順層地質隧道斜交進洞施工技術

李玉章　廖巧玲　黃偉倫

摘要：文章通過對板角隧道順層地質斜交洞口襯砌圍巖壓力的分析，針對該隧道斜交進洞的施工難題，提出了斜交洞口邊坡防護及進洞施工處治措施，為類似工程提供參考。

關鍵詞：順層地質;斜交進洞;應力分析;滑動層;處治措施

中圖分類號：U455.7A170624

0 引言

隨著高速公路、鐵路等基礎設施建設速度的加快，為保證其高速運行的特點，線路要求順直平坦，但在丘陵、山區及城市周邊極易產生斜交進洞隧道。斜交進洞隧道具有洞口邊坡順層、夾泥等特點，因此在隧道掘進施工時易發生圍巖失穩、塌方等風險。針對這些情況，本文進行了夾泥順層地質隧道斜交進洞施工技術研究分析，有效保障施工期人員財產安全及施工進度，同時也為后期隧道運營安全提供保障。

1 工程概況及進洞分析

1.1 工程概況

巴馬至憑祥高速公路總承包No.6合同段板角隧道位于廣西壯族自治區崇左市龍州縣上降鄉境內，左洞長1 291 m（ZK277+604～ZK278+895）、右洞長1 295 m（K277+574～ZK278+869）。其進口端屬于自然偏壓以及地質偏壓，進口端左、右洞口設計高程分別為299.686 m、 299.586 m，地面高程分別為303.29 m、304.422 m。隧道進口端洞口位于山坡上，坡向約為322°，坡度約為22°，斜坡表面覆蓋層為第四系殘坡積黏土，下伏基巖為三疊系下統灰巖與三疊系下統凝灰熔巖及斷層破碎帶，未見基巖出露。設計坡向與巖層傾向相反，為逆向坡，屬于穩定結構，隧道出口受到斷裂影響，覆蓋層較厚。

經現場清表及孤石清理后，巖體揭露為坡向與巖層傾向相同，為順向坡。該順向坡分成層狀，表層巖體厚約1 m，巖體破碎、風化嚴重，同時巖體中夾雜泥土，屬于不穩定結構。

1.2 進洞分析

板角隧道所屬區域相對來說降雨量較少，雨季明顯。根據現場實地勘察及洞口復測資料，結合板角隧道進口端洞口段巖體凸出，無大的匯水量，便于排水的實際情況，按照常規方法做好洞口截排水工作后，地表水及地下水對隧道施工及隧道質量影響較小，不需增加特別的防排水施工措施。洞口段順向坡，巖層會產生巨大的下滑力，會對隧道初支和二襯產生巨大的壓力及破壞作用。為應對偏壓及順向巖層的不利地質條件，根據現場勘察，初步估計該表層巖體覆蓋進口端山體整個坡面，若對其全部進行清理，則對原山體擾動過大，不利于坡面穩定，且工程量較大，危險系數高。同時，斜交進洞方式就是順應地形進洞，不對邊仰坡進行開挖，其優點是邊仰坡開挖量小，設計施工相對簡單，對環境的破壞也很小，仍然保持斜交進洞。根據現場實地勘察及洞口復測資料，結合板角隧道洞口段坡體巖層走向，斜交進洞靠里側仰坡在隧道開挖后產生大面積的塑性區，如不進行防護，則極有可能產生坍塌，開挖后容易出現巖體失穩現象，從而影響到洞口仰坡的穩定，因此，應對隧道邊坡及隧道進口端支護進行優化。

2 斜交洞口邊坡防護及進洞施工處治措施

2.1 邊坡防護施工處治措施（圖1）

隧道洞口邊仰坡開挖前，根據現場實際地形，采用白灰放出截水溝的邊線，施工時水溝的底坡度隨地形變化，保證水溝流水通暢。采用“零開挖”進洞理念進行洞口土石方的開挖工作，減少施工對巖、土體的擾動，減少對山體自穩體系的破壞，嚴禁使用大規模爆破開挖。對邊、仰坡上可能滑塌的松散表土、灌木與邊、仰坡上的浮石、危石要徹底清除，或采用主動網、噴錨等措施進行加固，并將凹凸不平處的坡面修整平順。邊仰坡必須逐級開挖，逐級防護。邊坡防護在開挖完成后即刻施工。對危及洞口安全的大塊危石采用弱鉆爆法進行破除清理，邊開挖邊進行噴錨支護，最后噴射10 cm厚混凝土封閉巖面。根據邊坡開挖后的實際地質情況，判斷邊坡的穩定性，再根據邊坡的穩定情況，對錨桿數量進行適當調整。邊仰坡開挖前應按設計坡比要求推算出起坡點和坡腳位置，刷坡前用白灰標記出刷坡范圍，保護未施工部位的植被完整。

2.1.1 隧道明暗交界位置優化

為減少順向坡開挖量及開挖后的下滑力，減少偏壓力，左右洞明暗交界于原設計處外移4 m。左洞設計有偏壓明洞13 m（ZK277+604～ZK277+617），半明半暗段10 m（ZK277+617～ZK277+627），設計偏壓擋墻23 m;右洞設計有偏壓明洞8 m（K277+574～K277+582），半明半暗段8 m（K277+582～K277+590），設計偏壓擋墻16 m。

處治措施：左洞施做偏壓明洞9 m（ZK277+604～ZK277+613），右洞施做偏壓明洞4 m（K277+574～K277+578）。詳見圖1。

復測完成并形成洞口縱斷圖和橫斷圖后，經參建各方進行現場踏勘，結合復測后形成的洞口縱橫斷面圖與原設計圖紙進行對比分析，確定優化后的明暗洞交接樁號。

2.1.2 進口端邊仰坡噴錨防護施工優化

設計邊坡防護形式為噴錨防護，組合使用長度為2 m或4 m的22 mm砂漿錨桿，間距為1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置;注漿采用M30水泥砂漿;掛8 mm鋼筋網（鋼筋網尺寸為20 cm×20 cm）;噴射10 cm厚混凝土。

處治措施：為保持仰坡面穩定，關鍵為減小塑性區，對仰坡面進行加固、加強支護就顯得尤為重要：（1）增加主動網及被動網，防止表面孤石掉落;（2）局部坡面設計“井”字型錨桿格梁，加固滑層，同時錨桿外露30 cm左右，便于掛設被動網;（3）沿洞身切角方向布設漸變錨桿，錨桿長度>3 m且嵌入穩固巖層≥2 m，錨桿長度大致為3.3～6.3 m，具體長度可根據現場情況進行調整。

2.1.3 進口端偏壓墻抗偏壓施工優化

偏壓墻拱腳寬度為3.3 m，應置于穩固基巖上，且嵌入巖石≥50 cm;偏壓墻墻身坡率為1∶0.3。

處治措施：（1）巖層下滑力增加，造成隧道洞口段二襯偏壓力增加，因此應增加偏壓墻自重以抵抗偏壓力，護拱腳寬度由3.3 m增加到4.3 m，偏壓墻墻身坡率保持1∶0.3不變，偏壓墻墻身根據護拱腳寬度的變化進行相應變化;（2）為不破壞偏壓擋墻基腳，基礎開挖采用臺階式，同時開挖后偏壓擋墻采用鋼筋籠或鋼管形式與原巖體臺階連接。

護拱養護完成后，進洞前將偏壓墻外側回填土石，以進行反壓，確保擋土墻、護拱、半明半暗初期支護結構的穩定。

2.2 洞口段超前支護及初期支護施工處治措施

2.2.1 進口端超前管棚施工優化

原設計進洞超前支護采用超前鋼管大管棚進行注漿支護。超前大管棚一般設置于隧道Ⅴ級圍巖洞口，并注漿固結圍巖，提升圍巖對結構的彈性抗力和承載能力，優化結構受力，保證施工進洞安全[1]。采用C30鋼筋混凝土套拱作為管棚導向墻，在管棚施工前必須先施作套拱（在明洞襯砌外設60 cm厚C30鋼架混凝土套拱，套拱縱向長度為2.0 m），并將127 mm×4 mm導向管固定在套拱內，導向管安裝時應采取措施保證孔口孔向精準，一般采用預留管棚上抬量及控制套拱的定位鋼管仰角（0.5°～1°）的形式。套拱施作按設計基底標高一次落底，基礎尺寸為2 m×0.6 m×1 m，在基礎開挖驗收完成后，盡快澆筑C15混凝土。套拱模型采用鋼拱架支撐、組合模板。導向管與套拱拱架固定，通過全站儀測定導向管位置，導向管與鋼拱架焊接成整體。套拱采用3根間距為75 cm的Ⅰ20b工字鋼進行加固支撐。拱墻采用C30混凝土一次整體澆筑成型。導向管（127 mm×4 mm）長2 m，環向間距為50 cm，采用 22 mm固定鋼筋與孔口管、Ⅰ20 b工字鋼進行焊接，不設導向管部分的拱架采用環向間距為100 cm的22 mm鋼筋進行連接。管棚采用電動管棚鉆機鉆孔法施工，套管按設計圖紙自行加工，采用絲扣連接。鉆孔前應搭設可靠的腳手架，鉆孔過程中需要嚴控鉆桿的軸向，保證鉆機固定牢靠，采用測斜儀器在鉆進過程中量測鉆進偏斜度，并根據結果修正鉆進角度，避免開挖和支護受到影響[2]。按管棚編號，先進行奇數孔位管棚鉆孔注漿，再進行偶數孔位管棚施工，通過偶數孔位鉆孔情況驗證奇數孔位注漿效果。使用注漿機向管棚內注入42.5級水泥凈漿與35波美度水玻璃，固結洞口段的松散、軟弱巖體，改善土體或巖體的力學性質，形成整體的棚架，與開挖面形成梁式結構，進行有效的超前支護。

處治措施：為增加管棚抵抗巖層下滑力，在管棚內增加三根 22 mm鋼筋，三根鋼筋斷面呈三角形，縱向間距1.5 m進行點焊。在管棚安裝后、注漿前進行安裝。

2.2.2 地質超前預報及超前鉆探

進洞前和隧道掘進過程中，需采用超前預報、地質超前鉆探探明前方圍巖、涌水、溶洞等地質情況。必要時，施工方法、洞身襯砌應根據前方地質情況的變化進行調整。進行超前鉆探需停止施工，采用噴射混凝土來臨時封閉掌子面，測量人員使用開挖臺車標記鉆孔位置，鉆工調整鉆角度后開始鉆進。需注意鉆進過程中的鉆碴情況、鉆孔出水量與鉆桿進尺，對鉆孔過程中的各項指標進行詳細記錄。通過分析超前鉆孔記錄資料，判斷前方圍巖的特性、節理發育與地下水發育情況，根據實際情況針對性地采取相應施工控制措施。要求如下：

（1）孔數：每個斷面進行3個超前水平鉆孔，兩側邊墻與掌子面正中間各一個孔（圖2）。

（2）孔深：采用循環連續鉆探，孔深為30 m，連續的兩循環鉆孔需重疊5 m，實際一個循環為25 m。

（3）孔徑：為 75 mm，滿足取芯、取樣與孔內測試要求。

在臨近富水段、地質較差段5～8 m前，于鉆孔前，預先安排2～4組超前水平鉆，鉆進5～8 m，通過鉆孔情況判斷前方水文地質情況，并采取措施針對性地進行超前支護、引流導排等，同時作為泄水孔，排出前方圍巖段裂隙水，避免涌水、突泥現象的發生。

通過地質超前預報與超前鉆探進行分析，現場地質情況為：破碎狀灰巖，裂隙發育，無涌水。

2.2.3 初期支護施工優化

初期支護設計情況：ZK277+627～ZK277+705段（55 m）、K277+590～K277+645段（55 m）設計支護類型為XS5d。支護參數為：間距為70 cm的Ⅰ18工字鋼，采用環向間距為100 cm的 22 mm縱向連接鋼筋進行連接;每處拱腳采用2根3.5 m長的 42 mm×4 mm的注漿鋼花管作為鎖腳錨桿;系統錨桿采用3.5 m長（內側4.5 m）的D25中空注漿錨桿，呈梅花形布置，縱向間距為70 cm，環向間距為100 cm;C25噴射混凝土厚26 cm。鎖腳錨管、中空錨桿注漿，注漿材料為水泥凈漿，水灰比0.6∶1～3∶1（重量比），初始注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿漿液的濃度、壓力由小到大，逐步變換。前期通過單孔注漿量控制注漿，當單孔注漿量達到設計注漿量時，即可結束注漿;后期通過終壓控制注漿，即達到注漿孔設計終壓時，且注漿孔注入量<0.2 L/min時，保持20～30 min即可結束注漿。完成注漿后，采用機械壓漿的方式封孔，并抹平孔口。

處治措施：為抵抗順向坡巖層巨大的下滑力，保證開挖后圍巖的穩定，防止因偏壓產生初支、二襯的開裂，在洞內采取加強襯砌等抗偏壓措施。需對進洞段ZK277+627～ZK277+705（55 m）、K277+590～K277+645（55 m）初期支護進行加強，將其更換為I22工字鋼，并縮短工字鋼間距為50 cm;上導拱腳處增加鎖腳鋼管，每處增設1根長450 cm、間距為50 cm的 108 mm×6 mm注漿管棚鋼花管;加密D25中空注漿錨桿，間距為縱向50 cm，環向100 cm;C25噴射混凝土增厚至28 cm。

3 施工效果

經處治后，施工過程中未發生安全事故，質量優良，未留下質量與安全隱患。洞口邊仰坡穩定，地表無開裂、無異常情況;進洞段圍巖穩定、無掉石及塌方現象，圍巖及初支穩定、無開裂現象。初支后點狀滲水，二襯后無滲水，防排水效果良好。洞口地表沉降、洞內初支支護沉降符合設計及規范要求。具體數據如表1、表2所示。

由表1、表2可知，隧道進口段右線處于緩慢變形階段，拱頂沉降量最大為-1.3 mm/d（斷面里程YK277+590），地表沉降量最大為2.0 mm/d;隧道左線剛開始進洞，目前處于穩定階段。

4 結語

針對順層地質斜交進洞施工的隧道，首先做好前期實地調研、測量、勘察工作，然后根據地質水文情況進行巖體的受力及穩定性分析，結合超前預報進行動態施工，最后根據設計圖紙優化進洞位置，增強邊坡穩定措施，增設超前鉆探及超前預報措施，盡早平衡斜交進洞引起的偏壓，加強洞身初期支護。并結合工程地質的實際情況，通過合理的進洞位置角度以及適當的加強支護，盡量維護圍巖穩定，減少圍巖松動，控制圍巖變形在合理范圍，防止圍巖出現塌方。本文通過優化各項施工措施，保證隧道施工順利進行，未發生施工安全事故，達到了維護邊坡及洞內圍巖穩定，保證施工安全的效果。洞口圍巖夾泥順向巖體的有效處治和進洞段隧道整體穩定性的有效提高，降低了運營期維修頻率，為類似條件下的隧道進洞施工提供了經驗借鑒。

參考文獻

[1]李鵬華.那現隧道超前支護結構穩定性的分析[J].科技創新導報期刊，2019（15）：33-44.

[2]王劍鋒.山體偏壓隧道洞口施工技術[J].黑龍江交通科技，2015（8）：110-111.

作者簡介：

李玉章（1984—），工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作;

廖巧玲（1988—），工程師，主要從事公路工程橋梁與隧道施工技術管理工作;

黃偉倫（1995—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作。