蓋挖法在山嶺隧道特殊地形條件下的應(yīng)用與分析

唐能、劉志義、蘇一波、崔盛站、夏黎黎

（1.云南楚姚高速公路有限公司，云南 昆明 650032；2.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司，云南 昆明 650032）

0 引言

楚姚高速公路大坡隧道左幅進口端位于自然沖溝內(nèi)，地形偏壓，且臨近既有廣姚公路，采用常規(guī)施工方法極易導致隧道出現(xiàn)坍塌、涂泥涌水事故，無法保障施工安全及廣姚公路的運營安全?；诖?，文章主要結(jié)合工程特點，提出蓋挖法施工方案。

1 蓋挖法工法特點及工藝流程

1.1 工法特點

蓋挖法是先蓋后挖，通過臨時結(jié)構(gòu)頂板（頂蓋）保護原有地形地貌，再進行地下結(jié)構(gòu)施工的一種施工方法。蓋挖法適用于地質(zhì)條件松散、隧道處于地下水位以上、隧道埋深較淺、對原有地形地貌保護要求較高、不宜大面積開挖的地區(qū)。蓋挖法對結(jié)構(gòu)的水平位移小，安全系數(shù)高，對地面的影響小，施工受外界氣候影響小，但操作空間狹小，施工進度慢、周期長，成本較高。

1.2 工藝流程（見圖1）

圖1 工藝流程圖

2 工程概況

2.1 設(shè)計概述

大坡隧道為分離式隧道，該大坡隧道地處楚雄至大姚的高速公路內(nèi)，是全線長度最長的三車道隧道。隧道左右幅基本等長，左右幅全長分別為1577m、1558m。隧道地處路段為雙向6 車道高速公路，設(shè)計速度為100km/h，汽車荷載等級為公路Ⅰ級，按照Ⅶ度地震標準落實抗震設(shè)防，隧道凈寬、凈高分別為14.5m、5m。

2.2 氣候條件分析

施工路線地處云貴高原西南方位，氣候溫和、冬季無嚴寒霜凍，夏季無暴曬酷暑，年平均氣溫約在15℃，最高不超過33℃，最低不低于零下5℃。年平均降雨量在800mm 上下波動，最大可達1100mm，最小640mm左右，近八成降水集中于夏秋季，旱、雨季節(jié)相對分明。年蒸發(fā)量始終保持在1800mm 左右，3 月至5 月蒸發(fā)量大。絕對濕度波動相對較大，數(shù)值在6.3～30.1g/m3之間。每年11 月至第二年2 月存在20～80 天霜期，但高山微量降雪現(xiàn)象出現(xiàn)頻次不高，災(zāi)害性氣候不頻發(fā)[1]。

2.3 進口段地質(zhì)概述

對于進口段隧道，根據(jù)圍巖分級標準可以將其劃分為Ⅴ級。該隧道的圍護體主要由紫紅泥巖、次長石砂巖和第四系坡殘積粉質(zhì)黏土組成。粉質(zhì)黏土主要分布在隧道進口地表區(qū)域，呈硬塑狀，平均厚度約為5m。泥巖、粉砂巖和次長石砂巖以強風化為主，多呈碎塊狀，受四周斷層不間斷錯動的影響，巖層產(chǎn)狀變化因子活動頻率較高，差異風化十分明顯。由于巖體自身基本沒有自穩(wěn)能力、側(cè)壁穩(wěn)定性差，在開挖過程中如果支護不及時或支護不當，可能會發(fā)生大規(guī)模坍塌。泥巖的富水性相對較弱，開挖過程中容易出現(xiàn)少量滲、滴水問題。左幅進口段ZK40+755—ZK40+855處與廣姚公路的最小平面距離只有18m，施工時需要特別注意。由于隧道洞口位于溝谷內(nèi)部，地形容易受到偏壓狀態(tài)的影響，導致部分地段隧道外露，整體成洞條件較差（見圖2）。

圖2 典型斷面

3 方案比選

該段隧道施工過程中采用挖方路基通過方案，但開挖邊坡不易防護，安全隱患較大，整個邊坡較高，坡率較大，加之臨近原運營道路，施工過程中還要保證廣姚公路的正常通車，整體施工安全風險高、施工難度大。根據(jù)現(xiàn)實條件，提出明挖法、蓋挖法踐行方案[2]。

3.1 明挖法

開挖大坡隧道進口處期間利用淺埋偏壓段，以臨時邊坡手段介入，落實精準化防護，待明洞結(jié)構(gòu)順利完工后落實反壓回填處理。雖然該方案成效顯著，但存在下述幾方面缺陷。

其一，開挖段相對較長，受邊坡高、土石方量大等相關(guān)因素制約，極易出現(xiàn)邊坡臨時滑塌現(xiàn)象，對地表影響大。其二，廣姚公路距離該段開挖邊坡較近，行車安全存在較大隱患。其三，明洞段落較長，施工周期也較長，雨季山箐匯水對施工現(xiàn)場及臨時邊坡影響較大，應(yīng)盡量避開雨季，會增加隧道施工周期。其四，開挖邊坡施工保通困難。明挖需要挖出廣姚公路，為了保證廣姚公路的暢通，需將廣姚公路改在左側(cè)的邊坡平臺上，右側(cè)臨空面較大，安全隱患較高，上、下邊坡垮塌都將造成嚴重的損失。斷面情況如圖3 所示。其五，為保證廣姚公路安全，同時滿足邊坡施工規(guī)范要求，邊坡需開挖一級防護一級。

圖3 斷面圖

3.2 蓋挖法

蓋挖法要求盡量減少對地表的擾動，對松散地表上部覆蓋層進行適當?shù)奶幚?，開挖工作進入穩(wěn)定基巖后，即可展開臨時邊坡支護，介入拱施工作業(yè)平臺，為澆筑混凝土套拱提供必要的支持?；炷撂坠暗冉Y(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計要求后及時回填碎石土，逐層碾壓、分段壓實，修建截排水溝，回填種植土進行綠化恢復(fù)。結(jié)束套拱施工及上部回填后，開挖隧道通過。該方案的缺點是操作空間狹小、施工進度慢、周期長、成本較高。

3.3 明挖法與蓋挖法對比（見表1）

表1 明挖法與蓋挖法對比

根據(jù)表1，不難看出蓋挖法在對環(huán)境影響、工程安全、施工進行風險方面有顯著優(yōu)勢，故最終決定以蓋挖法落實該段隧道施工[3]。

4 施工方案

4.1 開挖及臨時支護

第一，明確套拱設(shè)置的具體范圍。第二，將松散的地表覆蓋層挖除，并及時設(shè)置便于套拱施工的平臺。第三，按1∶0.3 的比例進行臨時邊坡開挖作業(yè)，并進行掛網(wǎng)噴錨臨時防護（見圖4）。第四，加強對臨時邊坡和廣姚公路的監(jiān)測，做好相關(guān)安全保通及應(yīng)急措施。

圖4 開挖防護

4.2 套拱施工

其一，套拱拱腳需選在穩(wěn)定的基巖處，可以φ42×4導管注漿進行加固，需注意縱向間距要維持在0.5m。注漿材料采用水泥單液漿，水泥漿水灰比（質(zhì)量比）為1∶1，注漿壓力P=0.5～1.0MPa，必要情況下可在孔口處裝置止?jié){塞。其二，及時封閉開挖面及周圍5m 范圍內(nèi)的作業(yè)面，噴射厚為50～100mm 的混凝土。其三，套拱可采用I20a 工字鋼支護，間距按0.5m 布置。為優(yōu)化拱腳連接效果，可借助槽鋼進行縱向焊接處理，并將間距控制在80cm，進而保證相鄰工字鋼順利連接，保證整個套拱結(jié)構(gòu)的整體性。其四，套拱外模使用5cm 厚木板加固。內(nèi)部使用臨時工字鋼按1m 間距進行環(huán)向支撐，作為外模內(nèi)支撐，支撐底部應(yīng)牢固，不能移動。外部采用φ22 鋼筋每間隔2m 環(huán)向與鋼架連接固定外模。其五，在暗洞前方約2m 預(yù)埋導向鋼管，預(yù)留管棚操作空間。先澆筑該段套拱混凝土，待混凝土強度滿足既定要求，搭設(shè)φ108×6 的超前管棚，為后續(xù)施工提供保障。其六，鋼架、管棚施工完成后，澆筑套拱混凝土，套拱采用70cm 厚C20 混凝土，初支與套拱預(yù)留10cm 沉降量，避免后期沉降侵嵌主體結(jié)構(gòu)。套拱結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 套拱結(jié)構(gòu)圖

4.3 反壓回填及改溝

套拱混凝土等結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計要求后及時回填碎石土，逐層碾壓、分段壓實，臨時邊坡側(cè)的回填應(yīng)盡可能與原地面相接，另一側(cè)盡量填高，以減小偏壓；碎石土表面設(shè)置50cm 黏土隔水層，在上側(cè)回填60cm種植土進行自然綠化，四周修建截排水溝，將隧道洞口頂部匯水接入原排水系統(tǒng)（見圖6）。

圖6 回填改溝設(shè)計圖

5 洞內(nèi)結(jié)構(gòu)施工

套拱結(jié)構(gòu)、強度滿足要求，碎石土回填完成，修筑水溝后即可進洞開挖。根據(jù)地質(zhì)狀況，采用三臺階預(yù)留中心土環(huán)形開挖方式，施工過程中勤量測，及時調(diào)整開挖進尺及相關(guān)參數(shù)。施工期間遵循“預(yù)加固、短進尺、強支護”原則，進而確保施工順利進行[4]。

6 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點及效益分析

6.1 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點

其一，根據(jù)隧道洞口地形條件，綜合安全性、經(jīng)濟性及適用性分析，延長隧道結(jié)構(gòu)，將明槽變?yōu)樗淼馈Ｆ涠?，改變了傳統(tǒng)的受力結(jié)構(gòu)，由四心四半徑圓弧構(gòu)成的受力結(jié)構(gòu)變?yōu)橐揽可襟w及地基受力。其三，改變了傳統(tǒng)的隧道設(shè)計理念與傳統(tǒng)隧道施工工藝。

6.2 效益分析

經(jīng)濟效益：經(jīng)測算，雖然蓋挖法產(chǎn)生的費用高于明挖法，但是環(huán)保、土地利用、植被破壞等方面的效益更高。

環(huán)境效益：減少用地面積；減少原地面植被破壞；減少棄土場使用面積；減少揚塵污染。

安全效益：降低邊坡坍塌風險；降低車輛行駛安全隱患；降低泥石流風險。

工期效益：大幅縮短了施工周期。

7 結(jié)語

在公路選線中，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造是難以避免的，該工程因地制宜地采用蓋挖法，有效解決了淺埋偏壓問題，保證了現(xiàn)有道路通行安全，減少了洞口開挖，降低了施工安全風險，大幅縮短了建設(shè)工期，該工程的成功經(jīng)驗可為偏壓、淺埋、軟巖等隧道建設(shè)施工提供參考。