射C20混凝土+φ1 200mm钻孔灌注排桩+2道钢管内支撑+桩间高压旋喷桩止水帷幕。

ZK1+400—ZK1+490 (YK1+407—YK1+497) 基坑开挖深度10.5～16.5m, 基坑支护方案采用高压旋喷隔水幕墙+φ1 200mm钻孔灌注排桩+3道钢管内支撑。

基坑开挖采用挖机进行, 开挖前先进行钻孔桩、止水帷幕、桩顶冠梁及排水系统施工, 然后进行开挖。开挖至一定深度时, 设置第1道钢支撑, 进行第2次开挖;设置第2道钢支撑, 进行第3次开挖;设置第3道钢支撑, 进行第4次开挖。开挖至基坑底后, 设置基坑底排水沟, 基坑尺寸为50cm×50cm, 设置集水井、降水井。

2) 明洞施工

ZK1+220—ZK1+320 (YK1+224—YK1+325) 隧道结构采用矩形明洞, ZK1+320—ZK1+490 (YK1+325—YK1+497) 隧道结构采用拱形明洞, 明洞主体结构采用C40防水耐腐蚀钢筋混凝土, 混凝土外防水层采用2mm厚反应黏结型高分子湿铺防水卷材, 在防水卷材外采用M10水泥砂浆保护层5cm。

主线隧道ZK1+490—ZK1+738 (YK1+497—YK1+740) 采用浅埋暗挖法施工。

1) 初期支护由钢拱架、格珊拱架、系统锚杆、钢筋锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成, 钢拱架与格珊拱架之间用纵向钢筋连接, 与钢筋网焊接为一体, 与围岩密贴。

2) 二次衬砌本项目围岩自稳定时间较短, 施工时要求支护结构紧跟开挖面, 尽早封闭成环, 注意初期支护的变形与稳定检测, 尽可能发挥岩体自成拱效应及初期支护的承载能力。

3) 隧道防排水施工遵循“防堵为主、因地制宜、综合治理”的全封闭防水原则, 防止地下水在隧道中渗透和流失, 切实保护好隧道工程的生态环境, 并保证隧道结构物和运营设备的正常使用。隧道的防水等级按二级防水标准, 应达到结构不允许漏水、结构表面可有少量湿润的要求。

下穿铁路盐专线段:隧道于ZK1+490—ZK1+530 (YK1+497—ZK1+537) 段从既有铁路盐专线下方近距离穿越, 平面交角约88°, 铁路线仅有1股道。隧道顶板与铁路盐专线的最小竖向距离为9.13m, 穿越的地层主要为:全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩及中风化花岗岩。为严格控制地表和铁路沉降, 隧道洞外、洞内施工措施如下。

1) 隧道洞外工程措施 (1) 采用D20型施工便梁架空加固轨道; (2) 列车实行限速运行, 限制速度45km/h; (3) 线间便梁支墩挖孔桩施工时, 相应地段线路应扣轨加固, 经常复查轨面高程保证行车安全; (5) 布设严密的监控网, 加强施工期间铁路路基、轨道沉降变形监控测量工作。

2) 隧道洞内工程措施 (1) 拱顶搭设钢筋笼单层超前长管棚 (φ159mm×6mm) +超前小导管并注浆 (φ42mm×3.5mm) , 控制洞顶沉降; (2) 残积砂质黏性土等软弱围岩段, 设全螺纹纤维增强树脂锚杆进行超前支护; (3) 隧道开挖后及时施作初期支护, 以纵向钢筋将支撑连成整体, 并及时回填注浆, 减少沉降; (4) 加强洞内拱顶沉降、净空收敛监控, 根据现场测量数据施作二次衬砌结构; (5) 隧道基底未修正地基承载力<250kPa时, 采用φ50mm注浆钢化管进行加固处理, 钢化管长度为4m, 纵向、横向间距为1.0m×1.0m, 呈梅花形布置。

综上所述, 浅埋软弱围岩下隧道修建面临着较为恶劣的施工条件, 其开挖后围岩自稳时间短、易坍塌, 若是开挖或支护不当, 极易出现较大变形甚至失稳破坏。对此, 必须综合分析隧道地质条件、施工要求等, 合理选择施工与支护方法, 规范落实超前支护、地质预报、初期支护等工作, 切实保证隧道开挖作业安全顺利地完成。