上软下硬地层中隧道施工的几点建设管控措施——以海新三号隧道为例

上软下硬地层中隧道施工的几点建设管控措施——以海新三号隧道为例

杨成兵

厦门百城建设投资有限公司福建厦门361000

摘要：近几年，我国城市化水平加快，受城市用地限制及生态保护的要求，越来越多的城市道路建设中采用隧道穿越山体，对隧道工程的施工提出了越来越高的要求，特别是上软下硬地层中隧道的施工。为此，本文结合国内首条货运通道——海沧货运通道（马青路-疏港通道段）工程海新三号隧道来总结了上软下硬地层中隧道施工的几点建设管控措施，可供类似工程借鉴。

关键词：上软下硬地层；隧道施工；建设管控

一、工程概况

厦门海沧港区与前场铁路物流园区货运物流交通发达，但现状交通路网客货混行，交叉路口多，道路通行能力低，为此，厦门市规划了国内首条货运通道，用于解决海沧港区至前场铁路物流园区的货运交通压力。海沧货运通道（马青路-疏港通道段）工程全长4.54km，双向6车道、设计时速80km/h，位于厦门市海沧区，起点顺接海新路跨马青路跨线桥、下穿海新路往西北方向设置海新一号、二号、三号三座隧道穿越山体，终点接海沧货运通道高架段。海新三号隧道下穿雷公山，全长1240m。隧道最大埋深88m，隧道总体埋深较浅，穿越断层裂隙破碎带8条，隧道洞身穿越地层主要为粉质黏土、全风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩，Ⅳ、Ⅴ级围岩占比达95%。

二、海新三号隧道地质情况分析

海新三号隧道下穿雷公山，紧挨山体沟谷边坡，沟谷边坡坡度40°〜60°，全长1240m，穿越断层裂隙破碎带8条，不良地质主要为断层裂隙破碎带、遇水易软化的残积土及风化岩、花岗岩风化的石球（石蛋）。

隧道洞身沿着沟谷边坡穿越山体，埋深较浅，穿越的主要地层由上部较软的粉质黏土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩及下部较为坚硬的碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩构成，为典型的上软下硬地层。

三、原设计工法及存在风险

1、原设计工法：

海新三号隧道设计工法以单侧壁导坑法（CD法）及双侧壁导坑法（DCD法）为主，其中浅埋段DCD法施工工艺及措施如下：

1）沟谷边坡浅埋段施工前先进行超前地质预报工作，探测掌子面前方30m内围岩的地质情况，重点探测裂隙破碎带位置及地下水赋存情况；

2）采用超前小导管进行开挖支护，双侧壁导坑法进行开挖施工，先施工单侧导洞、在施工另一侧导洞、最后施工中间核心土体，分步分块开挖，随挖随支，及时完成初支闭合，衬砌紧跟；

3）加强施工排水管理，掌子面设6m长超前水平探孔引排地下水，及时抽排掌子面积水防止软化掌子面及基底而出现坍塌；

4）及时施做初支封闭钢拱架和仰拱，加强钢拱架落脚的支垫和锁脚锚管的打设，防止下部开挖施工时钢拱架内移、沉降而失稳塌方；

5）锚喷支护的施工工序，应按开挖、初喷、布设锚杆、挂网和架立钢拱架、复喷的步骤进行。在围岩开挖后，隧道断面位移速度最大，应及时施做初期支护，约束围岩早期变形；

6）单侧导洞钢拱架应分步落底及时封闭，加强径向锚杆的布设及注浆加固，防止侧壁和核心土滑塌；

7）浅埋段隧道施工，必须注意仰拱与掌子面的安全距离，仰拱开挖长度不大于5m，初支封闭成环后及早跟进仰拱施工，衬砌紧跟仰拱，控制在两模二衬间距内；

2、存在风险

因隧道较为复杂的地质情况，特别是穿越较长范围的上软下硬地层，采用双侧壁导坑法（DCD法）施工时，存在以下风险：

1）分段拼接的初支拱架在导坑中上部软弱地层中落脚不实；

2）下部坚硬地层开挖易造成上部初支落脚松动及初支后方软弱土体滑塌；

3）初支侧边范围内有石蛋时，侧壁拱架安装不稳且挖除石蛋易导致滑塌；

4）双侧壁工序繁多，人工安装拱架操作误差大，拱架接头多，连接不牢固；

5）临时中隔壁拆除导致应力重分布，易引起拱顶较大沉降；

6）因穿越断层裂隙破碎带众多，地下水发育，施工中过程中极易引发掌子面滑塌、拱顶塌方、局部涌水涌泥等，施工难度及安全风险极大。

四、建设管控的优化措施

海新三号隧道掘进施工至ZK4+160、YK4+050时掌子面揭露围岩地质情况实际掌子面上部为全风化花岗岩、中部为碎裂状强风化花岗岩、下部为中风化花岗岩，与原设计掌子面围岩以中风化花岗岩为主存在较大差异。按原设计工法施工存在的较大困难及巨大风险，为管控施工安全、高效有序的推进施工，从建设单位的现场管控方面采取了以下优化措施：

1、组织勘察单位进行地质补勘，掌握浅埋段详细地质情况

为更加安全有效的进行施工工艺控制和优化方案，对ZK4+160-ZK4+210、YK4+050-YK4+090进行地质补勘，详细掌握沟谷边坡浅埋段的地质情况。经与参建各方会商，勘察单位在该沟谷边坡浅埋段增设补勘探孔，经补勘发现该段隧道穿越区域洞身围岩主要由全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩构成，强风化风花岗层较厚，且中风化花岗岩位于隧道洞身下部、岩面起伏，强风化花岗岩中局部有石球（石蛋），围岩存在明显的上软下硬现象。

2、超前地质预报复核掌子面前方围岩地质情况

本项目的超前地质预报及监控量测工作由专业的第三方进行，经地质雷达探测，掌子面（ZK4+170、YK4+055）前方0-30m范围内电磁波主要呈中频反射，反射能量一般，同相轴连续性较差。推测判定掌子面前方围岩主要为全风化〜强风化花岗岩，局部中风化花岗岩，岩体破碎，节理裂隙发育，地下水渗流状。探测情况与地质补勘情况基本相符，但断层裂隙破碎带位置无明显信号反射，推测围岩整体均风化严重，较为破碎。

3.优化设计方案

根据地质补勘及第三方超前地质预报情况的综合判断，掌子面前方地质情况与原设计已不相符，为确保施工安全，组织参建单位进行探讨分析，提出安全高效、适宜可行的施工方案，设计单位对ZK4+160-ZK4+210、YK4+050-YK4+090施工方案进行优化，具体如下：

1）调整超前小导管注浆加固为超前大管棚注浆加固支护

原设计采用超前小导管对洞身开挖围岩进行超前支护，但全〜强风化花岗岩极松散，小导管加固长度3.5m且注浆扩散范围有限，对全〜强风化花岗岩的加固作用不明显，掌子面开挖过程中极易形成全〜强风化岩体的滑塌，滑塌后拱顶形成较大腔体导致小导管超前支护作用失效，存在较大的施工安全风险。为此，针对全〜强风化花岗岩极松散且雨水易软化的特点，考虑隧道掌子面施工的安全性，需优化超前支护。

超前大管棚注浆加固支护主要用于隧道软弱围岩地段洞身开挖的超前支护，主要作用表现为1）加固围岩，根据管棚打设长度，有效加固范围可达10m以上，使松散围岩挤密固结，提高围岩的粘聚力；2）提高开挖临空面的承载作用，减小松散围岩拱顶的掉块影响，降低拱顶塌方可能性；3）扩散和传递开挖释放荷载，大管棚施做后可有效扩散拱部开挖释放的荷载，避免了荷载集中的坍塌风险。依据地质补勘及超前地质预报情况进行综合判定，调整ZK4+170-ZK4+200、YK4+055-YK4+075的超前小导管注浆加固优化为超前大管棚注浆加固，强化了围岩的稳定性，降低形变，改善了隧道开挖的成洞条件，这样的辅助措施极大的提升了隧道工程的安全性和稳定性。

2）采用弧形导坑预留核心土法加快初支闭合并减少围岩扰动

原设计该段采用双侧壁导坑法（DCD法），为分步分块开挖，在隧道开挖和临时中隔壁的拆除中多次扰动围岩，不利于围岩稳定，且导洞工作面较狭小，工序转换较复杂，不利于中下部硬岩的开挖。考虑到加快施工进度，同时减少底部硬岩开挖对初支中隔壁及围岩的影响，在满足隧道施工安全的前提下，需选择更适合的开挖工法。

针对ZK4+170-ZK4+200、YK4+055-YK4+075围岩上软下硬及将超前小导管优化调整为超前大管棚进行加强支护的情况，将隧道开挖工法调

整为弧形导坑预留核心土，施工工序少且工序转换简便，加快初支钢拱架的闭合，对围岩的扰动次数少，有利于围岩的稳定。

3）采用大管棚作为锁脚加固初支钢拱架延缓围岩变形

原设计初支钢拱架锁脚采用ϕ42锚管进行加固，长度为3.5m锁脚锚管的刚度低，注浆固结范围有限，初支钢拱架落脚位于全〜强风化花岗岩的软弱风化岩体时对钢拱架的支撑加固作用不足，开挖隧道中下部时钢拱架锁脚处松散围岩易滑塌，钢拱架锁脚脱空围岩易急剧变形，沉降难以控制，易导致初支侵限。为降低开挖隧道中下部时围岩的变形及初支的沉降，加强隧道围岩及初支的稳定，防止结构侵限，需优化初支钢拱架的锁脚加固措施。

针对ZK4+170-ZK4+200、YK4+055-YK4+075围岩上软下硬，初支钢拱架落底不实，调整ϕ42锚管锁脚优化为ϕ108大管棚锁脚，每榀（0.5m）钢拱架采用两根大管棚作为锁脚，牢固焊接至钢拱架上，深度为3.5m，并注浆加固，外露大管棚端头采用ϕ32螺纹钢沿隧道开挖轴线焊接连接。依托大管棚锁脚，加固了周边岩体，初支钢拱架形成整体受力，延缓围岩变形，有效控制初支拱顶沉降及净空收敛，提高隧道开挖施工的安全性及稳定性，加快施工进度。

4、加强监控量测及时反馈优化的施工效果

施工过程的监控量测至关重要，及时对隧道围岩及初支拱架进行拱顶沉降、净空收敛的量测可发现位移及变形异常等现象，可及早的采取有效措施避免隧道施工的安全风险。通过优化超前小导管为超前大管棚、优化双侧壁导坑法为弧形导坑预留核心土法、优化锁脚锚管为锁脚大管棚的措施，在ZK4+170-ZK4+200、YK4+055-YK4+075段上软下硬围岩中隧道施工拱顶沉降及净空收敛得到有效控制，监控量测反馈的数据显示优化调整段落的中下导开挖瞬时沉降及施工总体沉降较小，施工过程中围岩整体稳定性更高，施工安全得到保障。

五、建设管控成果总结

复杂地质条件已经成为制约隧道工程建设的主要因素，这就要求建设单位的现场管控应更加主动积极，全面领导参建的勘察、设计、监理、施工、监测等单位加强协调配合，在复杂地质隧道施工时积极探索安全高效的施工方案，应当更加详尽严密的勘探隧道线位的地质构造及围岩情况，根据实际情况选用适合可行的施工工艺优化施工，加强对施工质量及工艺的控制，提高建设单位的现场管控水平。

结合本工程特点，大断面上软下硬地层隧道施工中采用超前大管棚支护+弧形导坑预留核心土法开挖+大管棚锁脚的隧道施工新方法，有效的降低了隧道开挖施工过程中的拱顶沉降及净空收敛，进而保证隧道工程施工的安全性，促进隧道工程保质保速的完成，丰富了上软下硬地层隧道施工建设管控方法，积累了较为可行的成熟经验。

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