随着国民经济的快速发展,公路交通量迅猛增长,项目选址也由平原、微丘区向山岭重丘区转移,由于地形复杂多变且存在风景区等众多环境敏感点,导致不可避免地出现隧道工程下穿浅埋段甚至外露的情况,施工场地狭窄且环保要求高,施工难度较大。而对于单洞4车道超大断面隧道来说,由于其围岩荷载分布和支护力学特性与常规跨度隧道有所不同,穿越浅埋外露段的施工更是难上加难。

　　 国内专家学者为此也开展了相关研究工作,成果主要以洞内辅助施工措施和地表加固措施下的暗挖、明挖和盖挖施工为主,研究对象多集中于常规断面隧道。对于超大断面隧道来说,洞内辅助施工措施和地表加固措施下的暗挖施工难度大且工期长,不确定因素多,风险大;明挖施工导致开挖量大,对自然环境破坏严重;盖挖施工虽较明挖施工开挖量小,但由于隧道断面超大,开挖导致的环境破坏对于环保要求较高的景区显然不适用。为此以京沪高速公路济南连接线工程浆水泉隧道为研究对象,开展了双向8车道超大断面公路隧道穿越景区外露段的施工方案研究工作,提出了一种隧道拱顶护拱施工方案。

　　 京沪高速公路济南连接线工程浆水泉隧道长3 101m,为双向8车道特长公路隧道,建筑限界净宽16.75m,净高5m,最大开挖断面达219.8m²,最大开挖宽度达21.008m,同等断面下其规模为全国乃至世界之最。隧道左线K2+288—K2+308段穿越济南市龙洞风景区一处冲沟,受季节性洪水冲刷和人为整修观景区影响造成地形突变,场区地形地貌如图1所示,围岩等级为Ⅴ级。受隧道两端接线高程制约,纵断面设计高程无下压空间,造成隧道线路方向20m范围内拱顶浅埋外露,最多达1.78m,如图2所示。而隧道又为单洞4车道超大断面公路隧道,施工难度大,安全风险高,为安全、环保、经济、快速地通过该浅埋外露段,开展了施工方案的研究工作。

　　 本浅埋外露段地形呈左高右低之势,为山体坡脚位置,地形地质断面如图3所示,隧道衬砌拱部出露高出原地表,低山侧为碎石土层,层厚4.5～7m,隧道拱顶及右侧拱肩均位于该层中;高山侧为强～中风化灰岩,灰色,中厚层状,层理结合较好,产状缓倾,岩质较坚硬,软化性弱,岩体较破碎。

　　 原设计该浅埋段采用洞内辅助施工措施下的暗挖方案,辅助工程措施为40m长管棚联合单排小导管超前支护,开挖支护参数如表1所示,开挖工法为双侧壁导坑法。该方案需在洞内施作管棚工作室,而隧道主洞断面为单洞4车道,管棚工作室断面较隧道主洞更大,造成施工工序复杂,施工工期长,安全隐患大,后期人为原因导致地表变化衬砌结构外露,导致该方案难以实施。

　　 考虑到施工场地位于风景区,环保要求高,为避免传统明挖、盖挖施工导致的大开挖对环境的破坏,提出了一种护拱施工方案。该方案充分利用水平分层石质围岩的自稳性强的特点,依地形施作护拱,将基础置于稳定基岩之上。护拱采用25cm厚C30混凝土浇筑,内置I14,间距100cm,采用22早强砂浆锚杆打入基岩锁脚,如图4所示。

　　 护拱施作完毕形成稳定保护壳体后,按表1所示支护参数进行洞内开挖支护,完成隧道对浅埋外露段的安全穿越,具体施工工艺如图5所示。

　　 1)测量放样施工前测量人员准确量测地面线,绘制隧道浅埋外露段纵断面图。

　　 2)地质勘探施工前进行挖探,查明浅埋外露段冲积土范围、埋深、土石分界点,绘制地质断面图。

　　 3)监控量测洞内外按5m间距布设监控量测点,施工期密切监测地表沉降及周边收敛,做到信息化动态施工。

　　 4)超前地质预报施工前进行综合超前地质预报工作,采用地质素描、地质雷达、超前水平钻孔等手段,准确预报掌子面前方的围岩情况,并根据预报结果制定针对性措施。

　　 5)便道及场地准备修筑施工便道,保障小型机具能进场施工;施工前对场地进行清表,放出护拱扩大拱脚开挖范围,施工机具准备到位后准备开挖。

　　 依护拱内轮廓开挖并修整原状土体,护拱基础开挖深度至硬质岩体层以确保基础地基承载力,如图6所示。低山侧护拱基础采用扩大基础,如图7所示,为使扩大基础与岩层连接牢固,采用3.5m长22早强砂浆锚杆纵向间距1m打入岩层,外露0.5m嵌入基础。基础高度H可根据现场实际情况进行调整,保证基础顶面水平;基础钢筋模板安装到位后浇筑C25混凝土,完成原状土体开挖、修整及护拱基础施工。

　　 护拱采用25cm厚C30混凝土,内置I14(纵向间距1m)浇筑而成,每榀工字钢按环向间距1m设置22纵向连接钢筋以保证其整体性,铺设间距20cm×20cm8钢筋网片。K2+288及K2+308断面护拱拱架采用3m长22单排早强砂浆锚杆(环向间距0.5m)与山体连接形成整体,如图8所示。高山侧护拱工字钢采用如图9所示简易连接方式施工,每榀工字钢打设2根锁脚锚杆固定。模板安装完毕后,采用滚筒式混凝土拌合机拌制C30混凝土,浇筑护拱混凝土并进行覆盖养护。

　　 在进行洞内暗挖施工前,为减少爆破开挖对护拱拱脚的振动扰动,护拱拱脚处回填土并压实,如图10所示。

　　 进入护拱区域前采用CD工法暗挖进洞,上台阶低山侧1步先行开挖。进入护拱段由上而下清运原状冲积土及修整回填土,并对高山侧上台阶局部坡脚岩体爆破开挖,开挖进尺为1榀拱架间距,及时施作上台阶初期支护,如图11a所示。

　　 下台阶开挖采用左右交错式落底,为了减少爆破对周边岩体的扰动,采用单次少量开挖以减少炸药用量,即调整开挖宽度和深度分别至8m和2.19m。当一侧初支工字钢落底后,采取相同方式开挖另一侧并落底初支工字钢。两侧落底完成后爆破开挖下台阶中部剩余岩体,及时施作初期支护并封闭成环,如图11b所示。

　　 隧道二衬施作完成后,在低山侧修筑浆砌片石挡土墙,洞顶回填≥1m厚度的种植土,并形成≥2%的排水横坡,回填完毕后进行绿化工作,形成运营期对隧道结构的有效保护和景区的景观恢复,如图12所示。

　　 护拱施工方案成功应用于京沪高速公路济南连接线工程浆水泉隧道穿越风景区浅埋外露段的施工中,施工工期共计17d,经验收该段工程质量符合相关规范要求,隧道已于2017年12月28日顺利建成通车,运营状况良好。该方案与传统盖挖施工方案相比造价节省20.36万元,工期缩短13d(见表2),最大限度地降低了隧道施工对风景区的破坏,为项目的顺利通车提供了工期保障,实现了安全、经济、快速、环保的施工目标,社会和经济效益显著。

　　 本文以单洞4车道超大断面公路隧道下穿风景区外露段为例,优化了原设计管棚支护下的暗挖施工方案,采用护拱方案施工,得出如下结论。

　　 护拱方案适用于水平分层石质围岩自稳性强的浅埋外露隧道环保施工,该施工方案与传统盖挖法相似,但与之相比具有开挖小、工程量少、施工进度快、可采用小型机具施工等优点,有效保护环境的同时提高施工的安全可靠度,施工质量有保证,可有效防止运营期山体落石对隧道结构的冲击。