隧道洞口不良地質(zhì)段的施工技術(shù)研究

劉珂

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，石家莊050000）

1 引言

交通運輸事業(yè)的發(fā)展使隧道工程數(shù)量不斷增加，而隧道多是用于穿越丘陵或山地，本身施工條件比較惡劣，如果其處于不良地質(zhì)段，在施工中很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。傳統(tǒng)隧道洞口施工大多采用上導(dǎo)坑進(jìn)洞方式，配合鋼拱架支護(hù)和超前小導(dǎo)管壓漿，雖然有效，但存在不少缺陷，如拱圈容易開裂、圍巖變形嚴(yán)重等，會對隧道的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。基于此，在對隧道洞口不良地質(zhì)段進(jìn)行施工時，施工單位需切實做好施工技術(shù)的研究和選擇，保證施工安全和質(zhì)量。

2 隧道洞口的特點

洞口施工是隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是施工的難點所在，傳統(tǒng)施工中，經(jīng)常會在洞口開挖邊坡和仰坡并且進(jìn)行支護(hù)，達(dá)到預(yù)設(shè)進(jìn)洞條件后才會進(jìn)洞施工。但是，這樣會形成高度較大的邊坡和仰坡，雖然可以通過接長明洞回填綠化的方式來進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救，但已經(jīng)遭到破壞的原生植被顯然不可能恢復(fù)，并不符合綠色施工的要求[1]。通過對大量隧道工程進(jìn)行研究可知，在隧道洞口施工中，具有3 個比較顯著的特點：

1）巖層穩(wěn)定性較差。隧道洞口地段通常存在覆蓋層厚度小，巖層破碎、風(fēng)化的情況，且通常也是軟硬巖的交界位置，地質(zhì)條件較差，施工難度大。

2）結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜。隧道洞口巖體長期受地質(zhì)作用的影響，處于一種相對平衡的狀態(tài)，而這種平衡狀態(tài)會被隧道施工破壞，在洞口仰坡開挖后，仰坡本身從原來的三維受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎S受力，容易產(chǎn)生滑坡問題，如果不能及時進(jìn)行維護(hù)，則可能導(dǎo)致仰坡與隧道頂板薄弱位置發(fā)生坍塌。

3）支護(hù)難度較大。隧道洞口開挖會破壞山體原來的平衡狀態(tài)，如果不能及時加固，則可能引發(fā)順層滑移、坍塌等現(xiàn)象。因此，在開挖過程中，需要對洞口、洞頂仰坡以及路塹邊坡等進(jìn)行噴錨預(yù)加固，進(jìn)洞前做好超前錨桿支護(hù)和超前小導(dǎo)管周邊注漿加固，提升支護(hù)效果[2]。

3 隧道洞口不良地質(zhì)段施工技術(shù)

某高速公路隧道工程出口在圍巖山坡古滑坡體上，滑體厚度在19.2～21.1 m 范圍內(nèi)，地面坡度約為20°，洞口上方地表大部分為水田，滑坡體包含了塊石和少量黏土，下方長期有泉水流出，說明在滑體內(nèi)部蘊(yùn)含著豐富的地下水，而受頻繁活動的地下水影響，滑體穩(wěn)定性相對較差，在洞口開挖過程中很容易出現(xiàn)坍塌乃至冒頂問題。如何對隧道洞口不良地質(zhì)段進(jìn)行處理，是工程施工中需要解決的一個關(guān)鍵問題[3]。

3.1 做好地表加固

考慮到該隧道斷面相對較大，淺埋段隧道較長，地層穩(wěn)定性差，在進(jìn)行施工前，需要借助地表注漿或高壓旋噴注漿的方式做好預(yù)加固工作，對地質(zhì)條件進(jìn)行改善，為后續(xù)施工提供便利條件。這里采用的是預(yù)加固樁的加固方式，需要先將地表植被清除，在每個洞口左右線各設(shè)置2 根預(yù)加固樁，樁體長度為18 m，樁徑為2 m，在開挖樁孔的過程中，需依照設(shè)計的方案要求，做好護(hù)壁混凝土施工來保障施工安全。從保障加固效果的角度出發(fā)，選擇C30 混凝土，等樁體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，才能進(jìn)行后續(xù)操作。

3.2 排水系統(tǒng)施工

在對隧道洞口截水溝進(jìn)行施工前，作業(yè)人員需要對邊坡和仰坡上的山坡穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，將懸石和危石清除，對照現(xiàn)場地形條件，選擇最佳排水系統(tǒng)進(jìn)行施工，保障排水順暢的同時，盡量減少對地表植被的破壞。洞頂位置環(huán)向截水溝可以在隧道外側(cè)沿地勢走向接入隧道洞口附近溝道內(nèi)[4]。

3.3 邊坡仰坡支護(hù)

隧道洞口位置的邊坡、仰坡支護(hù)在經(jīng)過現(xiàn)場分析論證后，決定采用噴錨支護(hù)配合小導(dǎo)管注漿的方式，導(dǎo)管直徑為42 mm，長度約為6 m，以1.5 m 的間距進(jìn)行梅花形布置，噴錨支護(hù)使用φ80 mm 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm，C20 混凝土噴射厚度控制在約10 cm。在施工過程中，鋼筋使用前需要進(jìn)行冷拉調(diào)直處理，將表面存在的裂紋、油污、顆粒以及片狀銹蝕等全部清除，搭接長度控制在1～2 個網(wǎng)格，配合焊接的方式進(jìn)行固定。在對鋼筋網(wǎng)進(jìn)行鋪設(shè)的過程中，需要順應(yīng)受噴面的起伏狀況，確保鋼筋網(wǎng)與受噴面之間的距離不超過3 cm。在對混凝土進(jìn)行噴射施工時，作業(yè)人員需要控制后噴頭與受噴面的距離，對噴射角度進(jìn)行調(diào)整，將鋼筋保護(hù)層厚度提高到4 cm以上。

3.4 開展管棚施工

在該隧道工程中，進(jìn)洞采用了長管棚的形式，設(shè)計長度為28 m，管棚框架材料使用φ108 mm 熱軋無縫鋼管，鋼管厚度為6 mm。每個洞口環(huán)向設(shè)置35 根鋼管，將相鄰鋼管間距控制在40 cm。以頂進(jìn)法對管棚進(jìn)行施工，需要先使用專業(yè)管棚鉆機(jī)，鉆出直徑超過管棚直徑的引導(dǎo)孔，然后，人工配合裝載機(jī)完成鋼管頂進(jìn)作業(yè)。為了保證施工效果，正式施工前需要設(shè)置好導(dǎo)向墻，并在設(shè)計位置進(jìn)行布孔和標(biāo)注，完成管棚鉆機(jī)的就位。鉆進(jìn)過程中，必須做好鉆機(jī)立軸方向的把控，一邊鉆孔，一邊進(jìn)行鋼管頂進(jìn)作業(yè)，使用長度為15 cm 的絲扣對鋼管接頭進(jìn)行連接，同時，也需要對每一個鉆孔的施工情況進(jìn)行記錄[5]。

管棚施工環(huán)節(jié)，注漿量必須能夠滿足設(shè)計要求，確保漿液擴(kuò)散半徑在0.5 m 以上。如果注漿量超限但依然沒能達(dá)到預(yù)期壓力標(biāo)準(zhǔn)，則需要對漿液濃度進(jìn)行調(diào)整，確保其能夠填滿鉆孔和鋼管周圍空隙。注漿作業(yè)采用從低到高的順序，間隔注漿，依照鉆孔編號，先注漿單號鉆孔，再注漿雙號鉆孔。

3.5 隧道洞口開挖

結(jié)合該工程實際情況分析，隧道洞口地段圍巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，因此，在開挖過程中，應(yīng)堅持超前支護(hù)、嚴(yán)格注漿的基本原則，使用超前管棚注漿支護(hù)和注漿小導(dǎo)管支護(hù)相互配合的形式，再結(jié)合預(yù)留核心土的開挖方式，將臺階開挖分成3 個部分，分別是拱部、上部和下部，開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m。實際施工作業(yè)環(huán)節(jié)，上臺階環(huán)形導(dǎo)坑開挖采用人工開挖的形式來保障安全，避免過大擾動，核心土和下層臺階為了保障施工效率，采用人工開挖配合機(jī)械開挖的模式，將上下臺階開挖距離控制在約6 m。在環(huán)形導(dǎo)坑開挖完成后，需要設(shè)置永久性鋼支撐，然后實施噴錨支護(hù)，等到初期支護(hù)基本穩(wěn)定后，才能對核心土進(jìn)行開挖。下半斷面開挖采用了跳槽開挖的方式，單次開挖長度不超過2 榀鋼支撐的長度，要求在兩側(cè)交替進(jìn)行施工[6]。

3.6 重視初期支護(hù)

設(shè)計支護(hù)方案采用I20 鋼拱架，將間距控制在0.5 m，超前支護(hù)則使用雙層φ42 mm 小導(dǎo)管，一共32 根。噴射混凝土施工采用分段、分塊作業(yè)的方式，要求做到“先墻后拱”，從下到上的順序進(jìn)行，在進(jìn)行噴射作業(yè)過程中，噴嘴需要做螺旋運動，將螺旋半徑控制在20～30 cm，這樣能夠保證混凝土噴射的密實性。施工作業(yè)人員需要做好對風(fēng)壓、水壓和噴射距離的嚴(yán)格控制，盡量減少混凝土回彈問題。考慮到噴射混凝土厚度達(dá)到了26 cm，為了保障施工質(zhì)量，采用分層作業(yè)方式，在第一層混凝土終凝1 h 后，進(jìn)行第二層混凝土噴射，二次噴射需要做好巖面的找平工作，為后續(xù)防水層鋪設(shè)提供便利[7]。

3.7 做好監(jiān)控量測

監(jiān)控量測主要是利用先進(jìn)的技術(shù)和專業(yè)設(shè)備對隧道圍巖變形情況、隧道支護(hù)下沉情況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化等進(jìn)行測量，幫助工程技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)并解決隧道變形問題，保障隧道工程施工質(zhì)量和使用安全。隧道洞口支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置需要考慮巖體變形、應(yīng)力狀態(tài)以及穩(wěn)定性等情況，而在支護(hù)結(jié)構(gòu)變形前，通常都會出現(xiàn)比較明顯的變形或位移，采用監(jiān)控量測的方式能夠獲得真實、準(zhǔn)確的結(jié)果，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果進(jìn)行檢驗，為支護(hù)方案和施工技術(shù)調(diào)整提供參考依據(jù)。對于隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化，最為直觀的表現(xiàn)是周邊收斂位移和拱頂下沉，通過對這2 個參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控量測，可以幫助技術(shù)人員更好地判斷隧道空間的穩(wěn)定性。對地表沉降數(shù)據(jù)分析可知，隧道洞口地表在下導(dǎo)坑和仰拱施工過程中，會出現(xiàn)一個比較短暫的突變，其余時間則是平緩變化。而在下沉量變化方面，在圍巖開挖過程中，存在剛性支護(hù)滯后的問題，導(dǎo)致圍巖變形和下沉量較大，剛性支撐完成后，下沉速度也在明顯下降，表明，通過及時有效的剛性支護(hù)，可以很好地實現(xiàn)對圍巖變形和地表沉降問題的有效控制[8]。

3.8 隧道坍塌防治

在隧道洞口不良地質(zhì)段施工過程中，容易出現(xiàn)隧道坍塌問題。其原因除去不良地質(zhì)的影響，還有設(shè)計施工方法不合理，施工作業(yè)不恰當(dāng)?shù)龋刭|(zhì)條件是主要誘發(fā)因素。對于隧道坍塌事故，需要做到預(yù)防為主，綜合防治。在施工前需要做好隧道洞口水文地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境的調(diào)查分析，保證施工設(shè)計的合理性。同時，對隧道洞口施工環(huán)節(jié)可能會出現(xiàn)的隧道安全事故進(jìn)行分析，采取有效措施進(jìn)行防范。對于已經(jīng)出現(xiàn)的坍塌事故，需要停止施工，對前后影響段進(jìn)行加固，避免坍塌范圍持續(xù)擴(kuò)大，如果坍塌范圍較小，應(yīng)做好清理工作，將崩落的巖石清除后，進(jìn)行回填加固和支護(hù)；如果坍塌范圍較大，處理復(fù)雜，需要在襯砌施工完成后進(jìn)行回填，對于襯砌斷面外的坍塌暫時不做處理，應(yīng)做好坍塌體周邊圍巖的保護(hù)工作，采用先支護(hù)后開挖的方式，保持謹(jǐn)慎施工，盡可能減少和消除隧道坍塌造成的負(fù)面影響。

3.9 施工效果分析

結(jié)合實際情況分析，在仰拱施工成環(huán)之前，圍巖的變形是一個徐變過程，雖然因為不良地質(zhì)的影響，在開挖過程中出現(xiàn)了短暫突變，但在封閉成環(huán)后，無論是拱頂下沉還是周邊收斂位移，都開始趨于平緩，表明了及時封閉成環(huán)的重要性。

4 結(jié)語

在對隧道洞口不良地質(zhì)段進(jìn)行施工的過程中，應(yīng)切實做好隧道圍巖的變形控制，初期支護(hù)必須具備一定的剛度，二次襯砌則需要及時進(jìn)行，不能一味地依照相關(guān)技術(shù)規(guī)程中的參數(shù)要求進(jìn)行施工，而是應(yīng)結(jié)合工程實際情況，切實做好施工方案的設(shè)計和監(jiān)控量測工作，將圍巖變形控制在允許范圍內(nèi)，以保證隧道工程整體施工效果。