马湘波，臧春雷，王 伦，秦童童，陈文鹏

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重庆 401120； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

近年来，随着我国机动车保有量和公路交通量的迅猛增长，城市道路交通堵塞与高速公路“通而不畅”等问题日益突出，原有双向4车道、6车道公路已不能满足社会需求，因此一大批双向8车道公路应运而生，随之双向8车道即单洞4车道超大跨度公路隧道的数量也日益增多[1-2]。

超大跨度公路隧道开挖面积大、结构扁平、施工工序复杂，围岩荷载分布及支护力学特性复杂多变，尤其在软弱围岩及断层、破碎带等不良地质条件下，极易发生围岩失稳坍塌和隧道衬砌开裂破坏等问题[3-5]。隧道建设中，主要通过超前大管棚和超前小导管等辅助措施达到加固围岩、控制围岩及支护结构变形的目的[6-7]。然而，目前国内超大跨度公路隧道数量还很少，尚未形成系统的针对超大跨度公路隧道的设计和施工规范、标准，超大跨度公路隧道穿越不良地质条件时面临超前支护的参数设计无据可依、无例可鉴的困境，给施工造成极大不便。因此，对超大跨度公路隧道超前支护措施进行研究十分必要。

本文以滨莱高速公路改扩建工程乐疃隧道为工程依托，通过现场监控量测数据分析围岩的稳定状态，对超大跨度公路隧道超前支护措施在不同围岩条件下的应用及其支护效果进行研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

乐疃隧道为滨莱高速公路改扩建工程隧道群中最长的一座，位于淄博市博山区樵岭前村东北侧约800m处，为双洞8车道分离式隧道。隧道设计速度为100km/h，最大埋深118.5m，最大开挖跨度21.5m，最大开挖高度14.3m。隧道左线长2 010m，右线长1 995m，为超大跨度公路长隧道。乐疃隧道洞身处有一段棚洞桥结构，开挖时由隧道进口、隧道出口和棚洞桥大、小里程洞口端对向掘进，左、右线共计6个工作面，隧道设计参数如表1所示，纵断面如图1所示。

表1 乐疃隧道设计参数

图1 乐疃隧道纵断面

1.2 地质概况

隧址区为剥蚀低山丘陵地貌区，相对高度>100m，局部基岩出露。隧道洞口段地势较低，覆盖层较薄，地形坡度较陡，坡度约33°，第四系覆盖层分布不均匀，厚0.8～3.5m。隧址区出露和揭露地层以中奥陶系灰岩、泥灰岩为主，层状构造，岩层节理、裂隙发育，局部溶蚀裂隙发育，裂隙面见泥质充填，稳定性较差。

2 超前支护措施

乐疃隧道采用的超前支护措施主要为超前大管棚和超前小导管。隧道施工过程中根据围岩条件及施工难度对其进行搭配组合或适当调整其尺寸参数以达到加固围岩、控制支护结构变形、保证施工安全的目的。此措施在超大跨度隧道施工中极具代表性，故以乐疃隧道所采取措施为例进行分析。同时，由于围岩变形与初期支护强度有着密切关系，故将初期支护设计参数作为一种分析背景进行交代。

2.1 超前大管棚支护

洞口段是隧道的咽喉部位，围岩往往软弱破碎，稳定性差且成拱能力弱，给隧道施工带来较大困难[8-9]，故一般采用超前大管棚进行预加固以达到良好的控制围岩变形的效果[10-11]。乐疃隧道各洞口段围岩节理、裂隙发育，裂隙面见泥质充填，地质条件较差，进洞前设置超前大管棚支护对围岩进行加固以保护洞口段施工，设置范围应综合考虑洞口段及围岩条件过渡段进行确定。超前大管棚设计参数如表2所示，设计如图2所示。

表2 乐疃隧道超前大管棚设计参数

图2 洞口段超前大管棚设计(单位：cm)

施工时先进行套拱施作，套拱沿隧道轴向长2m、厚0.7m。先按设计尺寸架立4榀I25a，间距60cm，然后预埋导向管，环向间距40cm，在拱部122°35′范围内布置，接着以预留核心土作为支撑，搭建模板，最后浇筑C30混凝土形成套拱，套拱施作如图3所示。以套拱作为支撑，采用装载机和管棚钻机钻进相结合的工艺进行棚管顶进，钢管沿隧道周边以外插角1°(不包括路线纵坡)方向打入围岩，最后进行注浆作业以完成施工。

图3 套拱施作

2.2 双排超前小导管支护

双排超前小导管支护适用于超大跨度隧道V级围岩段预加固。乐疃隧道V级围岩段岩体极破碎，节理、裂隙发育，采用上台阶CD法开挖，采取双排超前小导管作为超前支护措施并向IV级围岩段进行适当延伸，通过注浆提高围岩自身承载力，改善结构受力条件，以保证隧道施工安全，双排超前小导管设计参数如图4所示。超前小导管采用φ50×5 热轧无缝钢管，使用风动凿岩机钻孔并导入，第1排长3.0m，环向间距40cm，外插角为8°～12°，搭接长度1.2m；第2排长4.5m，环向间距40cm，外插角为3°～6°，搭接长度为1.5m。在导管管壁间隔10cm进行钻孔，孔径为10mm，梅花形布置在导管表面，尾部留1.0m止浆段。

图4 V级围岩段双排超前小导管设计(单位：cm)

2.3 单排超前小导管支护

单排超前小导管支护适用于超大跨度隧道IV级围岩段预加固。乐疃隧道IV级围岩段岩体较破碎，结构面较发育，采用上台阶CD法开挖，采取单排φ50×5 超前小导管作为辅助措施并向III级围岩段合理延伸，加固拱周软弱岩体以提高围岩稳定性，其具体设计参数如图5所示。超前小导管长4.5m，环向间距40cm，外插角为5°～8°，搭接长度为1.5m，对称布置在隧道中心线两侧120°拱顶范围内。

图5 IV级围岩段单排超前小导管设计(单位：cm)

3 隧道监控量测

3.1 监控量测内容与方案

为确保乐疃隧道施工安全和工程质量，本项目对围岩稳定性及支护效果进行监控量测，量测项目包括初期支护拱顶沉降、周边收敛等。隧道监测项目及监测频率如表3所示，变形测点布置如图6所示。

表3 现场测试项目及量测方法

图6 乐疃隧道初期支护变形试验段测点布置

3.2 监控量测结果分析

对乐疃隧道全线的初期支护变形进行长期监测，并根据测点位置和监测结果整理出关键点的最大沉降量和最大收敛量。对应于各超前支护措施，分别选取施工标准度最高的3个典型断面进行分析，分别是位于浅埋洞口段的ZK105+957断面、位于V级围岩段的ZK105+942断面和位于IV级围岩段的ZK105+892断面。

3.2.1断面ZK105+957

乐疃隧道浅埋洞口段断面ZK105+957各观测点的最大沉降值及收敛值如表4所示。拱顶沉降时态曲线与周边收敛时态曲线分别如图7所示。

表4 ZK105+957断面测点最大变形量统计

图7 ZK105+957断面拱顶沉降及周边收敛时态曲线(2017年)

由表4及图7可知，断面ZK105+957的初期支护拱顶沉降最大值出现在2号测点(拱顶偏右)，为25.6mm，仅占预留变形量的17.0%；周边收敛最大值出现在0-6(拱顶至右拱脚)，为14.5mm，仅占预留变形量的9.7%，均远小于预留变形量150mm。围岩及初期支护变形规律为先急剧增长，再缓慢变形，最后于仰拱施作即初期支护闭合成环后6d达到稳定状态。

3.2.2断面ZK105+942

乐疃隧道V级围岩段断面ZK105+942各观测点的最大沉降值及收敛值如表5所示。拱顶沉降时态曲线和周边收敛时态曲线如图8所示。

表5 ZK105+942断面测点最大变形量统计

图8 ZK105+942断面拱顶沉降及周边收敛时态曲线(2017年)

由表5及图8可得，断面ZK105+942的初期支护拱顶沉降最大值出现在2号测点(拱顶偏右)，为21.3mm，仅占预留变形量的14.2%；周边收敛最大值出现在0-5(拱顶至左拱脚)，为20.2mm，仅占预留变形量的13.5%，均远小于预留变形量150mm。围岩及初期支护变形规律为先急剧增长，再缓慢变形，最后于仰拱施作即初期支护闭合成环后14d达到稳定状态。

3.2.3断面ZK105+892

乐疃隧道IV级围岩段断面ZK105+892各观测点的最大沉降值及收敛值如表6所示。拱顶沉降时态曲线和周边收敛时态曲线如图9所示。

表6 ZK105+892断面测点最大变形量统计

图9 ZK105+942断面拱顶沉降及周边收敛时态曲线(2017年)

由表6及图9可得，断面ZK105+892的初期支护拱顶沉降最大值出现在2号测点(拱顶偏右)，为27.8mm，仅占预留变形量的23.2%；周边收敛最大值出现在5-6(主断面拱脚)，为25.3mm，仅占预留变形量的21.1%，均远小于预留变形量120mm。围岩及初期支护变形规律为先急剧增长，再缓慢变形，最后于仰拱施作即初期支护闭合成环后16d达到稳定状态。

4 结语

本文通过对乐疃隧道各超前支护措施的研究，得出以下结论。

1)隧道浅埋洞口段围岩条件下，以H200×200型钢钢架和30cm厚C25喷射混凝土等进行初期支护时，采取φ108×6超前大管棚进行超前支护措施。初期支护于闭合成环后6d变形达到稳定状态，其拱顶沉降最大值为25.6mm，周边收敛最大值为14.5mm，均远小于设计预留变形量150mm，说明超前大管棚支护能有效控制洞口段围岩变形。

2)隧道V级围岩条件下，以H200×200型钢钢架和30cm厚C25喷射混凝土等进行初期支护时，采取φ50×5双排超前小导管进行超前支护。初期支护于闭合成环后14d变形达到稳定状态，其拱顶沉降最大值为21.3mm，周边收敛最大值为20.2mm，均远小于设计预留变形量150mm，双排超前小导管能保证隧道V级围岩段围岩稳定。

3)隧道IV级围岩条件下，以I20b型钢钢架和28cm厚C25喷射混凝土等进行初期支护时，采取φ50×5单排小导管超前支护。初期支护于闭合成环后16d变形达到稳定状态，其拱顶沉降最大值为27.8mm，周边收敛最大值为25.3mm，均远小于设计预留变形量120mm，单排超前小导管能显著控制隧道IV级围岩段围岩变形。