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分岔隧道施工工法
中国铁路工程总公司
1、前言
在深沟、峡谷地区修建高速公路，桥隧紧相连，缺少足够长的过渡路基。桥梁往往采用整体式布置的斜拉桥、悬索桥或大跨度拱桥等型式，如果分幅修建则造价过高。但是对于长大隧道，考虑到安全、工期和工程造价等因素，不宜将左右幅隧道全部设置为整体连拱形式，而是采取可以基本上不考虑左右幅洞室之间相互影响的分离式隧道（两洞室净距离保持在25～40米左右）。这样为了实现桥隧的合理衔接，就必须将两个相互分离的左右幅隧道逐渐减小间距，最终交汇成一个大拱隧道。这种平面近似“人”字形布置的分岔隧道几乎囊括了隧道工程的各种结构形式和难点，具有很强的代表性。
湖北沪蓉西高速公路第15合同段八字岭隧道出口为分岔式设计，从出口端往进口方向依次为明洞、四车道大拱段、连拱段和小间距段，然后与分离段相连（参见下面的图1）。它是国内首座大跨度施工的分岔隧道，其跨度在交通行业居亚洲第一，属于“交通部西部交通建设科技项目”。八字岭隧道分岔段在施工方面有以下的难点和不安全性：开挖断面多变且施工跨度很大;为了尽可能减少邻近隧道的桥梁宽度及其投资，左右幅两隧道间距很小，中隔墙（中间岩柱）比一般连拱（小间距）隧道的中隔墙（中间岩柱）还要薄得多，承受压力更大且容易因爆破而震裂;左右幅两隧道开挖爆破时存在很大的相互震动的影响，容易造成围岩松动和坍塌。如何确保八字岭隧道分岔段施工的安全、质量、进度和控制施工成本，是一个重大的技术难题。
宜昌分离段小间距段衬砌连拱段衬砌中隔墙大拱段明洞中间岩柱衬砌连拱段小间距分离段大拱段明洞段衬砌
图1 八字岭隧道分岔段平面布置示意图（原设计）
依托八字岭隧道分岔段的施工实践，中国铁路工程总公司与中国交通部第二勘察设计研究院、山东大学、同济大学和中国科学院武汉岩土力学研究所联合开展科技创新，取得了《分岔隧道设计施工指南》这一国内领先、国际先进的新成果，目前正在申报湖北省和交通部的科学技术一等奖。中国铁路工程总公司利用先进的科学技术方法和手段，取得了八字岭隧道分岔段施工的胜利，在安全、质量、进度和效益方面都实现了最大程度的成功。在八字岭隧道分岔段的施工过程中形成了新颖的《分岔隧道施工工法》。该工法在确保分岔隧道施工的安全、质量、进度和控制施工成本方面效果显著，技术先进，具有明显的经济效益和一定的社会效益、环保效益。
2、工法特点
2.1通过对分岔隧道最优开挖方法的理论研究和实验，大胆地将正台阶法与多部开挖法有机组合在一起，减少了常规开挖分部的部数，最大限度地实现了大断面开挖。这样不但减少了工序及其相互干扰，方便了测量，创造了较大空间来组织机械化作业，而且减少了初期支护的施工缝，有利于提高进度和质量。
2.2在洞口段通过超前长管棚注浆来保证浅埋地段的围岩稳定。大拱初期支护通过采用预应力锚杆加固来减小洞室周边岩体的相对变形，有利于在锚杆的预应力作用范围内形成稳定的承载拱。这些措施更好地发挥了新奥法所特别强调的“围岩自身承载能力”。
2.3利用中导坑先施工连拱段的中隔墙，既可以探明前方地质情况，又可以在中隔墙的支撑作用下减小开挖跨距，保证施工安全。针对左右幅两隧道间距非常小的特点，通过对开挖爆破方案的理论分析和实验，在连拱段和小间距段实行左右洞交错施工并保持一定间距，既保证了爆破效果，又有效地减小了开挖爆破时存在的相互震动的影响，最大可能地贯彻了新奥法“少扰动”的原则。 2.4中隔墙的两侧各预留30cm厚度与隧道主洞二衬整体浇筑，这不但使中隔墙与隧道主洞二衬形成了共同受力的有机整体，而且消除了中隔墙与隧道主洞二衬之间的施工缝，避免了该施工缝过去经常出现的渗漏水现象。
2.5通过使用信息化施工技术，对围岩和初期支护的承载能力、保证期限提供了至关重要的定量数据，打破了传统的过度强调“衬砌紧跟、早期施作”的思想束缚，这不但减少了多工序同时作业的相互干扰，同时也避免了开挖爆破对衬砌可能造成的损伤。
2.6衬砌防水引入了分区防水的概念，即在初期支护与二次衬砌之间敷设一层EVA／ECB共挤防窜流复合防水板。分区防水一方面使得衬砌渗漏的机率大大降低，另一方面使得衬砌漏水位置与防水板的漏水位置相对应，这给后期整治漏水提供了方便。
2.7利用当今先进的数值模拟方法和监控量测信息，以确保安全为前提，动态修正支护参数，优化了中间岩柱和中隔墙的厚度，取消了大拱的中隔墙及内衬结构。这不但减少了隧道本身的施工成本，而且减少了邻近隧道的桥梁宽度及其投资，同时还加快了施工进度。
3、适用范围
适用于处在地形陡峻的深沟峡谷地区而不得不进行大跨度施工的分岔隧道，对其它隧道乃至于地下工程也具有一定的指导意义。
4、工艺原理
4.1分岔隧道的施工跨度很大，其结构形式及荷载分布比较复杂，相邻结构施工的相互干扰较大。如何尽可能实行较大断面开挖，又避免坍塌，确保安全，光凭经验和直觉往往是难以准确把握的。我们应用动态施工过程力学原理和二维（三维）断裂损伤有限元方法、三维显式差分法（FLAC3D）等数值模拟的方法模拟了分岔隧道多种可行的开挖方法对围岩稳定性的影响，得到了与不同开挖方法所对应的围岩变形、应力状态、塑性区分布以及围岩可能出现的破坏模式。然后，我们结合具有真实性、可靠性等优点的1/50模型实验、现场实验及其监测，提出了分岔隧道最优的施工开挖方法。 4.2以新奥法的基本精神为指导，强调发挥围岩的自身承载能力（分岔隧道在这方面的要求更高）。通过在大拱使用预应力锚杆来更好地发挥了围岩的自身承载能力。“少扰动”是新奥法的基本原则之一，但它仅仅停留在模糊的感性认识上，实践中往往难以准确地把握，对分岔隧道更是如此，因为分岔隧道的中隔墙（中间岩柱）比一般连拱（小间距）隧道的中隔墙（中间岩柱）还要薄得多。为了定量地具体实施“少扰动”的原则，有效地保护连拱段的中隔墙和小间距段的中间岩柱，我们通过数值模拟分岔隧道开挖爆破时的围岩振动速度和松动情况，得到了关键薄弱部位的振速控制指标，确定了保证爆破效果、围岩（特别是中间分隔部位）稳定的的合理装药量及其开挖方法。同时，
应用弹塑性断裂损伤分析方法研究爆破振动对相邻洞室的围岩及结构的影响。为了进一步减小围岩松动变形的程度，保证施工安全，在连拱段和小间距段采取左右洞交错施工并保持一定间距的开挖方案。
4.3“早喷锚、紧封闭”也是新奥法的两个基本原则。为了在实际施工过程中准确地把握喷锚、衬砌的时机，根据新奥法的“勤量测”原则，在隧道内埋设多点位移计、压力盒、应变计和收敛点等监测设备，开展围岩物理力学参数测试、围岩收敛及应力分布量测、围岩深部位移规律量测、初期支护内力量测及锚杆内力量测等工作。然后根据现场实际地质信息、施工信息、围岩变形和支护受力等监测信息对隧道围岩的稳定性进行反演分析，准确掌握了围岩和初期支护的承载能力、保证期限，提出了既方便施工，又确保安全的最佳的支护时机。 4.4 EVA／ECB共挤防窜流复合防水板上具有连续的、突出的止水肋，能深深地嵌入二次衬砌混凝土中，因此即使防水板局部存在渗漏，地下水也不能在二次衬砌与防水板之间的大范围内流动。这样只有当二次衬砌与防水板在同一区域漏水时，隧道结构才产生漏水现象。
4.5我们将应用三维断裂损伤有限元方法和三维显式差分法（FLAC3D）进行模拟计算的结果与现场监控量测的支护应力进行对比，研究了分岔隧道三维围岩的稳定性及支护结构的内力分布规律，优化了中间岩柱、中隔墙的厚度及衬砌结构的支护强度，取消了大拱的中隔墙及内衬结构。
5、施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备→洞口开挖及防护→大拱段开挖及初支→连拱段开挖及初支→小间距段开挖及初支→隧道结构施工。 5.2操作要点
5.2.1洞口开挖及防护
分岔隧道成洞面的跨度及净空很大，洞口每延米的刷坡方量也就很大。为了尽可能缩短明洞长度，减少洞口的刷坡方量，保护原始自然生态，我们通过超前长管棚(28m长)注浆来保证成洞面和浅埋地段开挖的稳定和安全，实现了“早进洞，晚出洞”的原则。洞口段开挖以挖掘机为主，辅以人工风镐进行，需爆破时采用浅孔微震爆破，严格控制装药量，避免围岩受到过大扰动。
施工中先施作山坡上的截水沟，然后采取从上到下的顺序对边坡进行开挖及防护。一边开挖，一边进行锚喷防护，同时处理好施工用水与降雨的排放，防止其软化边坡坡脚的土体。开挖至成洞面附近时要预留核心土，待套拱、管棚施作后再开挖进洞。洞口开挖及防护施工工艺流程见下面的图5.2.1。
引排施工用水及雨水测量放线及施工准备边坡检查并清理危石测量并预留核心土超前管棚施作及注浆坡面截水沟施工开挖边坡装运弃碴锚喷防护套拱施作
图5.2.1 洞口开挖及防护施工工艺流程图
洞口长管棚注浆注意事项：注浆尽量采用单液注浆，这样不仅可以简化工艺，降低造价,而且固结强度较高。因此注浆前先进行单液注浆实验,单液注浆以水泥为主,添加5%的水玻璃(重量比)。如可灌性差,再进行水泥-水玻璃双液注浆实验。双液注浆参数通过现场试验确定。
5.2.2大拱段开挖及初支
八字岭分岔隧道的四车道大拱段长58.6米，Ⅲ、Ⅳ类围岩。开挖断面最大跨度24.7米，最大高度12米。原设计采用的是比较保守的常规开挖方法，即先施作中隔墙，然后在中隔墙的保护作用下开挖两侧边墙（参见下面的图5.2.2-1 原设计大拱施工工艺流程图）。我们经过科研论证，取消了原设计的中隔墙及内衬结构，同时对原设计的六部（上面三部，下面三部）开挖方法进行优化，形成了在此种条件下最优的四部（上面一部，下面三部）开挖方法（参见下面的图5.2.2-2 实施性大拱施工工艺流程图）。经过优化，取消了中隔墙并最大限度地实现了大断面开挖，但初期支护的强度并没有并没有增加，即优化后的施工方案同样采用原设计的初期支护参数（参见下面的表5.2.2 大拱段支护参数）。
表5.2.2 大拱段支护参数 围 岩 类 别 初期支护 锚杆 钢筋网 钢拱架 喷射砼 二次衬砌 （C25钢筋混凝土） Ⅲ类 φ25预应力锚杆(L=6m); 20b工字 双层φ8 C20喷射砼外衬拱部厚80cm 和 φ22全长粘结砂浆锚杆钢(间距钢筋网 (厚25cm) （取消原设计内衬结构） Ⅳ类 (L=3.5m) 100cm)
⑵⑷⑷⑼⑴⑹⑼⑽⑽⑶⑶⑻⑻⑹⑸⑺⑺⑼⑹⑼ 施工工序：
⑴开挖上半断面拱部; ⑹施作中隔墙; ⑵施作拱部初期支护; ⑺开挖两侧边墙;
⑶开挖两侧（拱腰）; ⑻施作两侧边墙部初期支护; ⑷施作两侧（拱腰）初期支护; ⑼全断面施作二次衬砌; ⑸开挖中部核心土; ⑽施作内衬结构。
图5.2.2-1 原设计大拱施工工艺流程图