丘陵地貌小凈距隧道“零”開挖單向出洞技術(shù)

方存星，施亮亮，伍定旺

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430000）

1 引言

隧道作為高速公路建設(shè)中的重要組成單元，在山區(qū)地質(zhì)條件復雜，地形地貌多變，隧道洞口處多為陡峭山坡，無既有道路及施工作業(yè)場地，洞口施工常需大面積開挖，對原地形地貌、現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，與管理日趨嚴格的環(huán)境保護工作相矛盾，背離了現(xiàn)代高速公路建設(shè)中體現(xiàn)的綠色、環(huán)保、人本等理念，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 隧道建設(shè)條件

2.1 隧道概況

蛇嶺隧道位于湖南西南部懷化市靖州縣平茶鎮(zhèn)馬路口村，左洞長535 m，起訖樁號為Z1K42+665~Z1K43+200；右洞長601 m，起訖樁號為K42+624~K43+225，屬中隧道，小凈距隧道形式布置，隧道左右洞設(shè)計線凈距總體控制在14.5~21 m，洞頂最大埋深約67.5 m。

2.2 地形地貌

蛇嶺隧道隧址區(qū)屬于剝蝕低山、丘陵地貌，山坡坡度較陡，一般約30°~40°，局部可達50°~60°，沖溝發(fā)育多條，植被較茂盛，為杉、松、竹等；隧道靖州端進洞口設(shè)計為橋接隧道，地形陡峭，山體坡向為70°~95°，坡角約為45°~65°，進口端洞口施工不具備適宜的工作場地；局部在坡腳沖溝見基巖裸露，巖體破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。

2.3 地層巖性

隧道口上部坡體曾發(fā)生過淺層土質(zhì)滑坡，堆積體散落于下方坡面，破壞程度一般，目前山體坡體穩(wěn)定性較為穩(wěn)定。山坡表層多覆蓋殘坡積層，層厚1~3 m，成分為粉質(zhì)黏土及碎石土，土體穩(wěn)定性一般至較好；從詳勘情況及橋臺樁基施工中得知強風化板巖層厚20~25 m，強風化板巖上段呈現(xiàn)為在黃色碎裂狀板巖夾薄層塊狀板巖，可見規(guī)律的似層狀產(chǎn)狀290°∠22°。從開挖揭露情況可知，巖體趨于穩(wěn)定，深部為強風化板巖下段及中風化板巖，巖體穩(wěn)定性較好。

2.4 原設(shè)計隧道進洞及貫通方案

地勘揭露隧道進出口段地質(zhì)條件差、埋深淺，設(shè)計按照開挖邊仰坡并采用φ108 mm×6 mm超前大管棚輔助進洞。洞頂截水溝、排水溝和改溝施工完成后形成完善的洞口防排水系統(tǒng)，開挖邊仰坡后對洞口臨時邊仰坡、洞口淺層滑坡進行防護處理，然后進行洞口、洞身段的開挖。

原設(shè)計隧道貫通方式為雙向貫通，貫通點避免選擇在斷層破碎帶附近、地質(zhì)圍巖較弱或水文條件較差的地方。隧道采用雙向掘進時，掘進至兩掌子面相距20~35 m時，撤離停挖端人員和機具，改為單向開挖；隧道采用單向掘進時，貫通出洞前應(yīng)反向開挖超過洞口超前管棚施工段。

3 “零”開挖出洞總體施工

隧道進口端山體自然傾角大，現(xiàn)場可見巖體破碎，自然風化程度高，強度低，整體穩(wěn)定性較差且左洞進口端處巖層產(chǎn)狀與隧道軸線存在一定夾角，開挖后山體將對隧道產(chǎn)生偏壓。以雙層注漿小導管為超前支撐，隧道“零”開挖出洞，嚴格按照“管提前，爆破弱，進尺短，支護強，測量勤”的原則進行施工[1-2]。注漿小導管超前支護示意圖如圖1所示。

圖1 注漿小導管超前支護示意圖

在開挖時，首先將隧道斷面的拱頂部的巖體挖開，進行混凝土噴射，然后通過I20鋼拱架構(gòu)成拱架，拱架間距0.6 m，待鋼筋網(wǎng)片和拱架安裝完成后，噴射混凝土進行臨時支撐，施工過程中單個循環(huán)開挖進尺為0.6 m，直至出洞。單個循環(huán)開挖完成即時噴射混凝土封閉掌子面，防止圍巖進一步風化，造成坍塌，待拱頂下沉量的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)沉降趨于穩(wěn)定，繼續(xù)采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進行洞身擴挖，挖除隧道斷面兩側(cè)拱腰部巖體，實現(xiàn)隧道全斷面“晚出洞”貫通。

4“零”開挖出洞施工要點

4.1 開挖及初期支護

4.1.1 掌子面開挖

1）環(huán)形開挖上臺階每循環(huán)進尺為0.6 m，核心土面積為整個斷面面積的65%；出洞掘進過程中選用人工風鎬開挖，遇到風化程度較低巖石時采用打淺眼、少裝藥、密炮眼的弱爆破方式開挖；中、下臺階跳槽開挖，初期支護雙側(cè)交錯落底，防止每一面拱腳同時懸空，按照圍巖條件，控制單側(cè)每次落底長度在3 m以內(nèi)。

2）施工時保持二襯距掌子面為65 m，仰拱距掌子面為35 m的安全步距。

3）開挖預(yù)留變形量依據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)以及考慮施工水平，在隧道距離出洞40 m的范圍適當擴大開挖面、調(diào)整拱架，確保隧道貫通后的二襯厚度及線路的準確。

4.1.2 初期支護

初期支護采用注漿錨噴網(wǎng)和型鋼架支撐聯(lián)合支護，初期支護施工按照清理巖面、初噴混凝土、安裝注漿錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、拱架安裝、復噴混凝土的流程執(zhí)行。（1）噴射混凝土前用斷面儀對開挖斷面檢驗，清理和處理欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點、崩解的破損巖石，清除浮石和墻角虛碴，初噴4 cm厚C20混凝土；（2）初噴后及時安裝網(wǎng)片間距為20 cm×20 cm的φ8 mm鋼筋施工噴錨支護、安設(shè)I20鋼架支撐，相鄰鋼架用I16鋼架連接，上導鋼支撐采用擴大拱腳以及設(shè)置注漿小導管為鎖腳錨桿固定，復噴22 cm厚C20混凝土。

4.2 雙層注漿小導管制安

1）注漿小導管制作。注漿小導管采用42 mm×4 mm×4 000 mm無縫鋼管制作，小導管前端呈尖錐狀，尾端預(yù)留50 cm止?jié){段不設(shè)置壓漿孔；小導管尾部焊φ6 mm加勁箍，管壁四周按20 cm間距梅花形、鉆設(shè)8 mm壓漿孔[3]。

2）注漿小導管定位。管位環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距1.2 m，并以梅花形布置前后排小導管。注漿小導管孔位采用鑿巖鉆機施工，前后兩排小導管孔道與拱架角度分別呈5°~12°、25°~30°的外插角，鉆進達到設(shè)計深度4 m后，采用不立即停鉆進的措施，穩(wěn)穩(wěn)地鉆進1~2 min，防止孔底尖滅。注漿小導管設(shè)置在隧道拱頂部120°角度范圍內(nèi)。

3）注漿小導管安裝。注漿小導管安裝采用人工緩慢放入鉆設(shè)完成的孔內(nèi)，對孔外露出的導管長度用鋼尺量測，計算出孔內(nèi)小導管長度，在保證管長的同時，將安裝精度誤差控制在±50 mm以內(nèi)。豎向兩排小導管之間搭接長度1.5 m的小導管與鋼拱架牢靠焊接。

4）注漿小導管注漿。注漿采用425號硅酸鹽水泥漿液或雙液注漿，注漿過程中注漿壓力為0.5~1.5 MPa，終止壓力2 MPa，當注入漿液量超過設(shè)計量且孔口壓力未達到規(guī)定壓力值時，停止注漿，待漿液凝結(jié)后二次注漿，確保管內(nèi)注漿液飽滿。同時，綜合現(xiàn)場地質(zhì)條件、巖性及機械設(shè)備等因素，現(xiàn)場試驗確定漿液配合比和終凝時間。

4.3 鋼拱架制作、安裝

1）拱架制作。拱架采用型鋼彎曲機進行預(yù)彎，在定型模上焊接而成，每節(jié)兩端均焊20 cm×20 cm×1 cm連接鋼板，鋼板采用沖孔機鉆孔，拱架加工完成后進行試拼檢查。

2）拱架安裝。拱架垂直于隧道軸線安裝，采用連接鋼板輔以兩正、兩反的高強螺栓連接固定，鋼板平面與拱架軸線保持垂直，拱架豎向不傾斜、平面不錯位，不扭曲，拱架底部放置在30 cm×30 cm×10 cm的標準預(yù)制混凝土塊上，且混凝土塊放置在低于開挖底線以下15~20 cm穩(wěn)固的地層上。每榀拱架安裝后利用2根長3.5 m的φ45 mm×3 mm注漿小導管作為鎖腳錨桿定位。

4.4 洞口位置優(yōu)化

施工過程中的洞口位置就是隧道明暗交界里程點，其位置的選擇主要考慮地形、地質(zhì)、洞口防護形式以及施工安全[4]。蛇嶺隧道由洞內(nèi)向外單向出洞施工，施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖情況較超前地質(zhì)預(yù)報揭露的圍巖情況好，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反映坡體穩(wěn)定，結(jié)合后期運營安全、暗洞施工安全性、洞門景觀設(shè)計以及完整地保存原地貌的自然景觀的考慮，隧道右線較原設(shè)計延長1.2 m，充分體現(xiàn)了“零”開挖、“晚出洞”的施工理念。

5 施工效果評價

5.1 初支變形監(jiān)測

隧道出洞施工時，在洞口和淺埋段每隔5 m設(shè)置位移變形監(jiān)測點、布置收斂計監(jiān)測周邊收斂，在隧道中線兩側(cè)2倍（B/2+H+H0）的范圍內(nèi)設(shè)置地表下沉量監(jiān)測點，其中，B為隧道開挖寬度，H為隧道開挖高度，H0為隧道埋設(shè)深度。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，隧道拱頂下沉累計量如圖2所示。由圖2可知，隧道最大拱頂沉降累計為53.1 mm，最大下沉速率為1.8 mm/d，均處于可控范圍內(nèi)。

圖2 拱頂沉降累計圖

5.2 施工進度、效果評價

1）隧道進口端采用雙層注漿小管道出洞施工，實踐證明較長管棚進洞、洞內(nèi)貫通的方式節(jié)約工期30 d，圍巖應(yīng)力在開挖過程中得到了有效釋放，施工采用機械輔助人工開挖減小了施工風險。

2）與傳統(tǒng)的隧道施工方法相比，蛇嶺隧道使用了進口端不需要修建施工便道、施工駐地等臨時設(shè)施的“零”開挖單向挖掘進、貫通出洞等形式。坡面無須大面積開挖仰坡，節(jié)約人、機、料的同時符合綠色公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)保理念，具有顯著的經(jīng)濟社會效益。

6 結(jié)語

隧道“零”開挖施工，就是在不破壞或盡量少破壞原有地形地貌的情況下，利用圍巖自穩(wěn)能力自然成拱，實現(xiàn)隧道進出洞。本文依托靖黎高速蛇嶺隧道出洞施工案例，闡述了雙層注漿超前小導管“零”開挖單向出洞技術(shù)在丘陵地貌小凈距工況下的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

1）結(jié)合蛇嶺隧道實例驗證了丘陵地貌小凈距隧道單向出洞的可行性和可靠性；

2）利用雙層注漿超前小導管的支護能力與圍巖的自穩(wěn)能力，雙層注漿超前小導管單向出洞的方式可有效控制圍巖、初支變形，出洞施工安全、質(zhì)量可控；

3）采用雙層注漿超前小導管交錯梅花布置的支護方式取代原設(shè)計長管棚支護，節(jié)約出洞端管棚施工、便道引進、洞內(nèi)洞身開挖等施工成本，在項目節(jié)控成本上發(fā)揮顯著效果；

4）蛇嶺隧道采用“零”開挖隧道晚出洞，減少了出洞端洞口邊仰坡施工大面積刷坡對原有生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞影響，貫徹“綠色公路、環(huán)保工程”的建設(shè)理念。