大斷面隧道偏壓陡坡洞口段施工技術分析

周建軍

【摘要】 偏壓陡坡洞口段隧道施工中，由于施工擾動造成地應力的二次分布， 成為洞口邊坡滑動或者洞口淺埋段塌方的誘導因素。不良地質條件的洞口段偏壓大斷面隧道施工風險和隧道邊坡綜合施工風險是在建寶蘭高鐵小墁坪隧道施工上的風險控制點。論文以小墁坪隧道出口段為背景工程，對大斷面隧道下穿邊坡偏壓洞口段綜合施工技術進行了分析，提出的洞口段施工技術在很大程度上促進了施工進度，保障了施工安全。

【關鍵詞】 隧道工程；洞口段施工；偏壓陡坡；安全控制

近年來，我國隧道建設進入高峰期，出現大量在建和待建的山嶺隧道工程。山嶺隧道工程不良地質條件常常誘發(fā)施工運營災害，一直以來成為困擾隧道施工安全的難題。山嶺隧道與邊坡密切相關， 包括隧道進出口時洞門外的邊坡以及洞門頂部的仰坡，在施工過程中可能受到潛在的滑坡、剝落、崩落等邊坡變形破壞等問題的威脅。隨著隧道建設數量的增加，也出現了很多穿越既有道路的隧道工程，既有路基與隧道圍巖存在著復雜的相互作用，給隧道施工和運營問題帶來更多的困難，這方面缺乏成熟的理論和規(guī)范可供借鑒。新建鐵路寶雞至蘭州客運專線甘肅段隧道是我公司承擔的重要建設項目，山嶺隧道修建于山體之中，地質條件更加復雜，尤其是洞口段，由于施工擾動造成地應力的二次分布， 成為洞口邊坡滑動或者洞口淺埋段塌方的誘導因素， 因此， 合理的施工方式對控制洞口邊坡以及淺埋段的穩(wěn)定性至關重要。

1. 工程概況

小墁坪隧道位于天水市麥積區(qū)元龍鎮(zhèn)，出口位于太碌大溝內，地面高程一般為1003-1750m，通過區(qū)地勢起伏較大，山勢陡峻，河流曲折 ，呈峽谷地貌景觀。隧道洞身最大埋深約656.8m。隧道起迄里程DK717+910～ DK726+147.9，出口位于R-10000m的曲線上，其余為直線。洞身縱坡為23.4‰-16.1‰。本標段隧道起止里程為DK717+910- DK726+147.9，全長8238.138m。隧道圍巖級別如下表1所示。

1.1 工程地質及水文地質概況

隧道區(qū)地表水較發(fā)育，隧道洞身上部溝谷內均常年有水。因溝谷中地表水基本為土石分界面出露的泉水和沿途基巖裂縫中滲出的地下水，因而該隧道區(qū)地下水較發(fā)育。地下水水質良好，化學類型為HC03.S04-Ca.Na和HC03.S04-Ca型水，礦化度小于0.30g/l，對圬工不具氯鹽、硫酸鹽侵蝕性。 小墁坪隧道區(qū)地下水以松散巖層孔隙水和基巖裂隙水為主，松散巖層孔隙水主要賦存于溝谷區(qū)第四系全新統(tǒng)砂，卵石、漂石土中，基巖裂隙水賦存于燕山期侵入的花崗巖中，依據儲水裂隙成因的不同，又分為風化裂隙水和構造裂隙水兩類，隧道洞身通過區(qū)嶺脊段落地下水主要為后者，地下水水質較好，礦化度小于0.3g/l，對圬工不具氯鹽和硫酸鹽侵蝕性。

表1 隧道襯砌類型及施工輔助措施

序號 里程段落 段落長度 圍巖級別 開挖方法

起始里程 終止里程

1 DK725+822 DK725+922 100 Ⅲ 三臺階法

2 DK725+922 DK726+000 78 Ⅳ 三臺階法

3 DK726+000 DK726+100 100 Ⅳ 三臺階法

4 DK726+100 DK726+102 2 Ⅴ 三臺階+臨時橫撐

5 DK726+102 DK726+132 30 Ⅴ 三臺階+臨時橫撐

6 DK726+132 DK726+147.9 15.9 Ⅴ 明挖

1.2 設計概況

結合隧道所處地形、地質條件，考慮施工工期及洞口施工條件，小墁坪隧道出口采用鉆爆作業(yè)，采用新奧法施工。隧道建筑限界采用線間距為4.6m 的新建鐵路客運專線雙線區(qū)間隧道，隧道軌面以上有效凈空面積為92m2，曲線地段線間距不加寬。寶雞端洞口處地形較陡，為減少刷坡挖方，結合秦嶺溝中橋的設置，定洞口于DK717+910，采用到切式洞口，設18m長明洞結構，盡可能減少邊仰坡開挖并與洞口環(huán)境相協調。橋梁臺尾里程為DK717+921.1，橋梁結構進洞11.1m。蘭州端洞口地形陡峭，為減少刷坡挖方、防護落石及結合太碌中橋的設置，定洞口于DK726+147.9，采用到切式洞口，設15.9m長洞門結構。盡可能減少邊仰坡開挖并與洞口環(huán)境相協調。橋梁臺尾里程為DK726+147.9，橋梁臺尾于洞門相連。為確保隧道進洞安全，進出口拱部設置一環(huán)φ108大管棚，管棚環(huán)向間距40cm，長度為30m。

2. 隧道洞口段施工技術

2.1 洞口邊坡施工技術

在施作長管棚前應先進行洞口開挖，及完成邊、仰坡的防護、天溝砌筑。洞口邊仰坡開挖中，土方直接用人工配合挖掘機挖裝；石方采用光面爆破進行鉆爆施工，挖掘機配合裝載機裝碴，自卸車運輸，開挖自上而下逐段分層開挖，與暗洞交界處采取松動爆破，為安全進洞創(chuàng)造條件。松動控制爆破采取接近內部作用藥包的裝藥量，用導爆索或塑料導爆管電起爆系統(tǒng)設計成孔內外微差網路，使得各組炮孔或各個炮孔起爆有足夠的時間間隔，成為單獨作用藥包，炮孔中回填 足夠長度、一定密實度的堵塞物，以保證爆破后的巖石開裂、凸起，松動而不飛散，適于機械化裝車并能有效地控制飛石、振動效應和沖擊波，確保爆區(qū)周圍的安全，詳見下圖1所示。根據設計，邊仰坡施工前先人工在開挖邊緣線10m開挖并施作洞頂截水天溝，待進洞后及時施作洞門和兩側排水溝，與洞頂截水溝相連形成完整排水系統(tǒng)。邊坡開挖邊線劃定后，即在相應位置劃出截水天溝走向線，并清除修筑位置的地表浮土及植被。根據設計尺寸在地表劃出天溝寬度線，即進行開挖。由于截水天溝設計橫斷面尺寸不大，開挖時根據地表巖層情況，選擇用挖掘機械或者放小炮爆破。開挖到預定尺寸后，即進行漿砌片石的砌筑，以便為下部開挖工作面起到臨時排水的作用。注意砌筑時預留排水槽的位置。

圖1 分層橫向臺階布置圖

隧道口開挖前準確測放邊仰坡線確定開挖位置，每開挖一層臺階，均要及時做好邊仰坡防護，然后再進行下部臺階開挖。盡量減少開挖和刷坡范圍，保護好隧道口附近的地表植被。邊坡按1：1刷坡。隧道口邊仰坡支護采用砂漿錨桿+鋼筋網+噴射混凝土聯合支護方式。砂漿錨桿用Φ22鋼筋、錨桿孔內注入砂漿，鋼筋網用Φ8的鋼筋在預制場制成網片。當邊仰坡的刷坡完成后，將坡面上的虛土和浮石清理干凈，將網片沿邊坡鋪設與錨桿固定牢固，鋪設完畢后噴射C25混凝土封閉邊坡面。

2.2 洞口大管棚及小導管超前支護施工

大管棚采用Ф108mm×6mm熱軋無縫鋼管；導向墻縱向長1.0m，在襯砌輪廓線以外施作，厚100cm，采用C25鋼架混凝土，內埋設I20a工字鋼、φ140×5mm導向套管，導向套管沿拱圈環(huán)向布設，間距、位置及方向應準確，固定鋼筋與導向管采用雙面焊接，焊接長度不小于5d，套拱與明洞襯砌之間預留4cm變形量。混凝土導向墻在洞身外廓線以外施作，導向墻內埋設2榀I20a型鋼支撐，鋼支撐與管棚導向管焊成整體。作為管棚的導向管，它安設的平面位置、傾角、外插角的準確度直接影響管棚的質量。用全站儀以坐標法在工字鋼鋼架上定出其平面位置；用水準尺配合坡度板設定孔口管的傾角；用前后差距法設定導向管的外插角。導向管應牢固焊接在輕型鋼上，防止?jié)仓炷習r產生位移。管棚頂進采用大孔引導和管棚機鉆進相結合的工藝，即先鉆大于管棚直徑的引導孔（φ130mm），然后可用10t以上卷揚機配合滑輪組反壓頂進；也可利用鉆機的沖擊力和推力低速頂進鋼管。采用注漿機將水泥漿液注入管棚鋼管內，注漿壓力0.5MPa～2.0MPa，持壓5min后停止注漿。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達到壓力要求，應調整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質量標準，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。注漿結束后用M7.5水泥砂漿充填，增強管棚的剛度和強度。

超前小導管采用Φ42mm、壁厚3.5mm無縫熱軋鋼管制作，前端加工成錐形并封焊密實，尾部焊上箍筋，管身設若干注漿孔，孔徑6～8mm，孔間距15cm，按梅花型布置；尾部長度不小于100cm，作為不鉆孔的止?jié){段。超前小導管按拱頂外輪廓中心高程和支距進行布孔放樣，并以插釬作為標記控制小導管的間距。小導管環(huán)向間距30cm ，縱向搭接長度為不小于100cm，外插角為10～15?。注漿材料為1 ：1（重量比）水泥漿液，小導管注漿的孔口最高壓力嚴格控制在允許范圍內，以防壓裂開挖面，注漿壓力一般為0.5-1.5Mpa，止?jié){塞必須能承受注漿壓力。注漿量達到設計注漿量或注漿壓力達到設計終壓時結束注漿。注漿擴散半徑不小于40cm，注漿漿液相互交錯自然形成砼拱圈。隧道的開挖長度小于小導管的注漿長度，預留部分作為下一循環(huán)的止?jié){墻。注漿前進行壓水試驗，檢查機械設備是否正常，管路連接是否正確，為加快注漿速度和發(fā)揮設備效率，采用群管注漿。用手持風鉆或鉆孔臺車鉆孔，鉆孔直徑比鋼管直徑大3～5mm，并將小導管打入孔內，如地層松軟也可用游錘或手持風鉆將導管直接打入，打入長度不小于鋼管長度的90%。

2.3臺階法加臨時橫撐開挖技術及穩(wěn)定性

由于本段雙線鐵路隧道的開挖斷面大而且多為軟巖，圍巖變形甚至坍塌。為確保施工安全，Ⅴ級圍巖地段采用安全性、可靠性、穩(wěn)定性好，能夠較好控制圍巖變形，及時封閉成環(huán)的三臺階法施工工藝。三臺階法施工時，將整個斷面分成三個分部，按順序開挖，其施工程序見圖2所示。

圖2 三臺階+臨時橫撐施工工序流程

為確定該方法施工的穩(wěn)定性，采用連續(xù)介質模型的有限差分法對三臺階施工穩(wěn)定性進行了分析。數值模擬采用大型有限差分軟件FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continua）進行。FLAC3D是美國明尼蘇達ITASCA軟件公司編制開發(fā)基于連續(xù)介質快速拉格朗日法的有限差分分析程序。由數值分析得到的隧道開挖過程中圍巖的塑性分布如圖3所示，在施工過程中如地表、隧道結構拱頂、底部位置以及開挖掌子面圍巖出現塑性區(qū)域，如果噴射混凝土封閉不及時，初期支護結構施加不及時，或者超前注漿不均勻，可能導致掌子面風化巖石脫落以及底部隆起、拱頂帽落，對施工造成影響。數值分析的結果表明，寶蘭高鐵小墁坪隧道采用三臺階+臨時橫撐施工過程中，地表沉降、洞內水平位移均小于設計文件的變形量警戒值，能滿足施工控制要求。且從施工過程中巖體受拉、受壓屈服產生的塑性區(qū)分布來看，地表、隧道結構拱頂、底部位置以及開挖掌子面圍巖出現塑性區(qū)域，施工過程易出現拱起及塌落，超前注漿必須嚴格控制，且初期支護施作要及時。

為之，考慮偏壓等地形地貌的影響，建議開挖前應完成超前小導管的施工，并注漿加固地層，固結后開挖上臺階1部土體。施工中采用弱爆破附以小型機具或人工開挖，人工沿拱弧輪廓線修整或人工開挖，每循環(huán)進尺不大于一榀鋼架間距，開挖后立即初噴3cm混凝土開挖面及掌子面以封閉巖面，再進行拱部鋼架安裝、鉆設系統(tǒng)錨桿后復噴砼至設計厚度，使整個開挖面形成閉和環(huán)。上臺階施工至適當距離后，開挖2部臺階，施工中采用弱爆破附以小型機具或人工開挖，人工沿拱弧輪廓線修整或人工開挖，接長鋼架，施作洞身結構的初期支護。下臺階3分部開挖，施工中采用弱爆破附以小型機具或人工開挖，人工沿拱弧輪廓線修整或人工開挖。下半斷面初支，施工工藝同上半斷面，拱架接長應與開挖步驟相對應，交錯進步。仰拱部分開挖，仰拱支護緊跟拱墻支護及時施做。灌筑該段內仰拱，灌筑該段內隧底填充，利用襯砌臺車一次性灌筑二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

（a）施工過程中 （b）工后

圖3 施工過程中及工后巖體剪切破壞產生的塑性區(qū)分布

2.4 初期支護施工

洞口段的噴射混凝土施工采用濕噴作業(yè)，采用C25噴射纖維（微纖維）混凝土。噴射機械安裝好后，先注水、通風、清除管道內雜物，同時用高壓風吹掃巖面，清除巖面塵埃。噴射混凝土在終凝2小時后開始灑水養(yǎng)護，灑水次數以能保證混凝土具有足夠的濕潤狀態(tài)為度；養(yǎng)護時間不少于7晝夜，當氣溫低于5℃不得噴水養(yǎng)護。噴射混凝土表面應密實、平整，無裂縫、脫落、漏噴、空鼓、滲漏水等現象。表面不平整度允許偏差為±2cm。

鋼筋網采用φ6、φ8鋼筋網。隧道鋼筋網預先在洞外鋼構件廠加工成型。鋼筋類型及網格間距按設計要求施作。安裝搭接長度為1～2個網格，采用焊接。砂層地段先鋪掛鋼筋網，沿環(huán)向壓緊后再噴混凝土。鋼筋網隨受噴面起伏鋪設，與受噴面的間隙一般不大于3cm，與錨桿或其它固定裝置連接牢固。開始噴射時，縮短噴頭至受噴面的距離，鋼筋保護層厚度不得小于5cm。噴射中如有脫落的石塊或混凝土塊被鋼筋網卡住時，應及時清除。

鋼拱架在工廠內設置檢驗試拼平臺，加工后在平臺上進行試拼，試拼合格后方可運至現場。試拼誤差周邊控制在±3mm以內，平面翹曲控制在3mm以內。鋼拱架架立首先要測量準確，架立后復核，鋼拱架盡可能與圍巖貼靠緊密（空隙小于5cm），兩側底腳使用墊塊支墊牢固。每單元接頭處施作鎖腳錨桿，通過鋼拱架與錨桿的焊接，將鋼拱架鎖定到墻上。錨桿（管）打設，與水平成約45°角傾斜向下，以改善受力狀態(tài)。

錨桿采用中空注漿錨桿，采用風鉆鉆孔，孔徑較錨桿大15mm，鉆孔完成后采用高壓風清除孔內積水和殘余物，防止錨桿送入過程中被阻。成孔后，由現場施工技術人員對孔深進行檢查，對孔深不能滿足設計深度要求的（允許偏差±50mm），進行補鉆直到滿足施工規(guī)范要求。將錨桿插入錨孔，其位置盡量居中，尾部外露長度為5～15cm。注漿材料宜采用純水泥漿或1：1水泥砂漿，水灰比宜為0.4～0.5。采用水泥砂漿時砂子粒徑不應大于1.0mm。注漿時砂漿經中空錨桿體的中空內孔從連接套上的出漿口進入錨孔，錨孔內的砂漿由外向里充盈，錨孔內的空氣從排氣管排出，注漿完成后，應立即安裝堵頭。在施工中，根據地質情況現場試驗調整參數。注漿時在錨桿上安裝止?jié){墊圈封堵孔口，工作面上的裂紋用塑膠泥封堵。注漿結束后錨桿及時安裝托板。若已錨地段有較大變形或錨桿失效，立即在該地段增設加強錨桿，長度不小于原錨桿長度的1.5倍。

2.5 仰拱、仰拱填充施工技術

仰拱混凝土采用C35鋼筋混凝土或C30混凝土；仰拱填充混凝土采用C20。為保證施工安全，仰拱混凝土應及時施作，支護盡早閉合成環(huán)，整體受力，確保支護結構穩(wěn)定。仰拱距掌子面：Ⅲ級圍巖不超過90m；Ⅴ級及以上圍巖不大于35m。在隧道正洞Ⅴ級圍巖中，待噴錨支護全斷面施作完成后，根據圍巖收斂量測結果，拆除臨時支護，開挖并灌注仰拱及填充混凝土。為保證施工質量，仰拱混凝土進行全幅整體澆筑，同時解決出碴、進料運輸與仰拱施工干擾及仰拱混凝土在未達到要求強度之前承受荷載的問題，采用仰拱簡易棧橋進行施工。

3. 結 論

隨著我國基礎建設高速發(fā)展，高速公路與鐵路、水利隧道穿越偏壓碎石土地層的施工技術需要進一步深入研究，以完善穿越偏壓碎石土地層施工技術的理論與實踐，指導工程施工。論文以在建的寶蘭高鐵小墁坪隧道出口段為背景工程，對大斷面隧道下穿邊坡偏壓洞口段綜合施工技術進行了分析，提出的洞口段施工技術在很大程度上促進了施工進度，保障了寶蘭鐵路的如期順利通車。從小墁坪隧道的施工結果來看，說明整個技術方案是可行的，可直接推廣應用到其他鐵路，公路，水利水電工程項目中。這對我國在高風險長大隧道方面的施工產生了積極的影響，也為行業(yè)內提供了相對成熟的技術管理經驗。

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