陡峭地形隧道“晚出洞”施工探討

曹林祥，王非凡，袁青

(1.中交二航局文馬高速TJ-1標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部，云南 文山 663000； 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司)

1 工程概況

土司城隧道位于云南省文山州柳井彝族鄉(xiāng)東部，設(shè)計(jì)為雙幅分離式隧道，隧道最大開(kāi)挖半徑6.55 m，掌子面開(kāi)挖面積115 m2，全長(zhǎng)1 205 m，最大埋深166 m。隧道洞身圍巖主要為灰?guī)r，出口位于山體斜坡中下部，左線隧道自然斜坡坡度約53°，右線隧道自然斜坡坡度約37°。隧道出口段巖體主要為中風(fēng)化灰?guī)r，根據(jù)洞口巖體體積節(jié)理數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)合鉆探成果，體節(jié)理Jv=16.5條/m3，出口段巖體一般，完整性系數(shù)Kv=0.43，根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖揭示出來(lái)的圍巖顯示巖體完整性較好。洞口地面與地形成直角直交出洞，無(wú)地形偏壓，主要圍巖為泥盆系上統(tǒng)革當(dāng)組灰?guī)r。

2 施工方案優(yōu)化

2.1 原施工方案

土司城隧道施工過(guò)程中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用兩臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，出洞段Ⅴ級(jí)圍巖采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖施工。根據(jù)施工方案要求，土司城隧道出洞貫通方案為出口端開(kāi)挖邊坡、施工套拱和超前大管棚后反向掘進(jìn)開(kāi)挖，在隧道內(nèi)進(jìn)行掌子面貫通(圖1)。

圖1 原施工方案(單位:m)

2.2 施工方案優(yōu)化

套拱及超前大管棚其特點(diǎn)是支護(hù)能力大，適用于砂土質(zhì)地層或破碎帶，管棚在圍巖中的作用表現(xiàn)為3個(gè)方面: 橫向拱棚作用、縱向梁作用，同時(shí)由于管棚需要注漿，注漿又能起到加固圍巖，黏結(jié)、固結(jié)巖體，增強(qiáng)圍巖整體性和穩(wěn)定性的作用。

土司城隧道出口地形位于斜坡地帶，出洞口段地表為灰?guī)r，呈單斜產(chǎn)狀，巖層產(chǎn)狀NW337°∠54°，發(fā)育 2 組構(gòu)造裂隙，為中風(fēng)化巖體。洞口無(wú)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，隧道出口邊坡穩(wěn)定，出洞口軸線方向與地形坡向基本正交，無(wú)地形偏壓。對(duì)隧道出口端圍巖取芯進(jìn)行分析結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)圍巖BQ值判定及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果初步推斷該范圍內(nèi)圍巖以弱風(fēng)化灰?guī)r為主，偶見(jiàn)泥質(zhì)灰?guī)r侵入，總體呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)，局部存在少量破碎松散結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育一般，構(gòu)造疏松，層間結(jié)合力一般，因此該段圍巖等級(jí)初步判斷為Ⅳ級(jí)圍巖。

表1 圍巖地質(zhì)分析結(jié)果

分析隧道內(nèi)圍巖情況優(yōu)于設(shè)計(jì)情況，圍巖各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到Ⅳ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)，超前大管棚支護(hù)過(guò)于保守。

同時(shí)鑒于土司城隧道無(wú)可直達(dá)于出口端施工便道，洞口位于山體中下部，自然坡度為53°，地形陡峭，隧道基底與山腳平緩地段高差達(dá)到51 m，且出口端地表植被茂密。通過(guò)研究類似地形隧道出洞施工經(jīng)驗(yàn)，和對(duì)洞口地質(zhì)情況邊坡穩(wěn)定性以及隧道埋深情況進(jìn)行踏勘，為保證原洞口地貌的自然植被不受破壞，并考慮施工安全因素、響應(yīng)“晚出洞”施工理念。決定優(yōu)化施工方案，采用φ42 mm雙層超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)、洞內(nèi)采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，延長(zhǎng)暗洞施工(減少出口邊坡的開(kāi)挖，保護(hù)原地表植被，盡量保留原地貌的自然環(huán)境)，洞內(nèi)單向出洞的施工方案(圖2)。

圖2 優(yōu)化后施工方案(單位:m)

3 零開(kāi)挖出洞施工

3.1 出洞施工步驟

零開(kāi)挖出洞施工步驟為：

雙層超前小導(dǎo)管施工→采用環(huán)形開(kāi)挖法單向掘進(jìn)(同時(shí)施作下一循環(huán)超前小導(dǎo)管)→上臺(tái)階開(kāi)挖直至出洞→出洞后增加1～2榀鋼拱架進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)適當(dāng)延長(zhǎng)暗洞，并對(duì)坡面部分危石進(jìn)行清理、防護(hù)→中下臺(tái)階初期支護(hù)跟進(jìn)至洞口→仰拱開(kāi)挖，初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)→二次襯砌、洞門墻、排水溝等工序。

3.2 施工過(guò)程控制要點(diǎn)

(1) 雙層超前小導(dǎo)管施工

雙層超前注漿小導(dǎo)管的安裝和壓漿施工質(zhì)量控制是關(guān)鍵，主要應(yīng)控制以下2個(gè)方面：① 保證超前小導(dǎo)管的數(shù)量及角度滿足實(shí)際支護(hù)需求，雙層超前小導(dǎo)管縱向布置施工如圖3所示。第1層采用L=4.5 m、φ42 mm×6 mm鋼花管，環(huán)向間距300 mm，外插角15°，每3 m打設(shè)一層，搭接長(zhǎng)度1.5 m；第2層用L=6 m、φ42 mm×6 mm 鋼花管，環(huán)向間距300 mm，外插角 35°。主要控制超前小導(dǎo)管的外插角和有效搭接，確保隧道開(kāi)挖的安全；② 超前小導(dǎo)管壓漿以注漿壓力控制為主，注漿量控制為輔，設(shè)計(jì)注漿量作為實(shí)際施工參考。在注漿完成后注漿壓力為0.5～1.5 MPa，終止壓力為2 MPa，并應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、巖性及施工條件等因素在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定。注漿壓力與地層條件及注漿范圍要求有關(guān)，一般要求單管注漿能擴(kuò)散到管周0.5～1.0 m的半徑范圍內(nèi)。當(dāng)注入水泥漿量超過(guò)設(shè)計(jì)量且孔口壓力仍未達(dá)到規(guī)定的壓力值時(shí)，停止注漿，以防壓裂開(kāi)挖面，待漿體凝結(jié)后進(jìn)行二次注漿，直到注漿壓力達(dá)到2 MPa，停止注漿，確保管內(nèi)漿體飽滿。

圖3 雙層超前小導(dǎo)管布設(shè)(單位：cm)

(2) 掌子面開(kāi)挖

土司城隧道出洞施工按照環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土開(kāi)挖法開(kāi)挖，開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖4，主要應(yīng)控制以下3個(gè)方面：① 每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺：上臺(tái)階每個(gè)環(huán)形開(kāi)挖進(jìn)尺一般不超過(guò)1榀鋼架間距，中臺(tái)階和下臺(tái)階的每循環(huán)進(jìn)尺與上臺(tái)階相同，且左右不得對(duì)稱開(kāi)挖，開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)封閉；每級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3 m內(nèi)，每個(gè)臺(tái)階拱架支護(hù)錯(cuò)開(kāi)3～5榀拱架；② 安全步距控制：安全步距二襯控制為距掌子面不得大于70 m，仰拱控制為距掌子面不得大于40 m；③ 開(kāi)挖預(yù)留量控制：后期隧道貫通后的測(cè)量會(huì)存在一定的誤差，在隧道距出洞70 m范圍內(nèi)將開(kāi)挖面進(jìn)行放大，同時(shí)拱架也進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，確保隧道貫通后的二襯厚度和線路的準(zhǔn)確。

圖4 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法

(3) 出口邊坡防護(hù)

隧道開(kāi)挖對(duì)暗洞進(jìn)行了加長(zhǎng)，盡量避免了對(duì)洞口邊坡與仰坡的開(kāi)挖擾動(dòng)，但由于隧道暗洞的加長(zhǎng)，隧道在出洞前埋深較淺，暗洞爆破開(kāi)挖過(guò)程易造成仰坡的失穩(wěn)滑塌，施工過(guò)程中主要控制以下2個(gè)方面：① 洞內(nèi)爆破采用弱爆破形式進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，土司城隧道在開(kāi)挖施工過(guò)程中，為避免二次補(bǔ)炮同時(shí)減少炸材的使用量，節(jié)約成本，每孔周邊眼間增加輔助眼，確保了斷面爆破一次成型；② 隧道出洞地表具有一定的坡度，在上臺(tái)階出洞后一般中下臺(tái)階仍然處于暗洞施工，為確保拱部邊坡掉塊，需根據(jù)實(shí)際情況增加1～2榀鋼拱架采用掛網(wǎng)錨噴適當(dāng)延長(zhǎng)暗洞長(zhǎng)度，以保證拱部邊坡穩(wěn)定和下方施工人員的安全。

(4) 加強(qiáng)出洞施工監(jiān)控量測(cè)工作

通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)，為判斷圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)、襯砌可靠性，二次襯砌合理施作時(shí)間，以及修改施工方法、調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)，指導(dǎo)日常施工管理，確保施工安全。監(jiān)控量測(cè)主要應(yīng)控制以下2個(gè)方面：① 洞內(nèi)拱頂下沉和凈空變化觀測(cè)斷面的縱向間距加密到5 m，觀測(cè)斷面位置要與地表沉降觀測(cè)斷面布置在同一里程上。上臺(tái)階布置3個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)，中、下臺(tái)階布置1條水平測(cè)線，2條斜測(cè)線，用來(lái)觀測(cè)隧道凈空的變化；② 出洞段覆蓋層薄，開(kāi)挖后圍巖難以自穩(wěn)成拱，地表易沉陷，為了確保出洞淺埋段的施工安全，進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)。

3.3 洞口位置及洞門優(yōu)化

明暗交界里程點(diǎn)，是施工過(guò)程中的洞口位置，明暗交接點(diǎn)的選擇主要從施工安全角度考慮，同時(shí)結(jié)合地形、地質(zhì)和邊坡防護(hù)等。洞門位置根據(jù)運(yùn)營(yíng)安全和建筑景觀角度考慮，結(jié)合自然環(huán)境、洞外工程等綜合考慮設(shè)計(jì)。

土司城隧道由內(nèi)而外出洞施工，圍巖狀況較好，坡體穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)邊仰坡開(kāi)挖防護(hù)與暗洞施工安全性對(duì)比，和運(yùn)營(yíng)期安全等各個(gè)方面綜合考慮后，隧道左線較原設(shè)計(jì)延長(zhǎng)10 m后出洞，右線較原設(shè)計(jì)延長(zhǎng)5 m后出洞，較為完整地保存了原地貌的自然景觀，充分體現(xiàn)了“零開(kāi)挖”、“早進(jìn)洞、晚出洞”的施工理念。土司城隧道由于地形陡峭，出口端與橋臺(tái)相鄰，結(jié)合洞門景觀形式以及洞門基礎(chǔ)施工難度，為保證橋、隧的順接和與山體的總體協(xié)調(diào)以及運(yùn)營(yíng)安全等，將洞口明洞延長(zhǎng)2 m。

4 “晚出洞”施工與常規(guī)出洞方式對(duì)比

常規(guī)出洞方式優(yōu)勢(shì)：

(1) 隧道出口端處于軟弱圍巖和邊坡穩(wěn)定性較差時(shí)比較單洞出洞更具有安全性。

(2) 對(duì)于隧道出口端交通條件便利情況下，可兩端同時(shí)進(jìn)洞施工，縮短施工工期。

單向開(kāi)挖“晚出洞”方式優(yōu)勢(shì)：

(1) 遵循隧道“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，不開(kāi)挖或減少邊坡開(kāi)挖，比較常規(guī)出洞方式有利于坡體穩(wěn)定。

(2) 最大限度保護(hù)了原有地形地貌，減少邊坡開(kāi)挖對(duì)自然環(huán)境的破壞。

(3) 減少隧道工作面，有利于集中管理，降低了管理風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 減少施工設(shè)備，提高施工設(shè)備利用率和使用效益，節(jié)約施工成本。

通過(guò)對(duì)“晚出洞”施工與常規(guī)出洞方式對(duì)比，“晚出洞”施工方式在經(jīng)濟(jì)方面和環(huán)境保護(hù)方面存在一定的優(yōu)勢(shì)，但是在安全性方面和施工周期方面較差于常規(guī)的出洞方式。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道出洞技術(shù)研究，結(jié)合土司城隧道實(shí)例驗(yàn)證了隧道單向出洞的可行性和可靠性，單向出洞通過(guò)雙層超前小導(dǎo)管的支護(hù)能力，結(jié)合圍巖的自穩(wěn)能力，保證了出洞端頭的圍巖整體穩(wěn)定性，確保了出洞的施工安全質(zhì)量，節(jié)約了出洞端管棚施工相關(guān)的經(jīng)濟(jì)成本，包括施工成本、便道引進(jìn)成本，洞身開(kāi)挖的人員設(shè)備成本等，節(jié)省了施工管棚所耗用的時(shí)間，在確保施工安全質(zhì)量的前提下加快了施工進(jìn)度，同時(shí)零開(kāi)挖的理念對(duì)既有山林進(jìn)行了有效保護(hù)，取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。