陡壁地形極小凈距隧道小導(dǎo)洞擴(kuò)挖出洞技術(shù)

吳哨兵， 許召?gòu)?qiáng)， 陳進(jìn)， 周中書(shū)， 張學(xué)民*， 陽(yáng)軍生

(1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550008； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 引言

隨著中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，中國(guó)西南高原山區(qū)修建的隧道數(shù)量、長(zhǎng)度迅速增長(zhǎng)。部分隧道所處地形越來(lái)越復(fù)雜，有的隧道進(jìn)口、出口均位于懸崖峭壁或陡坡之上，溝谷深切，修建施工便道困難，導(dǎo)致機(jī)械無(wú)法到達(dá)，不具備建立施工平臺(tái)的條件，因此，大多數(shù)情況下采用單向出洞方案。

何川研究了不同隧道埋深以及不同巖柱加固措施對(duì)小凈距隧道中夾巖墻受力、變形特點(diǎn)的影響，為小凈距隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)、開(kāi)挖方式、巖墻加固方式選取等提供了指導(dǎo)；鄧少軍等對(duì)連拱隧道典型斷面在不同施工順序下的施工力學(xué)行為進(jìn)行了模擬計(jì)算，提出了開(kāi)挖方案并獲得應(yīng)用；李君君等對(duì)柱狀節(jié)理特性下小凈距隧道開(kāi)挖進(jìn)行模擬，研究了隧道失穩(wěn)模式以及中巖柱的穩(wěn)定性，得出錨桿可增大層間節(jié)理剪切剛度，抑制中巖柱節(jié)理面，提高小凈距隧道整體穩(wěn)定性；劉亮討論了高速公路小凈距隧道較其他形式隧道的優(yōu)越性及其適用條件，同時(shí)分析了在不同等級(jí)圍巖條件下小凈距隧道的最佳開(kāi)挖方法。隧道單向出洞方面有許多類似成功經(jīng)驗(yàn)，向海清介紹了軟弱不均勻地層大斷面隧道小導(dǎo)洞出洞方案，很好地控制了圍巖變形；王遠(yuǎn)奇簡(jiǎn)述了隧道施工中單向出洞方式的優(yōu)點(diǎn)，從施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、輔助措施、開(kāi)挖方式等方面，探討了單向出洞的施工關(guān)鍵技術(shù)；高峰結(jié)合福建省八浦隧道工程，介紹采用頂設(shè)導(dǎo)洞、單向掘進(jìn)貫通的施工方法，有效解決了隧道洞口設(shè)計(jì)在陡峭懸崖無(wú)工作場(chǎng)地的問(wèn)題。截至目前，關(guān)于極小凈距隧道超前導(dǎo)洞安全出洞施工法的研究較少。

該文以貴州興義環(huán)城高速公路舊屋基極小凈距隧道為背景工程，結(jié)合隧道傳統(tǒng)貫通方式的工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，先行洞采用臺(tái)階法直接出洞，后行洞采用超前小導(dǎo)洞出洞，此外，取消設(shè)計(jì)長(zhǎng)管棚，改用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)單向掘進(jìn)，對(duì)洞口邊仰坡實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖出洞，以最大限度保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2 工程概況

舊屋基隧道原設(shè)計(jì)為分岔隧道，進(jìn)口段左右洞凈距約為30.5 m，然后逐漸分為分離式、小凈距、連拱隧道，圍巖主要為強(qiáng)、中風(fēng)化白云巖(Ⅴ級(jí))，節(jié)理裂隙發(fā)育。出口位于陡壁斜坡，坡下為馬嶺河大峽谷，不具備進(jìn)洞施工條件。兩隧道線路位置關(guān)系如圖1所示。

連拱隧道施工段落長(zhǎng)度為45 m(ZK15+646～ZK15+691/YK15+632～YK15+677)，其中洞口段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，采用傳統(tǒng)的先進(jìn)行中導(dǎo)洞開(kāi)挖、中隔墻施工，再左右洞施工，工序復(fù)雜，且該隧道不具備施工條件。通過(guò)優(yōu)化論證，連拱隧道段改為雙洞單獨(dú)施工，左右洞間距從起始端8.4 m至出口端0.6 m。隧道左線起訖里程為ZK15+305～ZK15+697(含6 m明洞)，右洞起訖里程為YK15+290～YK15+683(含6 m明洞)，單洞開(kāi)挖跨度為15.72 m，高度為11.45 m，開(kāi)挖面積約為130 m2。由于隧道出口坡面較陡，施工場(chǎng)地不足，交通不便，故采用單向直接出洞法施工。由于出口洞段圍巖整體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且坡度較陡，出洞面臨洞口邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，而且隧道出口下方馬嶺河大峽谷為國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高，施工時(shí)禁止塊石、危石掉落。左、右線隧道出洞施工安全和洞口邊仰坡穩(wěn)定性尤為重要。

圖1 隧道路線平面示意圖

圖2 原連拱隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

3 隧道出洞方案選擇

采用對(duì)“中巖柱”加固處理和采用“控制爆破”對(duì)左右洞錯(cuò)位開(kāi)挖法相結(jié)合的施工工藝，即為先行洞左洞“臺(tái)階法出洞”，后行洞右洞“小導(dǎo)洞出洞，后斷面擴(kuò)挖”的單向出洞開(kāi)挖技術(shù)。其中，左洞先行出洞后，二襯采用“跳打”方式先行施作洞口段9 m二襯，右洞開(kāi)挖采用爆破與冷挖結(jié)合的方式，開(kāi)挖時(shí)必須注意對(duì)中間巖柱的保護(hù)。開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，特別是靠近巖柱一側(cè)巖體，必要時(shí)可增加臨時(shí)支撐或增加支護(hù)強(qiáng)度。此出洞方案施工進(jìn)度快，成本相對(duì)較低，還可以最大程度減小后行洞爆破對(duì)于先行洞結(jié)構(gòu)的影響，保證施工安全。

左右洞具體開(kāi)挖尺寸及支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示，左右洞出洞施工工序如圖4所示。

圖3 隧道Ⅴ級(jí)圍巖段支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

根據(jù)施工進(jìn)度，出洞施工步驟如下：

(1) 左洞臺(tái)階法開(kāi)挖①部分，同時(shí)施作②初支。

(2) 左洞貫通后，移動(dòng)左洞二襯模板臺(tái)車至洞口，施作③洞口段二襯。

(3) 施作左洞其余段二襯④，同時(shí)開(kāi)挖右洞小導(dǎo)洞⑤。

(4) 右洞小導(dǎo)洞超前掌子面一定距離后，擴(kuò)挖右洞⑥部分，同時(shí)施作初支⑦。

(5) 最后施作右洞其余段二襯⑧。

圖4 出洞方案施工工序示意圖

4 先行洞臺(tái)階法出洞

4.1 開(kāi)挖與支護(hù)

隧道左洞為先行洞臺(tái)階法出洞，采用弱爆破、機(jī)械開(kāi)挖結(jié)合的方式。

兩臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，控制上臺(tái)階高度為7.2 m，面積為86 m2；下臺(tái)階高度為2.7 m，分左右兩側(cè)開(kāi)挖，單側(cè)開(kāi)挖面積為22 m2。三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，控制上臺(tái)階高度3～4 m。出口段循環(huán)進(jìn)尺與開(kāi)挖方式控制如表1所示。

表1 左洞出口段施工控制表

其中，兩臺(tái)階法施工工序流程圖如圖5所示。首先開(kāi)挖上臺(tái)階Ⅰ斷面，施作①上臺(tái)階初期支護(hù)，開(kāi)挖下臺(tái)階左側(cè)Ⅱ斷面，施作②初期支護(hù)，開(kāi)挖下臺(tái)階右側(cè)Ⅲ斷面，施作②初期支護(hù)，開(kāi)挖Ⅳ仰拱，施作初期支護(hù)③。

為了規(guī)避地質(zhì)條件的差異性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，左洞出口段施工時(shí)實(shí)行超前探孔與超前水平鉆孔預(yù)報(bào)措施。分別在隧道初支、掌子面處施打徑向、水平向探孔，孔徑為38 mm，長(zhǎng)度L>5.0 m，其中，徑向探孔每2 m探測(cè)一次，水平向探孔每5 m探測(cè)一次。此外，還使用潛孔鉆在上臺(tái)階中心位置施鉆φ127 mm鉆孔，探測(cè)前方地質(zhì)情況與距離出口長(zhǎng)度。

左洞出洞后，施作洞口段二襯，保證洞口安全。

圖5 左洞兩臺(tái)階施工工序圖(單位：cm)

4.2 超前支護(hù)與注漿加固

出口段采用直徑為42 mm、厚度為4 mm、長(zhǎng)度為4 m的雙層小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施。其中一層外插角度為10°～15°，環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為120 cm，另一層小導(dǎo)管外插角度為30°～40°，環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為240 cm。小導(dǎo)管前端做成尖錐形，尾部焊接φ8 mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔10～20 cm進(jìn)行梅花形鉆眼，眼孔直徑為6～8 mm，尾部長(zhǎng)度不小于30 cm作為不鉆孔的止?jié){段。嚴(yán)格控制安裝與注漿質(zhì)量。

采用梅花形布置的注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，可有效加固中間巖柱，提高其強(qiáng)度及剛度，減少因隧道間距小而導(dǎo)致圍巖變形以及爆破震動(dòng)等不利因素，滿足超小凈距隧道中巖柱特有的加固要求(對(duì)于低類別圍巖，對(duì)巖柱進(jìn)行注漿加固效果較好)。漿液采用1∶0.7普通水泥漿液，注漿壓力控制為1.0～1.5 MPa，使松散的塊石碎石狀巖體固結(jié)，提高中壁巖柱的承載能力；另一方面，出口段兩隧道間上方三角區(qū)巖體自穩(wěn)性能較差，現(xiàn)場(chǎng)采用延長(zhǎng)注漿錨桿加固方式提高該區(qū)域的穩(wěn)定性。

5 后行洞小導(dǎo)洞出洞施工

5.1 小導(dǎo)洞施工

右洞出口段(YK15+646～YK15+677)出洞施工受左右線極小凈距的影響較大，采用超前導(dǎo)洞出洞方案，導(dǎo)洞先行貫通后擴(kuò)挖，最終實(shí)現(xiàn)安全出洞。

右洞開(kāi)挖上臺(tái)階掌子面中部設(shè)置超前導(dǎo)洞，尺寸為7 m×5 m。出口段10 m內(nèi)設(shè)置小導(dǎo)洞初期支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：鋼架采用I14b工字形鋼拱架，間距為80 cm；鋼筋網(wǎng)直徑為8 mm，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm；噴射C20混凝土，厚度為15 cm。

舊屋基隧道右線里程YK15+632～YK15+677段采用小導(dǎo)洞貫通出洞方式，導(dǎo)洞施工采用弱爆破開(kāi)挖方式，每循環(huán)進(jìn)尺1.6 m，每日平均進(jìn)尺3.2 m。

5.2 主洞施工

右洞大斷面施工至距離洞口20 m時(shí)停止，采用弱爆破方式優(yōu)先貫通超前導(dǎo)洞，導(dǎo)洞貫通后，主洞依然按照上下臺(tái)階法施工步驟單向開(kāi)挖掘進(jìn)，上臺(tái)階大斷面采用機(jī)械與爆破結(jié)合的方式擴(kuò)挖。其中，靠近先行左洞一側(cè)的巖體采用破碎頭破除方式機(jī)械開(kāi)挖，右側(cè)遠(yuǎn)離左洞一側(cè)巖體采用弱爆破方式開(kāi)挖。上臺(tái)階擴(kuò)挖完成后，逐段拆除超前導(dǎo)洞支護(hù)，及時(shí)施作主洞上臺(tái)階初期支護(hù)并對(duì)左側(cè)中巖柱進(jìn)行注漿加固。

其中，右洞初期支護(hù)參數(shù)及掌子面循環(huán)控制進(jìn)尺與左洞相同；隧道超前鉆探、超前支護(hù)、注漿加固等措施與左洞施工工藝相同。

右洞出口段最終施工工序流程如圖6所示，超前導(dǎo)洞Ⅰ首先貫通并施作支護(hù)①，然后進(jìn)行大斷面擴(kuò)挖，其中每循環(huán)右側(cè)首先采用控制爆破開(kāi)挖斷面Ⅱ，然后對(duì)冷挖側(cè)(左側(cè))采用機(jī)械開(kāi)挖方式開(kāi)挖斷面Ⅲ，施作初期支護(hù)②，爆破法開(kāi)挖下臺(tái)階斷面Ⅳ，施作初期支護(hù)③，最后開(kāi)挖仰拱Ⅴ施作仰拱初支④。

圖6 上臺(tái)階超前導(dǎo)洞施工設(shè)計(jì)及施工工序示意圖(單位：cm)

6 施工效果評(píng)價(jià)

6.1 實(shí)際施工進(jìn)度、效果評(píng)價(jià)

右洞出口段采用超前導(dǎo)洞后擴(kuò)挖法出洞施工，施工進(jìn)度較快。小導(dǎo)洞每循環(huán)進(jìn)尺1.6 m，由于超前導(dǎo)洞為提前20 m貫通，大斷面擴(kuò)挖時(shí)，圍巖應(yīng)力得到有效釋放，減小了極小凈距施工風(fēng)險(xiǎn)，每循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.8 m，由于擴(kuò)挖時(shí)采用了左冷挖右爆破的快速施工方式，每天可工作2～3個(gè)循環(huán)。

右洞出洞完成后，實(shí)際施工日期比原施工組織計(jì)劃日期提前15 d，實(shí)際施工總工期比原連拱隧道計(jì)劃工期縮短了46 d。

6.2 初支變形監(jiān)測(cè)

出洞施工時(shí)，于洞口段初支ZK15+683、YK15+669斷面(對(duì)應(yīng)于左右線同一橫斷面)設(shè)置位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)初支的穩(wěn)定性。

左洞先行洞隧道施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，隧道周邊位移隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可以看出：隧道周邊位移在30 d后基本趨于穩(wěn)定，隧道最大拱頂沉降累計(jì)值為13.96 mm，最大水平收斂累計(jì)值為5.46 mm，圍巖變形均遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值，處于可控范圍內(nèi)。

圖7 隧道ZK15+683斷面周邊位移時(shí)程曲線

后行洞隧道施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，隧道周邊位移隨時(shí)間的變化如圖8所示。

圖8 隧道YK15+669斷面周邊位移時(shí)程曲線

由圖8可以看出：隧道周邊位移在15 d后基本趨于穩(wěn)定，隧道主洞擴(kuò)挖施工的最大拱頂沉降累計(jì)值為11.03 mm，最大水平收斂累計(jì)值為9.43 mm，由此可知，隧道出洞口施工開(kāi)挖滿足圍巖穩(wěn)定性要求。

爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明：小導(dǎo)洞爆破施工引起右洞(先行洞)最大振動(dòng)速度為4.6 cm/s，擴(kuò)挖施工引起最大振動(dòng)速度為3.4 cm/s，對(duì)于右洞襯砌結(jié)構(gòu)安全無(wú)影響?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)表明：先行洞出洞、小導(dǎo)洞施工、后行洞施工過(guò)程中，隧道上方山體穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)飛石落入峽谷的情況，中巖柱和洞口襯砌無(wú)裂紋，結(jié)構(gòu)安全，取得了良好的效果。

7 結(jié)論

依托興義環(huán)城高速公路舊屋基隧道出洞施工案例，研究小導(dǎo)洞擴(kuò)挖單向出洞技術(shù)在陡壁地形極小凈距工況(洞口段為凈距漸變段，最小間距為0.6 m)下的可行性，得到以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，左右線隧道初支最大拱頂沉降值為13.96 mm，最大水平收斂值為9.43 mm，且均在30 d后達(dá)到穩(wěn)定；初期支護(hù)所受應(yīng)力最大值為216.59 MPa，左右線隧道斷面內(nèi)力均處于安全范圍，施工效果較好。

(2) 陡壁極小凈距隧道采用先行洞臺(tái)階法、后行洞超前小導(dǎo)洞法出洞可以有效控制圍巖、初支變形，降低施工對(duì)于圍巖、中巖墻的擾動(dòng)，降低左右線初支發(fā)生破壞的可能性。該技術(shù)有效增強(qiáng)了中巖柱及上方三角區(qū)的巖體穩(wěn)定性，證明該方案中支護(hù)措施可行。

(3) 通過(guò)對(duì)舊屋基隧道貫通出洞施工技術(shù)研究，得出該文提出的出洞施工方案可以有效解決隧道洞口施工空間不足、交通不便等問(wèn)題。同時(shí)，該方案滿足極小凈距隧道施工的安全要求，降低了隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，適用于陡壁極小凈距隧道出洞施工實(shí)際工程。