宛坪高速公路隧道观测与施工控制技术研究

调研报告与研究计划

一、前言

南阳市宛坪高速公路是上海至武威国家重点干线公路的重要组成部分，也是河南省规划的“五纵、四横、四通道”高速公路主骨架中“第四横”的组成部分。公路地处豫西南山地，跨南阳盆地西北边缘，属秦岭山系东段，大部分为山岭重丘区，地形起伏较大。宛坪高速公路设计有16座隧道，总长度3249米，隧道按六车道标准一次实施，均为大跨度连拱隧道，技术标准高，工程规模大。

连拱隧道是一种较新的隧道结构形式,与传统的分幅修建单体隧道相比，连拱隧道在线路平面、洞口位置等的选择上均较分幅修建隧道优越，而且自由度较大，因此我国在高等级公路及市政道路建设中, 为获得良好的技术经济效果越来越多地采用了连拱隧道方案。我国已经在双向四车道连拱隧道设计与施工中积累了许多经验，在施工方法及工序、中隔墙的防水等方面取得了一定的成果，交通西部项目也对于连拱隧道建设关键技术进行了立项研究。但是对于六车道大跨度连拱隧道，国内外可供类比的工程不多，其中截止到20##年5月，我国已经建成的或者在建部分双向六车道连拱隧道如表1。由于六车道连拱隧道跨度大，结构复杂，不利因素多，设计和施工难度很大。

二、全线路基基本情况简介

宛坪高速公路地处豫西南山地，跨南阳盆地西北边缘，属秦岭山系东段，山脉走向为北西－南东及北东－南西向。大部分路段地处构造剥蚀基岩低中山区，局部路段为处山间盆地，形成山川相间的地貌格局，总体地势为西北高东南低，西北方向海拔高度一般在900-950米之间；东南方向海拔高度一般在200-260米之间，相对高差600-700米。高速公路设计有六车道大跨度连拱隧道16座，总长度3249米，均为短隧道。相应的公路隧道技术标准如表2。

表2  隧道技术标准沿线隧道分布表

沿线隧道分布表如表3（部分资料待补充）。

表3  沿线隧道分布表

隧道衬砌结构设计基本情况说明如下：

（1）横断面设计

    隧道按双洞单向行车双跨连拱断面设计，建筑限界宽度14.0米，其构成为： 0.75（检修道）+1.0（右侧余宽）+3×3.75（行车道）+0.5（左侧余宽）+0.5，因隧道均为短隧道，并考虑洞内外衔接等问题，故只在右侧设检修道，内轮廓采用三心圆，半径Ｒ＝8.05m，r＝6.65m，建筑限界高度 5.0m。

（2）衬砌结构设计

隧道洞口段结合地形、地质概况设置了长度不等的明洞，明洞均采用钢筋混凝土结构。隧道洞身段衬砌均按新奥法原理设计，采用复合式衬砌。Ⅳ级围岩（图中Ⅲ类）复合式衬砌断面和Ⅴ级围岩深埋段导洞衬砌断面图分别如图1和图2。

图1 Ⅳ级围岩复合式衬砌断面图

图2 Ⅴ级围岩深埋段导洞衬砌断面图

初期支护采用喷、锚、网、钢架支护，二次衬砌及中隔墙采用钢筋混凝土或素混凝土衬砌，同时视地层、地质条件增加管棚、小导管、超前锚杆等预加固措施，洞口偏压、浅埋地段结合地质条件采取地表注浆、反压回填等工程措施。隧道支护参数选择以工程类比为主，并通过计算分析进行校核，在施工中还需通过现场量测分析调整设计参数，实现动态设计，信息化施工。各类围岩复合式衬砌支护设计参数见表4。

表4  各类围岩复合式衬砌支护设计参数表

隧道洞门设计，本着“早进洞、晚出洞”的原则并结合隧道进出口地层、地貌特征、开挖边坡稳定性及洞口排水情况等确定了相应的洞口位置。洞门型式主要考虑使用功能，同时也考虑结合地形地貌的整体美化效果，设计了多种洞门型式，以端墙式和削竹式为主。除洞口开挖边仰坡采用护面墙外，还结合地质条件辅以喷、锚、网等防护措施，最后植草绿化。

对于隧道施工方案的选择，隧道进出口明洞均采用明挖，在确保洞口处边仰坡稳定的条件下，然后就地模筑全断面整体式钢筋混凝土衬砌。

Ⅴ、Ⅳ级围岩段隧道暗洞采用三导洞先墙后拱法施工，Ⅴ级围岩浅埋段隧道施工方案如图3，围岩开挖支护顺序如图4。

图3 Ⅴ级围岩浅埋段隧道施工方案

图4 Ⅴ级围岩开挖支护顺序

三导洞法施工要点为：

①对Ⅱ、Ⅲ类围岩段合理控制三个导洞开挖作业之间的距离，中导洞先行，系隧道开挖的关键；再开挖地质条件较差或受力不利一侧的导洞a，a导洞滞后中导洞8~10米；然后再开挖另一侧导洞b，b导洞滞后a导洞8~10米，导洞均采用正台阶法施工，台阶长度5~8米，开挖进尺按两榀钢架间距进行。

②对Ⅱ、Ⅲ类围岩段合理控制左、右主洞开挖作业面之间的距离，主洞开挖先进行导洞a侧主洞，导洞b侧主洞滞后a侧主洞8~10米，主洞开挖亦采用台阶法，Ⅱ类围岩上台阶分部开挖留核心土，进尺控制同导洞开挖，然后进行初期支护施工，防排水施工。

③控制正洞开挖作业面与二次衬砌作业面之间的距离，正洞隧道开挖作业面与衬砌作业面之间距离最小按15米考虑。

④二次衬砌采用混凝土运输车、输送泵和衬砌模板台车的机械化配套施工方案，确保混凝土质量达到内实外光。

⑤Ⅱ、Ⅲ类围岩在施工中要坚持“弱爆破、短开挖、强支护、早封闭”的原则。

⑥施工过程加强监测，及时处理分析数据，调整支护参数。

因本隧道为大跨径连拱隧道，故隧道在施工开挖时，应尽可能采用弱爆破或光面爆破。在施作初期支护时，根据洞室软弱围岩稳定时间较短的特点，必须及时施作初期支护，尽早封闭成环，必要时采用喷射混凝土封闭掌子面。锚杆需作拉拔试验，抗拔力不小于50kN，并根据围岩监控量测结果以观察拱顶下沉和拱脚收敛情况，若变形速率值突然增大，除加强初期支护外，必须立即封闭仰拱。所有系统锚杆均采用了压力中空注浆锚杆，通过压力注浆使未胶结的围岩形成整体和一定厚度的承载圈以提高自身承载能力，最终根据围岩监控量测结果，在初期支护趋于稳定的条件下，全断面模筑二次钢筋混凝土衬砌。

三、工程地质条件简介

根据本路段的地貌成因类型、工程地质及水文地质测绘，结合钻探揭示的地层岩性，线路段可划分为两个地貌单元，即山前丘陵地貌单元（Ⅰ）和构造剥蚀低山地貌单元（Ⅱ）。构造剥蚀低山地貌单元（Ⅱ）又分为碎屑岩工程地质亚区、松散堆积物工程地质亚区、火成岩工程地质亚区和变质岩工程地质亚区等4个亚区。

主要地层、岩性：下伏主要以下元古界郭庄组（Pt1q­1）、宽坪组（Pt1q3）、陶湾组（Pt1q4）和大沟组（Pt1d?）；中元古界大庙组（Pt2e1）、姚营寨组（Pt2ml）和马头山组（Pt2m2）的变质岩系为基底；上覆有古生界泥盆系沙沟组（D2-3sh），中生界白垩系上统（K2）。第三系缺失，第四系不发育，并平行不整合于中生界、古生界地层之上，厚度约2-10米，为松散沉积物所组成。主要地层、岩性如下：

①泥盆系沙沟组（D2-3sh）：厚度大于1000米，岩性为石英片岩夹有钙质片岩、大理岩及石英岩薄层。岩层产状：倾向北北西，倾角40-60度。节理极发育有三组-四组。主要分布在水峡河大桥以西(香坊沟-终点)。

②白垩系上统（K2）：厚度大于1000米，岩性上部主要由砂砾岩与紫红色泥岩互层组成；中部主要由褐红色泥质细砂岩夹薄层灰色砂砾岩、紫红色泥岩组成；下部主要由紫红色砂砾岩、灰色细砂岩、紫红色泥质粉砂岩互层组成。岩层产状：倾向南西西，倾角20-25度，主要有两组“X”节理，节理一般不发育，节理面平直，延伸一般数米，。主要分布在水峡河大桥以东(起点－香坊沟)。

③上更新统（Q3）：厚度0.5-3.0米，为山坡残、坡积物堆积。岩性主要为亚粘土，低部主要为粒径10-40厘米的漂、卵砾组成。主要分布在山坡坡顶及坡脚。

④全新统（Q4）：厚度2—10米，为河流冲、洪积物堆积。岩性为亚砂土、亚粘土与卵砾砂组成。主要分布在黑漆河、淇河、水峡河、丁河、老灌河等河流的河漫滩及一级阶地。

宛坪高速公路地处秦岭造山带东段，在大地构造位置上跨华北、中秦岭、扬子三大板块构造单元，具有长期、复杂的构造演化历史和变质变形特征。构造线方向北西西-南东东向，北西西走向的褶皱、挤压带、冲断层等压性结构面是本区构造的主导。次为与压性结构面斜交的北东和北西向扭性断层，北东向扭断层北西盘相对向南西方向推移，北西向扭断层北东盘相对向南东移动，此两方向断层构成了本区的“X”扭性结构面。再次是与压性结构面近于直交走向近南北的张性结构面和与压性结构面平行的低次序的北西西-南东东向的张性断层。这些构造形迹大部分具有长期和多次活动的特点。

四、岩土力学参数主要试验成果

在详细的工程地质勘查报告中，针对每一座隧道均进行了钻探取样，对岩性特征进行了描述，给出了岩石单轴抗压强度试验值。对于工程地质勘查报告中所提供的饱和单轴抗压强度值总结如表5。

表5  沿线隧道岩石单轴抗压强度试验结果

五、观测断面选择

作为依托工程的隧道在围岩工程地质条件和所采用的施工工序方面应当具有代表性。

1、典型地质分区

前以述及，宛坪高速公路大跨度连拱隧道围岩岩性为白垩系碎屑岩和泥盆系变质岩。白垩系碎屑岩主要由厚层状灰白色、褐红色泥质细砂岩夹薄层灰色砂砾岩、紫红色泥岩组成。岩层产状为：倾向南西西，倾角20～25度，节理一般不发育，主要有两组“X”节理，节理面平直，延伸一般数米至十几米，节理密度一般为每米0.2~0.5条。白垩系碎屑岩主要分布在里程桩号k67+866以东，围岩类别为Ⅱ－Ⅲ类（新隧规Ⅴ－Ⅳ级）。泥盆系变质岩，岩性为灰绿色－灰黑色二云石英片岩夹有钙质片岩，岩层倾向北北西，倾角40～60度。节理极发育，有三组至四组节理，节理面一般呈微张开至闭合状，局部充填有铁泥质，节理密度一般为每米5~10条。泥盆系变质岩主要分布在里程桩号k67+866以西，围岩类别为Ⅱ－Ⅳ类（新隧规Ⅴ－Ⅲ级）。

根据隧道围岩典型地质分区，分别在里程桩号k67+866以东白垩系碎屑岩和里程桩号k67+866以西泥盆系变质岩中各选择一条隧道作为依托工程进行重点研究，同时对于其它隧道进行有针对性分析。里程桩号k67+866以东选择吴家庄隧道；k67+866以东选择阳坡隧道。吴家庄隧道和阳坡隧道基本情况分别说明如下：

（1）吴家庄隧道

吴家庄隧道位于西峡县五里桥乡芦医庙。进口桩号K41+640，出口桩号K41+980，隧道长340m。进出口为全—强风化细砂岩夹泥岩，岩体完整性一般，工程稳定性较差；洞身段为弱风化细砂岩夹泥岩，岩质较新鲜，岩体完整性较好，工程稳定性一般。

隧道工程地质条件如下：

①地形地貌

隧址区属于中低山地貌, 隧道进出口段基岩直接出露。山坡坡度20-30°, 地面标高在270-344.76m之间,相对高差74.76m。山脊走向与隧道轴线基本垂直。山脊上部较陡，下部较缓；进口处较缓，出口处较陡。

②地层岩性

隧址区分布的地层主要为白垩系上统(K2）细砂岩夹薄层泥岩。黄褐色-棕红色,泥质-细粒结构,厚层状构造。全-强风化岩体,节理裂隙较发育,呈微张状,岩体呈块状-碎石状; 弱风化岩体,节理不发育,呈闭合状, 岩体呈巨块状。

③地质构造

隧址区属秦岭构造带东段，断裂构造较发育。岩层产状为190°∠ 17°，洞走向与岩层走向夹角为10-15°，见有一组节理，产状为：①325°∠68°，平均每米1条。节理等结构面组合易在拱顶及侧壁形成不稳定楔形体。

④Ⅱ类围岩特征

全-强风化细砂岩夹泥岩，节理裂隙较发育，多呈微张状，局部泥质充填，呈碎石状松散结构-块石状镶嵌结构。Vp=470-1900m/s,RQD=60％，[s₀]=350-650kPa。

⑤Ⅲ类围岩特征

弱风化细砂岩夹泥岩节理裂隙不发育，多呈微张状-闭合状，节理面平直,岩体呈大块状砌体结构。Vp=2500-2700m/s,RQD=85％，[s₀]=1000kPa。

图5 吴家庄隧道围岩爆破前后对比

（2）阳坡隧道

阳坡隧道位于西峡县水峡村邹家湾北侧。进口桩号K71+680，出口桩号K71+985，隧道长305m。进出口处于全—强风化二云石英片岩中，呈碎石状松散结构，开挖时易产生崩塌及侧壁失稳；洞身围岩主要由为强—微风化二云石英片岩组成，围岩类别为Ⅱ－Ⅳ类，围岩稳定性一般。

隧道工程地质条件如下：

①地形地貌

隧址区属于中低山地貌, 隧道进出口段第四系覆盖层较薄，基岩基本裸露。山坡坡度30-40°, 地面标高在411-474m之间,相对高差63m。

②地层岩性

阳坡隧道分布的地层主要为石盆系沙湾组（D_2-3sh）二云石英片岩。上部灰黄色-灰绿色, 中下部灰黑色-青灰色，粒状变晶结构,片状构造。全-强风化岩体,节理裂隙极发育,呈微张状,岩体破碎，呈碎石状松散结构；弱—微风化岩体，节理发育,呈闭合状, 岩体较破碎，呈碎石状压碎结构。

③地质构造

阳坡隧道隧址区属秦岭构造带东段，断裂及裂隙发育。岩层产状为350°∠ 65°，洞轴线与岩层走向夹角为10-15°，主要发育有2组节理，产状分别为：260°∠85°、平均每米6条；140－150°∠43－48°，平均每米5－6条。节理等结构面组合易在拱顶及侧壁形成不稳定楔形体。

④Ⅱ类围岩特征

全-强风化二云石英片岩，节理裂隙极其发育，多呈微张状，局部泥质充填，呈碎石状松散结构。Vp=800-2000m/s,RQD=0，[s₀]=400-1000kPa。

⑤Ⅲ类围岩特征

弱风化二云石英片岩，节理裂隙较发育，多呈微张状-闭合状，节理面平直,岩体呈碎石状松散结构。Vp=20##-2500m/s,RQD=10％，[s₀]=1500kPa。

⑥Ⅳ类围岩特征

微风化二云石英片岩，节理裂隙较发育，多呈闭合状，节理面平直,岩体块石状镶嵌结构。Vp=3100-3300m/s,RQD=45％，[s₀]=2000kPa。

图6（1）  阳坡隧道围岩状况

图6（2）  丁家湾隧道围岩状况

2、典型施工工序

宛坪高速公路大跨度连拱隧道主要采用两类典型施工工序，即：

（1）先进行中导洞开挖，中隔墙浇筑完成后，再进行左右正洞的开挖，具体工序为：

①中导洞开挖及支护；②中隔墙浇筑；③左洞侧导坑开挖及支护；④左洞拱部开挖及支护；⑤左洞下台阶、核心土开挖及浇筑仰拱；⑥右洞侧导坑开挖及支护；⑦右洞拱部开挖及支护；⑧右洞下台阶、核心土开挖及浇筑仰拱；⑨全断面模注钢筋混凝土衬砌。

宛坪高速公路小沟隧道、阳坡隧道等采用了这种施工工序。

图7 阳坡隧道中导洞开挖

（2）先进行中导洞、左洞侧导坑、右洞侧导坑开挖，然后浇筑中隔墙浇筑，再进行左右正洞的开挖，具体工序为：

①中导洞开挖及支护；②左洞侧导坑开挖及支护；③右洞侧导坑开挖及支护；④中隔墙浇筑；⑤左洞拱部开挖及支护；⑥左洞下台阶、核心土开挖及浇筑仰拱；⑦右洞拱部开挖及支护；⑧右洞核心土开挖及浇筑仰拱，⑨全断面模注钢筋混凝土衬砌。

图8  新沟隧道中导洞、左右侧导洞开挖

宛坪高速公路新沟隧道、吴家庄隧道等采用了这种施工工序。

所选择的依托工程吴家庄隧道和阳坡隧道，包括了宛坪高速公路大跨度连拱隧道所采用两类典型施工工序，具有代表性。

附录所进行的“宛坪高速连拱隧道不同施工工序的数值模拟初步分析”表明，采用两类典型施工工序均能够满足隧道施工要求，但是由于隧道跨度大，中隔墙受力复杂，特别是顶部与基部拐角处为应力集中区，施工时应予以重点关注；如果能够在施工中保证中导洞、左洞侧导坑和右洞侧导坑安全，减少群洞效应，则采用第二种施工顺序，对于中隔墙和围岩的稳定与变形控制更为有利一些。

六、项目观测计划

1、总体目标

本项目根据宛坪高速公路隧道工程地质条件、施工特点与环境条件开展围岩和结构稳定性分析研究，提出大跨度连拱隧道围岩稳定与变形控制措施，并且研究大跨度连拱隧道施工方法和施工工艺，研究支护结构稳定性，建立适用于宛坪高速公路连拱隧道的设计方法与施工工艺及相应的工程质量控制措施，为保证宛坪高速公路连拱隧道施工的顺利进行与圆满完成提供技术支持。

2、主要观测内容

（1）宛坪高速公路隧道特性的现场测试及分析

选取典型隧道，布置试验、测试断面，测试试验锚杆轴力、围岩压力、支护混凝土应力、钢架应力、二衬接触压力和二衬应力等；同时进行隧道收敛变形、拱顶下沉、地表下沉等项目监测，结合现场的隧道施工监控量测成果，分析隧道在施工过程中围岩与结构的受力与变形特征。

选测项目测点总体布置图如下图。

下表为图例。

（2）围岩物理力学指标的现场和室内试验

进行现场围岩节理裂隙的调查，现场取样，进行现场和室内试验，合理确定岩体(石)的重度、弹性抗力系数、变形模量、泊淞比、内摩擦角、粘聚力、侧压力系数、抗压强度。

（3）隧道围岩与支护结构稳定分析

考虑宛坪高速公路连拱隧道具体的围岩类别和结构型式，且顾及浅埋和倾斜地层下的偏压情况，通过典型隧道围岩压力和变形实测结果，研究隧道开挖面时空效应，根据围岩类别及地形条件确定设计荷载分布形式与大小，研究提出新的结构模型计算方法，对隧道初期支护及二次衬砌进行内力计算及强度校核确定，分析围岩与支护结构的稳定性，进一步对大跨度连拱隧道结构型式、参数进行合理化分析。

（4）隧道围岩与支护结构变形控制基准研究

在典型隧道压力和变形实测和现场隧道施工监控量测成果综合分析的基础上，研究大跨度连拱隧道围岩与支护结构变形控制基准。考虑典型条件，建立隧道围岩与支护共同作用数值分析模型，采用数值模拟手段，对隧道施工全过程进行两维和三维模拟分析，结合反分析技术，预测围岩失稳和基本稳定时间，确定围岩允许位移变形量和允许位移变形速率。根据大跨度连拱隧道的位移极限值、变形规律、隧道支护与衬砌结构形式，施工安全和结构安全度需求，分析确定支护结构位移控制基准和二衬结构施作时机，反馈、优化施工工艺。

（5）隧道施工方法和施工技术的研究

针对宛坪高速公路连拱隧道的实际条件，研究合适的大跨度隧道施工方法和施工工艺，特别讨论设计采用的三导洞先墙后拱法施工工艺，分析不同开挖方法和辅助施工工艺对围岩应力分布、围岩变形的影响，讨论围岩应力、变形的发展趋势和变化规律，以及围岩稳定性的研究；同时研究大跨度隧道围岩变形控制技术，对减少超欠挖技术、锚杆技术、辅助施工工法等在该公路隧道中的应用进行研究。

3、拟解决的技术关键问题

（1）各类现场量测项目的实施和量测数据的综合处理与分析；

（2）隧道施工数值模拟技术的开发与应用；

（3）隧道围岩与支护结构变形控制基准的提出；

（4）大跨度连拱隧道荷载的确定；

（5）大跨度连拱隧道合理的施工工艺的开发。

4、技术路线和具体实施方案

在国内外现有研究成果的基础上，采用理论分析、数值模拟、现场监测试验等多方面手段进行。

（1）国内外连拱隧道和大跨度隧道研究现状综合分析。

（2）通过调研，收集资料，据工程类比，对于宛坪高速公路大跨度连拱隧道的结构型式和施工方案进行初步分析;进行现场节理裂隙的调查，结合室内试验，合理确定隧道的相关研究参数。

（3）对于现场大量的隧道监控量测结果、围岩变形和压力等实测结果的综合分析；

（4）在吴家庄和阳坡隧道中选定典型隧道试验断面，进行现场隧道围岩与支护结构内力和变形变化发展规律的研究；

（5）建立围岩与支护相互作用数值模型，采用FLAC数值分析软件进行分析，研究围岩与支护结构的受力与变形特征，优化隧道的结构、支护型式和施工工艺，给出定量指标。

（6）结合现场监控量测和试验结果，对于支护效果进行评价，研究不同围岩条件下，初期支护的合理型式，提出隧道围岩与支护结构变形控制基准，确定进行二次衬砌的合理时间。

（7）通过现场试验和数值模型试验技术研究大跨度连拱隧道施工方法和施工技术，对控制地表沉降、围岩收敛和支护结构的安全稳定性，提出参考建议。

（8）总结上述研究成果，建立适用于宛坪高速公路连拱隧道的设计方法与施工工艺及相应的工程质量控制措施。

5、技术经济指标

（1）结合宛坪高速公路连拱隧道，对于隧道围岩、结构和施工技术进行系统研究，具有良好的实用价值，可以取得良好的技术经济效果，带来很大的经济和社会效益。

（2）为宛坪高速公路大跨度连拱隧道采用合理的衬砌结构和支护参数提供科学依据和技术支持。

（3）提出宛坪高速公路大跨度连拱隧道围岩变形控制基准。

（4）总结和提出形成大跨度连拱隧道大跨度连拱隧道围岩稳定与变形控制技术，具有较大的推广应用价值，可供我省及其我国其它地区连拱隧道设计与施工参考，并且为相关规范的制定与完善提供依据。

（5）完成项目研究报告并通过正式课题鉴定，总体上可望达到国际先进水平。

6、进度计划

20##年3月~20##年6月：调研，提交调研报告，提出拟进行试验研究的隧道，并选择试验工点；

20##年7月~20##年12月：进行现场测试，现场取样进行室内试验，对于隧道施工提供技术咨询，提交阶段研究报告。

20##年1月~20##年6月：继续进行现场试验；对于隧道监控量测结果和现场试验成果进行综合分析；建立数值计算模型，进行大量数值分析，及时反馈成果；对于隧道施工提供技术咨询。

20##年7月~20##年12月：继续进行现场测试，进行理论分析和数值计算，及时反馈成果，对于隧道施工提供技术咨询，提交阶段研究报告。

20##年1月~20##年6月：有针对性地补充理论和数值分析，进一步完善研究成果，对成果进行归纳、总结，编写最终研究报告，并进行成果鉴定。

7、拟提交的研究成果

（1）大跨度连拱隧道围岩稳定与变形控制技术研究总报告

（2）宛坪高速公路隧道现场测试及分析专题报告

（3）大跨度连拱隧道特性理论与数值模拟分析研究专题报告

（4）大跨度连拱隧道施工方法和施工工艺专题研究