黃草山隧道偏壓出洞施工技術(shù)與監(jiān)控量測應(yīng)用

武鳳文

【摘要】通過渝利鐵路黃草山隧道淺埋偏壓段出洞施工。總結(jié)出：準(zhǔn)確掌握淺埋偏壓地形，選擇合理成洞方案， 加強(qiáng)監(jiān)控量測，是解決淺埋偏壓隧道出洞施工的關(guān)鍵。并詳細(xì)介紹了黃草山隧道偏壓荷載產(chǎn)生的壓力分析，出洞施工的方案選擇、小導(dǎo)洞施工工藝、監(jiān)控量測情況。為類似工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，達(dá)到了預(yù)期效果。

【關(guān)鍵詞】隧道 偏壓 出洞 監(jiān)控量測 應(yīng)用

一、引言

隨著我國客運(yùn)專線建設(shè)不斷向山區(qū)延伸，隧道工程在客運(yùn)專線工程中所占比例越來越大，而且地形越來越復(fù)雜，有的隧道進(jìn)、出口均位于懸崖峭壁或陡坡之上，溝谷深切，從隧道進(jìn)、出口或單向掘進(jìn)的施工方法已不能滿足工程施工需要，需采用輔助施工橫洞分別往隧道進(jìn)、出口方向施工。這樣，在處理隧道淺埋偏壓問題時(shí)已不能采用常規(guī)的先平衡偏壓，然后進(jìn)行地表加固、再開挖進(jìn)洞的處理方式。當(dāng)從山體里往外開挖接近地表時(shí)，采用非標(biāo)準(zhǔn)斷面選擇合適位置開挖出洞，準(zhǔn)確掌握淺埋偏壓地形，加強(qiáng)監(jiān)控量測，選擇合理成洞方案，是處理這一問題的關(guān)鍵。

二、工程概況

黃草山隧道系渝利鐵路的特長隧道， 隧道全長6663米，由于隧道進(jìn)、出口均位于懸崖峭壁或陡坡之上，采取斜井向進(jìn)、出口兩個(gè)方向掘進(jìn)。該隧道穿越煤層瓦斯、采空區(qū)、淺表天然氣、滑坡以及危巖落石等不良地質(zhì)，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，是全線重點(diǎn)控制工程之一，平均設(shè)計(jì)標(biāo)高為485m，最大埋深690m。隧道進(jìn)口段主要為灰?guī)r，但由于風(fēng)化溶蝕較強(qiáng)烈，地表溶溝、溶槽發(fā)育，其間充填大量粘土夾碎石，覆蓋層多屬Ⅱ、Ⅲ類，深部為Ⅳ類。為避免生態(tài)破壞， 遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”原則，由此，隧道進(jìn)口段25m范圍內(nèi)均屬淺埋偏壓段。設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖所示：

三、小導(dǎo)洞出洞施工

（一）出洞方案

在選擇出洞方案時(shí)，既要考慮施工安全，又要便于施工。特別是洞口段自穩(wěn)能力差、覆蓋層薄弱，坍塌變形是最常見的地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生不僅延誤工期，往往造成重大經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡，因此施工方案的選取顯得尤為關(guān)鍵。根據(jù)偏壓隧道特點(diǎn)，最大安全隱患來自對偏壓荷載的處理上，最好的處理方式莫過于采取某種手段將偏壓消于無形。偏壓荷載的產(chǎn)生原因分析如下：

隧道兩側(cè)壁的圍巖均布壓力e左與e右為：

e左=■， e右=■ （1）

式中e1，e2分別為隧道側(cè)壁頂端和底端水平圍巖壓力。當(dāng)兩側(cè)壁的圍巖均布壓力e左與e右不相當(dāng)時(shí)，將產(chǎn)生偏壓荷載[1]，表達(dá)式為：

│e左-e右│或│e右-e左│>0； （2）

進(jìn)一步分析，偏壓隧道水平側(cè)壓力等于垂直壓力乘以側(cè)壓系數(shù)。表達(dá)式為：

e1=γ×h1×λ1， e2=γ×h2×λ2 （3）

式中γ為圍巖容重，h為隧道左、右兩側(cè)拱頂水平至地面高度，λ為左、右兩側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)。由（3）式得水平側(cè)壓力與圍巖容重、埋深、側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在這個(gè)較小范圍內(nèi)可以假設(shè)隧道左、右兩側(cè)圍巖容重相等。那么引起偏壓的原因?yàn)樗淼纼蓚?cè)埋深及側(cè)壓系數(shù)。再根據(jù)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算公式：

λ=■ （4）

式中β為產(chǎn)生最大推力的破裂角，φ為圍巖計(jì)算摩擦角，α為地面坡度角。由于該區(qū)域內(nèi)山體巖性大致相同，可假設(shè)隧道兩側(cè)破裂角和圍巖摩擦角相當(dāng)，那么側(cè)壓系數(shù)就只跟地面坡度角有關(guān)，而地面坡度角的量性反映就是隧道兩側(cè)的埋深h，坡度角越大，兩側(cè)埋深高差越大。

綜合（1）至（4）式及相關(guān)推理，只要找到某個(gè)兩側(cè)埋深大致相同的出洞地點(diǎn)，就能避免偏壓，也可大大降低出洞施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)地踏堪，進(jìn)口段25m范圍內(nèi)在隧道軸線方向雖然偏壓嚴(yán)重，但在法線方向上地表坡面較單一，埋深大致相同。因此，選擇在該坡面上采用小導(dǎo)洞掘進(jìn)出洞，方案示意如下圖：

（二）施工工藝

（1）小導(dǎo)洞斷面尺寸選擇。在選擇小導(dǎo)洞斷面時(shí)，應(yīng)滿足兩個(gè)條件，一是方便人員、機(jī)械進(jìn)行施工作業(yè)；二是盡量控制斷面尺寸，不能過大，減小安全風(fēng)險(xiǎn)；因此，斷面尺寸采用5m（寬）×5.5m（高）的上拱下墻結(jié)構(gòu)；

（2）小導(dǎo)洞超前支護(hù)措施。由于埋深很淺，為保證開挖施工安全，在小導(dǎo)洞開挖施工前，先采用φ42鋼花管作超前支護(hù)。小導(dǎo)管長3.5m，環(huán)向布置間距30cm，外插角≥10°，搭接長度≥1m，注漿采用純水泥漿，注漿壓力為0.5-1.0Mpa，導(dǎo)管成梅花型布置，前端加工成錐型，尾部長度不小于30cm作為不鉆孔的止?jié){段；

（3）小導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)措施。采用早強(qiáng)的復(fù)合式柔性支護(hù)，具體為φ22鋼筋格柵間距0.8m，噴射20cm厚C20混凝土， 鋼筋格柵之間加強(qiáng)縱向連接，除個(gè)別松動巖體外不打設(shè)徑向錨桿，以免擴(kuò)大開挖時(shí)造成巖體掛連，增加爆破擾動；

（4）小導(dǎo)洞出洞后可采用常規(guī)的先平衡偏壓，然后進(jìn)行地表加固、再開挖成洞的處理方式。

四、監(jiān)控量測

為實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)計(jì)動態(tài)施工的管理理念，施工過程中的監(jiān)控量測必不可少，為此實(shí)施了多層次全方位的監(jiān)控量測手段，確保支護(hù)參數(shù)的合理性.特別是小導(dǎo)洞施工出洞過程中對隧道外面情況難以準(zhǔn)確掌握的情況下科學(xué)、有效、及時(shí)、準(zhǔn)確的施工監(jiān)測能夠獲得圍巖變形信息，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)和信息反饋，是指導(dǎo)安全施工的有力保證。

（一）量測項(xiàng)目選擇

根據(jù)小導(dǎo)洞出洞施工的特點(diǎn)，一是隧道埋深淺，二是偏壓嚴(yán)重.假設(shè)隧道變形，表現(xiàn)最為突出的現(xiàn)象就是地表開裂或沉降，其次是隧道支護(hù)變形開裂等.為此，選擇合適有效的監(jiān)測項(xiàng)目既能滿足監(jiān)測效果，又能快速反饋信息，指導(dǎo)施工，監(jiān)控量測項(xiàng)目及方法如表1：

由于小導(dǎo)洞施工中的鋼筋格柵及徑向錨桿等均為臨時(shí)支護(hù)措施，小導(dǎo)洞本身的施工周期也較短，固鋼支撐內(nèi)力及錨桿抗拔力等監(jiān)測周期較長的監(jiān)測項(xiàng)目效果并不好，可不采用，但在擴(kuò)挖施工時(shí)必須采用。

（二）量測布點(diǎn)選擇

（1）地表下沉布點(diǎn)如圖3，可通過測量數(shù)據(jù)直接反饋地表變形情況，簡單快速，測量結(jié)果可作為調(diào)節(jié)小導(dǎo)洞施工進(jìn)尺、爆破藥量及調(diào)整臨時(shí)支護(hù)的依據(jù)。

（2）周邊收斂及拱頂下沉布點(diǎn)如圖4， 測量數(shù)據(jù)直接反映小導(dǎo)洞的安全及穩(wěn)定狀態(tài)，是小導(dǎo)洞施工的安全保證，測量內(nèi)容主要為觀測A、B、C、D、E五個(gè)測點(diǎn)之間的距離變化，相對位移。

五、結(jié)束語

洞口偏壓地形隧道施工，風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，進(jìn)洞前要詳細(xì)勘查地勢，找到兩側(cè)埋深大致相同的出洞地點(diǎn)，消除偏壓于無形，不失為最經(jīng)濟(jì)有限的處置偏壓地勢的方式。監(jiān)控量測作為一道工序來安排和管理，全方位、多層次布置點(diǎn)位，監(jiān)控地表及洞內(nèi)巖層狀態(tài)是施工人員準(zhǔn)確判斷的前提，并將監(jiān)控量測結(jié)果及時(shí)分析、反饋、采取合理方案，抑制偏壓，才能確保順利出洞。

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