超小凈距淺埋偏壓隧道施工技術(shù)應(yīng)用

吳 際

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230001)

隨著高速公路網(wǎng)不斷向山區(qū)延伸，山區(qū)隧道也越來(lái)越多。由于地形的限制，超小凈距淺埋偏壓隧道不可避免，該類型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，應(yīng)加強(qiáng)控制，現(xiàn)結(jié)合施工實(shí)例為今后類似施工提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程概述

云南普宣高速公路法馬坡隧道位于云南省宣威市寶山鎮(zhèn)得馬田村。在平面線位上，法馬坡隧道起止里程為ZK25+855～ZK26+195，左線長(zhǎng)340 m，右線長(zhǎng)340.35 m(見(jiàn)圖1)。位于R=2 528 m的左轉(zhuǎn)圓曲線上。在縱斷面上，隧道位于1.81%的下坡路段。本隧道左右線均不設(shè)超高，路基橫坡為2%。左右線洞身Ⅳ級(jí)圍巖共524.35 m;Ⅴ級(jí)圍巖共156 m。

圖1 法馬坡隧道地表建筑物平面布置圖

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級(jí):高速公路(雙洞四車道);設(shè)計(jì)車速:80 km/h;雙洞分離式隧道建筑限界凈寬:10.25 m=(0.75+0.5+2 ×3.75+0.75+0.75)m;隧道限界凈高:5.0 m;隧道為超小凈距隧道，中巖墻厚度為1.28 m ～2.63 m。

1.3 工程地形地貌

隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕淺丘地貌;隧道出洞口位于法馬坡南東至北西流向的季節(jié)性沖溝南西側(cè)自然斜坡上部，斜坡沿隧道走向地面坡角一般為10°～20°，垂直隧道走向地形較陡，地面坡角20°～40°，局部直立呈陡坎狀。

1.3.1 地層巖性

隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)雜填土(Qml4)、第四系全新統(tǒng)殘坡積(Qel+dl4)粘土及二疊系上統(tǒng)宣威群(Pxn2)頁(yè)巖夾砂巖、薄層煤層，由老至新分述如下:

①宣威群(Pxn2)。

頁(yè)巖:深灰色、黃褐色和灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)理狀構(gòu)造，主要由粘土礦物組成，夾薄層煤層，砂質(zhì)含量較高。

②第四系全新統(tǒng)殘坡積(Qel+dl4)。

粘土:黃褐色、灰褐色，可塑狀，干強(qiáng)度及韌性高，切面有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，局部地段含少量頁(yè)巖及砂巖碎石角礫，粒徑3 mm～80 mm，含量約5%～15%。主要分布在隧址區(qū)進(jìn)出洞口的斜坡上，揭露厚度為 1.20 m ～5.70 m。

③第四系全新統(tǒng)雜填土(Qml4)。

雜色，主要由碳渣、頁(yè)巖碎塊及粘土組成，碳渣含量為10%，主要覆蓋在表層，頁(yè)巖碎石粒徑30 mm～60 mm，含量為45%，稍濕，結(jié)構(gòu)松散～稍密，為煉鋅廢渣所堆填，時(shí)間約10年。主要分布在洞身段的居民區(qū)附近，揭露厚度為5.10 m～12.10 m。

1.3.2 不良地質(zhì)

根據(jù)對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)測(cè)繪，隧道區(qū)未見(jiàn)滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，存在的主要不良地質(zhì)為老窯采空區(qū)。老窯采空區(qū)主要為20世紀(jì)50年代～70年代村民自采形成，規(guī)模小，延伸長(zhǎng)度小，其沿煤層走向方向延伸長(zhǎng)度一般小于30 m，現(xiàn)洞口已被附近居民的生活垃圾所填埋。由于開(kāi)采時(shí)間的間隔，采煤工作的多次交替，老窯的分布十分混亂，無(wú)規(guī)律性，為典型的亂采亂挖形成，分布于路線區(qū)的淺表部位。根據(jù)對(duì)煤窯的調(diào)查和沿隧道軸線的物探資料，未查出隧道區(qū)有采空區(qū)分布，為防止可能出現(xiàn)的采空區(qū)，在施工中采取了超前探測(cè)。

2 工程主要特點(diǎn)

2.1 工程主要特點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)分析

1)隧道均為Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖，屬軟弱圍巖，開(kāi)挖斷面大，隧道開(kāi)挖斷面為106 m2～113 m2，屬大斷面隧道。開(kāi)挖與支護(hù)的穩(wěn)定是施工自始至終關(guān)注的要點(diǎn)。

2)隧道為超小凈距隧道，中巖墻厚度為1.28 m～2.63 m，小凈距隧道施工左、右洞相互影響，中巖墻的穩(wěn)定性是小凈距隧道建設(shè)成敗的關(guān)鍵，對(duì)整個(gè)圍巖的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。

3)隧道工程地質(zhì)復(fù)雜多變，本隧道經(jīng)過(guò)含煤地層、瓦斯，且有較多的原來(lái)地方私挖亂采遺留的老窯采空區(qū)，隱含的風(fēng)險(xiǎn)較大。

4)隧道埋深淺，出口端偏壓嚴(yán)重，下穿村莊房屋、文宣公路，且公路上有較多運(yùn)煤重車行駛。

本隧道最大埋深38 m左右，并穿越村莊民房、公路，施工中容易出現(xiàn)坍塌、房屋墻體(地面)開(kāi)裂、公路沉陷等。

圖2 各斷面覆土厚度橫斷面圖

2.2 對(duì)策措施

經(jīng)過(guò)分析，針對(duì)工程特點(diǎn)、工程技術(shù)難點(diǎn)與施工重點(diǎn)，施工過(guò)程中采取了以下措施:

1)根據(jù)圍巖實(shí)際情況，施工方案的選擇:a.對(duì)于洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋地段，采用三臺(tái)階七步法施工;隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工。b.施工中遵循“先預(yù)報(bào)、管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則，確保施工安全。

2)做好隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理及危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)工作。在隧道施工中，應(yīng)做好危險(xiǎn)源的識(shí)別、監(jiān)控及施工風(fēng)險(xiǎn)管理工作。a.重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入正常的循環(huán)工序進(jìn)行控制。施工期間全隧道采用超前地質(zhì)水平鉆孔等預(yù)報(bào)手段，及時(shí)掌握掌子面前面地質(zhì)情況。b.施工過(guò)程中如遇老窯采空區(qū)，采用片石混凝土回填。

4)為減少左右洞隧道施工相互干擾，右洞隧道襯砌超前左洞掌子面20 m，對(duì)中巖墻采取注漿和設(shè)置預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿等加固措施，確保中巖墻的穩(wěn)定，爆破采用微振控制爆破技術(shù)，對(duì)最大單段炸藥用量進(jìn)行計(jì)算，嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)，后行洞對(duì)先行洞爆破震動(dòng)速率不超過(guò)15 cm/s，在下穿公路施工中，對(duì)公路地表爆破震動(dòng)速率不超過(guò)2 cm/s。由于中巖墻厚度僅為1.28 m～2.63 m，施工中對(duì)先行洞初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。

3 施工過(guò)程

根據(jù)指揮部組織的業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位四方現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合“零開(kāi)挖”進(jìn)洞原則和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，考慮施工安全和隧道嚴(yán)重偏壓及地形懸空情況，確定法馬坡隧道出口端左、右線保持原設(shè)計(jì)情況不變，各斷面覆土厚度見(jiàn)圖2。

3.1 洞口段開(kāi)挖與防護(hù)

施工以“減少干擾，利于施工，確保安全進(jìn)洞”為原則，做好統(tǒng)籌規(guī)劃，確保隧道洞口施工順利進(jìn)行。

洞口明洞段開(kāi)挖采用挖掘機(jī)，配合自卸汽車裝運(yùn)。開(kāi)挖自上而下逐層進(jìn)行，隨開(kāi)挖隨進(jìn)行邊、仰坡防護(hù)。至暗挖段拱頂開(kāi)挖輪廓線高度時(shí)，按設(shè)計(jì)坡度下挖至設(shè)定的上半斷面底部，臨時(shí)噴射混凝土封閉暗洞掌子面。

進(jìn)洞施工前，施作了超前大管棚和超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)。超前大管棚采用KRB80412管棚鉆機(jī)打眼和安裝鋼管，PF-40A注漿機(jī)注漿支護(hù)。具體作法如下:

洞口開(kāi)挖至仰拱底，先施工鋼架(Ⅰ20b)混凝土套拱，并預(yù)埋管棚導(dǎo)向管，其環(huán)向間距及傾角同設(shè)計(jì)的管棚環(huán)向間距及外插角，然后施作長(zhǎng)管棚，形成洞室輪廓。

洞口段加強(qiáng)了防排水措施，防止積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡墻腳和隧底，造成邊墻圍巖失穩(wěn)。

因子分析模型的解析表達(dá)式通常有如下的形式：假定P個(gè)隨機(jī)觀測(cè)向量，有均值，協(xié)方差，因子分析的模型可表達(dá)如下形式[4]：

3.2 洞身工程開(kāi)挖與支護(hù)

法馬坡隧道開(kāi)挖斷面超過(guò)100 m2，其中Ⅳ級(jí)圍巖524.35 m;Ⅴ級(jí)圍巖156 m。為確保施工安全和支護(hù)質(zhì)量，隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工，Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階七步法施工，Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖以挖掘機(jī)輔以風(fēng)鎬開(kāi)挖為主，必要時(shí)采用風(fēng)鉆打眼弱爆破;其余地段采用YT-28鑿巖機(jī)鉆眼，非電毫秒雷管微差控制爆破，嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)速率，后行洞對(duì)先行洞爆破震動(dòng)速率不超過(guò)15 cm/s，在下穿公路施工中，對(duì)公路地表爆破震動(dòng)速率不超過(guò)2 cm/s，確保中巖墻的穩(wěn)定，施工進(jìn)入公路影響范圍(K26+020～K26+040)和民房影響范圍(K25+900～K26+060)內(nèi)時(shí)，重點(diǎn)控制監(jiān)測(cè)，確保施工安全。為保證開(kāi)挖斷面尺寸，采用激光斷面儀等確定開(kāi)挖輪廓線和炮孔位置。

隧道出口左右線均采用無(wú)軌運(yùn)輸，采用ZL50C側(cè)式裝載機(jī)裝渣，20 t柴油自卸汽車運(yùn)輸。

3.2.1 Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階七步法開(kāi)挖

Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階七步法施工，上臺(tái)高3.0 m，中臺(tái)高2.8 m，下臺(tái)高3.0m，仰拱最后開(kāi)挖(高1.6 m)，上臺(tái)長(zhǎng)5 m，中臺(tái)長(zhǎng)5 m～6.5 m，仰拱滯后20 m ～30 m。核心土高1.5 m ～2.0 m，長(zhǎng)3 m ～5 m，寬5 m～6 m，下臺(tái)中部預(yù)留4.0 m寬斜坡道。中臺(tái)及下臺(tái)兩側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)2m～3m。每循環(huán)進(jìn)尺0.6m。對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固后進(jìn)行三臺(tái)階分步平行開(kāi)挖，上半斷面環(huán)形部分人工采用風(fēng)鎬開(kāi)挖，其余各部分采用挖掘機(jī)開(kāi)挖、裝碴。具體見(jiàn)圖3。

圖3 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工工序透視圖

表1 監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目、方法和頻率表

三臺(tái)階七步法施工工序說(shuō)明:

1)上部弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖。

在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開(kāi)挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度宜為3 m～5 m，寬度宜為隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺最大不得超過(guò)0.6m，開(kāi)挖后立即初噴3 cm～5 cm的混凝土。開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，并架設(shè)鋼架，在拱架拱腳以上30 cm高度處，應(yīng)緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾30°打設(shè)φ42鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

2)左、右側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖。

開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺最大不得超過(guò)0.6 m，開(kāi)挖高度為2.8 m，左右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)2 m～3 m，開(kāi)挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土。及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，接長(zhǎng)鋼架，在拱架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾30°打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

3)左、右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖。

開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺最大不得超過(guò)0.6 m，開(kāi)挖高度一般為3.0 m，左右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)2 m～3 m，開(kāi)挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土。及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，接長(zhǎng)鋼架，在拱架拱腳以上30 cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾30°打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

4)上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖。

各臺(tái)階分別開(kāi)挖預(yù)留的核心土，開(kāi)挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺相一致。

5)隧底開(kāi)挖。

每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度宜為2 m～3 m，開(kāi)挖后及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)，完成兩個(gè)隧底開(kāi)挖、支護(hù)循環(huán)后，及時(shí)施作仰拱，仰拱分段長(zhǎng)度宜為4 m～6 m。

3.2.2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

本隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用了超前鉆探的方法。采用水平鉆機(jī)對(duì)未開(kāi)挖巖體進(jìn)行鉆探，通過(guò)巖芯來(lái)判斷開(kāi)挖巖石的信息，借助于傳感設(shè)備，通過(guò)鉆速、鉆進(jìn)壓力、扭矩等判斷前方巖體的特性，并可以通過(guò)加入鉆孔聲波、水壓力等技術(shù)，預(yù)測(cè)涌水量和涌水壓力，能夠較為完整準(zhǔn)確的揭示地質(zhì)狀況，并且在孔口可以進(jìn)行有害氣體的監(jiān)測(cè)，可用于30 m～50 m的預(yù)報(bào)。施工采用HR1500型鉆機(jī)，鉆孔外徑90 mm，取芯直徑57 mm。3.2.3 監(jiān)控量測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)不僅監(jiān)測(cè)各施工階段圍巖和支護(hù)動(dòng)態(tài)、確保施工安全，而且是調(diào)整初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、確定二次襯砌和仰拱的施作時(shí)間的依據(jù)。

本隧道以洞內(nèi)外觀察、水平相對(duì)凈空變化值的量測(cè)、拱頂下沉量測(cè)、淺埋段地表沉降量測(cè)、錨桿軸力、爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)為必須進(jìn)行的監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，必要時(shí)增設(shè)隧底上鼓、圍巖內(nèi)部變形等量測(cè)項(xiàng)目。洞外在進(jìn)口淺埋段地表布點(diǎn)，進(jìn)行地表下沉量測(cè)。監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目、方法和頻率見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)施工過(guò)程的嚴(yán)格控制和精心組織，按期優(yōu)質(zhì)完成該隧道，各項(xiàng)預(yù)定目標(biāo)均得到了實(shí)現(xiàn)。超小凈距淺埋偏壓隧道在山區(qū)公路隧道施工中常見(jiàn)，為確保安全施工，有必要加強(qiáng)對(duì)該類型隧道的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。