蓋挖法在梯田區隧道進洞施工中的應用

陳星宇 CHEN Xing-yu；楊永能 YANG Yong-neng；段曉彬 DUAN Xiao-bin

（①云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650041；②云南建投第二建設有限公司，昆明 650201）

0 引言

在隧道工程施工的整個過程中，進洞施工是關鍵環節，更是隧道主體工程施做所遇到的第一個難題，其成敗直接影響著隧道暗洞段能否正常施工。根據隧道洞口的地形、地質條件和構造物情況，目前常用的進洞方法有：套拱加超前大管棚進洞法、超前小導管進洞法、地表注漿預加固進洞法、回填暗挖進洞法、半明半暗進洞法、蓋挖進洞法等。朱榮輝等[1]以東天山隧道為例，介紹了“蓋挖+自進式管棚”進洞法在崩坡積體中的應用。胡平等[2]通過施工實例介紹了隧道洞口蓋挖法施工的關鍵技術。段曉彬等[3]以大坡隧道為例，介紹了蓋挖法在隧道洞口段施工中的設計及施工方法。

蓋挖法是一種拱部明做，拱下暗挖的施工方法。具體而言，即：對隧道拱部進行明挖并施作護拱，待護拱澆筑成“蓋”，再對護拱以上反壓回填，護拱以下仍按照暗挖法進行施工。本文以蔓耗至金平高速公路草果山隧道出口為例，詳細介紹了蓋挖法在梯田區隧道進洞施工中的方案比選、設計及施工。

1 工程概況

1.1 項目背景

蔓耗至金平高速公路地處云南省紅河州南部，是云南省高速公路網S35永仁至金水河中的一段，也是云南省滇中城市經濟圈“十三五”高速公路網建設規劃中昆明至金水河延伸至越南方向中的一段。該項目不僅是省會昆明和玉溪等地州、市通往邊境金水河口岸的重要通道，也是紅河等滇東南地區通往越南的國際大通道。

1.2 設計概況

草果山隧道為雙洞兩車道分離式隧道，隧道全長7005m，左、右幅測中線距離約24～38m，最大埋深約994m，是本項目的控制性工程。隧道所在路段設計速度為80km/h，汽車荷載等級為公路—Ⅰ級。隧道按Ⅶ度設防。隧道主洞采用單心圓曲墻式斷面，仰拱采用大半徑圓弧坦拱方案。隧道內輪廓設計如圖1所示。

圖1 隧道內輪廓設計圖

1.3 區域工程地質條件

隧道區海拔高程介于1125.074～2126.000m之間，相對高差1000.926m，屬構造剝蝕高中山地貌區。隧道區屬亞熱帶氣候；區內地形復雜，河谷切割強烈，高差懸殊，氣候受地形影響，垂直變化較為明顯，氣候溫和，區內雨量充沛，年平均降水量為1577.3mm；其中，金平一帶降水量最多，多年平均為2478.68mm，相對濕度較大，一般年平均相對濕度為83.3～86%。隧道區地表水一般發育；地下水為第四系孔隙水類型和基巖裂隙水類型。隧道區地層以晚古生代侵入巖第四期（ηo4b）二長巖、中生代侵入巖第四期（ηγ53（a））花崗巖、基性侵入巖（ν）輝綠巖地層為主。

1.4 隧道出口段地質概況

隧道出口位于斜坡地帶，自然坡度約25°，坡體呈折線，主要為梯田（見圖2）。隧道出口段圍巖級別為Ⅴ2級，覆蓋層主要為呈松軟結構的粉質粘土，強度極低；下伏基巖為全～強風化花崗巖，塊狀構造，節理裂隙極發育，巖體破碎，多呈砂土狀散體結構或碎石狀碎裂結構；巖體富水性較強。根據赤平投影分析，隧道出口段上覆粉質粘土和全風化花崗巖厚度大，且存在與坡面傾向一致的結構面，屬順向坡組合，邊坡開挖易向臨空面滑動。

圖2 隧道出口地形地貌圖

2 進洞方案比選

梯田是治理坡耕地水土流失的有效措施。通過在適當位置壘石筑埂，以減小埂內地塊坡度，增加地表水下滲，減少地表水沖刷坡面；具有十分顯著的蓄水保土效果。因此，位于梯田區的隧道洞口，在進洞施工過程中極易發生邊仰坡失穩滑移或坍塌。

草果山隧道出口段穿越梯田區，明洞段采用SFma型全明挖對稱式襯砌結構。隧道出口段覆蓋層主要由粉質粘土和全～強風化花崗巖組成，且當地雨量豐沛，而梯田蓄水效果顯著；現場明洞段部分邊仰坡開挖后，逐步出現了地表開裂、洞頂截水溝開裂、局部邊仰坡坍塌等情況。如繼續對明洞段邊仰坡進行開挖，隨著臨空面的增大，可能造成邊仰坡大面積坍塌，甚至引起山體坡面的失穩滑移，存在較大的安全風險；且該隧道是本項目的控制性工程，進洞施工工期緊，是否能夠安全、順利地進洞將嚴重影響隧道施工的整體工期。

針對上述情況，提出了明挖法、地表注漿預加固法、蓋挖法三個進洞方案，并從邊仰坡刷坡、防護及對坡腳的破壞，施工難度，施工工期，施工風險，對環境的影響和工程費用等方面對三個方案進行比選。

2.1 明挖法

采用明挖法，即對隧道洞口淺埋段進行開挖，縮短暗洞長度，延長明洞段，使隧道在中風化花崗巖地層中進暗洞；對明洞段邊仰坡進行開挖及臨時防護，待明洞襯砌施做完成并達到設計強度后對洞頂反壓回填。明挖法具有以下特點：①施做空間大，施工工序及工藝簡單，有利于機械化作業；②明洞段增長，土石方開挖量較大，對原地面植被破壞較大，不利于環境保護，同時也增加了隧道洞口的征地范圍；③邊仰坡開挖較高，導致臨時防護工程量大，且防護效果不理想；④由于明洞施做的滯后性，導致臨時邊仰坡長時間暴露，存在邊仰坡坍塌的風險。

2.2 地表注漿預加固法

采用地表注漿預加固法，即不調整明洞長度及明暗洞交界樁號，在隧道洞口已開挖的臨時邊仰坡頂部一定范圍內，采用φ108無縫鋼管（內置鋼筋籠），按梅花型布設的方式，豎向打設鋼管樁進行地表注漿預加固；待注漿強度達到設計要求后，再對明洞段剩余邊仰坡繼續進行開挖。地表注漿預加固法具有以下特點：①地表注漿工期長；②地表注漿量大且難以控制，工程費用較高；③注漿效果差，即使以注漿量和注漿壓力作為雙控指標，仍難以保證注漿質量能滿足要求；④洞口段為梯田區，地表注漿不僅對環境影響較大，還可能造成原有梯田的減產甚至廢棄。

2.3 蓋挖法

采用蓋挖法，即在現有已開挖邊仰坡的基礎上，盡可能少地開挖并平整出護拱施做平臺，待護拱施做完成并達到設計強度后，再采用碎石土對拱頂以上反壓回填，使隧道拱頂形成“護拱+夯填碎石土”的雙層結構。護拱成“蓋”后，在“蓋”的保護下仍按暗挖法進行洞身施工。與明挖法及地表注漿預加固法相比較，蓋挖法具有以下優點：①盡可能少地開挖，使得目前處于暫時穩定的邊仰坡受到盡可能少地擾動；②僅需開挖隧道拱頂范圍，大大降低了邊仰坡的開挖高度，一定程度上降低了坡腳被挖除后所帶來的邊仰坡失穩、坍塌風險；③對原有地表植被破壞較小，于環境有利。但是蓋挖法也存在施工步序多，對施工質量要求高，施工便捷性差、暗洞掘進風險大等缺點。

2.4 方案比選

通過對明挖法、地表注漿預加固法和蓋挖法的比選（見表1），結合現場地形地質條件、施工可操作性等，最終選擇蓋挖法作為進洞施工方案。

表1 明挖法、地表注漿預加固法和蓋挖法比選

3 設計與施工方案

①邊坡開挖及防護：根據現場已開挖地形情況及隧道明洞長度，確定護拱的施做范圍；以盡可能少擾動目前已穩定的坡體為原則，按1:0.5的坡率開挖臨時邊仰坡，并平整出護拱施做平臺。臨時邊仰坡采用掛網噴錨的臨時支護方案，即：10cm厚的C20噴射混凝土+按25×25cm布置的φ8鋼筋網+6m長的φ22砂漿錨桿按1×1m梅花型布置。臨時邊仰坡開挖應做到邊挖邊支護，并布設監測點，時時監測坡體的穩定情況。（圖3）

圖3 蓋挖法方案

②施做護拱：施做護拱內I20a工字鋼鋼架，鋼架按50cm的縱向間距布設；為增強鋼架整體性，相鄰鋼架間采用環向間距1m的φ20縱向連接筋焊接；鋼架各單元進行現場預制，各單元間采用螺栓連接。鋼架需落腳在穩定基礎上，每榀鋼架左右兩側各打設兩根9m長的φ108×6mm注漿鋼管對拱腳基礎進行注漿加固，注漿鋼管縱向間距為50cm。對于蓋挖段緊接暗洞段的2m范圍內，需預埋大管棚的導向鋼管，首先澆筑該2m范圍內的護拱，并打設φ108×6mm大管棚；待大管棚打設完成后再施做蓋挖段剩余的護拱。護拱采用C20混凝土澆筑，其厚度為70cm，護拱以下預留10cm作為沉降量，以避免施工中或后期護拱沉降侵入隧道主體結構的支護限界。（圖4）

圖4 護拱工字鋼架斷面圖（單位：cm）

③拱頂反壓回填：護拱澆筑完成并達到設計強度要求后，以分層夯實的方式，采用碎石土對拱頂進行反壓回填；回填后的地面線應盡量與原地面線銜接平順，回填土頂面設置厚度為50cm的粘土隔水層，并與邊仰坡夯實連接；粘土隔水層以上設置厚度為20cm的耕植土。

④暗洞開挖：護拱施做及拱頂碎石土回填完成后，按照暗挖法對蓋挖段暗洞進行開挖。暗洞開挖過程中，應布設洞內及地表監測點，并加強對洞內及地表的位移監測。（圖5）

圖5 草果山隧道出口蓋挖法施工現場

4 結論

草果山隧道出口洞口段位于梯田區，洞口段地質差，且梯田蓄水效果好，隧道進洞施工過程中，極易導致洞口邊仰坡的失穩滑移或坍塌，存在較大的安全風險。現場通過對三種進洞方案的比選，最終采用蓋挖法進洞方案，減小了對既有邊仰坡的擾動，保障了隧道進洞施工的安全及施工進度要求。云南紅河州南部遍布有約100萬畝的梯田區，山嶺隧道不可避免的要從梯田區穿越；草果山隧道蓋挖法進洞施工的成功運用，可為類似工程進洞施工提供一定的借鑒及參考。