鉆爆法越嶺隧道通用零開挖進(jìn)洞方法

摘要：文章探索鉆爆法越嶺隧道進(jìn)洞的新方法，即一種可實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞的通用方法，可廣泛應(yīng)用于采用挪威法、新奧法等方法修建的越嶺隧道。通用零開挖進(jìn)洞法消除了傳統(tǒng)“開挖明洞槽”進(jìn)洞方法中的邊坡和仰坡，可極大地減少洞口土石方的開挖量，可確保洞口山體的穩(wěn)定性，避免滑坡坍塌事故發(fā)生，降低隧道進(jìn)洞施工的風(fēng)險(xiǎn)。文章詳細(xì)闡述了通用零開挖進(jìn)洞法的原理、設(shè)計(jì)與施工方案，并以廣西賀巴高速公路為應(yīng)用案例，介紹通用零開挖進(jìn)洞方法在該公路建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：通用零開挖進(jìn)洞法；護(hù)拱；隧道邊仰坡

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）05-0049-04

0 引言

鉆爆法越嶺隧道進(jìn)洞時(shí)，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工方法，需要先開挖明洞槽，一般采取放坡開挖支護(hù)的方式，在此過程中形成洞口邊、仰坡。李洋益等［1］對(duì)洞口滑坡形成機(jī)制進(jìn)行了研究，當(dāng)隧道軸線與山體等高線斜交角度較大時(shí)，偏壓較大，邊、仰坡也較高，如果洞口巖層的物理力學(xué)性質(zhì)較差，將可能破壞山體穩(wěn)定，誘發(fā)滑坡坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，極大地增加隧道建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)滑坡坍塌災(zāi)害發(fā)生后，處治過程一般非常復(fù)雜且處治費(fèi)用高，多數(shù)情況下會(huì)嚴(yán)重延緩開挖進(jìn)洞工期，并對(duì)環(huán)境造成難以修復(fù)的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的開挖明洞槽進(jìn)洞方法在工程實(shí)踐過程中發(fā)生了多起事故，工程界也將洞口施工列為重大風(fēng)險(xiǎn)源。逐步認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)進(jìn)洞方法的弊端后，工程界提出零開挖進(jìn)洞的理念，零開挖進(jìn)洞可消除傳統(tǒng)進(jìn)洞方法中的邊、仰坡，極大地減少洞口土石方的開挖量，從而確保洞口山體的穩(wěn)定性，避免滑坡坍塌事故發(fā)生，降低隧道進(jìn)洞施工的風(fēng)險(xiǎn)。目前，零開挖進(jìn)洞的理念并未得到很好的踐行，絕大部分隧道仍采用開挖明洞槽進(jìn)洞的傳統(tǒng)方法，只是做到盡量少開挖，只有極少數(shù)隧道借助洞口的有利地形、地質(zhì)才實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞。林家樂［2］、成聯(lián)艾［3］、胡曉敏等［4］探討在將洞口套拱前置的情況下提前進(jìn)洞的零開挖進(jìn)洞法，對(duì)零開挖進(jìn)洞的方法和工藝做了一些有益的探索，但這些方法尚不能適應(yīng)所有的地形和地質(zhì)，例如遇到山體偏壓較大的情況時(shí)將較難實(shí)施；在洞口套拱寬度僅為2 m左右，洞口的防護(hù)不夠充分的情況下也較難實(shí)施。鑒于上述原因，本文提出一種通用零開挖進(jìn)洞法，并介紹該方法的原理、設(shè)計(jì)與施工方案，旨在推廣一種普遍適用的零開挖進(jìn)洞法，希望能為同類工程提供借鑒，使零開挖進(jìn)洞的理念得到廣泛認(rèn)同和踐行。

1 通用零開挖進(jìn)洞法實(shí)現(xiàn)方案及特點(diǎn)

1.1 通用零開挖進(jìn)洞法及防護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案

所謂通用零開挖進(jìn)洞法，即在隧道洞口部位設(shè)置特定防護(hù)裝置，不需要開挖明洞槽，借助防護(hù)裝置的防護(hù)作用和洞口圍巖的自承載能力，直接暗挖進(jìn)洞，直接開始洞口段洞身掘進(jìn)施工的方法。防護(hù)裝置的輪廓應(yīng)根據(jù)隧道輪廓和建筑限界要求，并結(jié)合隧道洞口地形進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)防護(hù)裝置與洞口圍巖之間應(yīng)有可靠的過渡連接，并對(duì)該部位的圍巖進(jìn)行超前支護(hù)。當(dāng)防護(hù)裝置施工完成后，即可開始隧道進(jìn)洞掘進(jìn)。

通用零開挖進(jìn)洞法必須借助特定防護(hù)裝置進(jìn)行施工，防護(hù)裝置必須確保開挖過程中洞口段圍巖穩(wěn)定及符合施工防護(hù)要求。理論上，特定防護(hù)裝置有多種設(shè)計(jì)方案，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平和實(shí)踐情況，本文采用的設(shè)計(jì)方案是“鋼架混凝土護(hù)拱+超前大管棚”的組合形式。護(hù)拱及大管棚施工作業(yè)完成后，在其防護(hù)下可直接進(jìn)入洞身段掘進(jìn)開挖。進(jìn)洞后，需一邊掘進(jìn)一邊及時(shí)安裝初期支護(hù)及二襯，洞口段的初期支護(hù)是護(hù)拱防護(hù)在洞內(nèi)的延續(xù)。通用零開挖進(jìn)洞法示意圖如圖1所示。

零開挖防護(hù)裝置對(duì)隧道洞口部位山體起到加固作用，并承擔(dān)隧道輪廓范圍內(nèi)進(jìn)洞開挖卸載引起的圍巖壓力。通用零開挖進(jìn)洞法不需要開挖明洞槽，即成功消除了洞口邊、仰坡，借助“鋼架混凝土護(hù)拱+超前大管棚”的組合防護(hù)，實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)洞。

1.2 通用零開挖進(jìn)洞法的施工特點(diǎn)

通用零開挖進(jìn)洞法最大的施工特點(diǎn)是不設(shè)置明洞段，直接借助護(hù)拱的防護(hù)作用進(jìn)洞，轉(zhuǎn)入暗洞洞身掘進(jìn)施工，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）洞口施工不需要開挖邊、仰坡，能有效預(yù)防滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，規(guī)避隧道施工重大風(fēng)險(xiǎn)源，降低隧道洞口施工風(fēng)險(xiǎn)；零開挖進(jìn)洞可最大限度地保持原有地形地貌和地表植被，更符合綠色環(huán)保的建設(shè)理念。

（2）由于護(hù)拱結(jié)構(gòu)具有防護(hù)作用，并且不用開挖邊、仰坡，因此可規(guī)避在雨季施工邊坡開挖的重大風(fēng)險(xiǎn)，大大減小了雨季施工的不利影響，使隧道施工的安全性和工期得到有力保障。

（3）護(hù)拱及回填壓重荷載可對(duì)山體腳部提供反壓，補(bǔ)償隧道洞口段掌子面開挖的部分卸載，維持山體穩(wěn)定。

（4）通用零開挖進(jìn)洞法能適應(yīng)各種復(fù)雜的洞口地形，地形越復(fù)雜，這種進(jìn)洞方法的優(yōu)越性越突顯。對(duì)于常見的洞口偏壓地形，其本質(zhì)還是基于護(hù)拱防護(hù)和取消邊、仰坡這一核心原理。

（5）在建設(shè)造價(jià)方面，通用零開挖進(jìn)洞法取消邊、仰坡開挖，節(jié)省了支護(hù)部分的土建費(fèi)用，僅增加了護(hù)拱部分的費(fèi)用，洞口段造價(jià)總體上持平，但在地形復(fù)雜或偏壓的情況下，通用零開挖進(jìn)洞法的經(jīng)濟(jì)效益突出。

（6）工期方面，對(duì)于傳統(tǒng)開挖明洞槽進(jìn)洞法，明洞段施工工藝流程較多，容易受雨季影響，并且存在明暗洞施工轉(zhuǎn)換，進(jìn)洞施工煩瑣。通用零開挖進(jìn)洞法在護(hù)拱防護(hù)下直接進(jìn)洞，不需要進(jìn)行明洞槽的開挖和明洞結(jié)構(gòu)的澆筑施工，不受雨季影響，因此能較大幅度地節(jié)省工期，而且地形越復(fù)雜，工期優(yōu)勢越突出。

2 通用零開挖進(jìn)洞法關(guān)鍵結(jié)構(gòu)護(hù)拱的作用分析

護(hù)拱在隧道工程中是一種常用的輔助結(jié)構(gòu)，如洞口結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)防護(hù)、溶洞不良地質(zhì)段的處治防護(hù)等。一般護(hù)拱主要用作承載及防護(hù)結(jié)構(gòu)，在通用零開挖進(jìn)洞法中，護(hù)拱的作用體現(xiàn)在多方面。

2.1 護(hù)拱的壓重和約束作用

護(hù)拱下方掌子面開挖后，隨即在護(hù)拱內(nèi)壁及圍巖臨空面施做初期支護(hù)，一般在圍巖臨空面部位采用“掛網(wǎng)噴射混凝土+注漿小導(dǎo)管”的方法閉合成環(huán)（如圖1所示）。當(dāng)洞口地層物理力學(xué)性質(zhì)較差時(shí)，一般需在噴混層中設(shè)置鋼架。在護(hù)拱的壓載及約束作用下，閉合成環(huán)的初支將具備足夠的剛度和強(qiáng)度，初支與護(hù)拱及圍巖形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。

護(hù)拱的作用較為關(guān)鍵，為了闡述護(hù)拱這一作用機(jī)理，分以下2種工況對(duì)初支進(jìn)行對(duì)比計(jì)算和分析：工況一，不考慮護(hù)拱的約束作用；工況二，考慮護(hù)拱的壓載和約束作用。初支可按照局部或整體置于彈性地基的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮，荷載作用根據(jù)實(shí)際情況取洞口范圍的圍巖壓力，計(jì)算參數(shù)可按照《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》［5］中附表A.0.7-1的取值（見表1），洞口圍巖按V級(jí)，側(cè)壓力按公式（1）計(jì)算。

[e=γHtan2（45-φc2）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[e]為側(cè)向圍巖壓力；[γ]為地層容重；[H]為開挖高度；[φc]為地層摩擦角。查表1可取[γ]=[19.5 kN·m-3]，[φc=45°]，代入?yún)?shù)可得到：

[e=19.5×8.9×tan2（45-452）=29.78 kN·m-1]

為簡化計(jì)算，護(hù)拱及其上方素砼回填以荷載（[q]）的形式加載在初支上，取[q=25×][1.09=27.25 kN·m-1]；

模型中地層彈性抗力系數(shù)取值為k=[150 ][MPa]·[m-1]。采用midas GTS有限元軟件進(jìn)行建模分析，分析計(jì)算結(jié)果如圖2至圖7所示。

當(dāng)按照工況一（即不考慮護(hù)拱約束作用）建模計(jì)算時(shí)，初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力為[M1max=][62.8 kN?m]，[V1max=61.2 kN]，[N1max=155.9 kN]；工況二（即考慮護(hù)拱約束作用）初支內(nèi)力為[M1max=39.1 kN?m]，[V1max][=][58.6 kN]，[N1max=179.3 kN]。計(jì)算結(jié)果表明，護(hù)拱的壓載和約束作用能明顯改善初襯受力，而且能有效限制掌子面兩側(cè)開挖臨空面的水平位移。

2.2 外模板及防護(hù)引申作用

通用零開挖進(jìn)洞法在護(hù)拱的防護(hù)下暗挖進(jìn)洞，初支的施作是在護(hù)拱的內(nèi)壁表面進(jìn)行，初襯的閉合成環(huán)離不開護(hù)拱的模板作用。初支在護(hù)拱內(nèi)隨著掘進(jìn)的進(jìn)行同步向山體內(nèi)部延伸，將順利完成洞外進(jìn)入洞內(nèi)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換。由此可以看出，通用零開挖法不存在明挖或明洞段。

借助一個(gè)模型可以形象地理解這種作用：如果在一堆松散的砂堆里形成一個(gè)小洞，因?yàn)樯白訋缀鯖]有黏聚力，所以直接成洞將非常困難，而借助一根中空竹筒將竹筒插入砂堆，再掏去竹筒中的砂子即可成洞?！白o(hù)拱+大管棚+初支”的作用與這根竹筒的作用類似，本質(zhì)是在洞口形成直接且有力的防護(hù)。

2.3 山腳反壓作用

傳統(tǒng)的開挖明洞槽進(jìn)洞法在進(jìn)洞之前，洞口部位的挖方量較大，在形成邊、仰坡的同時(shí)，山腳部位大幅度卸載，該部分卸載在構(gòu)造上恰好位于山坡的阻滑段，在一定外因的疊加影響之下，易誘發(fā)滑坡坍塌。外因主要有雨水下滲使巖土剪切強(qiáng)度降低或洞口為順層巖體等。

與開挖明洞槽進(jìn)洞法相比，通用零開挖進(jìn)洞法洞口的護(hù)拱布置于山體坡腳洞口部位，護(hù)拱及其上素砼回填層重量對(duì)原狀山坡坡腳可以起到反壓作用，補(bǔ)償隧道掌子面開挖的卸載，加上沒有邊、仰坡開挖卸載，可避免山體滑坡事故的發(fā)生。

2.4 對(duì)偏壓地形的適應(yīng)性

在偏壓地形情況下，混凝土護(hù)拱結(jié)構(gòu)能成為抵消偏壓作用的構(gòu)造物。當(dāng)偏壓較大時(shí)，可在護(hù)拱外側(cè)模筑素混凝土重力式偏壓擋墻結(jié)構(gòu)，與護(hù)拱共同作用。

此外，通用零開挖進(jìn)洞法具有適應(yīng)偏壓地形的優(yōu)勢，仍可借助砂堆與中空竹筒的模型幫助理解，將竹筒傾斜一定的水平角度插入砂堆，類似偏壓地形，在這種情況下，依然可以輕易成洞，只是竹筒沒入砂堆中不再是對(duì)稱的。同理，通用零開挖法的護(hù)拱，也可以依山就勢施作完成，在“護(hù)拱+大管棚+初支”的防護(hù)和過渡引申作用下，偏壓地形的開挖進(jìn)洞就能順利完成。

3 通用零開挖進(jìn)洞法應(yīng)用實(shí)例

廣西賀巴高速公路某隧道右線出口洞口地形存在嚴(yán)重偏壓，隧址巖性為砂巖，洞口風(fēng)化程度高，遇水易軟化，稍有不慎，邊、仰坡將可能會(huì)滑塌。因此，采用傳統(tǒng)的“開挖明洞槽進(jìn)洞法”將產(chǎn)生高邊坡和仰坡，高邊、仰坡非常容易誘發(fā)滑坡、坍塌，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)難以評(píng)估。鑒于上述原因，在設(shè)計(jì)過程中采用通用零開挖進(jìn)洞法，在護(hù)拱及偏壓構(gòu)造物的防護(hù)作用下，隧道進(jìn)洞變得簡單、安全。

特定防護(hù)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為護(hù)拱采用70 cm厚的C30砼，“工”字鋼拱架；φ108 mm超前長管棚，環(huán)向間距為50 cm。在洞口地形偏壓較大的情況下，護(hù)拱及外側(cè)的模筑素混凝土防護(hù)構(gòu)造物可有效抵消偏壓的不利影響。采用通用零開挖進(jìn)洞法后，不用開挖明洞槽及施作明洞段，直接進(jìn)洞?？紤]偏壓較大及洞口圍巖較差，護(hù)拱中加設(shè)了鋼架，可確保護(hù)拱具備足夠的剛度及強(qiáng)度。這個(gè)案例充分展示了通用零開挖進(jìn)洞法對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性和優(yōu)越性。

4 結(jié)語

對(duì)于鉆爆法越嶺隧道，與傳統(tǒng)進(jìn)洞方法相比，通用零開挖進(jìn)洞法具有多項(xiàng)優(yōu)勢，最突出的一項(xiàng)優(yōu)勢是不需要開挖明洞槽和施作明洞段，在護(hù)拱防護(hù)下直接進(jìn)洞，實(shí)現(xiàn)普適的零開挖進(jìn)洞，非常環(huán)保，而且能有效規(guī)避滑坡及坍塌的重大風(fēng)險(xiǎn)，綜合效益顯著。但是在實(shí)踐過程中，由于思維慣性，在地形條件較好的地段，業(yè)界現(xiàn)階段基本上采用的仍然是開挖明洞槽法進(jìn)洞。因此，工程界亟待形成關(guān)于積極推廣通用零開挖進(jìn)洞法的基本共識(shí)。

5 參考文獻(xiàn)

［1］李洋益，何克揚(yáng).大跨度隧道洞口滑坡形成機(jī)制及處治方案研究［J］.公路，2022，67（9）：464-469.

［2］林家樂.公路隧道工程“零開挖進(jìn)洞”施工技術(shù)研究［J］.西部交通科技，2019（3）：75-77.

［3］成聯(lián)艾.隧道“零開挖”進(jìn)洞工藝及洞口前置式洞門施工技術(shù)［J］.交通世界，2022（30）：16-18，51.

［4］胡曉敏，趙陽.公路隧道“零進(jìn)洞”施工工藝探討［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010（Z1）：131-133.

［5］JTG 3370.1—2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程［S］.

【作者簡介】宋元平，男，江蘇泰州人，任職于廣西交通安全研究中心，高級(jí)工程師，研究方向：隧道與地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【引用本文】宋元平.鉆爆法越嶺隧道通用零開挖進(jìn)洞方法［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：49-52.