綿茂公路某隧道進(jìn)洞掛口施工技術(shù)

谷柏森，吳 行，王 偉

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

四川省綿竹至茂縣二級(jí)公路某特長(zhǎng)隧道進(jìn)口里程K9+750，隧道全長(zhǎng)3 420 m，最大埋深500 m。

隧道進(jìn)口位于綿遠(yuǎn)河左岸崖腳的緩坡帶上，該緩坡帶由崩坡積塊碎石土構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散已坍塌。洞口圍巖為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，巖層陡傾，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，薄層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力較差，呈塊狀及碎裂狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，圍巖整體性較差。由于場(chǎng)地條件限制，線路軸線走向與斜坡走向呈47°斜交，存在明顯偏壓，掛口施工條件很差，施工難度較大。崖壁右側(cè)與隧道中線相交里程為K9+750，與左側(cè)開挖線相交里程約為K9+769.5，左右側(cè)開挖線在崖壁上前后相差19.81 m，如圖1所示。

2 隧道進(jìn)洞掛口施工方案設(shè)計(jì)

2.1 施工方法選擇

由于場(chǎng)地限制，隧道走向與山體小角度斜交，根據(jù)設(shè)計(jì)K9+750~K9+762.6為明洞，隧道右半斷面采用暗挖，開挖線在基巖上，左半斷面大部分地面線低于拱頂為明挖段，左側(cè)明洞底部懸空，采用3根矩形樁上頂托梁作為明洞左側(cè)的基礎(chǔ)。同時(shí)，由于夏季為汛期，故必須嚴(yán)格控制工期，盡快掛口進(jìn)洞。

圖1 山體與路線軸線斜交示意圖（單位：m）

根據(jù)隧道洞口施工常用的幾種施工方法特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行類比，確定了2種較為合理、安全的進(jìn)洞施工方案。

（1）反壓回填正交進(jìn)洞法。常用于偏壓地段，對(duì)于偏壓地段，先施工明洞樁基、托梁、耳墻，后對(duì)回填部位進(jìn)行清表處理，并采用注漿錨桿等對(duì)偏壓地段進(jìn)行一定的加固；然后采用碎石土進(jìn)行回填，注漿固結(jié)；最后采用同暗挖隧道一樣的施工方法進(jìn)行隧道開挖［1］。

（2）中隔壁法（CD法）。CD法適用于圍巖較差的大跨度隧道中，施工時(shí)將大斷面劃分為小斷面，先開挖隧道一側(cè)并施作中隔壁，然后再開挖另一側(cè)。因斜交地段地層壓力和襯砌受力較為復(fù)雜，如一次性斜交進(jìn)洞斷面跨度大，施工難度較高安全風(fēng)險(xiǎn)大，采用CD法較為合適。

各進(jìn)洞方式綜合對(duì)比如表1所示。

表1 斜交偏壓隧道進(jìn)洞方式對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述2種進(jìn)洞方式的綜合對(duì)比，在該擬建隧道洞口地質(zhì)較差、場(chǎng)地條件有限的情況下，2種施工方法均有很好的適應(yīng)性，都能滿足工程建設(shè)需求，然而當(dāng)必須考慮工期因素影響時(shí)，CD法開挖具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，本隧道進(jìn)口端掛口施工選擇中隔壁法（CD法）施工。

2.2 施工工藝流程

洞口邊仰坡清理→邊仰坡防護(hù)→洞頂截水溝施工→超前支護(hù)→測(cè)量放線（開挖輪廓線）→左半斷面開挖支護(hù)→隧道正常段施工→明洞樁基施工→明洞基底換填→耳墻施工→右半斷面擴(kuò)挖→明洞初支施工→明洞施工→明洞回填［2］。

2.3 施工方法

（1）施工前期準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行左右半斷面開挖前，需做好必要的前期準(zhǔn)備，包括邊仰坡的清理及其噴錨網(wǎng)防護(hù)、洞頂截水溝施工、洞口超前支護(hù)施工以及開挖輪廓線測(cè)量放線，以保證斷面開挖順利實(shí)施。

（2）斷面開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)

① 開挖方案設(shè)計(jì)

根據(jù)中隔壁法施工特點(diǎn)，將洞口劃分為左、右2個(gè)斷面分別施工。掛口進(jìn)洞時(shí)假定山體與路線軸線斜交的斜面為正面，先開挖隧道左半斷面，采用上導(dǎo)坑單側(cè)壁法進(jìn)行開挖。左半斷面順應(yīng)地形先正交進(jìn)洞按設(shè)計(jì)線開挖，右開挖線向前直進(jìn)開挖，當(dāng)開挖至標(biāo)準(zhǔn)斷面時(shí)按設(shè)計(jì)斷面施工，此時(shí)斷面及鋼拱架為異型斷面，進(jìn)洞時(shí)輔以小導(dǎo)管超前支護(hù)，進(jìn)洞后逐步過(guò)渡成標(biāo)準(zhǔn)斷面［3-4］。斷面開挖示意圖如圖2所示，左側(cè)壁上導(dǎo)坑套拱、臨時(shí)支撐拱架圖如圖3、圖4所示。

圖2 隧道中隔壁開挖法示意圖

圖3 左側(cè)壁上導(dǎo)坑套拱、臨時(shí)支撐拱架圖(首榀)

圖4 左側(cè)壁上導(dǎo)坑套拱、臨時(shí)支撐拱架圖(末榀)

② 初期支護(hù)設(shè)計(jì)

初期支護(hù)設(shè)計(jì)包括注漿錨桿、雙層鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土、I20b拱架以及超前小導(dǎo)管，具體參數(shù)見圖5。圖中所示為斜交淺埋進(jìn)洞地段襯砌斷面設(shè)計(jì)，適用于異型斷面到標(biāo)準(zhǔn)斷面的過(guò)渡段。

如圖6所示，開挖斷面及鋼拱架為異型斷面，鋼架在由斜交斷面向正交斷面過(guò)渡過(guò)程中，鋼架的形狀不規(guī)則，設(shè)計(jì)稍復(fù)雜，左半斷面是按設(shè)計(jì)一次性開挖到位的，所以拱架按設(shè)計(jì)加工，右半斷面是過(guò)渡漸變段，拱架加工時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際半徑制作。鋼架與圍巖之間有間隙時(shí)，用混凝土墊塊楔緊，并用噴射混凝土封閉空隙，使鋼架能立即并較好地承受荷載［5］。

（3）右半斷面擴(kuò)挖

右半斷面擴(kuò)挖采用的是反打出洞的方法，即由內(nèi)向外按75 cm進(jìn)尺控制開挖，逐榀拆除中隔壁，支護(hù)按設(shè)計(jì)參數(shù)施工。值得注意的是，右半斷面進(jìn)行反打出洞施工需要具備2個(gè)前提條件：一是隧道正常段開挖掘進(jìn)施工完成50 m以上；二是洞口工程全部完成（明洞樁基施工、明洞基底換填、耳墻施工）。

圖5 斜交淺埋進(jìn)洞地段襯砌設(shè)計(jì)圖

圖6 斜交淺埋進(jìn)洞地段襯砌設(shè)計(jì)圖（單位：m）

（4）隧道正常段施工

小斷面進(jìn)洞漸變過(guò)渡到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面時(shí)，施工按正常工序、工藝進(jìn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工要點(diǎn)

（1）本隧道洞口掛口施工由于斜交面寬度太大，故采用Ф42 mm熱扎無(wú)縫鋼管短管棚（即小導(dǎo)管）注水泥漿液，進(jìn)行超前支護(hù)代替原設(shè)計(jì)Ф108 mm長(zhǎng)管棚。

（2）洞口采用小斷面向大斷面的過(guò)渡方式進(jìn)洞，主要依靠小導(dǎo)管、鋼架形成的支護(hù)體系控制圍巖變形，從而確保進(jìn)洞安全。

（3）開挖采用光面爆破施工，每一循環(huán)進(jìn)度控制在75 cm左右，即一榀鋼架間距。由于該隧道洞口拱頂圍巖比較薄弱，若爆破用藥量過(guò)大，極易破壞圍巖的整體性，因此施工時(shí)必須注意嚴(yán)格控制用藥量，增強(qiáng)超前小導(dǎo)管支護(hù)措施。施工中必須堅(jiān)持“管超前、弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的原則，確保進(jìn)洞時(shí)的施工安全［6］。

（4）右半斷面反打出洞進(jìn)行中隔壁拆除前，須確保初支變形趨于穩(wěn)定，每榀拆除，每榀閉合，仰拱及時(shí)跟進(jìn)。拆除過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，如有變形突變現(xiàn)象，立即停止拆除，并進(jìn)行加固。為加強(qiáng)開挖時(shí)初期支護(hù)的穩(wěn)定性，要嚴(yán)格施作鎖腳。

4 洞口施工數(shù)值分析

本隧道進(jìn)口施工主要難點(diǎn)在于左邊斷面由斜交向正交的扇形過(guò)渡開挖，重點(diǎn)在于保證異形斷面支護(hù)體系的支護(hù)效果，通過(guò)數(shù)值模擬方法分析初支結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形特征，結(jié)合施工中監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋，可初步驗(yàn)證“CD”法結(jié)合反打出洞方法的施工效果。

洞口施工模擬采用了Midas有限元分析軟件，計(jì)算采用了彈塑性理想化模型并作如下假定：（1）假定圍巖為連續(xù)介質(zhì)，采用平面四邊形單元模擬，在沿隧道長(zhǎng)度方向上斷面大小及內(nèi)力不發(fā)生變化；（2）錨桿采用桁架單元模擬，只傳遞軸向拉力或壓力；（3）初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M，鋼拱架支承作用和注漿加固作用可采用“等效方法”加以考慮。

在整個(gè)洞口開挖過(guò)程前期，由于開挖擾動(dòng)，圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)改變，導(dǎo)致洞內(nèi)周邊位移變化速率較快；后期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮支承作用，周邊位移值趨于穩(wěn)定，最終累計(jì)值為9.51 mm，如圖7所示。拱頂沉降最大變化梯度出現(xiàn)在開挖前期，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)節(jié)段，沉降量增加較快；后期整個(gè)斷面開挖成型后趨于穩(wěn)定，如圖8所示，拱頂沉降最終累計(jì)值為4.53 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)可滿足后續(xù)襯砌結(jié)構(gòu)施工。

圖7 洞內(nèi)周邊位移

圖8 拱頂沉降

由數(shù)值模擬分析來(lái)看，施工中所擬定支護(hù)體系能較好承受圍巖形變壓力，發(fā)揮良好支撐作用，“CD”法結(jié)合反打出洞的開挖方式能較大限度地避免圍巖擾動(dòng)、控制圍巖形變量。

5 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)能較為準(zhǔn)確、完整地收集開挖爆破及臨時(shí)支護(hù)拆除的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析掌握圍巖和初期支護(hù)位移變化情況, 及時(shí)反饋信息，為施工提供科學(xué)依據(jù)［7］。該隧道進(jìn)口段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)應(yīng)里程分別為K9+774、K9+778、K9+800，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)見表2。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)曲線，監(jiān)控后期15 d左右時(shí)間內(nèi)，各監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)拱頂下沉變形、隧道凈空收斂變形趨于穩(wěn)定，形變速率趨于0，隧道拱頂下沉變形量、周邊位移變形量處于安全可控范圍內(nèi)。洞內(nèi)初期支護(hù)完成后，未發(fā)現(xiàn)明顯塌方征兆，初期支護(hù)噴射混凝土表面未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫或掉塊現(xiàn)象。

6 結(jié)論

文章對(duì)綿茂公路某隧道進(jìn)洞掛口方案的設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程進(jìn)行全面闡述，并結(jié)合數(shù)值模擬以及施工監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行分析和研究，得出以下結(jié)論：

（1）受場(chǎng)地條件限制，隧道軸線與山體小角度斜交時(shí)，采用“CD”法進(jìn)洞與反打出洞技術(shù)相結(jié)合，能很好地滿足隧道掛口進(jìn)洞施工的技術(shù)要求，既避免了對(duì)邊仰坡的大刷大挖，減少了對(duì)植被的大范圍破壞，又能保證隧道開挖的安全。

（2）采用“CD”法開挖時(shí)，運(yùn)用了小斷面向大斷面過(guò)渡的方式進(jìn)洞，開挖面及鋼拱架采用了異型斷面設(shè)計(jì)，逐漸過(guò)渡到標(biāo)準(zhǔn)斷面，較常規(guī)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度有所增加，但結(jié)構(gòu)總體優(yōu)勢(shì)明顯增加，對(duì)洞口淺埋偏壓地形具有較高的適應(yīng)性，可盡早閉合支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高工程質(zhì)量。

（3）采用“CD”法開挖進(jìn)洞，可有效縮短建設(shè)工期，加快工程進(jìn)度，該隧道進(jìn)口段施工總耗時(shí)約35 d，建設(shè)總工期縮短了近2個(gè)月，避免了隧道洞口段在汛期施工的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）監(jiān)控量測(cè)工作貫穿洞口施工全過(guò)程，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果綜合分析，該隧道初期支護(hù)完成后，圍巖發(fā)生少量位移變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)有少量收斂變形，但均在可控范圍內(nèi)，并且施工后期均趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了“CD”法掛口進(jìn)洞施工方法的科學(xué)合理性和可行性，可為其它相似工程提供一定的參考。

［1］ 廖朝華，郭小紅.公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2012：383-450.

［2］JTG/T F60—2009公路隧道施工技術(shù)細(xì)則［S］.

［3］荀其迅.隧道穿越地表松散地段施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007（11）：81-84.

［4］何偉奇. 新鯉魚溪二號(hào)隧道洞口高仰坡滑坡體的防護(hù)論證［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40（2）：13-17.

［5］許青風(fēng).黔桂鐵路那馬隧道施工方案淺析［J］.隧道建設(shè)，2007，27（1）：65-69.

［6］鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)（隧道）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1999：82-139.

［7］JTJ042—94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.