丘陵地貌小凈距隧道“零”開挖單向出洞技術(shù)

方存星，施亮亮，伍定旺

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430000）

1 引言

隧道作為高速公路建設(shè)中的重要組成單元，在山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地形地貌多變，隧道洞口處多為陡峭山坡，無既有道路及施工作業(yè)場(chǎng)地，洞口施工常需大面積開挖，對(duì)原地形地貌、現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，與管理日趨嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)工作相矛盾，背離了現(xiàn)代高速公路建設(shè)中體現(xiàn)的綠色、環(huán)保、人本等理念，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 隧道建設(shè)條件

2.1 隧道概況

蛇嶺隧道位于湖南西南部懷化市靖州縣平茶鎮(zhèn)馬路口村，左洞長(zhǎng)535 m，起訖樁號(hào)為Z1K42+665~Z1K43+200；右洞長(zhǎng)601 m，起訖樁號(hào)為K42+624~K43+225，屬中隧道，小凈距隧道形式布置，隧道左右洞設(shè)計(jì)線凈距總體控制在14.5~21 m，洞頂最大埋深約67.5 m。

2.2 地形地貌

蛇嶺隧道隧址區(qū)屬于剝蝕低山、丘陵地貌，山坡坡度較陡，一般約30°~40°，局部可達(dá)50°~60°，沖溝發(fā)育多條，植被較茂盛，為杉、松、竹等；隧道靖州端進(jìn)洞口設(shè)計(jì)為橋接隧道，地形陡峭，山體坡向?yàn)?0°~95°，坡角約為45°~65°，進(jìn)口端洞口施工不具備適宜的工作場(chǎng)地；局部在坡腳沖溝見基巖裸露，巖體破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。

2.3 地層巖性

隧道口上部坡體曾發(fā)生過淺層土質(zhì)滑坡，堆積體散落于下方坡面，破壞程度一般，目前山體坡體穩(wěn)定性較為穩(wěn)定。山坡表層多覆蓋殘坡積層，層厚1~3 m，成分為粉質(zhì)黏土及碎石土，土體穩(wěn)定性一般至較好；從詳勘情況及橋臺(tái)樁基施工中得知強(qiáng)風(fēng)化板巖層厚20~25 m，強(qiáng)風(fēng)化板巖上段呈現(xiàn)為在黃色碎裂狀板巖夾薄層塊狀板巖，可見規(guī)律的似層狀產(chǎn)狀290°∠22°。從開挖揭露情況可知，巖體趨于穩(wěn)定，深部為強(qiáng)風(fēng)化板巖下段及中風(fēng)化板巖，巖體穩(wěn)定性較好。

2.4 原設(shè)計(jì)隧道進(jìn)洞及貫通方案

地勘揭露隧道進(jìn)出口段地質(zhì)條件差、埋深淺，設(shè)計(jì)按照開挖邊仰坡并采用φ108 mm×6 mm超前大管棚輔助進(jìn)洞。洞頂截水溝、排水溝和改溝施工完成后形成完善的洞口防排水系統(tǒng)，開挖邊仰坡后對(duì)洞口臨時(shí)邊仰坡、洞口淺層滑坡進(jìn)行防護(hù)處理，然后進(jìn)行洞口、洞身段的開挖。

原設(shè)計(jì)隧道貫通方式為雙向貫通，貫通點(diǎn)避免選擇在斷層破碎帶附近、地質(zhì)圍巖較弱或水文條件較差的地方。隧道采用雙向掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)至兩掌子面相距20~35 m時(shí)，撤離停挖端人員和機(jī)具，改為單向開挖；隧道采用單向掘進(jìn)時(shí)，貫通出洞前應(yīng)反向開挖超過洞口超前管棚施工段。

3 “零”開挖出洞總體施工

隧道進(jìn)口端山體自然傾角大，現(xiàn)場(chǎng)可見巖體破碎，自然風(fēng)化程度高，強(qiáng)度低，整體穩(wěn)定性較差且左洞進(jìn)口端處巖層產(chǎn)狀與隧道軸線存在一定夾角，開挖后山體將對(duì)隧道產(chǎn)生偏壓。以雙層注漿小導(dǎo)管為超前支撐，隧道“零”開挖出洞，嚴(yán)格按照“管提前，爆破弱，進(jìn)尺短，支護(hù)強(qiáng)，測(cè)量勤”的原則進(jìn)行施工[1-2]。注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)示意圖

在開挖時(shí)，首先將隧道斷面的拱頂部的巖體挖開，進(jìn)行混凝土噴射，然后通過I20鋼拱架構(gòu)成拱架，拱架間距0.6 m，待鋼筋網(wǎng)片和拱架安裝完成后，噴射混凝土進(jìn)行臨時(shí)支撐，施工過程中單個(gè)循環(huán)開挖進(jìn)尺為0.6 m，直至出洞。單個(gè)循環(huán)開挖完成即時(shí)噴射混凝土封閉掌子面，防止圍巖進(jìn)一步風(fēng)化，造成坍塌，待拱頂下沉量的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)沉降趨于穩(wěn)定，繼續(xù)采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行洞身擴(kuò)挖，挖除隧道斷面兩側(cè)拱腰部巖體，實(shí)現(xiàn)隧道全斷面“晚出洞”貫通。

4“零”開挖出洞施工要點(diǎn)

4.1 開挖及初期支護(hù)

4.1.1 掌子面開挖

1）環(huán)形開挖上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，核心土面積為整個(gè)斷面面積的65%；出洞掘進(jìn)過程中選用人工風(fēng)鎬開挖，遇到風(fēng)化程度較低巖石時(shí)采用打淺眼、少裝藥、密炮眼的弱爆破方式開挖；中、下臺(tái)階跳槽開挖，初期支護(hù)雙側(cè)交錯(cuò)落底，防止每一面拱腳同時(shí)懸空，按照圍巖條件，控制單側(cè)每次落底長(zhǎng)度在3 m以內(nèi)。

2）施工時(shí)保持二襯距掌子面為65 m，仰拱距掌子面為35 m的安全步距。

3）開挖預(yù)留變形量依據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)以及考慮施工水平，在隧道距離出洞40 m的范圍適當(dāng)擴(kuò)大開挖面、調(diào)整拱架，確保隧道貫通后的二襯厚度及線路的準(zhǔn)確。

4.1.2 初期支護(hù)

初期支護(hù)采用注漿錨噴網(wǎng)和型鋼架支撐聯(lián)合支護(hù)，初期支護(hù)施工按照清理巖面、初噴混凝土、安裝注漿錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、拱架安裝、復(fù)噴混凝土的流程執(zhí)行。（1）噴射混凝土前用斷面儀對(duì)開挖斷面檢驗(yàn)，清理和處理欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點(diǎn)、崩解的破損巖石，清除浮石和墻角虛碴，初噴4 cm厚C20混凝土；（2）初噴后及時(shí)安裝網(wǎng)片間距為20 cm×20 cm的φ8 mm鋼筋施工噴錨支護(hù)、安設(shè)I20鋼架支撐，相鄰鋼架用I16鋼架連接，上導(dǎo)鋼支撐采用擴(kuò)大拱腳以及設(shè)置注漿小導(dǎo)管為鎖腳錨桿固定，復(fù)噴22 cm厚C20混凝土。

4.2 雙層注漿小導(dǎo)管制安

1）注漿小導(dǎo)管制作。注漿小導(dǎo)管采用42 mm×4 mm×4 000 mm無縫鋼管制作，小導(dǎo)管前端呈尖錐狀，尾端預(yù)留50 cm止?jié){段不設(shè)置壓漿孔；小導(dǎo)管尾部焊φ6 mm加勁箍，管壁四周按20 cm間距梅花形、鉆設(shè)8 mm壓漿孔[3]。

2）注漿小導(dǎo)管定位。管位環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距1.2 m，并以梅花形布置前后排小導(dǎo)管。注漿小導(dǎo)管孔位采用鑿巖鉆機(jī)施工，前后兩排小導(dǎo)管孔道與拱架角度分別呈5°~12°、25°~30°的外插角，鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度4 m后，采用不立即停鉆進(jìn)的措施，穩(wěn)穩(wěn)地鉆進(jìn)1~2 min，防止孔底尖滅。注漿小導(dǎo)管設(shè)置在隧道拱頂部120°角度范圍內(nèi)。

3）注漿小導(dǎo)管安裝。注漿小導(dǎo)管安裝采用人工緩慢放入鉆設(shè)完成的孔內(nèi)，對(duì)孔外露出的導(dǎo)管長(zhǎng)度用鋼尺量測(cè)，計(jì)算出孔內(nèi)小導(dǎo)管長(zhǎng)度，在保證管長(zhǎng)的同時(shí)，將安裝精度誤差控制在±50 mm以內(nèi)。豎向兩排小導(dǎo)管之間搭接長(zhǎng)度1.5 m的小導(dǎo)管與鋼拱架牢靠焊接。

4）注漿小導(dǎo)管注漿。注漿采用425號(hào)硅酸鹽水泥漿液或雙液注漿，注漿過程中注漿壓力為0.5~1.5 MPa，終止壓力2 MPa，當(dāng)注入漿液量超過設(shè)計(jì)量且孔口壓力未達(dá)到規(guī)定壓力值時(shí)，停止注漿，待漿液凝結(jié)后二次注漿，確保管內(nèi)注漿液飽滿。同時(shí)，綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、巖性及機(jī)械設(shè)備等因素，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定漿液配合比和終凝時(shí)間。

4.3 鋼拱架制作、安裝

1）拱架制作。拱架采用型鋼彎曲機(jī)進(jìn)行預(yù)彎，在定型模上焊接而成，每節(jié)兩端均焊20 cm×20 cm×1 cm連接鋼板，鋼板采用沖孔機(jī)鉆孔，拱架加工完成后進(jìn)行試拼檢查。

2）拱架安裝。拱架垂直于隧道軸線安裝，采用連接鋼板輔以兩正、兩反的高強(qiáng)螺栓連接固定，鋼板平面與拱架軸線保持垂直，拱架豎向不傾斜、平面不錯(cuò)位，不扭曲，拱架底部放置在30 cm×30 cm×10 cm的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制混凝土塊上，且混凝土塊放置在低于開挖底線以下15~20 cm穩(wěn)固的地層上。每榀拱架安裝后利用2根長(zhǎng)3.5 m的φ45 mm×3 mm注漿小導(dǎo)管作為鎖腳錨桿定位。

4.4 洞口位置優(yōu)化

施工過程中的洞口位置就是隧道明暗交界里程點(diǎn)，其位置的選擇主要考慮地形、地質(zhì)、洞口防護(hù)形式以及施工安全[4]。蛇嶺隧道由洞內(nèi)向外單向出洞施工，施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖情況較超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭露的圍巖情況好，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反映坡體穩(wěn)定，結(jié)合后期運(yùn)營(yíng)安全、暗洞施工安全性、洞門景觀設(shè)計(jì)以及完整地保存原地貌的自然景觀的考慮，隧道右線較原設(shè)計(jì)延長(zhǎng)1.2 m，充分體現(xiàn)了“零”開挖、“晚出洞”的施工理念。

5 施工效果評(píng)價(jià)

5.1 初支變形監(jiān)測(cè)

隧道出洞施工時(shí)，在洞口和淺埋段每隔5 m設(shè)置位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、布置收斂計(jì)監(jiān)測(cè)周邊收斂，在隧道中線兩側(cè)2倍（B/2+H+H0）的范圍內(nèi)設(shè)置地表下沉量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中，B為隧道開挖寬度，H為隧道開挖高度，H0為隧道埋設(shè)深度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，隧道拱頂下沉累計(jì)量如圖2所示。由圖2可知，隧道最大拱頂沉降累計(jì)為53.1 mm，最大下沉速率為1.8 mm/d，均處于可控范圍內(nèi)。

圖2 拱頂沉降累計(jì)圖

5.2 施工進(jìn)度、效果評(píng)價(jià)

1）隧道進(jìn)口端采用雙層注漿小管道出洞施工，實(shí)踐證明較長(zhǎng)管棚進(jìn)洞、洞內(nèi)貫通的方式節(jié)約工期30 d，圍巖應(yīng)力在開挖過程中得到了有效釋放，施工采用機(jī)械輔助人工開挖減小了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）與傳統(tǒng)的隧道施工方法相比，蛇嶺隧道使用了進(jìn)口端不需要修建施工便道、施工駐地等臨時(shí)設(shè)施的“零”開挖單向挖掘進(jìn)、貫通出洞等形式。坡面無須大面積開挖仰坡，節(jié)約人、機(jī)、料的同時(shí)符合綠色公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)保理念，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

6 結(jié)語

隧道“零”開挖施工，就是在不破壞或盡量少破壞原有地形地貌的情況下，利用圍巖自穩(wěn)能力自然成拱，實(shí)現(xiàn)隧道進(jìn)出洞。本文依托靖黎高速蛇嶺隧道出洞施工案例，闡述了雙層注漿超前小導(dǎo)管“零”開挖單向出洞技術(shù)在丘陵地貌小凈距工況下的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

1）結(jié)合蛇嶺隧道實(shí)例驗(yàn)證了丘陵地貌小凈距隧道單向出洞的可行性和可靠性；

2）利用雙層注漿超前小導(dǎo)管的支護(hù)能力與圍巖的自穩(wěn)能力，雙層注漿超前小導(dǎo)管單向出洞的方式可有效控制圍巖、初支變形，出洞施工安全、質(zhì)量可控；

3）采用雙層注漿超前小導(dǎo)管交錯(cuò)梅花布置的支護(hù)方式取代原設(shè)計(jì)長(zhǎng)管棚支護(hù)，節(jié)約出洞端管棚施工、便道引進(jìn)、洞內(nèi)洞身開挖等施工成本，在項(xiàng)目節(jié)控成本上發(fā)揮顯著效果；

4）蛇嶺隧道采用“零”開挖隧道晚出洞，減少了出洞端洞口邊仰坡施工大面積刷坡對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞影響，貫徹“綠色公路、環(huán)保工程”的建設(shè)理念。