山嶺隧道單向安全出洞施工技術應用

彭慧鳴,李晉亮

（贛州誠正公路工程監理有限公司,江西 贛州 341000）

0 引言

通常情況下，隧道掘進貫通指的是隧道相向掘進貫通技術，對于較長隧道或條件較好的短隧道，出于加快施工進度、確保施工安全方面的考慮，一般采用雙向掘進施工工藝，并保證在中部圍巖較好段落貫通。這種常規性的處理工藝又包括全斷面貫通法和小導坑貫通法等，前者常用在小斷面隧道，或者是地處巖石穩定地層的大斷面隧道掘進開挖方面；后者則常用于巖石破碎地層大斷面掘進。位于山嶺地帶的中短隧道工程，常面臨洞口埋深淺、圍巖自穩性不良、成拱不易等難題；洞口地形起伏大，不具備開挖成道的條件機械及材料無法正常進洞，拌和站、空壓機房、施工用電等如需正常布置，必將使建設費用增大。當前已有的理論成果及施工設計均集中在隧道進出口支護形式方面，對于隧道出洞方案探究較少，而常規的出洞方案主要為超前小導洞工藝，待導坑貫通后再將施工用水、用電等安排至洞外，施工方式也相應調整為進洞施工，這種較為保守的做法能保證出洞施工安全，但施工進度緩慢，工效低。

基于此背景，該文以具體的山嶺隧道為例，結合地質條件及地形地貌特征，對隧道單向安全出洞施工技術展開比選，并對單向出洞施工要點展開研究，可為同類型工程提供實踐經驗。

1 工程概況

某山嶺隧道采用分離式設計，洞口山體陡峭，坡度在 41°～56°，隧道左右洞明洞長度分別為 10 m 和 7 m，隧洞右側仰坡存在較大的切方高度，為三級高邊坡，該隧道洞口地層多為碎裂狀強風化泥質粉砂巖，這種軟弱巖層遇水后快速裂解剝落，增大了隧道洞口坡面的穩定性風險，也使仰坡加固及防護工程量隨之增大。根據原先的設計思路，在隧洞段采用長管棚防護，以確保進洞開挖安全。出口段地形復雜，施工進度緩慢，為保證施工安全及進度，盡量控制刷坡，確保山體平衡，并根據實際地形地質，從南側端開始單頭掘進貫通；待施工至與出洞口相距10～15 m處時，依據圍巖情況選取出洞方案。

考慮到該隧道出口端路基并未完成填筑，只能單向出洞，經過工程管理部門及設計人員的多方論證，擬定出頂設小導洞和三臺階法兩種出洞方案。

2 施工方案的比選

為展開兩種初擬出洞方案的比較，依據工程實際及詳細的地勘資料，并結合國內外相關進出洞施工經驗，對兩種方案進行了理論計算與比較，最終推薦該山嶺隧道單向安全出洞采取三臺階法開挖方案。

2.1 模型構建

應用ABAQUS有限元軟件對三臺階法和頂設小導洞出洞展開仿真模擬，隧道圍巖為彈塑性材料，服從莫爾-庫倫定律[1]；初期支護、二次襯砌以及長管棚等加固環節和相關材料均視為線彈性材料，超前小導管則按照特定厚度預支護處理，支護錨桿和支護用鋼拱架等結構全部采用等效處理[2]；加固鋼筋網結構主要為隧道洞口開挖施工的安全儲備，建模過程中忽略不計。

該山嶺隧道出洞口有限元模型見圖1，下邊界均按照洞徑范圍的4.5倍取值，上邊界則結合地表實際進行選取。隧道開挖過程中釋放40%應力，初支后釋放剩余的60%應力。隧道開挖進尺30 m，具體而言，先通過小導洞法開挖進尺10 m，再通過三臺階法開挖進尺20 m后，逐漸縮短進尺。該山嶺隧道出洞口圍巖巖體以及擬采用的支護材料相關物理力學參數的取值詳見表1。

表1 圍巖巖體和支護材料物理力學參數取值

圖1 山嶺隧道出洞口有限元模型（單位：m）

2.2 比較分析

基于以上所構建的有限元模型，對該山嶺隧道單向出洞施工期間地層豎向位移展開模擬分析，根據分析結果，采用三臺階法以及小導洞法兩種出洞施工工藝的情況下，工法轉換區位移分布明顯不同，故表現出十分突出的不連續現象；初支結構支護效果好，變形小，但是出洞口處的初期支護因沉降的發生而支護效果減弱。在采用三臺階開挖工法時，以上問題均不存在，位移分布始終連續，洞口沉降也十分微弱。兩種工法出洞施工對隧洞圍巖影響的范圍基本一致。

結合對不同工法下出洞施工豎向應力云圖的分析可以看出，頂設小導洞和三臺階法出洞施工最大應力均位于拱腳處，應力值也大致相等；在工法轉換區域由于長管棚支護作用的充分發揮，應力分布不連續；拱腰及拱頂處應力值相對較大，初支內力小，但穩定性未受影響。

通過對頂設小導洞和三臺階法出洞施工期間洞口塑性應變區的模擬分析得出，拱腳及仰拱邊緣均存在較為集中的塑性區；而采用傳統小導洞法施工時，工法轉換處存在較大的塑性應變變化，且不連續。

綜合以上內容，頂設小導洞和三臺階法出洞的施工工效基本一致，三臺階法出洞時應力、位移分布連續，在支護及時跟進的情況下，施工安全及質量有可靠保證。故該山嶺隧道選用三臺階法出洞方案。

3 單向出洞施工要點

3.1 超前探測

為減小地質條件差異性引起的施工風險，在該隧道出洞段施工過程中展開超前地質探測。當隧道正向掘進至ZK25+470 m時暫停掘進，在上導坑中心處通過WEP100型潛孔鉆鉆設φ127 mm鉆孔出洞，以探測與出口的距離及前方地質情況。在ZK25+470～ZK25+490段施工期間，按照《隧道施工超前地質預報技術規程》（T/CECS616—2019）鉆設孔徑 38 mm、至少5.0 m長的水平向及徑向超前探測孔，孔位布置詳見圖2。其中，水平向超前探測孔自ZK25+480 m里程開始鉆設，按照1次/5 m的頻次探測；而徑向超前探測孔則自ZK25+470 m里程開始鉆設，按照1次/2 m的頻次探測。

圖2 超前探測孔布置

3.2 超前支護

ZK25+470～ZK25+480段超前支護不變，出口段大管棚取消后，在ZK25+480～ZK25+490段按照35 cm的環向間距設置雙層超前小導管，小導管長4.5 m和6.0 m，采用φ42×4 mm的熱軋無縫鋼管，并按照至少1.0 m的長度搭接；每層37根，且兩層小導管的外插角度分別為12°和30°。超前小導管設置在洞口長管棚段，從洞內開始向洞外逐環施作。以水灰比1∶1的水泥漿液及0.5～1.0 MPa的壓力注漿。替代長管棚的雙層超前支護設計情況詳見圖3。

圖3 超前支護小導管結構（單位：cm）

雙層超前小導管的設置及注漿質量是保證山嶺隧道單向安全出洞的關鍵性工序[3]，按照相關規范及設計要求確保超前小導管的布設位置、尺寸及數量，小導管的設置數量必須根據分離式小凈距隧道Ⅴ級圍巖淺埋段小導管數量進行確定，并確保一致性和匹配性，從拱頂開始依次向兩側按40 cm的環向間距對稱設置。壓漿漿液采用水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力和地層地質及注漿范圍要求相關，該隧道工程單管注漿擴散范圍為管周0.5～1.0 m的半徑以內；且當水泥漿液注入量超出設計值但孔口壓力尚未達到設計壓力水平時，必須停止注漿，防止出現開挖面壓裂事故；等漿體達到固結狀態后再恢復注漿，直至注漿壓力達到設計上限后結束壓漿，以保證管段內漿液密實飽滿。漿液的密實度可通過注漿前后聲波速大小進行判斷，并根據密實度情況實時調整注漿施工參數。

3.3 掌子面開挖

結合該山嶺隧道地勘報告和超前探測結果，接近出洞段應分別采用以下開挖方法：ZK25+425～ZK25+455段為Ⅲ級圍巖，應通過1.0 m的循環進尺全斷面法開挖；ZK25+455～ZK25+475段為Ⅳ級圍巖，采用三臺階法分上、中、下臺階開挖，循環進尺按照一榀鋼拱架間距即0.5 m確定，開挖中臺階時應保證左右馬口錯開布置以及下臺階鋼拱架及時支護與閉合，加強超欠挖控制，增強圍巖自穩性能。ZK25+475～ZK25+490段為Ⅴ級圍巖，采用與ZK25+455～ ZK25+475段相同的開挖方法及循環進尺，上導坑先行，并在ZK25+490處零開挖單向貫通，以減弱對掌子面開挖及圍巖的不利影響。

隧道掌子面按照環形開挖預留核心土法開挖時，具體步驟見圖4，開挖施工期間加強以下方面控制：

圖4 環形開挖預留核心土法

（1）加強每循環開挖進尺控制。上臺階每循環開挖進尺必須小于1榀鋼桁架間距，中臺階及下臺階每開挖循環進尺必須與上臺階保持一致，開挖后均需及時支護。上臺階、中臺階和下臺階長度均不得超出3.0 m，且各臺階鋼拱架支護應錯開3～5榀。

（2）控制安全步距。二襯距離掌子面的安全步距為70 m，仰拱與掌子面的安全步距為40 m。

（3）隨著隧道貫通，測量誤差將增大；在距離出洞70 m處開挖面將放大，鋼拱架也會隨之調整，以保證隧道貫通后線路及二次襯砌厚度的準確性，為此，應控制好開挖預留量。

3.4 出口邊坡防護

該隧道開挖使暗洞加長，同時也最大限度避免了對洞口仰坡和邊坡的擾動。但是暗洞加長后隧道出洞前埋深較淺，很容易因開挖而引發仰坡失穩滑塌。為此，必須在施工期間加強以下控制：

（1）暗洞內通過弱爆破形式開挖，并在周邊孔間增設輔助孔，以保證一次成型效果。

（2）出洞地表為一定坡度的緩坡，上臺階出洞后中下臺階仍處于暗洞內施工階段，拱部邊坡不穩定，存在掉塊現象。為此，應根據實際情形采用增設1～2榀鋼拱架+掛網錨噴的方式延長暗洞長度，確保拱部邊坡穩定及施工安全。

（3）施工過程中以明暗交界里程點為洞口位置，該交界點的選擇必須充分考慮施工安全、地形地質、邊坡防護等條件，同時還應滿足運營安全、洞外工程、自然景觀等方面的要求。該山嶺隧道從內向外出洞施工，圍巖狀況及邊坡坡體基本穩定，綜合考慮以上因素后隧道左線和右線分別在原設計基礎上增長10 m和5 m出洞，以保證原地貌自然景觀。

4 結論

工程施工效果表明，該山嶺隧道出口端坡度陡峭，基本不具備從便道進入出口端的運輸條件，施工機具及材料均無法順利進場；同時，隧道洞口圍巖差，不具備從洞口向洞內施工的作業面條件。結合隧道實際情況，按照早進晚出、明洞暗挖的思路，施作雙層超前注漿小導管超前支護，并展開掌子面環形開挖預留核心土法開挖的施工方案，取得了較好的經濟效益和社會效益。