基于異型套拱工藝的淺埋偏壓隧道施工方案研究

李公巖 李永亮

(中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000)

文章參考近年來相關學者的研究成果[1-3]，以石嶺隧道為研究對象，結合實際地形及外界動力荷載的雙重因素，采取異型套拱的施工工藝解決因地形與外界動載引起的隧道洞口偏壓問題，通過施工方案比選，結合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)驗證，驗證了該施工方案可行性，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

石嶺隧道為中隧道，左、右線分離布設。左線隧道起訖樁號為ZK105+833～ZK106+380，長度為547 m，出口明洞長度8 m；右線隧道起訖樁號為K105+838～K106+340，長度為502 m。石嶺隧道為小凈距隧道，出口端洞口段最小線間距約為25.1 m。左、右線隧道進、出口及洞身段位于直線上，隧道縱坡均為人字坡。隧道出口左右洞約有20 m淺埋偏壓段落。

2 隧道出口左線洞口情況

左洞出口段均為Ⅴ級圍巖，位于淺埋地段，埋深約6 m～8 m，圍巖主要由坡殘積砂質粉質粘土、燕山期強～中風化花崗巖組成，坡殘積砂質粉質粘土、強風化花崗巖強度低，遇水易軟化崩解，中風化花崗巖巖體破碎，發(fā)育F25斷層，兩盤地層巖體破碎，雨季潮濕或滴水。

根據(jù)現(xiàn)場實際地形地質情況，隧道出洞存在以下不利因素和安全隱患：

1)洞頂覆蓋層較薄，最小埋深約2 m～3 m，初期支護錨桿失去著力點，對于新奧法施工的隧道非常不利，覆蓋層太薄，在洞身開挖時容易發(fā)生坍塌漏頂?shù)那闆r，存在一定的安全隱患。

2)出口段洞頂左側有施工便道經(jīng)過，交通量大，多為重載車輛通過，對隧道產生的動力荷載較大，動力荷載呈從左側向右側方向傳遞，出現(xiàn)嚴重偏壓現(xiàn)象，詳見圖1。

3)洞口段下半斷面雖為強風化花崗巖，但是常規(guī)的機械開挖仍然無法施工，需要爆破施工，爆破施工對圍巖的擾動較大，圍巖本身的自穩(wěn)能力受到影響。

3 進洞方案比選

隧道進洞方案的選取，應以保護環(huán)境，減少開挖，確保施工安全，保持原有地貌為原則，我們在重視隧道進洞安全性的同時，還應考慮隧道與周邊自然環(huán)境的有機結合，強調二者的協(xié)調性，注重環(huán)境保護。方案比選見表1。

表1 龍門吊方案比選

3.1 原設計開挖

此方案具體施工順序為邊仰坡開挖→邊仰坡防護→套拱施工→管棚施工→雙側壁法洞身開挖。洞口邊、仰坡開挖施工時，按設計圖放出中線和開挖邊線采取分層小切口明挖，開挖時嚴格控制坡率一致，開挖后要及時進行防護工程施工，并結合護面墻、錨桿護坡、植草護坡等支護措施。清除開挖面上的松碴以及其他雜物，自上而下采用挖掘機配合人工進行開挖，開挖完成后及時進行邊仰坡防護。管棚鋼拱架采用4榀Ⅰ20b型鋼拱架，間距500 mm，鋼拱架和導向孔口管外部澆筑C30混凝土，混凝土與洞口開挖面密貼；導向孔口管采用φ133 mm，外傾角為2°～3°。孔口管φ133的外傾角度與大管棚的φ108 mm鋼管的外傾角度一致，管棚套拱混凝土厚度為70 cm，大管棚套拱的導向孔口管間距與大管棚中φ108 mm的間距保持一致及管棚導向管中φ133 mm孔口管的外插角度必須與大管棚的外插角度一致，接頭采用長15 cm的絲扣直接對口連接。管棚導向管的長度為2.0 m，管棚施工完成后方可按照原設計的雙側壁開挖法進行洞身開挖。

3.2 暗洞明挖

此方案為了解決隧道偏壓降低安全風險，對原設計ZK106+360～ZK106+372暗挖段落改為明挖，原套拱ZK106+370～ZK106+372位置調整為ZK106+358～ZK106+360，具體施工順序為邊坡開挖→邊坡臨時防護→洞身開挖→洞身初期支護→套拱施工→管棚施工→洞身開挖，先進行兩側邊坡開挖，設計為1∶0.75，為防止邊坡沖刷，應開挖一級防護一級，第一級邊坡高度為8 m，剩余為第二級邊坡，平臺為2 m,邊坡采用φ22的藥卷錨桿加鋼筋網(wǎng)片進行防護，之后進行洞身部分開挖，開挖至洞身初支位置后進行鋼拱架安裝，噴錨支護，然后進行回填反壓。該方案解決了洞口淺埋段的偏壓問題，降低了安全風險，但是此方案開挖面積較大，需要將通往橫江大橋的便道挖斷，待隧道貫通之后才能保證項目的主便道恢復，嚴重影響了項目的總體施工進度計劃。

3.3 異型套拱加超前大管棚

該方案是結合地形地貌，以減少開挖面，保證項目為主便道不受影響，不影響總體施工進度為原則，經(jīng)過多位專家討論后得出的最佳方案。具體施工順序為邊仰坡開挖→邊仰坡防護→洞頂截水溝施工→套拱施工→大邊墻施工→管棚施工→洞頂回填→洞身開挖。具體施工技術方案要點如下：

1)測量放線確定隧道輪廓線并確定套拱左右側位置，異型套拱的位置確定，根據(jù)圖1可以看出整個便道及山體走向，為考慮施工便道不受影響，結合該段的地形確定左側位置按原設計ZK106+370～ZK106+372位置，右側向大里程方向調整在ZK106+374～ZK106+376，呈現(xiàn)為斜型正交與隧道的異型套拱。

2)進行邊仰坡開挖，邊坡采用φ22的藥卷錨桿加鋼筋網(wǎng)片進行防護。

3)套拱鋼拱架安裝時預留與主洞鋼支撐連接的連接板，以便后期洞身開挖時的初期支護施工。在洞身120°角的范圍內安裝長2 m的導向管51根，模板安裝后澆筑厚70 cm的C30混凝土。

4)以套拱為導向墻進行管棚施工，管棚采用外徑108 mm，壁厚6 mm熱軋無縫鋼管每節(jié)按3 m，4 m，6 m制作，長度為40 m，按照由3+5×6+4+3+調節(jié)段組成，連接方式采用絲扣連接。

5)洞身開挖按照圖紙施工，加長段鋼拱架采用原設計Ⅰ22b工字鋼，與套拱預留連接處連接后進行噴錨。

綜上所述，施工中應綜合分析，選取最優(yōu)施工方案，所以最終確定出洞口偏壓隧道施工采用異型套拱加超前大管棚施工方案。

4 監(jiān)控量測分析

4.1 施工監(jiān)測方案

結合實際情況，依據(jù)設計文件及規(guī)范要求，該區(qū)間隧道監(jiān)控量測項目為洞內外觀察、地表沉降、洞內凈空收斂及拱頂沉降。同時給出監(jiān)測項目表中的監(jiān)測方法、設備以及監(jiān)測警戒值，詳見表2。測點布置圖見圖2。

表2 區(qū)間隧道監(jiān)控量測項目表 mm

4.2 監(jiān)測成果分析

4.2.1終值統(tǒng)計

本次針對左右洞出口段落監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計關鍵監(jiān)測斷面凈空收斂、拱頂沉降以及地表沉降的終值數(shù)據(jù)，各監(jiān)測終值均未超預警值，詳統(tǒng)計見表3。

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)累計終值統(tǒng)計表 mm

4.2.2曲線分析

為了減少文章篇幅，選取拱頂沉降和凈空收斂測點中累計變化最大測點進行曲線分析，進而判斷見圖3，圖4。

由圖3和圖4可以看出，隧道開挖過程中，拱頂沉降和凈空收斂數(shù)據(jù)未發(fā)生突變。拱頂沉降實測終值為33.87 mm，凈空收斂實測終值為28.62 mm，數(shù)據(jù)距離累計預警值50 mm，相差較大，安全儲備空間充足。同時，拱頂沉降及凈空收斂均滿足指數(shù)回歸方程趨勢，拱頂沉降預測累計終值為36.68 mm，凈空收斂預測累計終值為31.26 mm，因實測僅為73 d的測試數(shù)據(jù)，測試值距預測終值已十分接近，說明回歸分析終值預測準確，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化符合正常狀態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，出洞口偏壓隧道施工采用異型套拱加超前大管棚施工方案是安全可靠的。

5 結語

異型套拱加超前大管棚施工方案是合理可行的，該方案不僅解決了隧道淺埋偏壓及動力荷載的問題，保證了隧道施工安全，還大幅度縮短了施工工期，降低了工程成本，具有較大的經(jīng)濟意義。

隧道淺埋偏壓是一項較深的研究課題，文章主要針對石嶺隧道工程進行方案比選，該隧道偏壓段落較短，自身特點較明顯，研究具有局限性。對于超長偏壓隧道及地質復雜地段施工方案確定與分析還有待進一步地研究。