淺談元綠二級公路綠春隧道出口端進洞施工技術(shù)

程亮，劉茂源，余政兵

（重慶建工第四建設(shè)有限責(zé)任公司，重慶 400020）

1 工程概況

1.1 概述

該工程為省道S214線晉城至思茅二級公路元陽（南沙）至綠春K40+270～K95+150.54段中的綠春隧道，設(shè)計汽車荷載等級為公路-Ⅱ級。

綠春隧道起止點樁號K90+280～K91+885，分界段全長1605m；綠春隧道位于構(gòu)造剝蝕中高山到高山地形地貌單元內(nèi)，該段地形坡度較緩，相對高差較小，隧道進出口地形坡度20o～35o左右，底部地層較穩(wěn)定，總體地質(zhì)情況較差。

1.2 出口段地質(zhì)及水文情況

1.2.1 出口段地質(zhì)情況

隧道沖洪積地層主要成分為粉質(zhì)粘土夾石英巖，碎屑巖，白云巖，石灰?guī)r角粒，泥沙，砂巖。三迭系上統(tǒng)（高山寨組）T3g，主要為一套以陸相為主的海陸交互沉積的碎屑巖夾多量中酸性火山巖及少量灰?guī)r。其土質(zhì)松散，巖石裂隙較發(fā)育，出口處地表巖層風(fēng)化嚴重，表層形成厚度達10m左右的根植土和殘破積層，其中夾雜1～5m大小不等的孤石，邊坡土質(zhì)在降水飽和后易失穩(wěn)，屬于V級圍巖，應(yīng)采取必要的防護措施。

1.2.2 出口段水文情況

隧道區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水以及大氣降水，巖層富水性中等～較強。隧道出口段地形較緩，埋深較淺，雨季時地表水易于補給，地下水相對較豐富。通過地質(zhì)調(diào)查分析，特別是隧道出口段埋藏較淺，受構(gòu)造影響巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水賦水性相對較好，裂隙水豐富易于出現(xiàn)較大涌水。加之出口地形坡度較緩，大氣降水不易及時排泄，表面地層處于很濕的軟塑狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，對隧道開挖產(chǎn)生不利影響。

1.3 出口段支護設(shè)計

洞口邊仰坡按設(shè)計坡率1∶0.25進行放樣，自上而下分層開挖。在隧道洞口的邊、仰坡面，按間距1m梅花形布置Φ25×3.5m的錨桿，且掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)間距20cm×20cm，表面噴射5cm厚C25混凝土封閉。在洞口土石方開挖前完成邊、仰坡外的截、排水溝，以保證施工的排水通暢。

為了防止開挖過程中可能產(chǎn)生正面坍塌，確保施工作業(yè)人員安全，設(shè)計采用超前大管棚組成預(yù)支護系統(tǒng)，注漿采用水泥漿，以支撐和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖，對防止軟弱圍巖的下沉、松弛和坍塌起到關(guān)鍵的作用。超前管棚設(shè)計為K91+863～K91+885，總長22m，采用4m或6m的Φ108×6mm熱軋無縫鋼管絲扣接長，其環(huán)向管間距為40cm，傾角為外插1～3°。超前管棚導(dǎo)向套拱采用C20混凝土，其截面厚60cm，長2m，在導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)四榀Ⅰ18工字鋼架，鋼架外緣設(shè)Φ140×8mm熱軋無縫鋼管做導(dǎo)向管。

超前大管棚施工完成后，因隧道出口段屬Ⅴ級圍巖淺埋地段，其K91+885～K91+805段按短臺階法開挖后，進行初期支護。短臺階分段開挖長度控制在10m以內(nèi)，開挖一環(huán)，支護一環(huán)。開挖方式采用弱震動爆破法，循環(huán)進尺以0.5～1m為宜；采用裝載機裝碴，自卸汽車運輸。初期支護為全環(huán)I18工字型鋼拱架，拱架間距60cm；拱墻采用Φ22砂漿錨桿錨固，錨桿長3.5m，環(huán)向間距60cm，梅花型布置；拱墻噴射25cm厚C20混凝土，混凝土內(nèi)安置Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距15cm×15cm。

2 進洞后施工出現(xiàn)的塌方及原因分析

2.1 進洞后施工出現(xiàn)塌方情況

按設(shè)計要求施工進洞14m后，在K91+870進行型鋼拱架安裝時，上臺階掌子面出現(xiàn)涌水，洞頂突發(fā)泥石流，隨即發(fā)生K91+876～K91+870洞身垮塌，該段洞體上方地表出現(xiàn)了一個直徑約6m的大坑，塌坑最大深度約7m，坑底露出大孤石。

2.2 塌方原因分析

經(jīng)現(xiàn)場勘察及研究分析，在隧道洞口施工開挖進程中，發(fā)生洞頂塌方主要由以下因素引起:

2.2.1 裂隙發(fā)育及巖層破碎

該隧道巖石成分為粉質(zhì)粘土夾石英巖，多孔且破碎，碎屑巖相互交錯，屬于潛在坍滑面的地層。由于采取爆破開挖，開挖面巖層完整性難于控制。隨圍巖收斂變形，巖層應(yīng)力的釋放，坍滑面會漸次產(chǎn)生，伴隨著的就是開挖面的坍塌，此循環(huán)會累積產(chǎn)生，地層應(yīng)力會進一步釋放，坍塌區(qū)范圍隨之就增大。

2.2.2 地下水豐富

由于該隧道在雨季施工，裂隙水豐富易于出現(xiàn)較大涌水，受地下水的嚴重侵蝕、軟化作用，使洞身圍巖自身穩(wěn)定性極差，即使采用鋼架加掛網(wǎng)錨噴的初期支護形式，仍難避免發(fā)生塌方。

2.2.3 埋深淺孤石

隧道山口段埋深淺，沖洪積地層中混雜大量孤石，通常僅小導(dǎo)管無足夠的剛度將其固定，注漿后的凝結(jié)固化層也不能將其與周圍破碎巖層形成有效的受力拱，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)產(chǎn)生塌方。

3 重新制定技術(shù)處理方案

在拱部塌方發(fā)生后，經(jīng)建設(shè)方、設(shè)計、監(jiān)理和施工單位詳細查看現(xiàn)場實際情況，對提出的明挖法和蓋挖法兩種處理方案從經(jīng)濟、技術(shù)、安全等多方面進行了綜合分析比較，認為采取蓋挖法施工相對比較安全、受雨季影響小且經(jīng)濟環(huán)保，該方法的有利因素如下:

（1）在護拱施工完成及回填后在護拱下進行洞內(nèi)開挖與支護對施工人員的安全有保障，而采取明挖法施工在高達9m的不穩(wěn)定邊坡下施工存在極大的安全隱患。

（2）塌方時正處于雨季即將來臨的時段，采取蓋挖法在護拱及回填土完成后即可不必擔(dān)心雨季的影響，對原計劃施工進度影響較小，而采取明挖法施工會受雨季的影響，不能保證原計劃施工進度。

（3）相對于明挖施工減少了起拱線以下及邊坡的土石方開挖量，能降低工程造價。

（4）護拱頂回填至原地面后不會造成水土流失，回填后坡面種草與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，比較環(huán)保。

綜上所述，為滿足施工安全、工期要求，最終經(jīng)設(shè)計單位核定同意采取在K91+876～K91+870采用蓋挖法施工。同時對于K91+870～K91+850段仍處于山體緩坡與陡坡體交界范圍，因其巖體破碎，裂隙發(fā)育，富含地下水，為確保在蓋挖法施工完成后，后續(xù)工程施工能順利進行，經(jīng)與設(shè)計單位商議決定該段超前支護采取以Φ42×4mm超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)加R32邁式注漿錨桿相結(jié)合的綜合處治方案。

4 施工步驟及施工工藝

4.1 總體施工步驟

第一步:在K91+876～K91+870先將原支護體清除后再采用蓋挖法施工；

第二步:K91+870～K91+850采取每2m一循環(huán)的超前支護以Φ42×4mm超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)加R32邁式注漿錨桿相結(jié)合的施工；

第三步:K91+870～K91+850在每循環(huán)的超前支護施做完后進行開挖出渣后施工鋼拱架+錨噴支護；

第四步:K91+876～K91+850在支護完成并在變形基本穩(wěn)定后及時施工仰拱和防水；

第五步:K91+876～K91+850段施做二次襯砌。

4.2 蓋挖法施工要點

在實施蓋挖法施工前按設(shè)計要求對坍塌地段周邊的地表及仰坡進行加固防護[1]。為確保施工安全，施工前在蓋挖段末端的8m范圍鉆孔安裝Φ22砂漿錨桿，每根長3m，間距150cm，梅花型布置。噴射10cm厚C20混凝土護坡，混凝土內(nèi)安置Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20cm×20cm。

根據(jù)坍塌地段周邊的地表邊坡、仰坡頂面及其周圍情況設(shè)置排水溝及截水溝，并與路基排水系統(tǒng)綜合考慮布置[2]。結(jié)合該工程現(xiàn)狀，在K91+876～K91+870段距離洞身范圍外2m的位置砌筑梯形截水溝，溝內(nèi)側(cè)面采用10號砂漿抹面，通過新砌的截水溝與路基排水設(shè)施順接以保證正常排水。

人工配合機械將K91+876～K91+870段原支護體拆除運走后再分層回填土石并壓實至拱頂。通過測量放線，確定初期支護的外輪廓線，挖除外輪廓線外的土石后人工夯實土胎作為護拱土模，邊坡開挖線底部在護拱底部外留1m寬度作為工作面，開挖邊坡最大高度8.4m，邊坡1:0.5。

在安裝護拱拱架前再次復(fù)核土胎中線及邊線、高程，準確定位后架立I40a型鋼鋼拱架。拱架間距60cm，共11榀，拱架之間采用直徑25mm螺紋鋼筋縱向連接，環(huán)向間距0.8m。拱架腳部縱向底梁采用[22槽鋼焊接，并預(yù)埋下個拱架單元的連接螺栓。

護拱設(shè)計厚度為50cm，采用C25混凝土澆筑。拱架保護層采用5cm的正方體混凝土墊塊用鋼絲綁在鋼拱架內(nèi)外緣，護拱模板采用小鋼模板U型卡拼裝，其支撐體系采用鋼管和50x100木枋。

回填施工需在護拱混凝土強度滿足設(shè)計強度后才能進行，且必須由人工夯實回填至拱頂以上1m，方可采用機械回填[2]?；靥钔敛捎盟槭翆ΨQ回填、分層厚度30cm，回填線頂部以下設(shè)50cm厚粘土隔水層。暗洞施工嚴格按設(shè)計采用上下臺階法分步施工（圖1）。

圖1 蓋挖法斷面圖

4.3 超前支護主要施工方法

4.3.1 超前支護設(shè)計參數(shù)

超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù):小導(dǎo)管采用Ф42×4mm超前鋼花管，長3.5m，縱向間距為2m，搭接1m，環(huán)向間距為40cm，仰角10°，小導(dǎo)管注漿采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，漿液水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比1:0.8，水玻璃濃度40波美度，水玻璃模數(shù)為2.4；根據(jù)實際注漿分析加以調(diào)整，以達到最佳注漿效果。

邁式錨桿設(shè)計參數(shù):錨桿采用R32N，長3.0m，縱向間距為2m，搭接1m，環(huán)向間距為40cm，仰角5°，注漿采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在1.0～2.0MPa，漿液水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比1:1～1:0.6，水玻璃濃度35波美度，水玻璃模數(shù)為2.4；根據(jù)實際注漿分析加以調(diào)整，以達到最佳注漿效果。

4.3.2 超前支護布置方式、注漿順序

當(dāng)蓋挖段洞內(nèi)上臺階開挖及支護完成后，在K91+870施工第一環(huán)超前支護。注漿范圍為拱部120°，施工及注漿順序為先施做超前小導(dǎo)管，注漿順序為兩側(cè)對稱向中間進行，并自下而上隔孔注漿全部完成后再施做邁式錨桿，注漿順序同超前小導(dǎo)管，邁式注漿錨桿布置在鋼花管之間，具體布置見圖2。

4.3.3 超前小導(dǎo)管施工工藝及施工要點

圖2 超前小導(dǎo)管和邁式錨桿布置圖

（1） 小導(dǎo)管施工工藝:小導(dǎo)管制作→鉆孔→安裝→注漿。小導(dǎo)管按設(shè)計長度進行切割，并將端頭加工成錐形，尾部預(yù)留不小于30cm的止?jié){段，從尾部止?jié){段以外至楔端管體鉆8mm的注漿孔，梅花形布置，間距15cm。在加工型鋼拱架的同時按設(shè)計間距在型鋼拱架中間部位標出小導(dǎo)管孔位，用氧焊切割成孔，再用YT-28風(fēng)槍鉆孔后頂入小導(dǎo)管。小導(dǎo)管安裝后，向孔內(nèi)壓注水泥水玻璃雙液漿，漿液采用砂漿攪拌機拌制。

（2）超前小導(dǎo)管施工要點:

①小導(dǎo)管安裝后必須用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的土石吹凈，防止注漿孔被堵塞。

②注漿前應(yīng)對開挖面噴射厚為50mm混凝土封閉，以防止注漿作業(yè)時發(fā)生孔口漏漿現(xiàn)象。

③注漿前應(yīng)進行壓水試驗，檢查機械設(shè)備及管路是否正常。

④注漿采取注漿終壓和注漿量雙控措施，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa內(nèi)，每根導(dǎo)管雙液總進量控制在30L/min內(nèi)，若壓力上升，流量減少注漿壓力達到設(shè)計預(yù)壓以及注漿量達到預(yù)設(shè)注漿量即可停止注漿，若注漿量超限，未達到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標準。

4.3.4 邁式錨桿施工工藝及施工要點

（1）邁式錨桿施工工藝（圖3）

（2）邁式錨桿施工要點

①邁式錨桿在鉆進過程中，最關(guān)鍵是保證錨桿和鉆頭水孔的暢通，如發(fā)現(xiàn)水孔有堵塞的情況，則將錨桿后撤50～80cm，經(jīng)反復(fù)掃孔使水孔暢通，然后慢慢進尺，直至達到設(shè)計深度。

圖3 邁式錨桿施工工藝流程圖

②為保證注漿效果，橡膠止?jié){塞應(yīng)距孔口應(yīng)不小于30cm，并且在注漿排氣完畢后需立即封閉止?jié){塞以外的鉆孔以保證注漿壓力。

③注漿過程中每次移位都必須清洗連接頭，以保證連續(xù)注漿。

5 結(jié)束語

此次洞口段塌方處理，僅用了不足2個月時間，整個開挖過程在蓋挖施工及超前注漿加固拱部完成后安全順利，最大變形量僅有65mm。這進一步驗證了采用蓋挖施工加超前小導(dǎo)管與邁式錨桿在處治該隧道洞口極易塌方地段中可取得良好的效果，為快速安全施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。

正確制定隧道進洞施工設(shè)計方案至關(guān)重要。如果隧道進洞施工方案確定不合理，不僅影響隧道施工總體進度，而且將導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，我們應(yīng)針對隧道洞口不同的地質(zhì)條件，在保證安全的前提下設(shè)計不同的進洞施工方案，采取有效的綜合技術(shù)措施來加強洞口段的圍巖整體性，在隧道施工中不斷探索出更安全、更快的進洞方法。

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60-2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2009.

[2]重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.