“零仰坡”開挖進洞與單向貫通出洞技術在石子崎隧道中的應用

洪貴權

佛山市建盈發展有限公司，廣東 佛山 528000

隨著現代高速公路建設的不斷發展，“人與自然和諧發展”“綠色公路”等理念進一步強化，環境保護要求提高，仁新高速項目在建設之初就提出了“平安、耐久、綠色”的建設理念，石子崎隧道采用“零仰坡”進洞及單向掘進貫通出洞，最大限度地減少了洞口段的開挖，實現了生態環境保護，并節省了成本。文章主要結合石子崎隧道工程實例，介紹“零仰坡”開挖進洞與單向掘進貫通出洞技術。

1 隧道建設條件

1.1 隧道概況

石子崎隧道位于廣東省連平縣隆街鎮長沙村南側山脈，呈183°方向展布，設計為洞口小凈距式，洞身分離式隧道，設計速度為100km/h，雙向6車道，左線長659m，右線長620m，屬中隧道；左線進口端與右線出口端設置端墻式洞門，左線出口端設置削竹式洞門；洞口段為Ⅴ級淺埋圍巖，隧道最大埋深約為126m，隧道進出口段均是接橋梁，進出口及洞身無道路抵達，交通條件差。

1.2 地形、地貌與工程地質

石子崎隧道位于低山地貌區，隧道進出口端山坡坡度較陡，自然坡度一般為30°～40°；植被發育，水土保持較好。進口位于一北向斜坡上，地層為強風化砂巖揭露厚度22m，斜坡臨空面方位355°，與路線走向呈大角度斜交，巖層產狀348°∠21°；出口位于一南西向斜坡上，上覆全～強風化層厚28m，與路線走向大角度相交，巖層產狀320°∠34°；進出口端洞口段巖石裂隙發育，巖體較破碎，完整性差，圍巖分級為Ⅴ級，圍巖易坍塌。

1.3 原設計隧道進洞方案與貫通方案

原設計隧道按開挖邊仰坡方案進洞，做好排水系統后，先開挖邊仰坡；采用30m長的管棚預支護；采用I22工字鋼及φ22mm藥卷式錨桿進行錨噴初期支護；采用雙側壁導坑法開挖。

原設計貫通方式為雙向貫通，貫通位置選擇在隧道中部圍巖較好段落，在兩開挖工作面間的距離剩下10～15m時，從一端開挖貫通。

2 隧道進洞方案與貫通方案優化

由于隧道進出口場地狹窄，無可用道路抵達，兩端橋梁施工期長，如開辟兩處工作面，臨時設施建設需增加大量用地，需投入2套設備，開辟施工便道長，破壞環境，且工期長、投入大。鑒于上述條件限制，經研究洞口地質情況和多次現場踏勘，結合項目總體進度計劃和施工可行性分析，決定采用“零仰坡”從出口端進洞，單向掘進采用CD法貫通出洞。具體以左線為例，其技術方案如下。

（1）“零仰坡”開挖進洞就是盡量降低洞口仰坡高度，減少洞口邊仰坡的防護工程量，盡量減少洞口仰坡原始植被的破壞，達到保護環境的目的，左線出口端原設計暗洞止點樁號為ZK359+141，為實施“零仰坡”進洞，將暗洞加長，明洞縮短，即將暗洞止點外移至ZK359+146，覆蓋層厚度約70cm，其超前支護洞口第一環采用φ108mm管棚、φ42mm洞內小導管，環向間距為40cm；初期支護采用22b鋼拱架，縱向間距為50cm，并采用φ22mm藥卷式錨桿及雙層鋼筋網進行錨噴支護；開挖方法由雙側壁導坑法調整為三臺階預留核心土開挖法。隧道出口端“零仰坡”進洞效果如圖1所示。

圖1 隧道出口端“零仰坡”進洞效果

（2）原設計為雙向掘進在隧道中部貫通，進口洞口段設計為雙側壁導坑法開挖，ZK358+497～502段為明洞，按照“早進洞、晚出洞”的原則，結合現場地質，決定將暗洞出洞樁號外移2.5m，調至ZK358+499.5，ZK358+497～499.5段為明洞，從出口端向進口端單向貫通出洞，采用CD法開挖，超前支護采用φ50mm單層注漿小導管，環向間距為40cm；初期支護采用22b鋼拱架，縱向間距為50cm，并采用φ22mm藥卷式錨桿及雙層鋼筋網進行錨噴支。隧道進口端出洞減少仰坡效果如圖2所示。

圖2 隧道進口端出洞減少仰坡效果

3 “零仰坡”開挖進洞施工技術

（1）施工準備。根據隧道洞口的設計情況、標高和自然坡度準確計算出明暗交接點的樁號（ZK359+146），利用全站儀放出套拱輪廓的位置，并以此控制洞門兩側拉槽分臺階的開挖，在洞口開挖前設置洞頂截水溝和地表防排水系統。進洞施工順序：測量放樣確定“零仰坡”進洞的位置→套拱施工→長管棚施工→洞身開挖（三臺階預留核心土）。

（2）“零仰坡”進洞位置的確定。為了做到“零仰坡”開挖，根據鋼拱架的間距，鋼拱架從明暗交接點（ZK359+146）向外施工。

（3）套拱施工。拱部按設計先施工錨桿支護與拱部鋼拱架（至少1榀）焊接牢固，長管棚支護先在鋼拱架上定出導向管的位置，再將導向管焊接在鋼拱架上。套拱采用C30混凝土，厚度為70cm，長度為2m，套拱內共安裝4榀I22b鋼拱架，每榀鋼拱架之間用φ22mm鋼筋連接，連接鋼筋環向間距為1m；按以上參數及要求施工完成后安裝頂模與端模，套拱一次澆筑完畢。

（4）長管棚施工。套拱混凝土強度不小于75%時，方能進行管棚鉆孔施工，管棚采用φ108mm×6mm熱軋無縫鋼管，單根管棚長30m，共51根，環向間距為40cm，外插角為1°～3°，導向鋼管采用φ133mm×4mm鋼管，沿拱部120°范圍環向間距40cm均勻布置在工字鋼鋼架上；管棚四周鉆φ10mm注漿孔，尾部250cm范圍不鉆孔，作為止漿段；管棚注漿采用水泥漿液（添加水泥漿液體積5%的水玻璃），水灰比為1∶1，注漿初壓為1.0MPa，終壓為2.0～2.5MPa。

（5）洞身開挖。洞口段采用三臺階預留核心土方法開挖，上臺階高度為4.0m，中臺階高度為3.45m，下臺階開挖至仰拱填充頂面，最后進行仰拱開挖，每循環進尺0.5～1m；各臺階步距控制：上臺階長度控制在3～5m；上、中臺階距離為8～12m，中臺階左右側錯開2～3m；中、下臺階距離為10～15m，下臺階左右側錯開2～3m；下臺階開挖10m，洞口段施作一段3m長的仰拱；上臺階拱腳部位增設擴大基礎確保穩定，上臺階擴大拱腳連接鋼板尺寸為120cm×30cm，鋼板厚度為2.0cm，在鋼板與鋼架間連接一根I22b工字鋼，作為鋼板與I22b工字鋼的斜身支撐，拱腳兩側鎖腳為4根φ42mm小導管，長度為4m，鎖腳錨管在鋼架拱腳底部緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角45°打設，尾部與鋼架焊接牢固。三臺階預留核心土開挖順序及上臺階擴大拱腳示意圖如圖3所示。

圖3 三臺階預留核心土開挖順序及上臺階擴大拱腳示意圖

4 CD法貫通出洞施工技術

（1）CD法施工技術。石子崎隧道左線在出洞前采用三臺階開挖法，在距離進口端20m處（即樁號為ZK358+522），工法由三臺階轉換為CD法（施工范圍20m）貫通出洞，施工到樁號ZK358+522時，左側壁先行導坑施工至出洞，左側壁采用二臺階開挖，小導洞最大寬度控制在7m范圍；再施工右側壁導洞，右側壁采用三臺階開挖，同時加快仰拱施工至樁號ZK358+522位置，二襯在左側壁導坑出洞前施工至樁號ZK358+531位置；根據圍巖情況與監控量測數據加臨時支護、臨時仰拱支護等應急措施，確保安全。

（2）CD法開挖工序。石子崎隧道單向掘進CD法貫通出洞開挖施工工序如圖4所示，具體如下。①先行導坑出洞，即先開挖1部，最大開挖寬度控制在7m內，并隨挖隨掛網噴錨，架設鋼拱架，中壁加設I16工字鋼支撐施工初期支護（2），左側開挖采用二臺階法。②左側及洞身挖掘推進，1部先行導坑出洞后開挖3部，隨挖隨掛網噴錨，架設鋼拱架，中壁加設I16工字鋼支撐施工初期支護（4）；3部正常推進后右側采用三臺階開挖法施工，即開始施工5部后行導坑上部，并做好相應初期支護（6），施工7部后行導坑中部，并做好相應初期支護（8），施工9部后行導坑下部，并做好相應初期支護（10），臺階縱向長不超過5m。③施工仰拱（11），并進行混凝土澆筑，最后進行全斷面（12）二次襯砌封閉。④每部開挖的初期支護完成后，開始施工超前支護，超前小導管設計為4.5m，每循環進尺為型鋼間距0.5m，小導管尾部從鋼拱架腹部穿過支承鋼架，與水平面夾角不大于10°。⑤1、5部導洞開挖后每隔3m設置1道臨時仰拱。⑥5、7及9部的掌子面不應比邊墻超前過多，臺階縱向長不超過5m。⑦左側小導洞出洞后立即組織進口端套拱、長管棚等施工。

圖4 CD法施工工序示意圖（單位：mm）

5 隧道監控量測

在隧道“零仰坡”進洞及單向掘進出洞施工過程中，由于洞口段圍巖埋深淺，圍巖自穩性較差，需加強監控，指導全過程施工。該隧道進行的監控量測項目有洞口淺埋段地表沉降觀測、拱頂下沉、洞室周邊位移等，每天監測次數不少于1次，每5～10m擬布設一道監測斷面，每個斷面擬布設7個點，并及時記錄數據向現場反饋。地表沉降監控量測時間曲線如圖5所示。

圖5 地表沉降監控量測時間曲線

6 結束語

“零仰坡”開挖進洞技術在保證了隧道進洞的安全前提下，避免了邊仰坡的大量開挖，有效保護了洞口地形地貌，達到了安全、優質的進洞效果，實踐了隧道綠色施工新工藝；單向貫通出洞技術，消除了施工場地限制的條件，省去了一端配套的臨建設施和施工用地（尤其是在短隧道施工時，采用單向掘進貫通出洞可顯著節約成本），同時，洞口的仰坡基本維持了植被的原貌，最大限度地保護了生態環境，該工法已成功應用于仁新高速石子崎隧道施工，取得了較好的經濟效益和社會效益，可供同類隧道工程借鑒。