大跨度隧道洞口淺埋段施工法

王瑞濤

(山西路橋第二工程有限公司，山西臨汾 041000)

大跨度的山嶺隧道多依山而建，地形地質(zhì)狀況通常復(fù)雜多變，隧道洞口段經(jīng)常會(huì)遇到淺埋偏壓的情況，而這些地段往往巖體風(fēng)化比較嚴(yán)重，裂隙額、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面發(fā)育完全，圍巖自穩(wěn)能力差，再加上隧道洞口跨徑大，更增加了施工的難度。而淺埋偏壓大跨度隧道洞口段施工方法一般要根據(jù)上部地質(zhì)情況、土層覆蓋厚度、偏壓狀況、結(jié)構(gòu)受力特征等多方面因素來(lái)決定，同時(shí)還要對(duì)施工工序、施工效率、經(jīng)濟(jì)情況以及工期的影響進(jìn)行分析，綜合制定施工方案。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)大跨度的隧道洞口淺埋段的施工方法進(jìn)行探討，以供工程人員參考。

1 工程概況

位于四川的某隧道，全長(zhǎng)6 600 m，隧道最大埋深約1 080 m，洞口段最小埋深約6 m。隧道所處位置地形有較大的起伏，整個(gè)隧道全段的高差到1 000 m以上。本文以該隧道進(jìn)口段作為研究對(duì)象。隧道所處位置有巖層斷裂比較嚴(yán)重，有較強(qiáng)的褶曲發(fā)育，巖體多為破碎狀，節(jié)理發(fā)育豐富。而孔隙水以及上層潛水是該段地下水的形式。

2 隧道洞口段的施工方法

在淺埋隧道的洞口處進(jìn)行施工過(guò)程中，因?yàn)閲鷰r十分破碎、地質(zhì)和地形情況比較差，在對(duì)洞口開(kāi)挖的時(shí)候，應(yīng)該將對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)降低到最小，保證洞口處的巖體以及邊坡的穩(wěn)定性得到提升。而“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則是施工人員要必須遵循的，對(duì)于洞口環(huán)境的保護(hù)也要到位，盡可能的保持洞口處的原有地貌，并且洞門在設(shè)計(jì)過(guò)程中要與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)。遵循以上原則對(duì)隧道的洞口進(jìn)行施工，施工方法選擇盡可能的滿足這幾個(gè)原則。

2.1 輔助工法的選擇

該隧道洞口段巖體具有淺埋偏壓較松散的特點(diǎn)，而且邊坡相對(duì)比較陡峭，隧道進(jìn)洞開(kāi)挖的過(guò)程中，易產(chǎn)生邊坡坍塌，地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，隧道開(kāi)挖跨度大，更增加施工難度，因此選擇合適的輔助工法是保證隧道安全進(jìn)洞的重要因素。

1)鋼管樁地表注漿。地表注漿是目前應(yīng)用較為廣泛的一種地層加固方法，適用于地質(zhì)水文條件復(fù)雜，埋深淺，節(jié)理發(fā)育或存在偏壓的情況，主要適用于亞黏土、粘性的砂土地層。其主要原理是通過(guò)向孔內(nèi)注入水泥漿液，水泥漿液在一定的壓力下滲透到地層中，從而對(duì)地下裂縫、空隙進(jìn)行填充、擠密、加固等效果。同時(shí)可以加強(qiáng)土體的整體性，避免土體發(fā)生剪切破壞，而且能夠?qū)崿F(xiàn)堵水的目的。地表注漿可以滿足不利條件下隧道的成洞，使地表的沉降減小，從而使地下水以及偏壓對(duì)隧道洞口的開(kāi)挖的影響降到最低。鋼管樁注漿加固則主要是利用鉆孔無(wú)縫鋼管來(lái)進(jìn)行地表注漿，利用水泥漿液填充松散巖土體間的空隙，使?jié){液包裹碎石，并且與鋼管共同形成有力的支撐骨架，使松散巖土體固結(jié)為整體，大大的改善了其穩(wěn)定性;同時(shí)由于鋼管又能深入穩(wěn)定的巖層，多根鋼管利用漿液固結(jié)同巖層形成受力整體，達(dá)到排樁地下連續(xù)墻的效應(yīng)，能有效地阻止巖體在偏壓側(cè)向應(yīng)力作用下的側(cè)向位移，從而確保隧道施工與運(yùn)營(yíng)安全。在隧道的進(jìn)口段用鋼管樁地表注漿的方式進(jìn)行施工，采用的鋼管樁直徑為80 mm，鉆孔按照邊長(zhǎng)為1 m的正方形布置。注漿材料的要求如表1所示，注漿的施工流程如圖1所示。

表1 注漿材料要求

2)超前大管棚。一般情況下在隧道的洞口處設(shè)置管棚，其是地層的安全以及穩(wěn)定性保證措施，使施工中造成的地表沉降得到控制。作為超前支護(hù)的一種重要輔助措施，管棚對(duì)于大斷面形式的隧道、隧道洞口的淺埋段以及一些不良地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工過(guò)程中比較適用。研究表明，在隧道工程的施工中，管棚對(duì)隧道的正常施工進(jìn)行起到了良好的作用。管棚對(duì)拱頂圍巖的應(yīng)力釋放能夠起到有效的緩解，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)挖造成的地表沉降的控制以及拱頂周圍的圍巖位移的限制，進(jìn)而保證隧道的洞口施工的安全性。隧道進(jìn)洞口段采用的管棚長(zhǎng)度L=40 m，熱軋無(wú)縫鋼管規(guī)格為直徑108×8 mm，節(jié)長(zhǎng)為6 m和9 m兩種，管棚的環(huán)向間距40 cm，仰角設(shè)計(jì)為1°～3°，雙線鐵路隧道斷面施作范圍為拱頂132°。管棚施工中用到的注漿材料的規(guī)格見(jiàn)表2，管棚的布置示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 注漿施工流程圖

表2 管棚施工注漿材料要求

圖2 管棚的施工布置示意圖

2.2 隧道洞口段開(kāi)挖方法的選擇

大跨度隧道在進(jìn)行洞口開(kāi)挖過(guò)程中，用到的方法根據(jù)隧道所處的工程地質(zhì)條件不同也會(huì)有所差別。但是，總體上來(lái)說(shuō)，洞口的施工都要先進(jìn)行輔助工法施工，然后按照三臺(tái)階法的要求分步進(jìn)行開(kāi)挖。常用的方法有CRD法或者是CD法、單(雙)側(cè)壁導(dǎo)坑法、超前導(dǎo)坑法等。其出發(fā)點(diǎn)是盡可能的減小斷面開(kāi)挖跨度，通過(guò)臨時(shí)支護(hù)或臨時(shí)仰拱的方法，盡快地沿開(kāi)挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定洞室，從而控制沉降，控制圍巖位移以及使結(jié)構(gòu)的受力均勻，形變小。

在淺埋偏壓的地形條件下，再加上地質(zhì)條件差，開(kāi)挖跨度大，在有要嚴(yán)格控制沉降的情況下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要優(yōu)于其他開(kāi)挖方法，適用于三線或多線特大斷面鐵路隧道工程及地下工程。這種方法將隧道的大斷面形式分割成一定數(shù)量的小斷面，并進(jìn)行臨時(shí)的支護(hù)、仰拱、頂面噴射混凝土等輔助施工，從而保證有穩(wěn)定的掌子面以及隧道洞口處的圍巖控制，實(shí)現(xiàn)隧道的安全施工。對(duì)淺埋軟巖大跨度隧道開(kāi)挖方法，從圍巖塑性區(qū)，應(yīng)力狀態(tài)，以及位移場(chǎng)分布規(guī)律看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CD法和三臺(tái)階法。而對(duì)淺埋偏壓大跨度隧道，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制周邊位移，地表沉降，以及拱頂沉降等情況下比其他施工方法具有優(yōu)越性。

該隧道洞口段圍巖地質(zhì)條件差，又處于淺埋偏壓地段，隧道側(cè)壁最低覆土厚度只有6 m，洞口段開(kāi)挖跨度15.22 m，開(kāi)挖高度達(dá)到約11 m，開(kāi)挖最大面積約為160 m2。隧道施工精度要求高，施工質(zhì)量等級(jí)高。只有在將沉降有效控制的前提下，才能滿足施工精度要求，并保證施工質(zhì)量。通過(guò)上節(jié)分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠有效的控制沉降以及周邊位移，因此，在該隧道的洞口施工中將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為施工方法。

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工流程

對(duì)大跨度的隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑方法，施工的原理就是通過(guò)將大斷面的開(kāi)挖洞室進(jìn)行有效的分割，使其成為一個(gè)個(gè)小的洞室，對(duì)小洞室進(jìn)行開(kāi)挖施工。每個(gè)洞室在施工過(guò)程中，自身是一個(gè)封閉的施工個(gè)體，要經(jīng)過(guò)開(kāi)挖、支護(hù)等環(huán)節(jié)，這就使得這種方法對(duì)圍巖的變形控制非常好。如果條件允許，也可以通過(guò)模擬對(duì)隧道的施工進(jìn)行指導(dǎo)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖的示意圖如圖3所示。先對(duì)左導(dǎo)坑的上臺(tái)階①部進(jìn)行開(kāi)挖，然后對(duì)其進(jìn)行初期以及臨時(shí)的支護(hù)施工;①部施工結(jié)束后一定時(shí)間內(nèi)對(duì)②部進(jìn)行開(kāi)挖，并做支護(hù)處理;然后依次進(jìn)行③④⑤⑥⑦部的開(kāi)挖，同樣進(jìn)行初期、臨時(shí)的支護(hù)施工。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的示意圖

2.4 隧道洞口段施工過(guò)程

該隧道的洞口段所處的位置的地質(zhì)地形條件比較復(fù)雜，是一種比較典型的大跨度淺埋式的洞口形式。在洞口開(kāi)挖以前，要對(duì)洞口范圍內(nèi)做好截水、排水處理，并對(duì)天溝進(jìn)行有效的設(shè)置，并且對(duì)邊坡、仰坡的坡面做好防護(hù)工作，地表的加固處理也要得當(dāng)。大管棚以及導(dǎo)向墻施作后，進(jìn)行良好的臨時(shí)支護(hù)，然后對(duì)隧道的暗洞進(jìn)行開(kāi)挖，施作一段暗洞后再施作洞口端墻以及洞口附屬工程。

3 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)大跨度隧道淺埋洞口的施工過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)述，包括輔助工法的選擇、洞口開(kāi)挖方法的選擇、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工流程、隧道洞口段施工等施工方法，希望能對(duì)大跨度隧道洞口淺埋段的施工提供參考。

［1］劉小軍，張永興.淺埋偏壓隧道洞口段合理開(kāi)挖工序及受力特征分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(4):39-40.

［2］趙光武.洞口淺埋和偏壓段施工方法探討［J］.山西建筑，2011，37(15):169-170.

［3］郭銳陽(yáng).雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法在淺埋、偏壓及軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2010(6):79-80.