陡壁地形隧道錨進(jìn)洞方案優(yōu)化設(shè)計

崔 炫 崔 燦

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司 貴陽 550008)

深切溝谷地形溝壑受構(gòu)造、侵蝕作用，切割深、谷底與兩岸高差大、地形陡峭。在這種復(fù)雜地形條件下,隧道、隧道錨洞口施工便道與施工場地布置、村料運輸棄渣場地布置等難度大,按傳統(tǒng)方法先拉槽開挖洞口邊仰坡,從正面洞施工,便道及洞口大規(guī)模開挖不但會破壞原有地形和植被,對洞口環(huán)境破壞嚴(yán)重,還會破壞山體原有平衡狀態(tài),極易產(chǎn)生坍塌、順層滑動等現(xiàn)象。隨著我國西南高原山區(qū)地區(qū)修建公路數(shù)量的迅速增長，需要穿越的地形越來越復(fù)雜，有些橋隧相接的隧道、懸索橋隧道錨碇位于陡崖之上，自然坡度可達(dá)到70°～80°，施工平臺無法建立，若采用正面開挖的方式，代價巨大。深切地形下，隧道進(jìn)洞方面有許多類似的成功經(jīng)驗，茍德明[1]介紹了深切地形下橋隧相接時，隧道橫洞進(jìn)洞的方案，該方案很好地控制了仰坡的高度，取得了很好的環(huán)保效果；王遠(yuǎn)奇[2]簡述了隧道施工中單向出洞方式的優(yōu)點，從施工動態(tài)設(shè)計、輔助措施、開挖方式等方面，探討了單向出洞的施工關(guān)鍵技術(shù)。但目前國內(nèi)針對懸索橋隧道錨在類似地形條件下進(jìn)洞方式的研究較少，下文以國高網(wǎng)玉楚線綠汁江隧道錨洞設(shè)計為例，探討陡壁地形條件下隧道錨洞合理的進(jìn)洞設(shè)計。

1 工程概況

1.1 錨洞概況

國高網(wǎng)G8012彌勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，設(shè)計速度為100 km/h。其中的控制性工程綠汁江特大橋位于云南省玉溪市綠汁鎮(zhèn)，為獨塔單跨780 m鋼箱梁懸索橋，兩岸均為隧道式錨碇，受地形地質(zhì)限制，楚雄岸設(shè)纜洞過渡以使主纜到達(dá)地質(zhì)較好的轉(zhuǎn)索點。

楚雄岸左右幅各設(shè)置1座隧道錨，隧道錨洞的地質(zhì)縱面見圖1，立面圖見圖2。

圖1 隧道錨洞地質(zhì)縱面圖

圖2 隧道錨洞立面圖(單位：cm)

左、右幅兩隧道錨洞尺寸一致，洞長為78.34 m，前錨室的開挖寬、高分別為9.8，11.4 m，錨塞體的最大開挖寬、高分別為18.8，23 m，纜洞的開挖寬、高分別為6.82，10.35 m。錨洞下方為白石巖1號隧道，錨洞底距隧道頂?shù)淖钚【嚯x為33 m。

1.2 地形地貌

項目區(qū)地處云南省中部，場地隸屬易門縣綠汁鎮(zhèn)，縣道X318從橋位中部河谷右岸通過，而隧道錨場區(qū)斜坡地形陡峭，無公路通過，交通條件差。

場區(qū)海拔1 438.7～1 947.3 m，相對高差508.6 m；綠汁江大橋軸線通過段地面高程在1 560～1 880.1 m之間，相對高差320 m。地形落差極大，河谷深切，為典型的深切V形峽谷地貌。楚雄岸隧道錨橫穿山脊，地勢起伏較大，坡體植被發(fā)育。其中錨洞軸線附近地形極為陡峭,自然坡度為70°～80°,平均坡度約75°，隧道錨場區(qū)地形實景圖見圖3。

圖3 隧道錨場區(qū)地形實景

1.3 工程地質(zhì)條件

綠汁江橋及其隧道錨的地質(zhì)平面圖見圖4。

圖4 綠汁江特大橋及隧道錨地質(zhì)平面布置圖

場區(qū)上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)含碎石黏土、第四系沖洪積層(Qal+pl)、崩塌堆積層(Qc)塊石土；下伏基巖為前震旦系昆陽群綠汁江組(Pt1lz)灰～深灰色薄至中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾板巖及泥質(zhì)白云巖、板巖夾白云質(zhì)灰?guī)r。

錨碇洞身圍巖為薄至中厚層狀中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，巖質(zhì)較硬，Rc=30 MPa。巖體較完整，Kv=0.58。隧道開挖易產(chǎn)生點滴狀、淋雨狀出水，地下水影響修正系數(shù)K1=0.20、K1=0.20、[BQ]=285。圍巖無支護(hù)時易產(chǎn)生松動變形、擠壓破壞和坍方，按IV級圍巖進(jìn)行支護(hù)[3]。另外纜洞靠近坡體表面部位，節(jié)理裂隙發(fā)育，纜洞開挖易發(fā)生垮塌，應(yīng)加強(qiáng)襯砌支護(hù)。施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報、超前鉆孔等工作指導(dǎo)措施。

2 進(jìn)洞設(shè)計

2.1 常規(guī)進(jìn)洞

進(jìn)洞是隧道正式進(jìn)行掘進(jìn)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要步驟。常規(guī)的進(jìn)洞方式是從隧道洞口正面拉槽對邊仰坡進(jìn)行開挖防護(hù),然后設(shè)置洞口套拱,施工洞口超前支護(hù)后進(jìn)行開挖支護(hù)。

根據(jù)不同洞口地形、地質(zhì)條件可采取拉槽開挖進(jìn)洞、“零開挖”進(jìn)洞、貼壁進(jìn)洞、回填反壓暗挖進(jìn)洞、蓋挖法進(jìn)洞、半明半暗進(jìn)洞等方式。這些傳統(tǒng)的正面進(jìn)洞方式需修建施工便道至隧道洞口,將施工機(jī)械、設(shè)備、材料等運輸至洞口施工現(xiàn)場。由于楚雄岸隧道錨進(jìn)口處為深切溝谷高陡地形,現(xiàn)有交通道路與隧道洞口高差大,設(shè)置施工便道需繞行較遠(yuǎn)距離才能克服谷底與洞口之間的高差,加上溝谷兩岸地形陵峭、進(jìn)洞刷坡對洞口自然環(huán)境破壞嚴(yán)重，結(jié)合現(xiàn)場實際地形地質(zhì)情況的刷坡規(guī)模如下：仰坡采用1∶0.4坡率開挖，造成18級、165 m高的仰坡。由于挖方邊仰坡太高，巖體較破碎，邊坡失穩(wěn)的可能性大，工程風(fēng)險高，且有更多不可預(yù)見及不可控制的風(fēng)險存在。從造價、安全、環(huán)保等因素考慮，正面進(jìn)洞的方案不合適。

2.2 隧道挖斜井至隧道錨輔助進(jìn)洞

隧道錨洞下方為白石巖1號隧道，為雙向四車道斷面，右幅隧道起訖樁號為YK103+297-YK104+285,圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、偶夾偶夾礫巖、板巖。白石巖1號隧道可由大樁號進(jìn)洞，反打190 m后，開始修建斜井至隧道錨后錨室，采用從后向前的方式擴(kuò)挖反打至隧道錨出洞。本方案可避免隧道錨洞正面的高仰坡，基本實現(xiàn)零坡出洞。本方案增設(shè)的輔助斜井長度為650 m，縱坡坡度6.9%。作為輔助施工的隧道可以采用較經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，但規(guī)模過長還是導(dǎo)致了輔井造價偏高；另外本方案受白石巖1號隧道反打進(jìn)度的制約，同時在隧道內(nèi)增設(shè)斜井將使2個工區(qū)施工過程相互干擾，對工期造成的影響大，雖然能解決高邊坡的問題，但又帶來了高造價、工期延后等新問題，故不推薦本方案。

2.3 施工橫洞輔助進(jìn)洞

增設(shè)隧道錨進(jìn)口施工便道，起點接14號進(jìn)場道路,接線樁號位于K3+340附近,接線高程1 736.7 m,路線沿山體下坡布設(shè),路線布設(shè)至K2+290處設(shè)置施工橫洞穿越山體到達(dá)楚雄岸隧道錨洞口,全長2.463 km,設(shè)置173 m隧道1座，施工橫洞平面軸線與隧道錨洞呈90°角相交，縱坡采用8%下坡。施工橫洞與隧道錨位置關(guān)系見圖5。

圖5 施工橫洞輔助進(jìn)洞方案布置圖

施工橫洞采用R1=2.9 m的圓拱直墻式內(nèi)輪廓，內(nèi)輪廓高7.2 m，寬5.68 m，滿足大型機(jī)械及出渣車的通行要求，橫洞除交叉口采用復(fù)合式襯砌外，其余采用錨噴襯砌。施工橫洞在后續(xù)可以作為隧道錨的檢修通道。

施工橫洞的終點為隧道錨散索鞍基礎(chǔ)前端，后經(jīng)過擴(kuò)挖變成聯(lián)絡(luò)通道，起聯(lián)通纜洞和隧道錨前錨室的作用，纜洞可借聯(lián)絡(luò)通道由內(nèi)向外反打出洞，基本實現(xiàn)零仰坡。

本方案的施工工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，存在施工橫洞擴(kuò)挖及聯(lián)絡(luò)通道開四隧洞的難點，4個隧洞在空間上相互干擾嚴(yán)重。交叉關(guān)系見圖6，故在考慮加強(qiáng)襯砌支護(hù)的同時，更要考慮4個隧洞開挖順序的問題。針對這一實際情況，設(shè)計給出了詳細(xì)的開挖方案，在遵循“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的前提下，要求在開挖時確定好各洞的開挖時間差，采取短進(jìn)尺、淺眼輕藥弱爆破，避免由于施工方法不當(dāng)造成各隧洞間圍巖的二次擾動，同時施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測和變形分析，并據(jù)此及時調(diào)整開挖方法和修正支護(hù)參數(shù)，酌情預(yù)留圍巖變形量，必要時及時增設(shè)臨時鋼支撐，確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。

圖6 施工橫洞與纜洞、前錨室位置關(guān)系圖(單位：cm)

2.3.1本段具體的開挖工序

1) 施工橫洞擴(kuò)挖。施工橫洞到聯(lián)絡(luò)通道過渡段落的擴(kuò)挖，設(shè)計采用由施工橫洞斜向開挖至聯(lián)絡(luò)通道上臺階，上臺階拉通后，再進(jìn)行下部的開挖。擴(kuò)挖方案見圖7。

圖7 橫洞縱向擴(kuò)挖方案圖(單位：cm)

2) 一通轉(zhuǎn)四洞開挖順序

首先將聯(lián)絡(luò)通道施工至終點，待二襯達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行纜洞1的開挖，纜洞1初期支護(hù)完成后，再進(jìn)行隧道錨前錨室1的開挖支護(hù)，最后將上游交叉口作為整體施工二襯。

上游側(cè)交叉口二襯施工完畢后，再鏡像進(jìn)行下游開挖支護(hù)，開挖順序圖見圖8。

圖8 一通轉(zhuǎn)四洞開挖順序圖(單位：cm)

由于4個工作面相互施工的干擾會非常大，故必須嚴(yán)格按照工序圖中要求，分部開挖，分部支護(hù)，嚴(yán)禁四洞同時開挖。

2.3.2交叉口處施工要點

1) 馬頭門處為結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換點，做好馬頭門加固是保證隧道錨洞、纜洞進(jìn)洞安全的重要措施。

2) 橫洞隧道開挖中下臺階完成鋼拱架安裝后，在交叉口聯(lián)絡(luò)通道初支鋼架外輪廓外20 cm處，沿隧道初期鋼架上及時分段焊接弧形連接鋼板，鋼板尺寸為200 mm×20 mm(寬×厚)，在弧形連接鋼板上下側(cè)均打設(shè)直徑×壁厚=50 mm×4 mm注漿鎖腳鋼花管，L=6.0 m,上側(cè)α=15°，下側(cè)α=30°。待鎖腳錨桿與便道隧道鋼架連接牢固后，分段割除交叉口部分便道隧道鋼架，采用臺階法向纜洞通道進(jìn)洞3～5 m(交叉口部位10 m范圍內(nèi)擬采用人工機(jī)械等非爆破施工)，然后待穩(wěn)定后繼續(xù)向前施作隧道，馬頭門處施工注意要點見圖9。

圖9 馬頭門處施工工藝圖

3) 馬頭門破除前，應(yīng)安裝纜洞通道第一榀鋼架，打設(shè)超前小導(dǎo)管，并使鋼架及小導(dǎo)管與便道隧道鋼架連接牢靠，然后再破除馬頭門，破除馬頭門時必須由上至下進(jìn)行，破除后連立2榀鋼架，以確保開挖安全。

4) 根據(jù)監(jiān)控量測和變形分析，適時施作交叉口便道通道、纜洞隧道二次襯砌。

經(jīng)過比選，設(shè)計最終采用施工橫洞輔助進(jìn)洞方案進(jìn)行施工，經(jīng)現(xiàn)場驗證，隧道錨在零仰坡開挖的情況下，已經(jīng)探頭出洞，施工橫洞進(jìn)洞的方案取得了較好的環(huán)保效果。

3 結(jié)語

綠汁江特大橋隧道錨所在地為典型的深切溝谷高陡地形,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,工程建設(shè)中貫徹“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的新型設(shè)計理念,以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為前提,通過精心勘察設(shè)計,成功解決了下列建設(shè)難點,保證了工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1) 根據(jù)隧道錨洞口深切溝谷、高陡地形條件,按造"早進(jìn)洞、晚出洞"的原則確定隧錨洞的開挖方案 ,盡量減少洞口邊仰坡開挖,保護(hù)洞口原有地形及自然景觀。

2) 在洞口施工場地狹窄陡峭,常規(guī)正面進(jìn)洞方法無法實施的情況下,在進(jìn)場道路處新增施工便道+橫洞從側(cè)向進(jìn)洞,保證了隧道進(jìn)洞施工安全可行、經(jīng)濟(jì)合理,同時有效地保護(hù)了自然環(huán)境。

3) 為避免洞口局部掉塊，在纜洞反打出洞后，采用倒削竹懸挑式洞門，洞門懸挑部分如同雨棚一樣，起到一定的擋碎石作用，同時洞門與周邊環(huán)境有機(jī)融合,有效保護(hù)了洞口的自然景觀。