淺埋偏壓小凈距大斷面公路隧道進洞施工技術(shù)研究

畢志剛，毛曉輝，呂文國，李文杰，梁 斌

(1.中鐵十五局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023)

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展，公路隧道建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模越來越大[1-3]。在山區(qū)修建公路，由于受到地形地貌、地質(zhì)條件和路線選擇等因素的限制，公路隧道的建設(shè)常常選擇連拱或小凈距形式[4-5]。連拱隧道施工工序轉(zhuǎn)化多，結(jié)構(gòu)受力復雜，并且隧道中夾巖防排水質(zhì)量不好。小凈距隧道施工工藝相對簡單，具有良好的防滲漏水特性，在經(jīng)濟和環(huán)境效益方面具有顯著優(yōu)勢[6]。

小凈距隧道施工受地形、地貌的影響相對較小，但由于小凈距隧道中夾巖厚度遠小于普通雙洞隧道，且中夾巖施工過程中多次被擾動而成為受力薄弱環(huán)節(jié)，小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)受力比較復雜[7-8]。為了確保開挖過程中圍巖穩(wěn)定性，減小由于小間距造成的圍巖變形和爆破震動等不利因素，需要根據(jù)不同圍巖條件選擇相應的開挖方法[9-11]。若隧道洞口圍巖很差且存在偏壓，小凈距隧道施工風險極大，需要進行洞外注漿、洞內(nèi)超前支護、中夾巖加固等措施[12-14]。

依托中鐵十五局集團第一工程有限公司承擔的福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程，針對淺埋偏壓小凈距公路隧道具有埋深淺、圍巖軟弱破碎、圍巖壓力不對稱、中夾巖施工易擾動等特點，通過研究隧道洞口開挖與支護、正洞開挖方法與支護形式、中夾巖加固方法等，確保公路隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全快速施工，為后續(xù)類似淺埋偏壓小凈距隧道施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

布盂隧道進口位于福建省尤溪縣新陽鎮(zhèn)高士村布盂境內(nèi)，出口位于大田縣文江鄉(xiāng)橋下村，整體呈北東-南西走向。布盂隧道為分離式隧道，進口線間距約18 m，出口線間距約19 m。右洞里程K196+225～K197+304，長1 079 m；左洞里程Z3K196+298～Z3K197+290，長992 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70/2-2014)要求[15]，當雙線隧道凈距不能滿足表1(B-隧道開挖斷面寬度)要求時，即為小凈距隧道。

表1 分離式隧道獨立雙洞間距最小凈距

隧道進口段地形呈緩坡段，植被發(fā)育，山體上部地形自然坡度約10°～15°，山體下部坡度20°～30°，主要為殘坡積粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土和全～強風化肉紅色花崗巖，土層呈松散狀，可塑-硬塑。花崗巖殘積土(砂質(zhì)黏性土)，孔隙率大、強度低、壓縮性高，遇水易軟化。洞口土體穩(wěn)定性較差，雖然坡體基本穩(wěn)定，洞口邊仰坡和兩側(cè)邊坡開挖后易引起坍塌，進口段埋藏淺，且土體厚度大，圍巖等級為Ⅴ級。隧道出口植被發(fā)育，山體上部地形自然坡度25°～30°，圍巖主要由殘坡積粉質(zhì)黏土和強風化花崗巖組成，土層松散，可塑-硬塑；強風化巖裂隙發(fā)育，呈碎石狀，圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩(wěn)定性差，洞口仰坡和兩側(cè)邊坡易坍塌。

布盂隧道進出口段圍巖軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，且存在跨度大、埋深淺、圍巖壓力不對稱、隧道凈距小等特點，進洞較困難。因此，應開展相應施工關(guān)鍵技術(shù)研究，確保施工進度及施工安全。

2 洞口施工措施

2.1 樁板墻施工

依據(jù)“零開挖”進洞理念，遵循“早進洞、晚出洞”施工原則，盡量避免對山體的大挖大刷。隧道洞口段為淺埋順層偏壓，由于偏壓隧道外側(cè)覆蓋層厚度較小，可能出現(xiàn)外側(cè)巖土失穩(wěn)情況。隧道進口左線Z3K196+230-Z3K196+298路塹右側(cè)設(shè)計為樁板墻，按從小里程至大里程的順序施作，為給隧道進洞創(chuàng)造條件。

圖1 抗滑樁施工斷面示意圖

為不影響右洞施工，抗滑樁施工平臺及臨時邊坡開挖在設(shè)計開挖線外，根據(jù)實際情況預留至少5 m不開挖，如圖1所示。施作抗滑樁時先做好樁口周圍排水及邊坡臨時防護，待右洞對應該段二襯施工完后(此時抗滑樁已施工完成)，開挖左線路塹至抗滑樁頂(開挖一級防護一級)。通過抗滑樁的施做，有效改善了隧道外側(cè)土巖的力學性質(zhì)，防止外側(cè)土巖石產(chǎn)生失穩(wěn)或坍塌。

2.2 洞口開挖與防護

淺埋偏壓洞口段邊坡和仰坡的坡頂截水天溝，應結(jié)合永久排水系統(tǒng)提前修建，防止水流沖刷邊仰坡造成環(huán)境破壞。截水溝距離邊仰坡開挖線5～10 m，施工截水天溝時，溝兩側(cè)填土應夯實，并高于溝頂，以免雨水沖刷滲入截水溝基礎(chǔ)內(nèi)，截水天溝采用C25混凝土澆筑。截水溝要在邊仰坡土石方開挖之前澆筑完成，以免開挖完成后造成地表匯水過大，造成邊仰坡浸水性失穩(wěn)，且截水溝出口應接入路基排水系統(tǒng)。

圖2 邊仰坡支護示意圖

2.3 導向墻施工

隧道洞口屬于淺埋偏壓地質(zhì)條件，且洞口為軟弱土質(zhì)地層，開挖前需要采用超前支護等措施來改良加固地層。結(jié)合工程實際，采用超前大管棚進行加固，首先要施作導向墻。導向墻采用先墻后拱方法施工，先做基礎(chǔ)底部邊墻，待邊墻強度滿足要求后施作拱圈部分，基礎(chǔ)與拱圈施工縫設(shè)置接茬鋼筋。導向墻采用C25混凝土現(xiàn)澆，截面尺寸為0.6 m×2 m，內(nèi)置三榀I18型鋼拱架(縱向間距0.75 m)；在鋼支撐上安裝Φ140×5 mm，長2 m的導向鋼管，導向管中心距為40 cm，方向與管棚位置方向一致。基礎(chǔ)底部應進行承載力試驗，容許承載力不小于200 kPa，否則應采取注漿或設(shè)置鎖腳錨管等措施處理。導向墻開挖采用掏槽開挖，并預留核心土，挖至基礎(chǔ)底部時立即對基坑進行封閉，當基坑底部有水時必須全部抽干后，方可施工。

2.4 超前大管棚施工

小凈距隧道洞口淺埋或偏壓，存在風化軟弱破碎圍巖地段，需要施做長管棚[16-17]。導向墻施作完成后，待混凝土強度達到設(shè)計強度的75%后，進行管棚鉆孔作業(yè)安設(shè)管棚。管棚長度由洞口地質(zhì)條件確定，長度20～40 m，外插角1°～3°，搭接長度不小于3 m。管棚鋼管均采用Φ108(壁厚6 mm)熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距40 cm。管棚分節(jié)長度為4 m或6 m，接頭采用長30 cm的Φ114(壁厚6 mm)熱軋無縫鋼管絲扣連接，鋼管同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不得超過管數(shù)的50%，相鄰鋼管接頭至少須錯開1.0 m。注漿后管內(nèi)填充M30水泥砂漿，必要時，管內(nèi)可設(shè)置鋼筋籠，以提高管棚的剛度。管棚鋼管環(huán)向打孔注漿，孔徑14～16 mm，孔間距113 mm，梅花形布置，尾部留不鉆孔止?jié){段110 cm。管棚注漿采用水泥漿液，漿液的水灰比為1(0.8～1)(重量比)，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

3 明洞與洞門施工

3.1 明洞施工

隧道洞口段為淺埋偏壓不良地質(zhì)段，不良地質(zhì)主要為順層偏壓。根據(jù)隧道洞口實際情況，襯砌結(jié)構(gòu)采用模筑C30鋼筋混凝土，其邊坡防護采用噴錨網(wǎng)防護，回填坡面應盡量與原地形順接，洞頂回填面噴播植草。明洞襯砌采用路塹偏壓結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3 明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖

隧道明洞施工采取仰拱施工完成后進行仰拱填充施工，而后進行墻拱襯砌施作。仰拱襯砌采用65 cm厚C30鋼筋混凝土，鋼筋網(wǎng)為主筋Ф25 HRB400的雙層鋼筋網(wǎng)，仰拱填充為C15混凝土。

3.2 洞門施工

隧道右洞進口在直線段上，出口在半徑為3 200 m的平曲線上，隧道左洞進口在直線段上，出口在半徑為3 600 m的平曲線上；右洞縱坡為1.7%，左洞縱坡為1.747%，進出口端均采用端墻式洞門。洞門端墻應與明洞回填配合進行，明洞回填M10漿砌片石部分可作為洞門墻內(nèi)模，其余部分需內(nèi)模施作。明洞回填土石應在洞門端墻完成后，即端墻混凝土強度達到設(shè)計強度100%后進行。隧道洞門施工采用“零開挖”進洞理念，避免對隧道洞口仰坡的開挖，極大降低對坡面的破壞，保護原生植被，保持較好的景觀效果。

4 洞身開挖與支護

4.1 中隔壁法施工

隧道洞口地層軟弱破碎，屬于淺埋偏壓大跨隧道，需要采用合理的開挖方式，采取分部開挖，將大跨變小跨。隧道洞口屬于Ⅴ級圍巖條件，右線出口進洞開挖采用中隔壁法。中隔壁法是將隧道開挖斷面左右一分為二，首先開挖一側(cè)，并在隧道中部位置設(shè)立鋼支撐以及噴混凝土的臨時支撐隔墻，當先開挖的一側(cè)超前一定距離后，再開挖另一側(cè)斷面[18]。中隔壁法在軟弱地層中進行開挖，開挖斷面相對較小，需要采取小型機械或人工開挖。由于中隔墻的存在，在爆破開挖時需要嚴格控制裝藥量，避免對中隔墻產(chǎn)生損害。中隔壁法開挖橫斷面和縱斷面示意圖如圖4所示。

圖4 中隔壁法開挖橫斷面和縱斷面示意圖

4.2 雙側(cè)壁導坑法施工

隧道洞口淺埋偏壓，根據(jù)地質(zhì)勘探在Ⅴ級圍巖條件下，右線進口、左線進出口進洞開挖采用雙側(cè)壁導坑法。雙側(cè)壁導坑法首先開挖隧道兩側(cè)導坑，同時施作導坑四周的初期支護和臨時支護，而后根據(jù)地質(zhì)條件，對中心剩余部分采用臺階法進行開挖[19]。該方法施工速度稍慢，工作面相對較小，但在軟弱圍巖條件下能有效控制地表沉降。雙側(cè)壁導坑法開挖橫斷面和縱斷面示意圖如圖5所示。

圖5 雙側(cè)壁導坑法開挖橫斷面和縱斷面示意圖

4.3 中夾巖柱加固

隧道洞口圍巖主要由殘坡積粉質(zhì)黏土和強風化花崗巖組成，圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩(wěn)定性很差。由于隧道洞口段左右線進出口凈距均小于20 m，在Ⅴ級圍巖條件下，屬于小凈距施工。對于小凈距隧道施工，確保中夾巖的穩(wěn)定決定了隧道施工質(zhì)量。中夾巖在小凈距隧道雙拱結(jié)構(gòu)中部，起著極其重要的支撐作用，小凈距隧道施工過程中二次應力場在中夾巖疊加，極有可能出現(xiàn)應力集中，因此需要對中夾巖進行加固[20]。從中夾巖的受力特性分析，對于Ⅴ級圍巖，中夾巖未加固前會產(chǎn)生蝶形塑性區(qū)，而且隨著隧道的施工開挖，蝶形塑性區(qū)會逐漸由小變大，及時進行加固處理后，蝶形塑性區(qū)逐漸變形直至消失。

中夾巖加固主要采用以下兩種方法：超前預注漿加固、低預應力水平對拉錨桿加固。與預應力錨桿加固中夾巖方法相比，注漿加固是后洞到達前(即中夾巖形成前)完成的，加固時效性強，因此隧道進出口選用超前小導管注漿加固中夾巖。小導管采用Φ42壁厚3.5 mm、長度5.0 m的熱軋無縫鋼花管，平插角45°，間距根據(jù)圍巖情況分為0.6 m×1.0 m(環(huán)×縱)、0.8 m×1.0 m(環(huán)×縱)兩種。加固范圍：左洞為邊墻腳至設(shè)計標高向上6 m，右洞為邊墻腳至設(shè)計標高向上6.5 m。中夾巖注漿加固平面示意如圖6所示。

圖6 中夾巖注漿加固平面示意圖

隧道注漿選擇單液水泥凈漿，漿液按確定的漿液配合比進行拌合。注漿前先沖洗管內(nèi)沉積物，漿液先稀后濃，由下至上順序進行注漿。單孔注漿壓力達到設(shè)計要求值1.0 MPa，持續(xù)注漿15 min且進漿速度為開始進漿速度的1/4或進漿量達到設(shè)計進漿量的100%時注漿方可結(jié)束。

4.4 二襯施工

隧道洞口淺埋偏壓，Ⅴ級圍巖自穩(wěn)能力較差，及時進行二次襯砌施工尤為重要。二次襯砌能夠分擔部分圍巖壓力，有效抑制隧道初期支護的變形，促使隧道達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。隧道襯砌遵循“仰拱超前、拱墻整體襯砌緊跟”的原則，初期支護完成后，為有效地控制其變形，仰拱盡量緊跟開挖面施工，仰拱及仰拱填充采取整幅施工，利用棧橋平臺確保運輸通暢。仰拱襯砌及填充施作完成后，利用多功能作業(yè)臺架人工安裝防排水。拱墻二次襯砌采用長12 m自行液壓整體式襯砌臺車進行施工，一次性整體澆注，隧道襯砌采用模筑C30混凝土或C30鋼筋混凝土，其抗?jié)B等級不得小于P8?；炷敛捎冒韬驼炯邪韬凸┝?，混凝土攪拌運輸車運至施工作業(yè)點，混凝土輸送泵泵送入模。

二襯混凝土強度達到設(shè)計值的100%后應進行拱頂回填注漿，注漿管采用預埋Φ40PVC管，注漿管長度為襯砌厚度加20 cm(外露)，管道安裝于隧道頂部，縱向間距不大于4 m，每模襯砌不少于3根，如圖7所示。管道安裝時不得損壞防水板，并應與防水板保持適當間距，以利于漿液流出。注漿材料采用水泥漿液(水灰比11)，回填注漿壓力控制在0.1 MPa以內(nèi)。注漿管預埋時，外露部分鋼管安裝止?jié){閥門，防止?jié){液回流。

正式注漿前應進行試注，以取得各注漿參數(shù)，從而優(yōu)化配合比設(shè)計。注漿順序宜沿上坡方向進行，注漿過程中要時刻觀察注漿壓力和流量的變化，并做好記錄。當注漿壓力達到0.2 MPa或相鄰孔出現(xiàn)串漿時，即可結(jié)束本孔注漿。注漿結(jié)束并檢查合格后，切斷凸出的注漿管頭，封堵注漿口并用水泥砂漿抹平。

圖7 二襯拱頂回填注漿示意圖

5 監(jiān)控量測分析

隧道洞口段為淺埋偏壓及不良地質(zhì)條件，不良地質(zhì)主要為順層偏壓。由于淺埋大跨隧道工序多、爆破開挖擾動次數(shù)多、隧道結(jié)構(gòu)受力和變形影響因素復雜等特點，淺埋大跨隧道施工風險高，施工過程中必須重視監(jiān)控量測。通過監(jiān)控量測可以及時掌握隧道圍巖和初支的變形情況，進一步分析確定圍巖的物理力學參數(shù)，從而最終確定隧道施工方法和支護方式，確保洞室周邊巖體的穩(wěn)定以及支護結(jié)構(gòu)的安全。

按照設(shè)計要求進行必需的監(jiān)控量測項目(見表2)，在淺埋、偏壓以及不良地質(zhì)區(qū)段的洞內(nèi)、洞外布置監(jiān)控觀測點[21]。洞內(nèi)與洞外布置的觀測點在同一斷面里程，Ⅴ級圍巖5 m一個監(jiān)測斷面，Ⅳ級圍巖10 m一個監(jiān)測斷面，地表沉降觀測點布置如圖8所示。按照設(shè)計測量頻次和驗收標準進行圍巖穩(wěn)定性分析，確保在安全環(huán)境下進行施工。

表2 隧道監(jiān)控量測必測項目

圖8 洞口地表下沉測點布置

布盂隧道右洞初支拱頂沉降初期日變化量較小，沉降速率約為0.9 mm/d；隨著隧道向前開挖，由于初期支護不閉合，拱頂沉降速度有所增大，約為2.3 mm/d；當隧道初支閉合，拱頂沉降速率逐漸減小至1.2 mm/d，且趨于穩(wěn)定。洞外地表沉降時程曲線如圖9所示，與隧道初期支護拱頂沉降趨勢相同，初期地表沉降速率相對較??；隨著隧道的開挖，沉降速率有所增加；當初期支護閉合，地表沉降速率也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖9 洞口地表沉降時程曲線

6 結(jié)論

小凈距隧道是山區(qū)特殊地質(zhì)條件下公路隧道的主要結(jié)構(gòu)形式之一，洞口設(shè)計常出現(xiàn)淺埋、偏壓等問題。以實際工程為背景，研究了小凈距大斷面公路隧道進洞施工技術(shù)，主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)洞口段施工“早進洞，晚出洞”的原則，分析了洞口殘積土地質(zhì)特性，采取有效的施工和加固方法，解決了淺埋偏壓隧道洞口段進洞難的施工難題。

(2)淺埋偏壓地質(zhì)條件下，采用超前大管棚對軟弱地層進行超前支護，并通過注漿與圍巖形成一體共同承受地應力，有效控制了地表沉降，防止施工過程中產(chǎn)生局部掉塊或塌方，確保施工安全。

(3)淺埋軟弱圍巖地層隧道施工，Ⅴ級圍巖條件下隧道開挖采用中隔壁法、雙側(cè)壁導坑法，有效控制了施工中隧道圍巖的變形，保持了圍巖的穩(wěn)定性。

(4)小凈距隧道中夾巖加固是設(shè)計和施工的關(guān)鍵。采用中空注漿錨桿加固方法對中夾巖進行加固，漿液填充了巖體空隙，錨桿本身又大大提高了巖柱抵抗側(cè)向膨脹變形的能力，加固后巖體完整性從根本上得到改善，強度大大提高。