超大斷面隧道在坡積碎石土中的成洞技術(shù)

吳學(xué)智，張少輝，劉慶舒

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

超大斷面隧道在坡積碎石土中的成洞技術(shù)

吳學(xué)智，張少輝，劉慶舒

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

文章依據(jù)新奧法原理，提出超大斷面隧道在Ⅴ～Ⅵ級圍巖（坡積碎石土）中通過改善巖土體結(jié)構(gòu)、利用隧道巖土體拱效應(yīng)及強(qiáng)支護(hù)形成組合效應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，并以兩河口水電站305號公路隧道出洞口段通過較松散坡積碎石土的設(shè)計(jì)施工實(shí)例，以圖文并茂的方式介紹了小導(dǎo)管注漿改善和提高巖土體的自承能力、超大斷面隧道在較松散坡積碎石土中成洞技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，對解決類似工程問題具有借鑒意義和參考價(jià)值。

超大斷面；碎石土；注漿小導(dǎo)管；組合支護(hù)；拱效應(yīng)

0 引 言

隧道新奧法設(shè)計(jì)施工的核心在于將圍巖作為承載結(jié)構(gòu)，與襯砌結(jié)構(gòu)一起承受荷載。噴射混凝土、錨桿等起加固圍巖的作用，提高圍巖的自身強(qiáng)度，通過監(jiān)控量測，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息化設(shè)計(jì)和施工，有效地調(diào)節(jié)圍巖變形，以最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力［1］。

Ⅴ～Ⅵ級較松散巖土體自穩(wěn)能力差，需通過改善較松散巖土體結(jié)構(gòu)使隧道圍巖具有一定自穩(wěn)能力，才能將圍巖作為承載結(jié)構(gòu)，按新奧法原理在隧道設(shè)計(jì)施工中考慮與襯砌結(jié)構(gòu)共同承載。

本文以兩河口水電站（305號公路）隧道出口坡積碎石土段為研究對象，研究碎石土中的隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和施工成洞技術(shù)。在充分理解新奧法原理的基礎(chǔ)上，憑多年處理隧道洞口坡積碎石土的施工及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以改善巖土體結(jié)構(gòu)、利用隧道巖土體拱效應(yīng)及強(qiáng)支護(hù)形成組合效應(yīng)為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，以變形觀測及監(jiān)測資料為判斷依據(jù)，量化支護(hù)參數(shù)，選擇合理的施工方法，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，利用短、頻、快的注漿小導(dǎo)管解決超大斷面隧道在較松散坡積碎石土中的成洞難題，并以圖文并茂的方式展示設(shè)計(jì)施工情況。

1 工程概況

305號公路是兩河口水電站左岸大壩上游2 725 m高程填筑施工的干線運(yùn)輸通道，受地形地質(zhì)條件和電站樞紐布置制約，規(guī)劃布置為1 100 m長隧道連接3號公路和大壩上游2 725 m高程，隧道設(shè)計(jì)為單洞雙向交通隧道，建筑限界12.5 m×5.0 m。

305號公路受地形地質(zhì)條件、電站樞紐布置和場內(nèi)施工布置制約，隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段需穿越坡積碎石土層，且隧道頂6 m及24 m處為同期實(shí)施高線道路的唯一施工便道。

2 洞口段預(yù)設(shè)計(jì)

305號公路隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段為坡積碎石土，考慮同期實(shí)施高線道路的唯一施工材料進(jìn)入便道（隧道洞口上，無改線調(diào)整條件）通行要求，隧道設(shè)計(jì)利用坡積碎石土進(jìn)洞。

隧道洞口設(shè)計(jì)：考慮清除表層松散碎石土利用稍密實(shí)坡積碎石土開挖隧道洞口邊仰坡；隧道洞口邊仰坡采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，全坡面按2 m間排距布設(shè)砂漿錨桿（Φ22、L＝4.5 m），掛Φ8單層鋼筋網(wǎng)（間排距20 cm），噴C20混凝土厚12 cm。

隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段采用Ⅴ級加強(qiáng)支護(hù)。初期支護(hù)參數(shù)：隧道拱部120°范圍內(nèi)按環(huán)向間距35 cm、縱向間距240 cm設(shè)超前注漿小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝4.5 m）；隧道拱墻按環(huán)向間距120 cm、縱向間距60 cm梅花形布設(shè)系統(tǒng)砂漿錨桿（Φ22、L＝4.0m）；隧道縱向按60 cm間距設(shè)HW 150×150型鋼鋼架，每榀鋼架設(shè)8根鎖腳錨桿（Φ22、L＝4.0 m）；隧道拱墻掛Φ8鋼筋網(wǎng)（間排距20 cm）、噴C20混凝土厚24cm。隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)：隧道拱墻及仰拱均采用C25鋼筋混凝土襯砌；拱墻厚度75 cm，仰拱厚度70 cm（見圖1）。

圖1 預(yù)設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)示意

3 洞口段修改設(shè)計(jì)

305號公路隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段坡積碎石土表層松散，隧道頂6 m處的高線道路施工便道（無改線調(diào)整條件）位于松散碎石土上，且隧道洞口上方松散碎石土層不清理對下部的隧道施工構(gòu)成極大的安全威脅，綜合考慮高線道路施工材料儲(chǔ)備、施工便道短期斷道要求，實(shí)施采用全面清除洞口上方表層松散碎石土，隧道洞門樁號從K1＋100.00 m調(diào)整為K1＋094.00 m。K1＋094.00～K1＋082.00 m段結(jié)合隧道洞口邊仰坡開挖采用明洞施工，快速開挖、現(xiàn)澆鋼筋混凝土明洞、恢復(fù)高線道路施工便道；K1＋082.00～K1＋067.00 m段采用隧道施工。

（1）隧道洞口邊仰坡：隧道洞口邊仰坡開挖揭示坡積碎石土為分層結(jié)構(gòu)，表層松散，部分中間層架空、松散，常規(guī)水泥砂漿錨桿成孔困難。隧道洞口邊仰坡水泥砂漿錨桿（Φ22、長4.5 m）均調(diào)整為Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿（L＝4.0 m）；隧道洞口邊仰坡開挖至下部時(shí)，邊坡中下部出現(xiàn)噴混凝土開裂，根據(jù)監(jiān)測分析為架空、松散層變形所致，通過沿開裂坡面縱向增設(shè)2排間距2 m的自進(jìn)式中空注漿錨桿（Φ25、L＝4.0 m）加固后，坡面變形收斂。

（2）隧道洞口K1＋082.00～K1＋074.00 m段初期支護(hù)：隧道洞口原設(shè)計(jì)采用Ⅴ級加強(qiáng)支護(hù)，隧道洞口邊仰坡開挖揭示坡積碎石土為分層結(jié)構(gòu)，坡積碎石土在隧道上部存在架空、松散層，局部潮濕夾泥，綜合評價(jià)為Ⅴ～Ⅵ級圍巖，因此隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段需加強(qiáng)初期支護(hù)。隧道拱部120°范圍超前注漿小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝4.5 m）縱向間距240 cm調(diào)整為150 cm，并按環(huán)向間距70 cm、縱向間距50 cm增設(shè)超前向上向外插45°的固結(jié)注漿小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝3.0 m）；HW 150× 150型鋼鋼架間距調(diào)整為50 cm，每榀鋼架原設(shè)8根鎖腳錨桿（Φ22、L＝4.0 m）調(diào)整為每榀鋼架設(shè)12根固結(jié)注漿鎖腳小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝4.5 m），鋼架底部增設(shè)［25a縱向連接槽鋼；系統(tǒng)砂漿錨桿（Φ22、L＝4.0 m）均調(diào)整為Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿（L＝4.0 m），在隧道拱墻按環(huán)向間距70 cm、縱向間距50 cm布置；隧道拱墻掛Φ8鋼筋網(wǎng)（間排距20 cm）、噴C20混凝土厚24 cm。

（3）隧道洞口K1＋074.00～K1＋067.00 m段初期支護(hù)：隧道圍巖仍為坡積碎石土分層結(jié)構(gòu)，坡積碎石土在隧道上部存在架空、松散層，綜合評價(jià)為Ⅴ級偏弱圍巖，因此隧道洞口K1＋074.00～K1＋067.00 m段需加強(qiáng)初期支護(hù)。隧道拱部120°范圍超前注漿小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝4.5 m）縱向間距240 cm調(diào)整為200 cm，并按環(huán)向間距100 cm、縱向間距70 cm增設(shè)超前向上向外插45°的固結(jié)注漿小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝3.0 m）；HW 150×150型鋼鋼架間距調(diào)整為70 cm，每榀鋼架原設(shè)8根鎖腳錨桿（Φ22、L＝4.0 m）調(diào)整為每榀鋼架設(shè)12根固結(jié)注漿鎖腳小導(dǎo)管（Φ42×4、L＝4.5 m），鋼架底部增設(shè)［25a縱向連接槽鋼；系統(tǒng)砂漿錨桿（Φ22、L＝4.0m）均調(diào)整為Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿（L＝4.0 m），隧道拱墻按環(huán)向間距100 cm、縱向間距70 cm布置；隧道拱墻掛Φ8鋼筋網(wǎng)（間排距20 cm）、噴C20混凝土厚24 cm。

自進(jìn)式中空注漿錨桿及注漿小導(dǎo)管注漿量均按注水泥量總量控制，單根注P.O42.5水泥量100 kg。

4 洞口段施工順序

洞口施工順序：洞頂邊仰坡開挖及支護(hù)→明洞段開挖及支護(hù)→明洞兩側(cè)漿砌片石擋護(hù)→明洞洞頂填渣反壓→恢復(fù)施工便道→洞內(nèi)開挖與支護(hù)→仰拱施工→二次模筑混凝土襯砌→洞門端墻施工。

邊坡從上到下分層開挖、分層支護(hù)。

明洞采用環(huán)形分部留核心土方法施工。

洞內(nèi)采用“強(qiáng)預(yù)支護(hù)，短進(jìn)尺、分臺(tái)階、環(huán)形分部留核心土”施工工法。

洞口段施工情況見圖2～9。

圖2 施工前洞口位置及施工便道

圖3 邊仰坡開挖支護(hù)至洞頂高程

圖4 施工隧道鎖口小導(dǎo)管

圖5 開始明洞施工

圖6 完成邊坡底部部分明洞施工

圖7 完成明洞初期支護(hù)并對稱填渣反壓

圖8 洞內(nèi)施工

圖9 完成洞口襯砌及端墻后

5 變形觀察及監(jiān)測

施工過程中，在洞口邊仰坡及洞內(nèi)布置變形觀測點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測，通過變形觀測和施工全過程安全巡察相結(jié)合的方式確保施工安全，并及時(shí)應(yīng)對處理。

洞口邊仰坡施工過程中，邊坡開挖至洞頂附近時(shí)，邊坡中下部（洞頂下層便道附近）坡面噴混凝土開裂。根據(jù)監(jiān)測分析為架空、松散層變形所致。通過沿開裂坡面縱向增設(shè)2排間距為2 m的自進(jìn)式中空注漿錨桿（Φ25、L＝4.0 m）加固后，坡面變形收斂。

隧道內(nèi)按縱向5 m間距在隧道拱頂、兩側(cè)起拱線部位及兩側(cè)邊墻中部設(shè)變形觀測點(diǎn)，每天進(jìn)行隧道變形監(jiān)測，實(shí)測隧道拱頂下沉及兩側(cè)內(nèi)擠收斂累計(jì)變形量為10～20 mm；明洞與暗洞交界處隧道拱頂下沉量最大，噴混凝土支護(hù)的隧道拱部出現(xiàn)1條環(huán)向裂縫（縫寬1～3 mm）；隧道落底和仰拱施工完成后，洞內(nèi)變形收斂。

6 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

地下工程中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的重要部分，施工前應(yīng)對工程難點(diǎn)、重點(diǎn)及安全進(jìn)行施工技術(shù)交底，明確施工順序及施工注意事項(xiàng)，施工過程中應(yīng)高度關(guān)注水文及地質(zhì)條件變化、變形監(jiān)測情況，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)開展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。本隧道的設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)隧道洞口地質(zhì)條件和施工安全要求，調(diào)整了隧道邊仰坡設(shè)計(jì)及支護(hù)，及時(shí)處理了仰坡噴混凝土開裂問題；其次依據(jù)邊仰坡開挖揭露的工程地質(zhì)情況調(diào)整了隧道洞口K1＋082.00～K1＋074.00 m段初期支護(hù)設(shè)計(jì)；然后依據(jù)隧道開挖揭示工程地質(zhì)情況調(diào)整了隧道K1＋074.00～K1＋067.00 m段初期支護(hù)設(shè)計(jì)。本隧道設(shè)計(jì)中采用拱效應(yīng)及支護(hù)的組合效應(yīng)為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，充分利用巖土體的自承能力，依靠信息化及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，憑多年處理隧道洞口坡積碎石土的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)監(jiān)督和指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在理論與實(shí)踐充分結(jié)合和把設(shè)計(jì)理念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程中，做到施工設(shè)計(jì)的合理性。

7 效果評價(jià)

本隧道洞口段在施工過程中沒有出現(xiàn)隧道塌方及安全問題。隧道完工3年多時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。實(shí)踐證明，洞口段的設(shè)計(jì)及施工方案是合理的。

8 結(jié) 語

（1）在坡積碎石土中，利用超前小角度注漿小導(dǎo)管及大角度注漿固結(jié)小導(dǎo)管，改善及提高圍巖的自承能力，在隧道開挖輪廓線外形成2～3 m厚較連續(xù)的拱圈后，利用支護(hù)的組合效應(yīng)，形成連續(xù)、平順的受力拱圈，采取合理的開挖方式即可安全成洞。注漿小導(dǎo)管相對大管棚具有短頻快的優(yōu)點(diǎn)。

（2）在坡積碎石土中，水泥砂漿錨桿施工成孔難，自進(jìn)式中空注漿錨桿施工簡便、快捷，自進(jìn)式中空注漿錨桿適用于不易使用砂漿錨桿及小導(dǎo)管施工的巖土體淺層錨固項(xiàng)目。同時(shí)在坡積碎石土等散體結(jié)構(gòu)中，自進(jìn)式中空注漿錨桿與注漿小導(dǎo)管配合使用可以起到較好的巖土加固效果。

（3）準(zhǔn)確把握新奧法理論的核心，以隧道圍巖的拱效應(yīng)及支護(hù)的組合效應(yīng)為設(shè)計(jì)理念，利用圍巖的自承能力，重視信息化及動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，理論與實(shí)踐結(jié)合能更好地解決巖土工程問題。

（4）合理的施工工法、嚴(yán)格施工過程質(zhì)量控制是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的關(guān)鍵。

［1］ 朱漢華，孫紅月，楊建輝.公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007（1）.

［2］ 崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011（5）.

TV554

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1003－9805（2015）02－0001－04

2014－07－23

吳學(xué)智（1974－），男，甘肅靜寧人，高級工程師，工程碩士，從事水電站公路設(shè)計(jì)及研究工作。