炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

陳 羽，丁彰芳

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004）

洞口工程設(shè)計(jì)以“早進(jìn)洞，晚出洞”為原則，最大限度地降低洞口邊坡仰坡的開(kāi)挖高度，以保證山體的穩(wěn)定，減小對(duì)洞口自然景觀的破壞。隧道進(jìn)洞是隧道施工中的一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)于炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞更加困難。泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖自穩(wěn)定能力差，遇水軟化，不易產(chǎn)生拱效應(yīng)來(lái)有效承受圍巖壓力。如何在保證安全的前提下，采用常規(guī)的超前支護(hù)方式安全進(jìn)洞，并有效地控制隧道初期支護(hù)的沉降變形，是炭質(zhì)泥巖區(qū)隧道進(jìn)洞面臨的問(wèn)題[1]。本文結(jié)合貴州省惠水至羅甸高速公路某隧道進(jìn)洞施工實(shí)際情況，提出了“兩端固結(jié)梁”隧道進(jìn)洞施工方案，有效解決了炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞難題。

1 工程概況

某隧道位于惠水縣斷杉鎮(zhèn)新場(chǎng)村境內(nèi)，隧道進(jìn)口位于斷杉鎮(zhèn)新場(chǎng)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?fàn)钌綆X，隧道出口位于斷杉鎮(zhèn)木興村北東約350 m處中山緩坡地帶，區(qū)內(nèi)山體走向北東，山體較高大，呈狹長(zhǎng)的脊?fàn)?，延伸較穩(wěn)定。隧道為穿越該山嶺而設(shè)，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(jī)械通風(fēng)。其中左線里程：ZK40+020—ZK40+950，全長(zhǎng) 930 m；右線 YK40+030—YK40+920，總長(zhǎng)890 m。進(jìn)口右洞YK40+030—YK40+305段圍巖級(jí)別為V級(jí)。

隧道圍巖體地層由強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖和中風(fēng)化灰?guī)r構(gòu)成，隧道進(jìn)口部分為殘坡積粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r及炭質(zhì)泥巖構(gòu)成，風(fēng)化裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力差，受水浸潤(rùn)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(chǎn)生坡面變形破壞，形成淺層滑塌、松動(dòng)剝落；在不受水的作用下而呈干燥狀態(tài)時(shí)，具有一定的自穩(wěn)能力。

2 隧道管棚超前支護(hù)進(jìn)洞方案

綜合地形地質(zhì)情況，該隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案為超前管棚支護(hù)。通過(guò)棚架及部分巖體的注漿固結(jié)提高施工環(huán)節(jié)的支護(hù)能力，防止巖體下沉松弛和坍塌。管棚長(zhǎng)度為40 m，鋼管均采用節(jié)長(zhǎng)3 m、6 m φ108×6熱軋無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距中至中40 cm。鋼管設(shè)置于襯砌拱部，管心與襯砌設(shè)計(jì)外輪廓線間距大于20 cm，水平外插角為2°～4°，長(zhǎng)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(zhǎng)管棚示意圖。管棚的優(yōu)勢(shì)為：a）超前距離較長(zhǎng)，能夠形成縱向鋼梁作用，可以有效承受巖土體自重產(chǎn)生的側(cè)向壓力[2]；b）通過(guò)注漿可以固結(jié)管棚周邊土體，有效提高巖土體自身的穩(wěn)定性，發(fā)揮圍巖自身的拱效應(yīng)[1]。

圖1 隧道洞口套拱及長(zhǎng)管棚示意圖

3 隧道進(jìn)洞過(guò)程中存在的問(wèn)題

隧道右線進(jìn)洞雖然采取了超前管棚支護(hù)，隧道管棚注漿效果較好，初期支護(hù)及時(shí)施作，但隧道暗洞開(kāi)挖15 m后，出現(xiàn)拱頂下沉、拱腳收斂、地表開(kāi)裂問(wèn)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(jì)最大值為220 mm，變形量非常大。隧道初支產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，出現(xiàn)了套拱開(kāi)裂、噴射混凝土開(kāi)裂，地表開(kāi)裂等現(xiàn)象。這些裂縫既影響了初期支護(hù)的受力及穩(wěn)定性，又可能產(chǎn)生一些次生災(zāi)害，如沿裂縫產(chǎn)生的滲漏水、初期支護(hù)下沉侵入二次襯砌界限等。

圖3 隧道YK40+045斷面初期支護(hù)拱頂下沉曲線

圖4 隧道YK40+050斷面初期支護(hù)拱頂下沉曲線

4 炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞施工處治方案

4.1 管棚超前支護(hù)受力模型分析[3]

4.1.1 兩端固結(jié)梁受力模型

按設(shè)計(jì)施工的套拱，套拱基礎(chǔ)地基承載力滿足要求，管棚后支點(diǎn)落在套拱上，前支點(diǎn)進(jìn)入固結(jié)的土體中（由于管棚注漿后，能夠使周邊土體固結(jié)），管棚前后支點(diǎn)的位移可以忽略為0，那么管棚的受力模型可以簡(jiǎn)化為兩端固結(jié)梁，如圖5。按照此模型施工的隧道，開(kāi)挖段承受的彎矩較大，未開(kāi)挖段承受的彎矩較小，只要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，隧道施工是安全的。

圖5 兩端固結(jié)梁受力模型

4.1.2 懸臂梁受力模型

套拱基礎(chǔ)地基承載力不足，管棚后支點(diǎn)落在套拱上，前支點(diǎn)進(jìn)入固結(jié)的土體中（由于管棚注漿后，能夠使周邊土體固結(jié)），管棚前支點(diǎn)的位移可以忽略為0，后支點(diǎn)會(huì)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(jiǎn)化為懸臂梁，如圖6。一旦出現(xiàn)這種情況，隧道出現(xiàn)拱頂下沉、拱腳收斂，地表開(kāi)裂，如果掌子面與洞口的距離過(guò)大，出現(xiàn)的問(wèn)題將更嚴(yán)重。

圖6 懸臂梁受力模型

4.2 炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞施工處治方案

雖然隧道右線進(jìn)洞采取了超前管棚支護(hù)，但仍然出現(xiàn)了拱頂下沉、拱腳收斂、地表開(kāi)裂等這些問(wèn)題。原因是套拱基礎(chǔ)、工字鋼基礎(chǔ)為炭質(zhì)泥巖，施工期間未能有效將水隔離，導(dǎo)致套拱基礎(chǔ)遇水，炭質(zhì)泥巖遇水后膨脹軟化，地基承載力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致套拱、工字鋼基礎(chǔ)下沉，使得管棚隨著套拱一起下沉，工字鋼下沉，從而導(dǎo)致出現(xiàn)拱頂下沉、地表開(kāi)裂；雖然采取管棚支護(hù)能夠使周邊土體固結(jié)，形成拱效應(yīng)，但由于基礎(chǔ)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(dòng)，從而導(dǎo)致拱腳收斂。此時(shí)超前管棚的受力模型可以簡(jiǎn)化為“懸臂梁受力模型”，這就不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。

為了解決隧道進(jìn)洞中出現(xiàn)的拱頂下沉、拱腳收斂、地表開(kāi)裂問(wèn)題，提出采用“兩端固結(jié)梁”受力模型理論對(duì)隧道進(jìn)洞進(jìn)行治理?！皟啥斯探Y(jié)梁”隧道進(jìn)洞施工方案就是要將管棚實(shí)際受力情況接近“兩端固結(jié)梁”，使管棚前、后支點(diǎn)的位移接近0，由于注漿固結(jié)作用，前支點(diǎn)收入土體中，可以達(dá)到位移為0；解決問(wèn)題的根本在于讓后支點(diǎn)的位移為0。

a）處理套拱的基礎(chǔ)，對(duì)套拱基礎(chǔ)以下0.5～1 m范圍內(nèi)采用C20混凝土進(jìn)行換填，起到封閉炭質(zhì)泥巖，防止地下水軟化地基的作用，達(dá)到提高地基承載力的效果，從而使套拱穩(wěn)固、不下沉，最終達(dá)到后支點(diǎn)位移為0的目的。

b）套拱穩(wěn)定后，開(kāi)始暗洞開(kāi)挖，由于暗洞為V級(jí)圍巖，故只能按照一次開(kāi)挖一榀工字鋼的長(zhǎng)度，并及時(shí)施作仰拱拱架，連續(xù)開(kāi)挖4榀工字鋼距離（2.4 m）后，及時(shí)澆筑仰拱，閉合成環(huán)，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(wěn)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(guò)管棚后支點(diǎn)傳遞的土壓力，管棚將按照“兩端固結(jié)梁”受力模型承受土壓力。采取這種方式對(duì)隧道右洞存在的問(wèn)題進(jìn)行處理后，再對(duì)侵限的初支進(jìn)行換拱，在繼續(xù)掘進(jìn)中對(duì)洞口段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，圖7為YK40+050斷面拱頂下沉曲線圖，該變形量已經(jīng)較小，對(duì)隧道施工安全影響較小，隧道安全進(jìn)洞。

圖7 隧道YK40+050斷面換拱后初期支護(hù)拱頂下沉曲線

5 結(jié)論

采取超前管棚支護(hù)方式進(jìn)洞是目前隧道進(jìn)洞的主要方式之一，該工藝已經(jīng)非常成熟，但如果施工過(guò)程中不高度重視，對(duì)于炭質(zhì)泥巖隧道進(jìn)洞也會(huì)存在諸多問(wèn)題，本文通過(guò)貴州省惠水至羅甸高速公路某隧道進(jìn)洞存在問(wèn)題的處理，提出的“兩端固結(jié)梁”方案進(jìn)洞是可行的，這對(duì)其他炭質(zhì)泥巖區(qū)隧道進(jìn)洞施工具有借鑒作用。