炭質泥巖隧道進洞施工技術研究

陳 羽，丁彰芳

（貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550004）

洞口工程設計以“早進洞，晚出洞”為原則，最大限度地降低洞口邊坡仰坡的開挖高度，以保證山體的穩定，減小對洞口自然景觀的破壞。隧道進洞是隧道施工中的一個難點，對于炭質泥巖隧道進洞更加困難。泥灰巖、炭質頁巖自穩定能力差，遇水軟化，不易產生拱效應來有效承受圍巖壓力。如何在保證安全的前提下，采用常規的超前支護方式安全進洞，并有效地控制隧道初期支護的沉降變形，是炭質泥巖區隧道進洞面臨的問題[1]。本文結合貴州省惠水至羅甸高速公路某隧道進洞施工實際情況，提出了“兩端固結梁”隧道進洞施工方案，有效解決了炭質泥巖隧道進洞難題。

1 工程概況

某隧道位于惠水縣斷杉鎮新場村境內，隧道進口位于斷杉鎮新場村東約150 m的中山緩坡地帶，路線以南西方向延伸，下穿中山脊狀山嶺，隧道出口位于斷杉鎮木興村北東約350 m處中山緩坡地帶，區內山體走向北東，山體較高大，呈狹長的脊狀，延伸較穩定。隧道為穿越該山嶺而設，隧道型式為分離式，凈空(寬×高)均為（10.75×5.0）m，采用電光照明，機械通風。其中左線里程：ZK40+020—ZK40+950，全長 930 m；右線 YK40+030—YK40+920，總長890 m。進口右洞YK40+030—YK40+305段圍巖級別為V級。

隧道圍巖體地層由強風化—中風化泥灰巖、炭質頁巖和中風化灰巖構成，隧道進口部分為殘坡積粉質黏土和強風化泥灰巖及炭質泥巖構成，風化裂隙發育，強度較低，自穩能力差，受水浸潤后極易加劇松散破壞；洞口仰坡巖體，容易在水的沖刷侵蝕下產生坡面變形破壞，形成淺層滑塌、松動剝落；在不受水的作用下而呈干燥狀態時，具有一定的自穩能力。

2 隧道管棚超前支護進洞方案

綜合地形地質情況，該隧道進洞設計方案為超前管棚支護。通過棚架及部分巖體的注漿固結提高施工環節的支護能力，防止巖體下沉松弛和坍塌。管棚長度為40 m，鋼管均采用節長3 m、6 m φ108×6熱軋無縫鋼管，環向間距中至中40 cm。鋼管設置于襯砌拱部，管心與襯砌設計外輪廓線間距大于20 cm，水平外插角為2°～4°，長管棚施工完成后，采用水泥（添加5%水玻璃）注漿，圖1為隧道洞口套拱及長管棚示意圖。管棚的優勢為：a）超前距離較長，能夠形成縱向鋼梁作用，可以有效承受巖土體自重產生的側向壓力[2]；b）通過注漿可以固結管棚周邊土體，有效提高巖土體自身的穩定性，發揮圍巖自身的拱效應[1]。

圖1 隧道洞口套拱及長管棚示意圖

3 隧道進洞過程中存在的問題

隧道右線進洞雖然采取了超前管棚支護，隧道管棚注漿效果較好，初期支護及時施作，但隧道暗洞開挖15 m后，出現拱頂下沉、拱腳收斂、地表開裂問題，如圖2所示。

圖2 隧道表面裂縫

圖3為YK40+045斷面拱頂下沉量曲線圖，圖4為YK40+050斷面拱頂下沉量曲線圖，拱頂沉降累計最大值為220 mm，變形量非常大。隧道初支產生了嚴重影響，出現了套拱開裂、噴射混凝土開裂，地表開裂等現象。這些裂縫既影響了初期支護的受力及穩定性，又可能產生一些次生災害，如沿裂縫產生的滲漏水、初期支護下沉侵入二次襯砌界限等。

圖3 隧道YK40+045斷面初期支護拱頂下沉曲線

圖4 隧道YK40+050斷面初期支護拱頂下沉曲線

4 炭質泥巖隧道進洞施工處治方案

4.1 管棚超前支護受力模型分析[3]

4.1.1 兩端固結梁受力模型

按設計施工的套拱，套拱基礎地基承載力滿足要求，管棚后支點落在套拱上，前支點進入固結的土體中（由于管棚注漿后，能夠使周邊土體固結），管棚前后支點的位移可以忽略為0，那么管棚的受力模型可以簡化為兩端固結梁，如圖5。按照此模型施工的隧道，開挖段承受的彎矩較大，未開挖段承受的彎矩較小，只要及時進行支護，隧道施工是安全的。

圖5 兩端固結梁受力模型

4.1.2 懸臂梁受力模型

套拱基礎地基承載力不足，管棚后支點落在套拱上，前支點進入固結的土體中（由于管棚注漿后，能夠使周邊土體固結），管棚前支點的位移可以忽略為0，后支點會隨著套拱下沉而下沉，存在一定位移，那么管棚的受力模型可以簡化為懸臂梁，如圖6。一旦出現這種情況，隧道出現拱頂下沉、拱腳收斂，地表開裂，如果掌子面與洞口的距離過大，出現的問題將更嚴重。

圖6 懸臂梁受力模型

4.2 炭質泥巖隧道進洞施工處治方案

雖然隧道右線進洞采取了超前管棚支護，但仍然出現了拱頂下沉、拱腳收斂、地表開裂等這些問題。原因是套拱基礎、工字鋼基礎為炭質泥巖，施工期間未能有效將水隔離，導致套拱基礎遇水，炭質泥巖遇水后膨脹軟化，地基承載力嚴重不足，導致套拱、工字鋼基礎下沉，使得管棚隨著套拱一起下沉，工字鋼下沉，從而導致出現拱頂下沉、地表開裂；雖然采取管棚支護能夠使周邊土體固結，形成拱效應，但由于基礎軟化后承載力不足，在圍巖壓力作用下套拱向隧道中心移動，從而導致拱腳收斂。此時超前管棚的受力模型可以簡化為“懸臂梁受力模型”，這就不難發現問題所在。

為了解決隧道進洞中出現的拱頂下沉、拱腳收斂、地表開裂問題，提出采用“兩端固結梁”受力模型理論對隧道進洞進行治理。“兩端固結梁”隧道進洞施工方案就是要將管棚實際受力情況接近“兩端固結梁”，使管棚前、后支點的位移接近0，由于注漿固結作用，前支點收入土體中，可以達到位移為0；解決問題的根本在于讓后支點的位移為0。

a）處理套拱的基礎，對套拱基礎以下0.5～1 m范圍內采用C20混凝土進行換填，起到封閉炭質泥巖，防止地下水軟化地基的作用，達到提高地基承載力的效果，從而使套拱穩固、不下沉，最終達到后支點位移為0的目的。

b）套拱穩定后，開始暗洞開挖，由于暗洞為V級圍巖，故只能按照一次開挖一榀工字鋼的長度，并及時施作仰拱拱架，連續開挖4榀工字鋼距離（2.4 m）后，及時澆筑仰拱，閉合成環，暗洞的第一榀工字鋼和套拱工字鋼采用鋼筋焊接連接在一起，整體穩定性好[1-4]。

套拱和暗洞2.4 m范圍剛性連接成為整體，足以承受通過管棚后支點傳遞的土壓力，管棚將按照“兩端固結梁”受力模型承受土壓力。采取這種方式對隧道右洞存在的問題進行處理后，再對侵限的初支進行換拱，在繼續掘進中對洞口段進行監控量測，圖7為YK40+050斷面拱頂下沉曲線圖，該變形量已經較小，對隧道施工安全影響較小，隧道安全進洞。

圖7 隧道YK40+050斷面換拱后初期支護拱頂下沉曲線

5 結論

采取超前管棚支護方式進洞是目前隧道進洞的主要方式之一，該工藝已經非常成熟，但如果施工過程中不高度重視，對于炭質泥巖隧道進洞也會存在諸多問題，本文通過貴州省惠水至羅甸高速公路某隧道進洞存在問題的處理，提出的“兩端固結梁”方案進洞是可行的，這對其他炭質泥巖區隧道進洞施工具有借鑒作用。