山嶺隧道單向安全出洞施工技術(shù)應(yīng)用

彭慧鳴,李晉亮

（贛州誠正公路工程監(jiān)理有限公司,江西 贛州 341000）

0 引言

通常情況下，隧道掘進(jìn)貫通指的是隧道相向掘進(jìn)貫通技術(shù)，對(duì)于較長(zhǎng)隧道或條件較好的短隧道，出于加快施工進(jìn)度、確保施工安全方面的考慮，一般采用雙向掘進(jìn)施工工藝，并保證在中部圍巖較好段落貫通。這種常規(guī)性的處理工藝又包括全斷面貫通法和小導(dǎo)坑貫通法等，前者常用在小斷面隧道，或者是地處巖石穩(wěn)定地層的大斷面隧道掘進(jìn)開挖方面；后者則常用于巖石破碎地層大斷面掘進(jìn)。位于山嶺地帶的中短隧道工程，常面臨洞口埋深淺、圍巖自穩(wěn)性不良、成拱不易等難題；洞口地形起伏大，不具備開挖成道的條件機(jī)械及材料無法正常進(jìn)洞，拌和站、空壓機(jī)房、施工用電等如需正常布置，必將使建設(shè)費(fèi)用增大。當(dāng)前已有的理論成果及施工設(shè)計(jì)均集中在隧道進(jìn)出口支護(hù)形式方面，對(duì)于隧道出洞方案探究較少，而常規(guī)的出洞方案主要為超前小導(dǎo)洞工藝，待導(dǎo)坑貫通后再將施工用水、用電等安排至洞外，施工方式也相應(yīng)調(diào)整為進(jìn)洞施工，這種較為保守的做法能保證出洞施工安全，但施工進(jìn)度緩慢，工效低。

基于此背景，該文以具體的山嶺隧道為例，結(jié)合地質(zhì)條件及地形地貌特征，對(duì)隧道單向安全出洞施工技術(shù)展開比選，并對(duì)單向出洞施工要點(diǎn)展開研究，可為同類型工程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某山嶺隧道采用分離式設(shè)計(jì)，洞口山體陡峭，坡度在 41°～56°，隧道左右洞明洞長(zhǎng)度分別為 10 m 和 7 m，隧洞右側(cè)仰坡存在較大的切方高度，為三級(jí)高邊坡，該隧道洞口地層多為碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，這種軟弱巖層遇水后快速裂解剝落，增大了隧道洞口坡面的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，也使仰坡加固及防護(hù)工程量隨之增大。根據(jù)原先的設(shè)計(jì)思路，在隧洞段采用長(zhǎng)管棚防護(hù)，以確保進(jìn)洞開挖安全。出口段地形復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢，為保證施工安全及進(jìn)度，盡量控制刷坡，確保山體平衡，并根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)，從南側(cè)端開始單頭掘進(jìn)貫通；待施工至與出洞口相距10～15 m處時(shí)，依據(jù)圍巖情況選取出洞方案。

考慮到該隧道出口端路基并未完成填筑，只能單向出洞，經(jīng)過工程管理部門及設(shè)計(jì)人員的多方論證，擬定出頂設(shè)小導(dǎo)洞和三臺(tái)階法兩種出洞方案。

2 施工方案的比選

為展開兩種初擬出洞方案的比較，依據(jù)工程實(shí)際及詳細(xì)的地勘資料，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)進(jìn)出洞施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)兩種方案進(jìn)行了理論計(jì)算與比較，最終推薦該山嶺隧道單向安全出洞采取三臺(tái)階法開挖方案。

2.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)三臺(tái)階法和頂設(shè)小導(dǎo)洞出洞展開仿真模擬，隧道圍巖為彈塑性材料，服從莫爾-庫倫定律[1]；初期支護(hù)、二次襯砌以及長(zhǎng)管棚等加固環(huán)節(jié)和相關(guān)材料均視為線彈性材料，超前小導(dǎo)管則按照特定厚度預(yù)支護(hù)處理，支護(hù)錨桿和支護(hù)用鋼拱架等結(jié)構(gòu)全部采用等效處理[2]；加固鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要為隧道洞口開挖施工的安全儲(chǔ)備，建模過程中忽略不計(jì)。

該山嶺隧道出洞口有限元模型見圖1，下邊界均按照洞徑范圍的4.5倍取值，上邊界則結(jié)合地表實(shí)際進(jìn)行選取。隧道開挖過程中釋放40%應(yīng)力，初支后釋放剩余的60%應(yīng)力。隧道開挖進(jìn)尺30 m，具體而言，先通過小導(dǎo)洞法開挖進(jìn)尺10 m，再通過三臺(tái)階法開挖進(jìn)尺20 m后，逐漸縮短進(jìn)尺。該山嶺隧道出洞口圍巖巖體以及擬采用的支護(hù)材料相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的取值詳見表1。

表1 圍巖巖體和支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖1 山嶺隧道出洞口有限元模型（單位：m）

2.2 比較分析

基于以上所構(gòu)建的有限元模型，對(duì)該山嶺隧道單向出洞施工期間地層豎向位移展開模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用三臺(tái)階法以及小導(dǎo)洞法兩種出洞施工工藝的情況下，工法轉(zhuǎn)換區(qū)位移分布明顯不同，故表現(xiàn)出十分突出的不連續(xù)現(xiàn)象；初支結(jié)構(gòu)支護(hù)效果好，變形小，但是出洞口處的初期支護(hù)因沉降的發(fā)生而支護(hù)效果減弱。在采用三臺(tái)階開挖工法時(shí)，以上問題均不存在，位移分布始終連續(xù)，洞口沉降也十分微弱。兩種工法出洞施工對(duì)隧洞圍巖影響的范圍基本一致。

結(jié)合對(duì)不同工法下出洞施工豎向應(yīng)力云圖的分析可以看出，頂設(shè)小導(dǎo)洞和三臺(tái)階法出洞施工最大應(yīng)力均位于拱腳處，應(yīng)力值也大致相等；在工法轉(zhuǎn)換區(qū)域由于長(zhǎng)管棚支護(hù)作用的充分發(fā)揮，應(yīng)力分布不連續(xù)；拱腰及拱頂處應(yīng)力值相對(duì)較大，初支內(nèi)力小，但穩(wěn)定性未受影響。

通過對(duì)頂設(shè)小導(dǎo)洞和三臺(tái)階法出洞施工期間洞口塑性應(yīng)變區(qū)的模擬分析得出，拱腳及仰拱邊緣均存在較為集中的塑性區(qū)；而采用傳統(tǒng)小導(dǎo)洞法施工時(shí)，工法轉(zhuǎn)換處存在較大的塑性應(yīng)變變化，且不連續(xù)。

綜合以上內(nèi)容，頂設(shè)小導(dǎo)洞和三臺(tái)階法出洞的施工工效基本一致，三臺(tái)階法出洞時(shí)應(yīng)力、位移分布連續(xù)，在支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)的情況下，施工安全及質(zhì)量有可靠保證。故該山嶺隧道選用三臺(tái)階法出洞方案。

3 單向出洞施工要點(diǎn)

3.1 超前探測(cè)

為減小地質(zhì)條件差異性引起的施工風(fēng)險(xiǎn)，在該隧道出洞段施工過程中展開超前地質(zhì)探測(cè)。當(dāng)隧道正向掘進(jìn)至ZK25+470 m時(shí)暫停掘進(jìn)，在上導(dǎo)坑中心處通過WEP100型潛孔鉆鉆設(shè)φ127 mm鉆孔出洞，以探測(cè)與出口的距離及前方地質(zhì)情況。在ZK25+470～ZK25+490段施工期間，按照《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》（T/CECS616—2019）鉆設(shè)孔徑 38 mm、至少5.0 m長(zhǎng)的水平向及徑向超前探測(cè)孔，孔位布置詳見圖2。其中，水平向超前探測(cè)孔自ZK25+480 m里程開始鉆設(shè)，按照1次/5 m的頻次探測(cè)；而徑向超前探測(cè)孔則自ZK25+470 m里程開始鉆設(shè)，按照1次/2 m的頻次探測(cè)。

圖2 超前探測(cè)孔布置

3.2 超前支護(hù)

ZK25+470～ZK25+480段超前支護(hù)不變，出口段大管棚取消后，在ZK25+480～ZK25+490段按照35 cm的環(huán)向間距設(shè)置雙層超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)4.5 m和6.0 m，采用φ42×4 mm的熱軋無縫鋼管，并按照至少1.0 m的長(zhǎng)度搭接；每層37根，且兩層小導(dǎo)管的外插角度分別為12°和30°。超前小導(dǎo)管設(shè)置在洞口長(zhǎng)管棚段，從洞內(nèi)開始向洞外逐環(huán)施作。以水灰比1∶1的水泥漿液及0.5～1.0 MPa的壓力注漿。替代長(zhǎng)管棚的雙層超前支護(hù)設(shè)計(jì)情況詳見圖3。

圖3 超前支護(hù)小導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（單位：cm）

雙層超前小導(dǎo)管的設(shè)置及注漿質(zhì)量是保證山嶺隧道單向安全出洞的關(guān)鍵性工序[3]，按照相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求確保超前小導(dǎo)管的布設(shè)位置、尺寸及數(shù)量，小導(dǎo)管的設(shè)置數(shù)量必須根據(jù)分離式小凈距隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段小導(dǎo)管數(shù)量進(jìn)行確定，并確保一致性和匹配性，從拱頂開始依次向兩側(cè)按40 cm的環(huán)向間距對(duì)稱設(shè)置。壓漿漿液采用水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力和地層地質(zhì)及注漿范圍要求相關(guān)，該隧道工程單管注漿擴(kuò)散范圍為管周0.5～1.0 m的半徑以內(nèi)；且當(dāng)水泥漿液注入量超出設(shè)計(jì)值但孔口壓力尚未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力水平時(shí)，必須停止注漿，防止出現(xiàn)開挖面壓裂事故；等漿體達(dá)到固結(jié)狀態(tài)后再恢復(fù)注漿，直至注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)上限后結(jié)束壓漿，以保證管段內(nèi)漿液密實(shí)飽滿。漿液的密實(shí)度可通過注漿前后聲波速大小進(jìn)行判斷，并根據(jù)密實(shí)度情況實(shí)時(shí)調(diào)整注漿施工參數(shù)。

3.3 掌子面開挖

結(jié)合該山嶺隧道地勘報(bào)告和超前探測(cè)結(jié)果，接近出洞段應(yīng)分別采用以下開挖方法：ZK25+425～ZK25+455段為Ⅲ級(jí)圍巖，應(yīng)通過1.0 m的循環(huán)進(jìn)尺全斷面法開挖；ZK25+455～ZK25+475段為Ⅳ級(jí)圍巖，采用三臺(tái)階法分上、中、下臺(tái)階開挖，循環(huán)進(jìn)尺按照一榀鋼拱架間距即0.5 m確定，開挖中臺(tái)階時(shí)應(yīng)保證左右馬口錯(cuò)開布置以及下臺(tái)階鋼拱架及時(shí)支護(hù)與閉合，加強(qiáng)超欠挖控制，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)性能。ZK25+475～ZK25+490段為Ⅴ級(jí)圍巖，采用與ZK25+455～ ZK25+475段相同的開挖方法及循環(huán)進(jìn)尺，上導(dǎo)坑先行，并在ZK25+490處零開挖單向貫通，以減弱對(duì)掌子面開挖及圍巖的不利影響。

隧道掌子面按照環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖時(shí)，具體步驟見圖4，開挖施工期間加強(qiáng)以下方面控制：

圖4 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

（1）加強(qiáng)每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制。上臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺必須小于1榀鋼桁架間距，中臺(tái)階及下臺(tái)階每開挖循環(huán)進(jìn)尺必須與上臺(tái)階保持一致，開挖后均需及時(shí)支護(hù)。上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階長(zhǎng)度均不得超出3.0 m，且各臺(tái)階鋼拱架支護(hù)應(yīng)錯(cuò)開3～5榀。

（2）控制安全步距。二襯距離掌子面的安全步距為70 m，仰拱與掌子面的安全步距為40 m。

（3）隨著隧道貫通，測(cè)量誤差將增大；在距離出洞70 m處開挖面將放大，鋼拱架也會(huì)隨之調(diào)整，以保證隧道貫通后線路及二次襯砌厚度的準(zhǔn)確性，為此，應(yīng)控制好開挖預(yù)留量。

3.4 出口邊坡防護(hù)

該隧道開挖使暗洞加長(zhǎng)，同時(shí)也最大限度避免了對(duì)洞口仰坡和邊坡的擾動(dòng)。但是暗洞加長(zhǎng)后隧道出洞前埋深較淺，很容易因開挖而引發(fā)仰坡失穩(wěn)滑塌。為此，必須在施工期間加強(qiáng)以下控制：

（1）暗洞內(nèi)通過弱爆破形式開挖，并在周邊孔間增設(shè)輔助孔，以保證一次成型效果。

（2）出洞地表為一定坡度的緩坡，上臺(tái)階出洞后中下臺(tái)階仍處于暗洞內(nèi)施工階段，拱部邊坡不穩(wěn)定，存在掉塊現(xiàn)象。為此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情形采用增設(shè)1～2榀鋼拱架+掛網(wǎng)錨噴的方式延長(zhǎng)暗洞長(zhǎng)度，確保拱部邊坡穩(wěn)定及施工安全。

（3）施工過程中以明暗交界里程點(diǎn)為洞口位置，該交界點(diǎn)的選擇必須充分考慮施工安全、地形地質(zhì)、邊坡防護(hù)等條件，同時(shí)還應(yīng)滿足運(yùn)營安全、洞外工程、自然景觀等方面的要求。該山嶺隧道從內(nèi)向外出洞施工，圍巖狀況及邊坡坡體基本穩(wěn)定，綜合考慮以上因素后隧道左線和右線分別在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增長(zhǎng)10 m和5 m出洞，以保證原地貌自然景觀。

4 結(jié)論

工程施工效果表明，該山嶺隧道出口端坡度陡峭，基本不具備從便道進(jìn)入出口端的運(yùn)輸條件，施工機(jī)具及材料均無法順利進(jìn)場(chǎng)；同時(shí)，隧道洞口圍巖差，不具備從洞口向洞內(nèi)施工的作業(yè)面條件。結(jié)合隧道實(shí)際情況，按照早進(jìn)晚出、明洞暗挖的思路，施作雙層超前注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，并展開掌子面環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖的施工方案，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。