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摘要：本章以成渝高速宋家沟1#隧道扩挖隧道工程为背景，对浅埋隧道2扩4施工方案进行了分析，隧道扩挖施工采用七步扩挖法，在贯通段产生大变形。及时调整施工工法，采用双侧壁导坑法进行开挖施工，有效地控制了隧道支护结构的大变形，同时，做到少扰动、勤量测，及时掌握隧道变形情况，并及时反馈监测数据，指导施工开挖及支护参数的调整。
关键词：扩挖隧道；浅埋；大跨径；大变形
1 前言
随着经济的发展，交通车流量也不断增大，为城市交通带来极大的压力，尤其是，多年前建成的隧道已经不能满足现在的通行能力，成为了城市道路交通的“咽喉”。鉴于此，需要对隧道进行扩挖改建，越来越多的隧道会在原位上进行2+1或2+2的扩挖修建，为设计、施工人员提出了新的问题。
在原隧道位置上进行扩挖改建与新建隧道的设计理念和施工工艺有很大的不同[1]。在开挖既有隧道时，将隧道结构开挖拆除，对围岩经过了二次或多次扰动，围岩应力状态经历了极其复杂的变化。刘明辉等研究结构单双侧扩挖动态掘进各阶段的位移、变形及受力特征，提出了采用临时竖撑预支加固、先侧墙后仰拱、径向注浆、管棚支护和跳槽扩挖等施工方法和措施，有效地控制了拱顶沉降、仰拱上浮和地层位移，保障了结构和施工安全[2]。李朦等人对扩挖隧道2+2方式与新建四车道三维数值模拟结果相比：二扩四隧道后挖隧洞的塑性区集中分布于拱腰，而新建四车道及二扩四隧道先扩挖洞的塑性区最终集中分布于拱脚。同时，原位2+2方式扩挖隧道会出现明显的偏压[3~4]。基于原有隧道改扩建拱顶塌腔段扩建开挖，研究了多临空面条件下岩体爆破振动规律。模拟爆破振动对隧道塌腔加固区和既有隧道围岩的影响，并获得了特征点的振动速度和衰减规律[5]。
新奥法的理念不能适用于浅埋大跨径隧道的设计和施工，尤其是在2扩4浅埋大断面隧道的设计、施工。基于大跨径隧道结构支护型式的特殊性，若采用新奥法的理念，在施工过程中难以把控隧道结构的稳定性。在隧道埋深浅、断面大、拱顶扁平时，围岩荷载全部作用在支护结构上，在开挖过程中受力复杂且稳定性差，施工方法是影响隧道成败的关键。合理的施工方法可以充分利用围岩的自承作用，在一定的支护条件下，满足围岩稳定要求[6]。因此，研究2+1或2+2的扩挖修建施工方法，有助于推进2+1或2+2的扩挖类似工程的发展。
2工程概况
2.1工程背景
新宋家沟1#隧道已运营20余年，现由于扩容改造将左线既有隧道扩挖改建成4车道（由原有2车道改扩为4车道）。进口桩号为ZK1+636.0，出口桩号为ZK1+795.5，全长159.5m，隧道开挖跨径20.08m，开挖高度为13.4m，隧道埋深为5m至33m。隧道2扩4车道衬砌支护结构断面，如图1所示。
2.2隧道工程地质状况
扩挖隧道位于观音峡背斜西翼，为单斜构造，岩层产状275°∠74°，ZK1+661-ZK1+709段岩体层间结合差，裂隙发育，稳定性差，岩体力学性质较差，该段洞顶基本在岩土分界的界面上，地层大部分为泥岩与页岩、偶有薄层与砂岩的夹层体。
根据老隧道竣工资料，宋家沟1#隧道施工期间发生过冒顶塌方，冒顶体积3000m³，主要因为洞顶覆盖层薄（主要位于隧道进口段及浅埋段），岩体风化严重，岩石强度低，地下水的影响，围岩稳定性差等。冒顶段落为既有隧道ZK344+582~ZK344+591，与之对应新建扩挖隧道桩号为ZK1+663~ZK1+672，长度为9m。
2.3周边环境情况
宋家沟1#隧道左线施工为原有2车道隧道扩容为4车道隧道，施工过程中，已通过交通转换，既有成渝高速出城方向道路进行封闭，创造了施工条件，扩容隧道距离既有宋家沟1#隧道有隧道平面净距离为40m左右，隧道出口方向平面距离100米左右处为宋家沟水库。
3隧道扩挖大变形产生原因
根据现场踏勘，此次隧道扩挖产生大变形原因的主要原因有以下四点：
1.地质条件差，根据现场的实际揭露地质情况，ZK1+661-ZK1+709段岩体稳定性差，岩体力学性质差，洞顶处于岩土分界的界面上，地层大部分为泥岩与页岩。
2.原隧道在ZK1+663~ZK1+672段产生冒顶，当前开挖对其进行二次或多次扰动，加上爆破振动或机械振动，围岩自稳能力受到破坏。
3.贯通点受力复杂，进口端掌子面桩号为ZK1+673，隧道出口端掌子面桩号为ZK1+675，剩余2m贯通。贯通点位于管棚末端，ZK1+661区域埋深为7m，隧道贯通处围岩应力释放受力，全部作用在支护结构，产生大变形。
4.隧道开挖跨径大、拱顶扁平，支护结构未完全落底，封闭成环，不能抵抗围岩压力。
4隧道扩挖大变形处理关键技术
4.1施工应急措施
隧道施工至ZK1+661-ZK1+675段，初支产生大变形，并出现开裂现象。对洞内初支进行了支撑加固，地表裂缝采用水泥砂浆进行了封闭。主要的应急措施如下：
（1）ZK1+675-ZK1+695段用洞渣进行了反压回填。
（2）反压回填完成后，对该段采取了支撑加固。支撑立杆采用F200mm钢管，横向间距1.3m-1.6m，纵向间距1.14m。地梁采用I16工字钢，斜杆采用I10槽钢。
（3）ZK1+695-ZK1+675段支撑基底采用厚30cm的C30混凝土硬化。
（4）ZK1+675-ZK1+695段支撑加固，见图2所示，现场支撑见图3所示。
4.2变形段开挖关键技术
1. ZK1+695-ZK1+709段施工方法
本段主要进行下导、仰拱、填充及二衬的施工，具体施工步序如表1所示：
第1步：进行①部施工，拆除①部范围内临时钢支撑，进行①部开挖及初支，施工锁脚锚杆，架设①部临时横撑。确保每部开挖及初支过程中，拱架基础落到实处，拱架底部垫设钢板。临时竖支撑之间采用钢板+螺栓的形式连接。
第2步：进行②部施工，拆除②部范围内临时钢支撑，进行①部开挖及初支，施工锁脚锚杆，架设②部临时横撑。
第3步：开挖③部土体，进行③部开挖及初支，施工锁脚锚杆，架设③部临时横撑，尽量保留第1部中设置的临时横撑。
第4步：开挖④部土体，进行④部开挖及初支，施工锁脚锚杆，架设④部临时横撑，尽量保留第2部中设置的临时横撑。
第5步：开挖⑤部土体，进行⑤部开挖及初支，尽量保留第3部中设置的临时横撑，施工锁脚锚杆，架设⑤部临时横撑，浇筑右侧仰拱、仰拱填充。
第6步：开挖⑥部土体，进行⑥部开挖及初支，尽量保留第4部中设置的临时横撑，施工锁脚锚杆，架设⑥部临时横撑，浇筑左侧仰拱、仰拱填充。
第7步：拆除中部钢管支撑，开挖⑦部土体。在监控量测稳定的情况下，每循环拆除1榀支撑。
第8步：开挖⑧部土体。
第9步：拆除仰拱填充面以上部位的临时支撑（竖向支撑及临时横撑），每次拆除1榀，如监测情况稳定，再继续拆除，拆除3m后，进行二衬施工。
第10步：开挖⑨部土体，施工⑨部仰拱及仰拱填充，施做二衬。
4.3变形段开挖监测
隧道开挖落底对周边位移、拱顶沉降进行了监测，每天2-4次/天，大跨径隧道，需要做到少扰动、勤量测，及时掌握隧道变形情况，为掌握支护结构的稳定性提供可靠信息，保障隧道的施工安全。
ZK1+670～ZK1+675大变形段台阶法开挖落底，拱顶变化趋势如图5所示。
从上图可以看出，隧道开挖落底过程中，支护结构拱顶下沉变化较大，达到10.1mm/d，落底完成后支护结构变形趋于稳定。表明：隧道开挖多次扰动对围岩的稳定性影响极大，开挖后应该及时封闭成环，能有效控制支护结构变形。
5结论
通过介绍了浅埋大跨径隧道扩挖，在贯通段产生了大变形，采用双侧壁导坑的施工工艺，得到以下结论：
1.对于大跨径扩挖隧道，地质条件差的地段，必须采用双侧壁导坑进行施工，才能有效控制支护结构变形，保证隧道施工安全。
2.隧道开挖应该尽量减小二次或多次扰动，尤其是浅埋段的开挖爆破振动，对围岩自稳能力影响极大。
3.隧道开挖过程，必须做到少扰动、勤量测，及时掌握隧道变形情况，并及时反馈施工，若产生大变形需要采取加强措施。
参考文献：
[1]李佳翰，LEE Chiahan，CHO Menghui，等. 既有隧道扩挖及改建技术探讨[J]. 隧道建设，2011.
[2]刘明辉，殷爱国，郭伟. 既有隧道扩挖改造的施工控制及数值模拟研究[J]. 铁道工程学报，2014，31（11）：98-103.
[3]李朦. 金鸡山隧道原位2扩4围岩变形及可靠度研究[D]. 华侨大学，2016.
[4]林从谋，张在晨，郑强，等. 小净距隧道原位二扩四CD工法软弱围岩稳定性及支护参数研究[J]. 土木工程学报，2013（7）：124-132.
[5]刘冬，高文学，孙宝平，等. 既有隧道扩建爆破振动数值模拟研究[J]. 岩土力学，2016，37（10）：3011-3016.
[6]郑强. 软弱围岩中特大断面超小净距隧道2扩4施工方法研究[D]. 华侨大学，2011.
论文作者:曹玉华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/11
标签：隧道论文; 围岩论文; 结构论文; 拱顶论文; 车道论文; 稳定性论文; 导坑论文; 《基层建设》2017年第25期论文;