山區高速中短隧道單向出洞的研究和應用

唐祥春

(保利長大工程有限公司,廣東 廣州 510062)

1 工程概況

湖南官新高速11標設有隧道三座，其中檀山沖隧道為短隧道，隧道長330 m(含明洞17 m)，洞口段埋深0～34 m，洞身段埋深34～79 m，主要由強微分化泥質砂巖、石英巖組成，巖質較軟，隧道內地下水缺乏，巖質破碎，洞口無偏壓現象。

檀山沖隧道進口處設有混凝土便道并直達隧道洞口，出口處前方20 m為平口鎮養老院，其洞口地形陡峭，便道修建難度大，傳統的隧道兩端掘進，中間貫通的方案嚴重影響施工工期，增加成本，且敬老院未拆除，修建便道及洞口場地布置受限。為了節省成本，加快施工進度，實現洞口邊仰坡“零開挖”和“綠色公路”的目標，檀山沖隧道采用單向出洞施工工藝。

2 采用雙層超前注漿小導管代替長管棚

山區隧道洞口段考慮到一般為強-全風化粉質砂巖、花崗巖、灰巖及全風化粉砂質土、粘土等坡積土層，圍巖差且位于淺埋地段，設計常采用20～35 m長的長管棚進行注漿加固，其作用主要是對隧道洞口淺埋段圍巖進行注漿板結，使之成為一個整體，共同承受圍巖壓力，同時注漿的長管棚在淺埋段形成一根挑梁，做為圍巖的支撐點，防止圍巖滑塌，這樣做即使長管棚或者圍巖有滑塌現象，也是緩慢發展的，給人員、設備撤離提供了安全時間。

綜合上述原理，根據山區高速出洞段的地質特征，檀山沖隧道右洞根據施工情況、監控量測數據、超前地質預報的結果，在洞口段取消了長34 m的長管棚和套拱，出洞端的洞口邊仰坡未進行開挖防護，直接采用雙層預注漿超前小導管對出洞端強分化泥灰巖進行注漿加固，結合新奧法的原理，開挖一榀，支護一榀，同時輔以系統錨桿，通過該方法，檀山沖隧道右洞歷時204 d，于2021年1月13日順利安全出洞。

3 出洞開挖工法選擇

根據山區高速隧道洞口段圍巖的特點，結合多個山區高速隧道的單向出洞施工經驗，鑒于單向兩車道隧道采用單側壁導坑工法，環形開挖留核心土工法，單向三車道隧道出洞段部分采用單側壁導坑法、三臺階七部法、雙側壁導坑法(具體方法需根據現場圍巖的實際自穩并結合監控量測數據做出選擇和調整)。

檀山沖隧道右洞單向出洞范圍K63+641～K63+675段(出洞端的長管棚范圍)，根據掌子面地質圍巖、監控量測數據、超前地質預報的結果，選擇了環形開挖留核心土工法順利出洞。

4 監控量測

山區高速隧道單向出洞掘進過程中，由于圍巖埋深一般較淺，掌子面圍巖較深埋段一般松散、破碎，自穩性較差，必須加強洞內周邊收斂、拱頂下沉和洞外地表等監控量測工作，建議按照每5 m設置一個拱頂下沉、地表沉降、周邊收斂監測斷面，每天監測2次，并根據監控數據指導現場施工，如監測結果異常及時反映，并做出應對措施。

檀山沖隧道單向出洞時，隧道地表沉降埋設橫向間距4 m，每排8個測點；縱向間距5 m，設有4排。拱頂下沉、水平位置收斂縱向每5 m設置一個檢測斷面，其測量結果如下。

表1 檀山沖隧道右洞單向出洞范圍內拱頂下沉監控量測數據

表2 檀山沖隧道右洞單向出洞范圍內水平位置收斂監控量測數據

經過分析，檀山沖隧道采用單向出洞施工工藝，掌子面剛被開挖時，拱頂下沉及水平位置收斂較大，但是很快達到穩定狀態，施工過程中盡量減少爆破震動，利用超前注漿小導管與圍巖結合，充分發揮隧道圍巖的自穩性，保證安全施工。

6 山區高速中、短隧道單向出洞施工工藝流程

隧道由進洞端向出洞端單向掘進，當掘進至出洞端長管棚范圍處，立即停止，組織相應的人員根據圍巖選擇合適開挖工法，無論采用什么工藝，主要操作如下。

(1)上臺階開挖前，先進行雙層超前小導管施工，小導管縱向每隔2榀打一環，小導管長度L≥4 m、環向間距@=40～60 cm、直徑不小于Φ42 mm、角度&1=12°&2=30°(首先打設12°的超前小導管，隔一榀打設30°的超前小導管，再隔一榀打設12°的超前小導管，由此類推、注漿壓力不小于1 MPa，施工過程中嚴格按照設計圖紙打設超前小導管和注漿，嚴控小導管打設角度和的搭接范圍，確保注漿飽滿度，以保證安全。

(2)按照選擇開挖工法進行開挖，先施工外側，再施工內側，每次開挖完成后，首先采用小型挖掘機排險，在值班人員和施工技術人員確認無險情后，再用C25噴射混凝土，封閉掌子面。

(3)經檢查無欠挖后，安裝工字鋼拱架，工字鋼拱架在安裝前需經過監理工程師驗收；按設計圖紙及時施作系統錨桿。

(4)重視鎖腳錨桿施工控制，鎖腳錨桿規格Φ42注漿小導管，長不小于3.5 m，高度不大于拱腳以上50 cm，施打角度與水平方向斜向下成45°。

(5)如因特殊情況掌子面暫停開挖，首先采用C25噴射混凝土封閉掌子面。

(6)開挖完成后及時進行初支成環，嚴控隧道安全步距，特別仰拱安全步距。

按照打設超前小導管注漿→開挖→初支→打設超前小導管注漿的循環順序進行施工，直至超前小導管打穿原地面，作為出洞端的明暗交界線，隧道貫通后在明洞范圍增設3榀拱架及噴混凝土，防止頂部落石，加固洞口。

7 單向出洞關鍵控制措施

(1)雙層注漿超前小導管的安裝及注漿施工單向出洞施工工藝的關鍵，為了保證順利出洞，因此重點要注意一下四個環節。

①數量。嚴格按照規范及圖紙要求，安裝超前小導管，嚴禁少打、少放超前小導管。

②保證雙層超前小導管的長度與壁厚。

③嚴格控制雙層超前小導管的施打角度。當采用雙層超前小導管時，建議施打角度為：第一環12°，第二環30°，第三環12°，第四環30°…交替布置，且超前支護小導管末端與鋼拱架必須焊接起來形成整體。

④保證雙層超前小導管的注漿質量。超前小導管注漿漿液采用水灰比為1∶ 1的水泥漿，注漿終壓不小于1 MPa，穩壓時間不小于5 min。壓漿完成后，在超前注漿小導管末端進行有效封堵。

(2)嚴格控制開挖方式，減少對圍巖的擾動。

上(中)臺階采用機械結合人工風鎬開挖，如需爆破采用弱炮、小炮。

下臺階和仰拱可采取弱爆破結合機械開挖。在開挖中、下臺階時，盡量減少對上部支護的擾動。為保證施工作業人員及初期支護結構的安全，下臺階左、右兩側必須交錯開挖，兩側開挖面錯開距離不小于3 m。嚴禁在開挖下臺階時兩側對稱開挖。

(3)隧道開挖預留沉降量控制

在山嶺地區中、短隧道單向出洞過程中，由于覆蓋層埋深淺，圍巖自穩性較差，必須加強施工監控量測工作。嚴格按照監測頻率實施，并及時匯總監測數據。當監測出地表或初期支護發生較大沉降，或發生較大收斂，達到監測預警值時，立即通知各方，及時采取科學合理的應對措施。

(4)安全距離控制

山嶺地區中、短隧道V級圍巖采用環形開挖留核心土法出洞時，必須嚴格控制各臺階長度。為保證安全，建議上臺階長度控制在3～5 m，中臺階控制在10～15 m，下臺階控制在10～15 m，仰拱距離掌子面不超過30 m，二次襯砌距離掌子面不超過60 m。

8 安全控制措施

(1)嚴格落實100%覆蓋安全技術交底，技術交底必須留有影像資料。技術交底內容須切實可行、針對性強，交底完成后當場簽字拍照，項目部施工員及安全員嚴格按照計算交底內容進行施工。

(2)正式施工前編制詳細的作業指導書及施工組織設計，嚴格按照作業指導書組織施工。

(3)隧道各班組嚴格執行交班制度，在交班時，交班人將本班組情況情況，現場安全注意事項及處理措施向接班人進行詳細交底，并進行紙質記錄，接班人開工前，首先查看工作的安全情況，如安全狀況不達標不得進行施工。

(4)必須采取超前鉆探或地質超前預報對出洞段前方圍巖情況進行預判。

(5)施工中必須加強監測圍巖和支護的變形位移情況。如發現隧道內有險情，必須在危險地段設置明顯標志或派專人看守，并迅速報告施工現場負責人，及時采取措施處理，情況危險時，必須將工作人員全部撤離危險區域，并立即向上級報告。

(6)在洞口安設“隧道施工安全制度”標牌，所有進洞人員必須正確佩戴安全防護用品，否則禁止其進入隧道施工現場。

(7)在施工各個臺階的初期支護時，必須保證鋼拱架的拱腳落到實處，若拱腳處有部分超挖，必須用等強度混凝土預制塊或片石支墊密實，嚴禁鋼拱架拱腳懸空。

(9)嚴格控制超挖與欠挖。對于超挖部分先用C25噴射混凝土填充密實，禁止用片石、塊石或其它雜物填充；對于欠挖部分，必須先用人工風鎬開挖到設計位置，再進行下一道工序。

(10)開挖完成后必須排險。每次開挖完成后，先用挖掘機進行徹底排險，不得少于2遍，特別要注意將孤石、危險石清理干凈。排險完成后，必須經專職安全員確認掌子面處安全無危石、孤石及不會發生掉塊后才準許進行下一步作業。

9 經濟效益分析

(1)對于山區高速中、短隧道，本工法采用"零開挖、單向出洞"，節省了修建一條通至隧道洞口的施工便道，無需進行邊仰坡開挖、節約了洞口場地及臨建設施，節省了人工、機械設備、材料的投入，經濟效益可觀。

(2)由于采用單向出洞，減少對出洞端的地形地貌的依賴，避免了由于出洞端由于征拆進度緩慢造成隧道無法貫通的現象，加快了施工進度，減少了窩工現象，且由于只需要一個施工班組，減少了人員、機械、設備的進退場費用。

(3)檀山沖隧道右洞由于采用單向出洞，節省修建一條直達隧道洞口的便道及洞口洞口場地及臨建設施，預計節省費用83萬元，等待敬老院拆除造成隧道停工的窩工和進退場費用約21萬元，預計節省費用約104萬元。

10 社會效益

(1)本工法做到工程施工、生態保護、環境保護同步協調，避免出現施工后再治理、再補救、破壞生態環境的現象。

(2)本工法真正實現在隧道洞口處零開挖，極大限度地保護隧道洞口的原生態植被，實現可持續發展的目標，不僅做到經濟與環保的有機統一。

(3)本工法操作簡單，且多為重復性工作，技術員及工人能夠熟練掌握，且可以復制性強。

(4)使用本工法施工，可以加快施工進度，減少了臨時用地，減少了開挖量和粉塵，同時騷擾當地居民。

(5)檀山沖隧道右洞采用單向出洞，減少了臨時用地約2 800 m，減少了混凝硬化2 100 m，保護了原生態的植被，且隧道出口600 m范圍內為資江，如果破壞植被，雨水將裸露的地表上的黃泥水沖到資江中，造成水土流失。