黃土公路隧道進(jìn)洞施工技術(shù)及探究

陳國營

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

對于黃土公路隧道在淺埋、偏壓、軟弱圍巖、富水、松散堆積體等復(fù)雜條件工況下，隧道合理進(jìn)洞技術(shù)的問題已引起廣泛關(guān)注，大多數(shù)學(xué)者通過有限元軟件模擬分析、模型試驗(yàn)以及到施工現(xiàn)場測試等方法，經(jīng)過幾十載的研究，已對洞口邊仰坡和圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特征認(rèn)識有很大突破，并對隧道洞口邊仰坡和圍巖的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行深入了解，提出適合此種情況下有效治理措施。

國外如日本、瑞士和挪威等，通常采用預(yù)支護(hù)拱法、AGF工法、管棚法和小導(dǎo)管注漿等進(jìn)洞工法。更多從洞口施工安全的角度加以考慮，施工技術(shù)和工藝上都相對比較完善，已在我國得到廣泛應(yīng)用。我國在隧道施工方面一直不斷地探索創(chuàng)新，其大致發(fā)展歷程如下：(1)理念方面從“晚進(jìn)晚出”→“早進(jìn)晚出”→“零開挖”；(2)隧道洞口工程注重依次歷經(jīng)安全→經(jīng)濟(jì)→環(huán)保的三個過程[1]；(3)隧道的進(jìn)洞技術(shù)從大開挖進(jìn)洞技術(shù)→明洞進(jìn)洞技術(shù)→超前支護(hù)進(jìn)洞技術(shù)。但至今沒有任何一種能適用各種地質(zhì)條件的進(jìn)洞技術(shù)，因此有必要對進(jìn)洞技術(shù)做進(jìn)一步的探討。

1 洞口段常遇問題及應(yīng)對措施

1.1 常遇問題

在開挖過程中，由于黃土隧道自身的特性，洞口段常伴隨著較多的地質(zhì)災(zāi)害，給施工安全帶來極大風(fēng)險。洞口段作為隧道施工的難點(diǎn)與重點(diǎn)，由于其地形地貌、地質(zhì)條件的特殊性，洞口圍巖往往受外界應(yīng)力的嚴(yán)重侵蝕作用[2]。巖體破碎和節(jié)理裂隙發(fā)育等情況的出現(xiàn)，致使隧道在施工建設(shè)中，很容易誘發(fā)隧道災(zāi)害，主要包括洞口邊仰坡失穩(wěn)、地面開裂破壞、塌陷以及隧道冒頂、塌方、結(jié)構(gòu)裂損、大變形與侵限、整體沉降、滲漏水等,特別是洞口淺埋段圍巖的坍塌所造成的“關(guān)門”事故新聞媒體時有報道并造成了一定的不良社會影響。

1.2 應(yīng)對措施

大量的黃土隧道工程施工案例表明，施工時，須嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、少擾動、勤量測、早封閉”的原則來實(shí)施[3-4]。對洞口段常遇問題，主要從加強(qiáng)防排水、選擇合理的開挖方式、加強(qiáng)監(jiān)控量測、加固地基、減小周圍施工干擾等幾個方面來入手(表1)。

表1 黃土公路隧道常遇問題應(yīng)對方案和實(shí)施措施

2 進(jìn)洞技術(shù)

2.1 大挖大刷進(jìn)洞

19世紀(jì)，為減少隧道的長度，常選擇洞口位置在明塹和隧道的等價點(diǎn)上來進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而允許隧道洞口位置設(shè)計在山體深處，但很難避免明塹大挖大刷現(xiàn)象。之前的鐵路建設(shè)常采用“晚進(jìn)晚出”的理念，導(dǎo)坑式是較為常用的施工方式，先刷洞面，接著架明箱，鋪裝滿土的草袋。進(jìn)導(dǎo)坑的時候，通常采用邊挖邊撐放小炮的方式，等進(jìn)到洞里一定距離之后，慢慢的從內(nèi)側(cè)向外側(cè)來進(jìn)行擴(kuò)大施工，從而再對襯砌進(jìn)行施工，與此同時修筑洞門[5]。

2.2 明洞進(jìn)洞

明洞的回填相對于大開挖進(jìn)洞，從很大程度上來說，減少了開挖量，開挖依次可按削坡→洞外拉槽→明洞底板灌注→洞身襯砌等順序進(jìn)行。與大開挖相比較穩(wěn)妥，但也有一些不足，如前期工作較繁瑣、經(jīng)濟(jì)性差等。

在傍山工況下，一般采用修筑的棚洞結(jié)構(gòu)，減少開挖的同時也保護(hù)了周圍環(huán)境，還可以遮擋崩塌落石，保證隧道安全運(yùn)營；洞口處于破碎、淺埋以及滑坡的工況下，大多數(shù)工程難免要進(jìn)行一些開挖，為確保后期安全運(yùn)營，需要加長明洞的方式，來慢慢恢復(fù)洞口的生態(tài)環(huán)境，提高山體的穩(wěn)定性[6]。明洞相對于大開大挖有很大的改觀，但仍要進(jìn)行刷坡，必然對周圍環(huán)境造成破壞，很難恢復(fù)到原來的生態(tài)環(huán)境。如果開挖量較大，也會引起坍塌、滑坡現(xiàn)象。

2.3 超前支護(hù)進(jìn)洞

通過上述對大開大挖和明洞進(jìn)洞的技術(shù)深入了解后，深知其中的不利因素，大多數(shù)研究者進(jìn)而轉(zhuǎn)向少開挖或“零開挖”的進(jìn)洞方法，為了減少對洞口段的開挖，采取一系列措施來加強(qiáng)隧道洞口處圍巖的自穩(wěn)，隨著時間的推移，進(jìn)一步得出超前支護(hù)加固進(jìn)洞方法[7]。這種方法使圍巖的穩(wěn)定性得到大幅度提升，與洞內(nèi)襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)很好的融合在一起，達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)安全進(jìn)洞目的。常見支護(hù)方式有抗滑樁、擋墻、管棚法、鋼支撐、超前小導(dǎo)管等多種形式。“前置洞口工法”使“零開挖”理念在少數(shù)工程實(shí)例中得到全新的應(yīng)用，在不挖山體的情況下，采取兩側(cè)開槽布置工字鋼拱架前進(jìn)到山體，充分利用縱向鋼筋與鋼拱架形成一個整體，在進(jìn)暗洞前，澆筑混凝土形成臨時的襯砌洞口并進(jìn)行回填反壓，再進(jìn)行洞內(nèi)暗挖工作。

3 掛口進(jìn)洞施工與邊仰坡耦合作用分析及其一體化處治措施

基于上述進(jìn)洞技術(shù)并結(jié)合在大量實(shí)際工程考察之上，本文提出隧道掛口進(jìn)洞施工，隧道洞口段有可能發(fā)生隧道滑坡、坍塌、結(jié)構(gòu)破裂、漏水等問題，邊仰坡也很有可能會發(fā)生地面開裂塌陷、側(cè)向山體滑移、危巖崩落等施工災(zāi)害，所以洞口段施工難度較大，必須科學(xué)地進(jìn)行隧道掛口進(jìn)洞施工與邊仰坡的耦合作用分析；進(jìn)洞工作前須制定好切實(shí)可行、安全可靠的施工方案，才能確保施工安全和運(yùn)營期的長久安全性。在開挖進(jìn)洞前，有關(guān)的邊仰坡就應(yīng)該進(jìn)行綜合整治，即首先對洞口周圍有關(guān)的邊仰坡采取一體化處治防護(hù)，且對明暗溝交匯處所形成的坡面采取臨時防護(hù)，同時進(jìn)行掛網(wǎng)和噴錨聯(lián)合支護(hù)，邊仰坡須要噴錨支護(hù)，來確保洞口邊坡的穩(wěn)定，同時必須做好洞口的排放水溝渠系統(tǒng)，防止因雨水滲透等而發(fā)生滑坡或邊仰坡坍塌現(xiàn)象。地表注漿加固則可大幅度增強(qiáng)淺埋洞口段圍巖自承能力。之前偏壓洞口的施工方法通常清理邊仰坡表面植被，緊接著對邊仰坡進(jìn)行反壓處治，但邊仰坡的開挖會打破山體之前的平衡，較容易引發(fā)坍塌、順層滑動等施工災(zāi)害。大量工程實(shí)踐表明，隧道沒開挖時其圍巖是穩(wěn)定的。因而，對于目前所提倡得自然進(jìn)洞原則以及“零開挖”概念，即在進(jìn)洞前采取諸如大管棚、超前小導(dǎo)管等預(yù)加固方法，不打破洞口原有平衡，來實(shí)現(xiàn)隧道洞口“早進(jìn)、晚出”的建設(shè)基本原則。

4 監(jiān)控量測

為保證黃土公路隧道掛口進(jìn)洞施工的順利進(jìn)行,須進(jìn)一步研究黃土隧道的結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)，對公路黃土隧道施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控量測[8]，為隧道動態(tài)設(shè)計提供依據(jù)和信息，進(jìn)而指導(dǎo)施工和預(yù)報險情，并作為地下工程的設(shè)計與施工積累寶貴經(jīng)，同時是對隧道進(jìn)行長期監(jiān)視的可靠手段。依據(jù)黃土公路隧道自身的特性，監(jiān)控主要包括地質(zhì)及支護(hù)狀況觀測、周邊收斂測量、拱頂下沉測量、地表沉降測量、圍巖內(nèi)位移監(jiān)測、圍巖壓力、鋼拱架和棍凝土應(yīng)變、鋼筋和錨桿軸力測量等內(nèi)容。掌握圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)，對圍巖的穩(wěn)定性做出合理判斷，進(jìn)而對支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性及安全性做出評價，為項(xiàng)目的實(shí)施提供可靠資料。

5 突發(fā)處理措施

防止掛口進(jìn)洞施工風(fēng)險的發(fā)生，對實(shí)際工程已發(fā)生的災(zāi)害原因進(jìn)行分析總結(jié)，得出一套較實(shí)用的黃土公路隧道施工突發(fā)問題處理方法，即施工時須按照“定計劃、做準(zhǔn)備、聽指揮、勤觀測”的方針嚴(yán)格實(shí)施(表2)。

表2 黃土公路隧道施工突發(fā)問題處理措施[9]

6 結(jié)束語

綜上所述，針對黃土公路隧道自身的特性，在進(jìn)洞段施工時應(yīng)注意危險源排查工作，加強(qiáng)地表防排水措施，選擇適合隧道本身的進(jìn)洞方案，監(jiān)控量測工作落實(shí)到個人，加快斷面封閉成環(huán)，最大程度使隧道周圍環(huán)境干擾降到最低等，加強(qiáng)各個環(huán)節(jié)的控制，深入開展其隧道掛口進(jìn)洞施工與邊仰坡耦合作用分析及其一體化綜合處治技術(shù)的攻關(guān)工作，使圍巖自身的承載能力得到充分發(fā)揮,大大減少施工類似事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。