八字岭分岔隧道设计施工优化与现场监测研究

八字岭分岔隧道设计施工优化与现场监测研究

王汉鹏　张庆松　李术才

（山东大学岩土与结构工程研究中心　济南　250061）

摘　要　随着西部大开发的进行，在交通建设中出现了新型的隧道形式——分岔式隧道。分岔式隧道由大拱段、连拱段、小净距段和分离段构成。针对原施工设计提出了优化修改建议，对分岔隧道施工进行了现场监测，隧道拱顶最大位移小于5 mm，中墙压力最大5 MPa，支护系统内力监测数据也没有超过极限。监测结果表明隧道稳定，说明施工优化建议合理。

关键词　分岔隧道　稳定性　施工优化　现场监测

1　前　言

西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路建设的迅猛发展，穿越山岭地区的公路隧道也越来越多。由于地形条件的限制和降低工程造价的考虑，沪蓉西高速公路八字岭隧道出口采用分岔式形式。分岔式隧道目前在国内外建成并投入使用的例子并不多，由于涉及分离段、小间距段、连拱段和大拱段施工，复杂的受力结构、频繁的工序转换给施工带来了一定的难度^［1～3］。本文优化了分岔隧道的施工和支护设计，对施工过程进行了现场监测，研究了施工过程的稳定性。

2　分岔隧道设计优化

2．1　工程概况

本文以沪蓉西高速公路宜昌—恩施段八字岭分岔隧道为例研究。由于地形条件的限制，设计为分岔式隧道，出口由两条分离隧道逐渐靠近，经过小净距段、连拱段，合并成大拱段，最终成为一条隧道，与四渡河特大桥相连。隧道地表为高低不平的山地。

大拱段隧道净宽24．3 m，高11 m，直中墙连拱段左右隧道宽都为10．73 m，高为8．15 m，曲中墙连拱段和小净距段隧道净宽均为11．35 m，高11．89 m，中隔墙的宽度由连拱段至小净距段逐渐变宽。

大拱段设计开挖方式采用分多步开挖，采用锚网喷支护，并施作二次衬砌和中墙；连拱段和小净距段设计中采用了上下台阶留核心土法开挖，并且先挖右洞，连拱段采用锚网喷、二次衬砌和混凝土中墙支护；小净距段采用锚网喷、二次衬砌支护围岩，并采用贯穿预应力锚杆支护中墙，开挖步骤及支护措施如图1所示。

2．2　施工支护优化

设计的开挖支护方式过于繁琐，不利于快速施工，并且由于开挖步较多，对围岩造成多次扰动，不利于围岩的稳定。根据模型试验和数值计算的结果^［4］，隧道的施工设计可进行如下优化：

图1　分岔隧道各断面开挖支护设计

①在轴向上，采用左洞最少超前32 m，左右隧洞同步开挖的方式；在断面上，大拱段采用上下台阶开挖，连拱段和小净距段采用左右隧洞上下台阶或全断面开挖。

②大拱段支护措施去掉施作中墙的工序，节省了投资，加快了施工速度。

③连拱段隧道拱肩最易破坏，应重点加强肩部的锚杆支护，可适当减少拱腰处的锚杆数量；中墙上部的岩体要重点支护，特别是直中墙的上部和底部、曲中墙的上部要加强配筋。

④小净距段隧道的中墙是支护重点，可采用预应力贯穿锚杆增加中墙的侧压。对于靠近连拱段的小净距段隧道，应特别注意。在围岩较差地段可采用超前导管、注浆加固的措施支护。

3　施工监测分析

3．1　监测项目与布置

施工方采纳了施工优化建议，分岔隧道施工现场照片如图2所示。

按新奥法理论，对分岔隧道的施工进行监测。分岔隧道现场监测项目主要包括围岩位移、支护系统内力、中隔墙压力和围岩松动范围。具体的分岔隧道监控量测断面布置如图3所示。

分岔隧道大拱段、连拱段和小净距段现场监测项目及测点布置断面见文献^［5］。各个测点确保在爆破后12 h内及时埋设，大拱段周边收敛采用了5点6线的布点方式，连拱段和小净距段左右两洞周边收敛采用了3点3线的布点方式。

3．2　监测结果

（1）位移

连拱段和小净距段隧道拱顶下沉值普遍较小，仅2 mm左右，但小净距右洞拱顶下沉值较大，达到了5 mm，这是连拱段至小净距段施工转换使得应力场变化复杂造成的。图4和图5分别为拱顶下沉曲线。拱顶位移量远小于该类围岩允许值，稳定时间较短，且走势平缓，隧道围岩整体稳定，初期支护合理有效。

图2　分岔隧道现场施工照片

图4　连拱曲中墙段隧道拱顶下沉

图5　小净距段隧道拱顶下沉

（2）中墙压力

图6　连拱段中隔墙压力变化曲线

由中墙压力变化曲线（如图6所示）可知，中墙压力随时间逐渐增加，最终压力值为3～5 MPa，说明中墙承受较大的压应力。总体来说，中隔墙受力状况没有超过极限，稳定性好。

（3）隧道支护内力监测

隧道支护系统包括锚杆轴力、钢结构内力和二次衬砌压力，支护系统的监测最大值见表1。表中数据显示中隔墙一侧的锚杆受力较大，说明中隔墙上方岩体稳定性较差，为整个连拱段较为薄弱的部位；小间距段靠近连拱段处的隧道锚杆受力比较大，说明小间距段和连拱段交界处变形大。

表1　隧道支护系统监测最终值　　单位：MPa

（4）围岩松动圈

超声波探测围岩松动圈波速表明，在孔口段0～0．6 m区域，围岩波速明显低于相关规范值（Ⅳ类围岩波速3．7～5．2 km/s）及设计提供的参考值（Ⅳ类，3．4～4．8 km/s），同时也低于钻孔深部波速值（孔深＞0．5 m区域，E＝3 964），为隧道围岩的松动区。连拱段和小净距段隧道围岩的松动圈范围约为0～1．0 m。图7为小净距段超声波波速曲线。

图7　小净距段超声波波速—孔口距离曲线

监测结果表明施工中采用的光面爆破、预裂爆破等技术手段可以有效控制爆破松动圈的范围，减少由于施工爆破引起的围岩扰动。

4　结　论

本文在给出了八字岭分岔式隧道的设计施工优化后，通过现场监测研究了隧道的稳定性，得出如下结论：

①针对原设计施工提出了修改建议，大拱段支护措施去掉施作中墙的工序，节省了投资，加快了施工速度；连拱段应重点支护拱肩和中墙上部；小净距段采用贯穿预应力锚杆重点支护中间岩墙。

②对分岔隧道施工过程进行了现场监测，拱顶监测位移最大5 mm，趋势稳定，中墙最大压力5 MPa，锚杆、钢结构和二次衬砌内力也都没有超过极限。监测数据结果表明隧道稳定，说明施工建议合理。

参考文献

［1］孙玉国，白继承．高速公路中硬岩分岔式隧道施工技术［J］．现代隧道技术，2005，42（3）：65-69．

［2］王汉鹏．分岔式隧道设计施工的关键技术研究［D］．济南：山东大学，2007．

［3］Hsin Yu Low，Hong Hao．Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading［J］．Structure Safety，2001，23：157-178．

［4］李术才，王汉鹏，郑学芬．分岔隧道稳定性分析及施工优化研究［J］．岩石力学与工程学报，2008，27（3）：447-457．

［5］王者超，李术才，陈卫忠．分岔隧道变形监测与施工对策研究［J］．岩土力学，2007，28（4）：785-789．