鉆爆法越嶺隧道通用零開挖進洞方法

摘要：文章探索鉆爆法越嶺隧道進洞的新方法，即一種可實現零開挖進洞的通用方法，可廣泛應用于采用挪威法、新奧法等方法修建的越嶺隧道。通用零開挖進洞法消除了傳統“開挖明洞槽”進洞方法中的邊坡和仰坡，可極大地減少洞口土石方的開挖量，可確保洞口山體的穩定性，避免滑坡坍塌事故發生，降低隧道進洞施工的風險。文章詳細闡述了通用零開挖進洞法的原理、設計與施工方案，并以廣西賀巴高速公路為應用案例，介紹通用零開挖進洞方法在該公路建設中的實際應用情況。

關鍵詞：通用零開挖進洞法；護拱；隧道邊仰坡

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0049-04

0 引言

鉆爆法越嶺隧道進洞時，按照傳統的設計及施工方法，需要先開挖明洞槽，一般采取放坡開挖支護的方式，在此過程中形成洞口邊、仰坡。李洋益等［1］對洞口滑坡形成機制進行了研究，當隧道軸線與山體等高線斜交角度較大時，偏壓較大，邊、仰坡也較高，如果洞口巖層的物理力學性質較差，將可能破壞山體穩定，誘發滑坡坍塌等地質災害，極大地增加隧道建設的風險。當滑坡坍塌災害發生后，處治過程一般非常復雜且處治費用高，多數情況下會嚴重延緩開挖進洞工期，并對環境造成難以修復的破壞。據統計，傳統的開挖明洞槽進洞方法在工程實踐過程中發生了多起事故，工程界也將洞口施工列為重大風險源。逐步認識到傳統進洞方法的弊端后，工程界提出零開挖進洞的理念，零開挖進洞可消除傳統進洞方法中的邊、仰坡，極大地減少洞口土石方的開挖量，從而確保洞口山體的穩定性，避免滑坡坍塌事故發生，降低隧道進洞施工的風險。目前，零開挖進洞的理念并未得到很好的踐行，絕大部分隧道仍采用開挖明洞槽進洞的傳統方法，只是做到盡量少開挖，只有極少數隧道借助洞口的有利地形、地質才實現零開挖進洞。林家樂［2］、成聯艾［3］、胡曉敏等［4］探討在將洞口套拱前置的情況下提前進洞的零開挖進洞法，對零開挖進洞的方法和工藝做了一些有益的探索，但這些方法尚不能適應所有的地形和地質，例如遇到山體偏壓較大的情況時將較難實施；在洞口套拱寬度僅為2 m左右，洞口的防護不夠充分的情況下也較難實施。鑒于上述原因，本文提出一種通用零開挖進洞法，并介紹該方法的原理、設計與施工方案，旨在推廣一種普遍適用的零開挖進洞法，希望能為同類工程提供借鑒，使零開挖進洞的理念得到廣泛認同和踐行。

1 通用零開挖進洞法實現方案及特點

1.1 通用零開挖進洞法及防護裝置設計方案

所謂通用零開挖進洞法，即在隧道洞口部位設置特定防護裝置，不需要開挖明洞槽，借助防護裝置的防護作用和洞口圍巖的自承載能力，直接暗挖進洞，直接開始洞口段洞身掘進施工的方法。防護裝置的輪廓應根據隧道輪廓和建筑限界要求，并結合隧道洞口地形進行設計，同時防護裝置與洞口圍巖之間應有可靠的過渡連接，并對該部位的圍巖進行超前支護。當防護裝置施工完成后，即可開始隧道進洞掘進。

通用零開挖進洞法必須借助特定防護裝置進行施工，防護裝置必須確保開挖過程中洞口段圍巖穩定及符合施工防護要求。理論上，特定防護裝置有多種設計方案，根據現有的技術水平和實踐情況，本文采用的設計方案是“鋼架混凝土護拱+超前大管棚”的組合形式。護拱及大管棚施工作業完成后，在其防護下可直接進入洞身段掘進開挖。進洞后，需一邊掘進一邊及時安裝初期支護及二襯，洞口段的初期支護是護拱防護在洞內的延續。通用零開挖進洞法示意圖如圖1所示。

零開挖防護裝置對隧道洞口部位山體起到加固作用，并承擔隧道輪廓范圍內進洞開挖卸載引起的圍巖壓力。通用零開挖進洞法不需要開挖明洞槽，即成功消除了洞口邊、仰坡，借助“鋼架混凝土護拱+超前大管棚”的組合防護，實現直接進洞。

1.2 通用零開挖進洞法的施工特點

通用零開挖進洞法最大的施工特點是不設置明洞段，直接借助護拱的防護作用進洞，轉入暗洞洞身掘進施工，其主要優點如下。

（1）洞口施工不需要開挖邊、仰坡，能有效預防滑坡、坍塌等地質災害，規避隧道施工重大風險源，降低隧道洞口施工風險；零開挖進洞可最大限度地保持原有地形地貌和地表植被，更符合綠色環保的建設理念。

（2）由于護拱結構具有防護作用，并且不用開挖邊、仰坡，因此可規避在雨季施工邊坡開挖的重大風險，大大減小了雨季施工的不利影響，使隧道施工的安全性和工期得到有力保障。

（3）護拱及回填壓重荷載可對山體腳部提供反壓，補償隧道洞口段掌子面開挖的部分卸載，維持山體穩定。

（4）通用零開挖進洞法能適應各種復雜的洞口地形，地形越復雜，這種進洞方法的優越性越突顯。對于常見的洞口偏壓地形，其本質還是基于護拱防護和取消邊、仰坡這一核心原理。

（5）在建設造價方面，通用零開挖進洞法取消邊、仰坡開挖，節省了支護部分的土建費用，僅增加了護拱部分的費用，洞口段造價總體上持平，但在地形復雜或偏壓的情況下，通用零開挖進洞法的經濟效益突出。

（6）工期方面，對于傳統開挖明洞槽進洞法，明洞段施工工藝流程較多，容易受雨季影響，并且存在明暗洞施工轉換，進洞施工煩瑣。通用零開挖進洞法在護拱防護下直接進洞，不需要進行明洞槽的開挖和明洞結構的澆筑施工，不受雨季影響，因此能較大幅度地節省工期，而且地形越復雜，工期優勢越突出。

2 通用零開挖進洞法關鍵結構護拱的作用分析

護拱在隧道工程中是一種常用的輔助結構，如洞口結構補強防護、溶洞不良地質段的處治防護等。一般護拱主要用作承載及防護結構，在通用零開挖進洞法中，護拱的作用體現在多方面。

2.1 護拱的壓重和約束作用

護拱下方掌子面開挖后，隨即在護拱內壁及圍巖臨空面施做初期支護，一般在圍巖臨空面部位采用“掛網噴射混凝土+注漿小導管”的方法閉合成環（如圖1所示）。當洞口地層物理力學性質較差時，一般需在噴混層中設置鋼架。在護拱的壓載及約束作用下，閉合成環的初支將具備足夠的剛度和強度，初支與護拱及圍巖形成穩定的支護體系。

護拱的作用較為關鍵，為了闡述護拱這一作用機理，分以下2種工況對初支進行對比計算和分析：工況一，不考慮護拱的約束作用；工況二，考慮護拱的壓載和約束作用。初支可按照局部或整體置于彈性地基的結構進行考慮，荷載作用根據實際情況取洞口范圍的圍巖壓力，計算參數可按照《隧道設計規范 第一冊 土建工程》［5］中附表A.0.7-1的取值（見表1），洞口圍巖按V級，側壓力按公式（1）計算。

[e=γHtan2（45-φc2）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[e]為側向圍巖壓力；[γ]為地層容重；[H]為開挖高度；[φc]為地層摩擦角。查表1可取[γ]=[19.5 kN·m-3]，[φc=45°]，代入參數可得到：

[e=19.5×8.9×tan2（45-452）=29.78 kN·m-1]

為簡化計算，護拱及其上方素砼回填以荷載（[q]）的形式加載在初支上，取[q=25×][1.09=27.25 kN·m-1]；

模型中地層彈性抗力系數取值為k=[150 ][MPa]·[m-1]。采用midas GTS有限元軟件進行建模分析，分析計算結果如圖2至圖7所示。

當按照工況一（即不考慮護拱約束作用）建模計算時，初支結構內力為[M1max=][62.8 kN?m]，[V1max=61.2 kN]，[N1max=155.9 kN]；工況二（即考慮護拱約束作用）初支內力為[M1max=39.1 kN?m]，[V1max][=][58.6 kN]，[N1max=179.3 kN]。計算結果表明，護拱的壓載和約束作用能明顯改善初襯受力，而且能有效限制掌子面兩側開挖臨空面的水平位移。

2.2 外模板及防護引申作用

通用零開挖進洞法在護拱的防護下暗挖進洞，初支的施作是在護拱的內壁表面進行，初襯的閉合成環離不開護拱的模板作用。初支在護拱內隨著掘進的進行同步向山體內部延伸，將順利完成洞外進入洞內的關鍵轉換。由此可以看出，通用零開挖法不存在明挖或明洞段。

借助一個模型可以形象地理解這種作用：如果在一堆松散的砂堆里形成一個小洞，因為砂子幾乎沒有黏聚力，所以直接成洞將非常困難，而借助一根中空竹筒將竹筒插入砂堆，再掏去竹筒中的砂子即可成洞。“護拱+大管棚+初支”的作用與這根竹筒的作用類似，本質是在洞口形成直接且有力的防護。

2.3 山腳反壓作用

傳統的開挖明洞槽進洞法在進洞之前，洞口部位的挖方量較大，在形成邊、仰坡的同時，山腳部位大幅度卸載，該部分卸載在構造上恰好位于山坡的阻滑段，在一定外因的疊加影響之下，易誘發滑坡坍塌。外因主要有雨水下滲使巖土剪切強度降低或洞口為順層巖體等。

與開挖明洞槽進洞法相比，通用零開挖進洞法洞口的護拱布置于山體坡腳洞口部位，護拱及其上素砼回填層重量對原狀山坡坡腳可以起到反壓作用，補償隧道掌子面開挖的卸載，加上沒有邊、仰坡開挖卸載，可避免山體滑坡事故的發生。

2.4 對偏壓地形的適應性

在偏壓地形情況下，混凝土護拱結構能成為抵消偏壓作用的構造物。當偏壓較大時，可在護拱外側模筑素混凝土重力式偏壓擋墻結構，與護拱共同作用。

此外，通用零開挖進洞法具有適應偏壓地形的優勢，仍可借助砂堆與中空竹筒的模型幫助理解，將竹筒傾斜一定的水平角度插入砂堆，類似偏壓地形，在這種情況下，依然可以輕易成洞，只是竹筒沒入砂堆中不再是對稱的。同理，通用零開挖法的護拱，也可以依山就勢施作完成，在“護拱+大管棚+初支”的防護和過渡引申作用下，偏壓地形的開挖進洞就能順利完成。

3 通用零開挖進洞法應用實例

廣西賀巴高速公路某隧道右線出口洞口地形存在嚴重偏壓，隧址巖性為砂巖，洞口風化程度高，遇水易軟化，稍有不慎，邊、仰坡將可能會滑塌。因此，采用傳統的“開挖明洞槽進洞法”將產生高邊坡和仰坡，高邊、仰坡非常容易誘發滑坡、坍塌，實施風險難以評估。鑒于上述原因，在設計過程中采用通用零開挖進洞法，在護拱及偏壓構造物的防護作用下，隧道進洞變得簡單、安全。

特定防護裝置設計參數為護拱采用70 cm厚的C30砼，“工”字鋼拱架；φ108 mm超前長管棚，環向間距為50 cm。在洞口地形偏壓較大的情況下，護拱及外側的模筑素混凝土防護構造物可有效抵消偏壓的不利影響。采用通用零開挖進洞法后，不用開挖明洞槽及施作明洞段，直接進洞。考慮偏壓較大及洞口圍巖較差，護拱中加設了鋼架，可確保護拱具備足夠的剛度及強度。這個案例充分展示了通用零開挖進洞法對復雜地形的適應性和優越性。

4 結語

對于鉆爆法越嶺隧道，與傳統進洞方法相比，通用零開挖進洞法具有多項優勢，最突出的一項優勢是不需要開挖明洞槽和施作明洞段，在護拱防護下直接進洞，實現普適的零開挖進洞，非常環保，而且能有效規避滑坡及坍塌的重大風險，綜合效益顯著。但是在實踐過程中，由于思維慣性，在地形條件較好的地段，業界現階段基本上采用的仍然是開挖明洞槽法進洞。因此，工程界亟待形成關于積極推廣通用零開挖進洞法的基本共識。

5 參考文獻

［1］李洋益，何克揚.大跨度隧道洞口滑坡形成機制及處治方案研究［J］.公路，2022，67（9）：464-469.

［2］林家樂.公路隧道工程“零開挖進洞”施工技術研究［J］.西部交通科技，2019（3）：75-77.

［3］成聯艾.隧道“零開挖”進洞工藝及洞口前置式洞門施工技術［J］.交通世界，2022（30）：16-18，51.

［4］胡曉敏，趙陽.公路隧道“零進洞”施工工藝探討［J］.交通標準化，2010（Z1）：131-133.

［5］JTG 3370.1—2018，公路隧道設計規范 第一冊 土建工程［S］.

【作者簡介】宋元平，男，江蘇泰州人，任職于廣西交通安全研究中心，高級工程師，研究方向：隧道與地下空間結構設計。

【引用本文】宋元平.鉆爆法越嶺隧道通用零開挖進洞方法［J］.企業科技與發展，2023（5）：49-52.