山區高速公路隧道穿越復雜巖層進洞方案探討

賴友烽

摘要? 通過介紹福建省廈蓉高速公路改擴建工程龍巖段第7合同段京源口隧道右洞進洞施工過程，詳細闡述了施工中淺埋、富水、偏壓及殘積土等問題。介紹了“明拱暗挖”、地表小導管注漿、井點降水及洞內開挖三臺階臨時仰拱施工等方式及施工控制要點，確保了開挖施工安全及山體的穩定性，也減少了對周邊山體的擾動，為后期山區復雜地質高速公路隧道建設項目提供參考。

關鍵詞? 淺埋富水；明拱暗挖；地表注漿；井點降水；進洞開挖

中圖分類號 U452.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0057-04

0 引言

隨著高速公路建設里程數的增加，在建設過程中特別是山區高速公路隧道洞口段常遇到許多復雜多變的地質，如淺埋、富水、偏壓及坡積土等復雜地質隧道洞口進洞難的問題。通過結合現場的地質情況，采用成洞面前移、套拱與大管棚明挖暗作、增設側墻反撐、井點降水、地表注漿及三臺階臨時仰拱的施工技術，解決了淺埋、富水、偏壓及殘積土等隧道進洞難的問題。

1 工程概況

隧道位于龍巖市新羅區龍門鎮賴坑村至小池鎮京源口之間，設計為高速公路四車道雙下行線分離式兩車道隧道。隧道右線設計樁號YK162+111～YK164+082，長1 971 m，最大埋深245 m。該合同段負責施工進口段，右線里程YK162+111～YK163+000，長889 m；位于直線及R=3 500 m的圓曲線上，縱坡坡度2.3%。隧道進口均用端墻式洞門，右洞洞口里程YK162+111，設10 m明洞，明暗交界里程YK162+121。隧道進口處南西向山坡坡底，右線進口位于坡腳山坳，洞口左側山坡自然坡度約23°～32°，上覆粉質黏土及殘積黏性土，分布于洞頂及洞身上臺階，洞身中臺階以下主要為全風化花崗巖。

2 工程實施難點

工程實施難點主要表現為地質、水文條件復雜。京源口隧道右洞進洞口YK162+111～YK162+221段圍巖、全右洞洞口段穿越山坳原老龍長高速隧道棄土區，洞口段路基為原龍長高速棄土場，人工填土范圍長約95 m，最大填土厚度達15 m，填土主要成分為坡殘積黏性土、砂巖的碎塊石及坡積（含碎石）粉質黏土，2005年堆填，現基本完成固結，坡頂平坦；YK162+145處洞頂有常年儲水的天然水潭，地下水量豐富，山坳匯水由地表下滲至洞身范圍，存在水量較大、易出現流泥坍塌、支護不易穩定等安全風險，且洞口左側原地面坡度約23°～32°，隧道從坡腳處通過，洞身偏壓非常嚴重，并且洞口段（134 m）為Ⅴ級圍巖，圍巖為坡殘積黏性土、全-強-中風化花崗巖，見有裂隙帶F101A通過，巖體呈散體結構，土質松散，[BQ]＜250，隧道地下水豐富。

3 進洞方案選定

3.1 開挖方案1

由于隧道洞口樁號為YK162+121處左側坡設計高度為28 m，且坡頂往大里程方向140 m均為原京源口隧道棄碴，采用常規的明挖法進洞施工，需要進行大面積的邊坡開挖和防護，開挖過程大量破壞山體的原狀土，影響了原有的山體自然平衡，再加上防護措施不及時、降水以及地表雨水等影響，極易造成邊仰坡滑塌、順層滑坡等嚴重的工程隱患，影響隧道的施工安全。且臨時性支護作業數量多，施工周期長，安全性風險較大，施工費用高[1]。

3.2 開挖方案2

考慮隧道施工應按“早進洞早安全”原則，將京源口隧道右洞成洞面里程樁號調整至YK162+111，接長明洞10 m，洞口里程調整至YK162+091；洞口段為解決右側淺埋與左側偏壓荷載的平衡問題，提出進洞新理念——“局部反壓、明拱暗墻”施工技術。采用“荷載-結構”模型對明、暗洞初期支護進行計算，其中暗作支護結構和明洞初期的支護結構完全相同，明作支護結構和暗洞結構相近。明作部分是通過用錨固措施將三周山體圍巖充分地連接起來，用于抵消此處山體的偏壓和應力，也可以為暗作部分提供一定的預支撐。該隧道洞口淺埋側原狀范圍巖沒有得到足夠阻力用于抵抗偏壓側邊坡滑移的能力，采取了增設右側擋土墻的措施用于增加抵抗力，類似于邊坡路塹式擋土墻。洞頂洞身處堆積洞渣采用小導垂直注漿固結及洞側兩邊井點降水后，洞身開挖采用三臺階臨時仰拱法施工。既減少了對邊坡土體擾動，又減少了開挖方量，解決了右側穿跨淺埋松散坡積土與富水等問題，確保了洞口安全。結合洞口設計圖及以往施工經驗，對兩種方案的優劣進行對比，該項目采用方案2進行施工。

4 關鍵施工技術

施工整體布置如圖1所示。

4.1 明洞前移、套拱采用先做明拱后施工暗墻的施工技術

4.1.1 成洞面前移

右洞路塹清表開挖至YK162+121，其中YK162+091～

YK162+221段上覆層為原龍長高速隧道煤矸石棄碴，覆蓋厚度3～9 m，該段路基設計為三級挖方邊坡，煤矸石棄碴的不穩定性可能影響日后營運安全。成洞面YK162+121處仰坡設計高達22 m，且坡頂往大里程方向140 m均為原龍長高速棄碴，邊仰坡開挖后將極不穩定，危及隧道施工安全?？紤]隧道施工應遵循“早進晚出”原則且明顯降低了邊坡的高度，將京源口隧道右洞成洞面里程調整至YK162+111，接長明洞，洞口里程調整至YK162+091。

4.1.2 套拱、大管棚的明挖暗作

洞口段的圍巖主要是坡殘積黏性土、砂巖的碎塊石及坡積（含碎石）粉質黏土，在施工前針對洞口段的地表和左側邊坡先采用截排水進行了施工，可以大量減少降雨等路面水直接進入隧道，增加隧道圍巖的自承強度，減小施工的難度和危險性。

ZK162+091～ZK162+111混凝土護拱作為大管棚的導向墻，洞口明洞段開挖套拱在開挖廓線以外施作，斷面尺寸縱向長度×厚度：10 m×0.6 m。洞口段明作部分上覆土開挖并修整支護范圍內的圍巖，開挖深度范圍不大于0.8 m，開挖后的輪廓界邊拱作套拱混凝土澆筑的底模，將套拱內部安裝采用C25模筑混凝土，環向布設I20b工字鋼縱向間距為0.7 m（與設計初期支護參數相同），環向主筋采用Φ22鋼筋，縱向間距為0.25 m，縱向鋼筋采用Φ12鋼筋，間距為0.25 m，箍筋采用Φ10鋼筋，間距為0.5 m[2]。套拱內埋設鋼筋支撐，鋼筋與管棚孔口管連接成整體。該隧道采用壓雙排φ108鋼管柱縱向0.5 m加固基礎，確保其基礎穩定性；采用Φ50長4.5 m注漿小導管錨入套拱周圍3.5 m土體內，要求小導管注漿飽滿，套拱拱腳分三個不同位置重點錨固，砂漿錨桿末端深入到鋼筋混凝土套拱0.5 m內，并控制抗拔力目標值爭取達到150 kN且不小于80 kN，以確保套拱與圍巖的整體性，以便承載山體偏壓作用力。如圖2所示。

導向墻鋼架施工完后，馬上進行管棚導向鋼管（Φ127×4 m）施作，管棚安裝應考慮隧道縱坡及曲線影響，在工字鋼上標出平面位置；孔口管定位一般采用水準儀進行設定傾角；外插角按1°～3°控制。導向管與鋼架工字鋼焊接在一起上，防止混凝土施工時產生導向管跑位[3]。

暗作部分先施作大管棚，管棚沿拱部開挖輪廓線外設置，環向間距40 cm。管棚設計長度40 m，管棚采用Φ108 mm×6 mm每節長4～6 m的熱軋無縫鋼管。大管棚施工完畢后，把明作部分套拱工字鋼腳外露20 cm，與中導工字鋼按暗挖段設計要求順接。中下導施工時兩側都增設Φ42的鎖腳錨桿，控制每開挖一榀閉合一榀的循環步驟逐步往洞身推進。

4.1.3 側墻反撐技術

在明作套拱右側施工衡重式擋土墻，利用擋土墻自身重力來抵消偏壓所產生的荷載，從而大幅度提高隧道支撐結構的抗形變能力。順著隧道右側前進方向布置擋土墻，樁號于YK162+091起共22 m；在側墻的上墻身與套拱明作部分之間施作1 m×1 m鋼筋混凝土支撐梁結構，支撐梁間距2 m一道，使套拱與側墻形成一體，削弱套拱的直接受力，使來自偏壓山體的側壓力大部分直接有效地傳遞給側面擋墻。擋墻的泄水孔采用Φ50 mm，2 m×2 m梅花形布設，坡度為2.5%，在擋墻內側掛土工布并用級配碎石做反濾層。

隧道套拱明作部分回填采用透水性材料，按15 cm一層來控制回填厚度，用小型機械夯實，到回填標高后，對地表土進行整平壓實，再采用厚20 cm的C30防水混凝土澆筑封閉層。

4.2 地表注漿加固技術

YK162+111～YK162+250段位于龍長棄渣堆積體，地表進行初平并采用厚25 cmC20混凝土加間距為200×200 mm雙層鋼筋網片的止漿盤，注漿的范圍為邊線外不得小于1 m。地表注漿范圍為洞頂至洞左右兩側各寬5 m，左右兩側5 m范圍為加強注漿區域，注漿深度范圍為地表至仰拱中心底標高以下5 m，間距0.8 m，梅花形布置；其他注漿范圍在淺埋側的套拱明作部分施工。如圖3所示。

注漿初期壓力控制在0.5～1.2 MPa，后期壓力為1.5～2 MPa。以單孔注漿量Q=0.75 L，注漿壓力達到終壓，進漿量且小于30 L/s，維持注漿壓力30 min可結束。

開挖時如發現地表注漿效果較差，應對局部效果較差位置進行洞內注漿補強。

4.3 隧道井點降水技術

采用潛孔鉆鉆進成孔，井孔深度達到設計深度35 m，洞身左右兩外側邊8 m，沿洞縱向每隔8 m設置井，孔驗收合格后，進行清孔。利用抽渣筒來測量泥漿內沉渣率。如果沉渣率過高，易引起進孔的堵塞，導致井點降水的整體效果差。清孔含渣率合格后，先預拼裝各井管然后依次吊裝。節段要求中心對齊，注意焊接質量，裹濾網層包裹在焊接頭處。所有井管吊裝并安裝完畢后，安裝抽水泵，排到現場施作的排水溝，把井口位置用混凝土封堵。要求每個降水井獨立安裝水表及水位監測點，對降水情況實時監測，每6 h記錄并進行統計，并與地下水位監測數據進行對比，從而指導現場開挖施工[4]。

4.4 進洞開挖技術

進洞后洞身三臺階臨時仰拱法施工，該法適用于各類淺埋松散坡積土與富水地帶施工，可以保證安全又可以提高施工效率。如圖4所示。

（1）開挖上導坑并支護，在上臺階拱腳設I14鋼架臨時仰拱，使上臺階初期支護封閉成環，待隧底仰拱澆筑完成后拆除臨時仰拱。每個部位開挖前先做臨時支撐（拱腳部連接盤下臨時支撐小導管）。

（2）開挖左側中臺階并按設計參數進行支護。所有中、下臺階及仰拱必須錯開落底、支護；鋼拱架拱腳連接盤加寬6 cm（22 cm×30 cm），螺栓外移1 cm。

（3）開挖右側中臺階左側，施工距離控制在2～3 m，采用人工開挖并施作周邊的初期支護，錯開2 m，完成后施作中臺階臨時仰拱（臨時仰拱采用I20b工字鋼架），鋼架連接采用U形Φ22螺紋鋼，間距控制在1 m，噴射28 cm厚C25混凝土[5]。仰拱施工的長度不得多于6榀，且嚴格控制開挖1榀同量封閉成環。仰拱初支模筑混凝土改為噴射混凝土（快速提升仰拱初支強度），仰拱及仰拱填充一次性澆筑完成[6]。

（4）開挖左側下臺階并支護。拱架制作及安裝嚴格按設計要求施作；鋼架拱（墻）腳應架設槽鋼上，提高工字鋼架拱腳的穩定。若鋼架和初噴混凝土間隙大，采用楔形墊塊塞緊。

（5）開挖右側下臺階并進行支護。

（6）仰拱開挖及初支，拆除臨時仰拱，澆筑仰拱混凝土。初支嚴格控制開挖長度，開挖完成后，先進行3～5 cm初噴混凝土進行開挖面封閉，再進行立架；重點注意鎖腳錨桿施工，鎖腳錨桿尾部預留彎頭，與鋼架連接板焊接。開挖時控制鎖腳錨管角度，一根向下35°，一根向下65°（角度偏差控制在5°以內）。

（7）通過全斷面儀測量，合格后鋪設防水層，并澆筑二襯。

（8）所有工作面嚴禁積水，拱腳嚴禁浸泡在水中，臨時支撐小導管（向下75°）位置，距鋼拱架往洞中心方向50 cm范圍內進行噴射混凝土封閉。

（9）初支變形超出預警值時，加做臨時支撐（4個板凳形臨時支撐架子，采用工字鋼支腿，槽鋼橫托，腳部采用22 cm×30 cm連接盤找平固定，放置于上臺階核心土頂部）；用三排直徑50 mm長度3.5 m打孔小導管進行邊墻注漿，控制注漿壓力1 MPa與初期支護鋼拱架焊接牢固，以增強整體剛度。

5 結束語

京源口隧道右洞洞口段巖層為坡殘積土，穩定性差，側向偏壓嚴重，且洞口水量大，施工難度大。針對以上施工存在的難點，該項目采用明洞前移、“明拱暗墻、反壓擋墻”技術，減少了邊仰坡開挖量，保證了偏壓開挖的安全，有利于生態環境的保護。采用地表小導管注漿、井點降水及洞內開挖三臺階臨時仰拱等施工技術，通過注漿加固坡殘原狀土，并采用井點降水有效降低了地下水位，該隧道于2018年順利貫通。有效固結隧道圍巖提高了強度，節約了施工成本，保證了施工進度、安全，取得較好的經濟效益；也為山區此類高速公路隧道傳統明挖進洞大挖方、邊坡防護工程量大、偏壓、富水嚴重導致進洞難穩定等難題提供了參考。

參考文獻

[1]蘇興矩. 淺埋偏壓隧道半明拱進洞設計分析[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2021（6）： 112-116.

[2]顏漢文. 道路、橋梁、隧道工程施工中的難點與技術對策[J]. 運輸經理世界， 2021（5）： 83-84.

[3]王昌林. 山嶺重丘區特長隧道單向出洞施工技術[J]. 交通世界， 2023（7）： 108-111.

[4]劉銀環. 近海富水地鐵車站基坑管井降水技術[J]. 城市道橋與防洪， 2022（11）： 182-187+22.

[5]彭雪峰， 張航， 錢志豪， 等. 散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段坡體穩定性研究[J]. 四川建筑， 2020（5）： 109-112+115.

[6]曹林祥， 王非凡， 袁青. 陡峭地形隧道“晚出洞”施工探討[J]. 中外公路， 2021（1）： 170-173.