順層地質(zhì)隧道斜交進(jìn)洞施工技術(shù)

李玉章　廖巧玲　黃偉倫

摘要：文章通過對板角隧道順層地質(zhì)斜交洞口襯砌圍巖壓力的分析，針對該隧道斜交進(jìn)洞的施工難題，提出了斜交洞口邊坡防護(hù)及進(jìn)洞施工處治措施，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：順層地質(zhì);斜交進(jìn)洞;應(yīng)力分析;滑動層;處治措施

中圖分類號：U455.7A170624

0 引言

隨著高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，為保證其高速運(yùn)行的特點(diǎn)，線路要求順直平坦，但在丘陵、山區(qū)及城市周邊極易產(chǎn)生斜交進(jìn)洞隧道。斜交進(jìn)洞隧道具有洞口邊坡順層、夾泥等特點(diǎn)，因此在隧道掘進(jìn)施工時易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、塌方等風(fēng)險。針對這些情況，本文進(jìn)行了夾泥順層地質(zhì)隧道斜交進(jìn)洞施工技術(shù)研究分析，有效保障施工期人員財(cái)產(chǎn)安全及施工進(jìn)度，同時也為后期隧道運(yùn)營安全提供保障。

1 工程概況及進(jìn)洞分析

1.1 工程概況

巴馬至憑祥高速公路總承包No.6合同段板角隧道位于廣西壯族自治區(qū)崇左市龍州縣上降鄉(xiāng)境內(nèi)，左洞長1 291 m（ZK277+604～ZK278+895）、右洞長1 295 m（K277+574～ZK278+869）。其進(jìn)口端屬于自然偏壓以及地質(zhì)偏壓，進(jìn)口端左、右洞口設(shè)計(jì)高程分別為299.686 m、 299.586 m，地面高程分別為303.29 m、304.422 m。隧道進(jìn)口端洞口位于山坡上，坡向約為322°，坡度約為22°，斜坡表面覆蓋層為第四系殘坡積黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)灰?guī)r與三疊系下統(tǒng)凝灰熔巖及斷層破碎帶，未見基巖出露。設(shè)計(jì)坡向與巖層傾向相反，為逆向坡，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隧道出口受到斷裂影響，覆蓋層較厚。

經(jīng)現(xiàn)場清表及孤石清理后，巖體揭露為坡向與巖層傾向相同，為順向坡。該順向坡分成層狀，表層巖體厚約1 m，巖體破碎、風(fēng)化嚴(yán)重，同時巖體中夾雜泥土，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

1.2 進(jìn)洞分析

板角隧道所屬區(qū)域相對來說降雨量較少，雨季明顯。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘察及洞口復(fù)測資料，結(jié)合板角隧道進(jìn)口端洞口段巖體凸出，無大的匯水量，便于排水的實(shí)際情況，按照常規(guī)方法做好洞口截排水工作后，地表水及地下水對隧道施工及隧道質(zhì)量影響較小，不需增加特別的防排水施工措施。洞口段順向坡，巖層會產(chǎn)生巨大的下滑力，會對隧道初支和二襯產(chǎn)生巨大的壓力及破壞作用。為應(yīng)對偏壓及順向巖層的不利地質(zhì)條件，根據(jù)現(xiàn)場勘察，初步估計(jì)該表層巖體覆蓋進(jìn)口端山體整個坡面，若對其全部進(jìn)行清理，則對原山體擾動過大，不利于坡面穩(wěn)定，且工程量較大，危險系數(shù)高。同時，斜交進(jìn)洞方式就是順應(yīng)地形進(jìn)洞，不對邊仰坡進(jìn)行開挖，其優(yōu)點(diǎn)是邊仰坡開挖量小，設(shè)計(jì)施工相對簡單，對環(huán)境的破壞也很小，仍然保持斜交進(jìn)洞。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘察及洞口復(fù)測資料，結(jié)合板角隧道洞口段坡體巖層走向，斜交進(jìn)洞靠里側(cè)仰坡在隧道開挖后產(chǎn)生大面積的塑性區(qū)，如不進(jìn)行防護(hù)，則極有可能產(chǎn)生坍塌，開挖后容易出現(xiàn)巖體失穩(wěn)現(xiàn)象，從而影響到洞口仰坡的穩(wěn)定，因此，應(yīng)對隧道邊坡及隧道進(jìn)口端支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 斜交洞口邊坡防護(hù)及進(jìn)洞施工處治措施

2.1 邊坡防護(hù)施工處治措施（圖1）

隧道洞口邊仰坡開挖前，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形，采用白灰放出截水溝的邊線，施工時水溝的底坡度隨地形變化，保證水溝流水通暢。采用“零開挖”進(jìn)洞理念進(jìn)行洞口土石方的開挖工作，減少施工對巖、土體的擾動，減少對山體自穩(wěn)體系的破壞，嚴(yán)禁使用大規(guī)模爆破開挖。對邊、仰坡上可能滑塌的松散表土、灌木與邊、仰坡上的浮石、危石要徹底清除，或采用主動網(wǎng)、噴錨等措施進(jìn)行加固，并將凹凸不平處的坡面修整平順。邊仰坡必須逐級開挖，逐級防護(hù)。邊坡防護(hù)在開挖完成后即刻施工。對危及洞口安全的大塊危石采用弱鉆爆法進(jìn)行破除清理，邊開挖邊進(jìn)行噴錨支護(hù)，最后噴射10 cm厚混凝土封閉巖面。根據(jù)邊坡開挖后的實(shí)際地質(zhì)情況，判斷邊坡的穩(wěn)定性，再根據(jù)邊坡的穩(wěn)定情況，對錨桿數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。邊仰坡開挖前應(yīng)按設(shè)計(jì)坡比要求推算出起坡點(diǎn)和坡腳位置，刷坡前用白灰標(biāo)記出刷坡范圍，保護(hù)未施工部位的植被完整。

2.1.1 隧道明暗交界位置優(yōu)化

為減少順向坡開挖量及開挖后的下滑力，減少偏壓力，左右洞明暗交界于原設(shè)計(jì)處外移4 m。左洞設(shè)計(jì)有偏壓明洞13 m（ZK277+604～ZK277+617），半明半暗段10 m（ZK277+617～ZK277+627），設(shè)計(jì)偏壓擋墻23 m;右洞設(shè)計(jì)有偏壓明洞8 m（K277+574～K277+582），半明半暗段8 m（K277+582～K277+590），設(shè)計(jì)偏壓擋墻16 m。

處治措施：左洞施做偏壓明洞9 m（ZK277+604～ZK277+613），右洞施做偏壓明洞4 m（K277+574～K277+578）。詳見圖1。

復(fù)測完成并形成洞口縱斷圖和橫斷圖后，經(jīng)參建各方進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，結(jié)合復(fù)測后形成的洞口縱橫斷面圖與原設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對比分析，確定優(yōu)化后的明暗洞交接樁號。

2.1.2 進(jìn)口端邊仰坡噴錨防護(hù)施工優(yōu)化

設(shè)計(jì)邊坡防護(hù)形式為噴錨防護(hù)，組合使用長度為2 m或4 m的22 mm砂漿錨桿，間距為1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置;注漿采用M30水泥砂漿;掛8 mm鋼筋網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)尺寸為20 cm×20 cm）;噴射10 cm厚混凝土。

處治措施：為保持仰坡面穩(wěn)定，關(guān)鍵為減小塑性區(qū)，對仰坡面進(jìn)行加固、加強(qiáng)支護(hù)就顯得尤為重要：（1）增加主動網(wǎng)及被動網(wǎng)，防止表面孤石掉落;（2）局部坡面設(shè)計(jì)“井”字型錨桿格梁，加固滑層，同時錨桿外露30 cm左右，便于掛設(shè)被動網(wǎng);（3）沿洞身切角方向布設(shè)漸變錨桿，錨桿長度>3 m且嵌入穩(wěn)固巖層≥2 m，錨桿長度大致為3.3～6.3 m，具體長度可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。

2.1.3 進(jìn)口端偏壓墻抗偏壓施工優(yōu)化

偏壓墻拱腳寬度為3.3 m，應(yīng)置于穩(wěn)固基巖上，且嵌入巖石≥50 cm;偏壓墻墻身坡率為1∶0.3。

處治措施：（1）巖層下滑力增加，造成隧道洞口段二襯偏壓力增加，因此應(yīng)增加偏壓墻自重以抵抗偏壓力，護(hù)拱腳寬度由3.3 m增加到4.3 m，偏壓墻墻身坡率保持1∶0.3不變，偏壓墻墻身根據(jù)護(hù)拱腳寬度的變化進(jìn)行相應(yīng)變化;（2）為不破壞偏壓擋墻基腳，基礎(chǔ)開挖采用臺階式，同時開挖后偏壓擋墻采用鋼筋籠或鋼管形式與原巖體臺階連接。

護(hù)拱養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)洞前將偏壓墻外側(cè)回填土石，以進(jìn)行反壓，確保擋土墻、護(hù)拱、半明半暗初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.2 洞口段超前支護(hù)及初期支護(hù)施工處治措施

2.2.1 進(jìn)口端超前管棚施工優(yōu)化

原設(shè)計(jì)進(jìn)洞超前支護(hù)采用超前鋼管大管棚進(jìn)行注漿支護(hù)。超前大管棚一般設(shè)置于隧道Ⅴ級圍巖洞口，并注漿固結(jié)圍巖，提升圍巖對結(jié)構(gòu)的彈性抗力和承載能力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，保證施工進(jìn)洞安全[1]。采用C30鋼筋混凝土套拱作為管棚導(dǎo)向墻，在管棚施工前必須先施作套拱（在明洞襯砌外設(shè)60 cm厚C30鋼架混凝土套拱，套拱縱向長度為2.0 m），并將127 mm×4 mm導(dǎo)向管固定在套拱內(nèi)，導(dǎo)向管安裝時應(yīng)采取措施保證孔口孔向精準(zhǔn)，一般采用預(yù)留管棚上抬量及控制套拱的定位鋼管仰角（0.5°～1°）的形式。套拱施作按設(shè)計(jì)基底標(biāo)高一次落底，基礎(chǔ)尺寸為2 m×0.6 m×1 m，在基礎(chǔ)開挖驗(yàn)收完成后，盡快澆筑C15混凝土。套拱模型采用鋼拱架支撐、組合模板。導(dǎo)向管與套拱拱架固定，通過全站儀測定導(dǎo)向管位置，導(dǎo)向管與鋼拱架焊接成整體。套拱采用3根間距為75 cm的Ⅰ20b工字鋼進(jìn)行加固支撐。拱墻采用C30混凝土一次整體澆筑成型。導(dǎo)向管（127 mm×4 mm）長2 m，環(huán)向間距為50 cm，采用 22 mm固定鋼筋與孔口管、Ⅰ20 b工字鋼進(jìn)行焊接，不設(shè)導(dǎo)向管部分的拱架采用環(huán)向間距為100 cm的22 mm鋼筋進(jìn)行連接。管棚采用電動管棚鉆機(jī)鉆孔法施工，套管按設(shè)計(jì)圖紙自行加工，采用絲扣連接。鉆孔前應(yīng)搭設(shè)可靠的腳手架，鉆孔過程中需要嚴(yán)控鉆桿的軸向，保證鉆機(jī)固定牢靠，采用測斜儀器在鉆進(jìn)過程中量測鉆進(jìn)偏斜度，并根據(jù)結(jié)果修正鉆進(jìn)角度，避免開挖和支護(hù)受到影響[2]。按管棚編號，先進(jìn)行奇數(shù)孔位管棚鉆孔注漿，再進(jìn)行偶數(shù)孔位管棚施工，通過偶數(shù)孔位鉆孔情況驗(yàn)證奇數(shù)孔位注漿效果。使用注漿機(jī)向管棚內(nèi)注入42.5級水泥凈漿與35波美度水玻璃，固結(jié)洞口段的松散、軟弱巖體，改善土體或巖體的力學(xué)性質(zhì)，形成整體的棚架，與開挖面形成梁式結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有效的超前支護(hù)。

處治措施：為增加管棚抵抗巖層下滑力，在管棚內(nèi)增加三根 22 mm鋼筋，三根鋼筋斷面呈三角形，縱向間距1.5 m進(jìn)行點(diǎn)焊。在管棚安裝后、注漿前進(jìn)行安裝。

2.2.2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及超前鉆探

進(jìn)洞前和隧道掘進(jìn)過程中，需采用超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)超前鉆探探明前方圍巖、涌水、溶洞等地質(zhì)情況。必要時，施工方法、洞身襯砌應(yīng)根據(jù)前方地質(zhì)情況的變化進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)行超前鉆探需停止施工，采用噴射混凝土來臨時封閉掌子面，測量人員使用開挖臺車標(biāo)記鉆孔位置，鉆工調(diào)整鉆角度后開始鉆進(jìn)。需注意鉆進(jìn)過程中的鉆碴情況、鉆孔出水量與鉆桿進(jìn)尺，對鉆孔過程中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)記錄。通過分析超前鉆孔記錄資料，判斷前方圍巖的特性、節(jié)理發(fā)育與地下水發(fā)育情況，根據(jù)實(shí)際情況針對性地采取相應(yīng)施工控制措施。要求如下：

（1）孔數(shù)：每個斷面進(jìn)行3個超前水平鉆孔，兩側(cè)邊墻與掌子面正中間各一個孔（圖2）。

（2）孔深：采用循環(huán)連續(xù)鉆探，孔深為30 m，連續(xù)的兩循環(huán)鉆孔需重疊5 m，實(shí)際一個循環(huán)為25 m。

（3）孔徑：為 75 mm，滿足取芯、取樣與孔內(nèi)測試要求。

在臨近富水段、地質(zhì)較差段5～8 m前，于鉆孔前，預(yù)先安排2～4組超前水平鉆，鉆進(jìn)5～8 m，通過鉆孔情況判斷前方水文地質(zhì)情況，并采取措施針對性地進(jìn)行超前支護(hù)、引流導(dǎo)排等，同時作為泄水孔，排出前方圍巖段裂隙水，避免涌水、突泥現(xiàn)象的發(fā)生。

通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與超前鉆探進(jìn)行分析，現(xiàn)場地質(zhì)情況為：破碎狀灰?guī)r，裂隙發(fā)育，無涌水。

2.2.3 初期支護(hù)施工優(yōu)化

初期支護(hù)設(shè)計(jì)情況：ZK277+627～ZK277+705段（55 m）、K277+590～K277+645段（55 m）設(shè)計(jì)支護(hù)類型為XS5d。支護(hù)參數(shù)為：間距為70 cm的Ⅰ18工字鋼，采用環(huán)向間距為100 cm的 22 mm縱向連接鋼筋進(jìn)行連接;每處拱腳采用2根3.5 m長的 42 mm×4 mm的注漿鋼花管作為鎖腳錨桿;系統(tǒng)錨桿采用3.5 m長（內(nèi)側(cè)4.5 m）的D25中空注漿錨桿，呈梅花形布置，縱向間距為70 cm，環(huán)向間距為100 cm;C25噴射混凝土厚26 cm。鎖腳錨管、中空錨桿注漿，注漿材料為水泥凈漿，水灰比0.6∶1～3∶1（重量比），初始注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿漿液的濃度、壓力由小到大，逐步變換。前期通過單孔注漿量控制注漿，當(dāng)單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時，即可結(jié)束注漿;后期通過終壓控制注漿，即達(dá)到注漿孔設(shè)計(jì)終壓時，且注漿孔注入量<0.2 L/min時，保持20～30 min即可結(jié)束注漿。完成注漿后，采用機(jī)械壓漿的方式封孔，并抹平孔口。

處治措施：為抵抗順向坡巖層巨大的下滑力，保證開挖后圍巖的穩(wěn)定，防止因偏壓產(chǎn)生初支、二襯的開裂，在洞內(nèi)采取加強(qiáng)襯砌等抗偏壓措施。需對進(jìn)洞段ZK277+627～ZK277+705（55 m）、K277+590～K277+645（55 m）初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，將其更換為I22工字鋼，并縮短工字鋼間距為50 cm;上導(dǎo)拱腳處增加鎖腳鋼管，每處增設(shè)1根長450 cm、間距為50 cm的 108 mm×6 mm注漿管棚鋼花管;加密D25中空注漿錨桿，間距為縱向50 cm，環(huán)向100 cm;C25噴射混凝土增厚至28 cm。

3 施工效果

經(jīng)處治后，施工過程中未發(fā)生安全事故，質(zhì)量優(yōu)良，未留下質(zhì)量與安全隱患。洞口邊仰坡穩(wěn)定，地表無開裂、無異常情況;進(jìn)洞段圍巖穩(wěn)定、無掉石及塌方現(xiàn)象，圍巖及初支穩(wěn)定、無開裂現(xiàn)象。初支后點(diǎn)狀滲水，二襯后無滲水，防排水效果良好。洞口地表沉降、洞內(nèi)初支支護(hù)沉降符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由表1、表2可知，隧道進(jìn)口段右線處于緩慢變形階段，拱頂沉降量最大為-1.3 mm/d（斷面里程YK277+590），地表沉降量最大為2.0 mm/d;隧道左線剛開始進(jìn)洞，目前處于穩(wěn)定階段。

4 結(jié)語

針對順層地質(zhì)斜交進(jìn)洞施工的隧道，首先做好前期實(shí)地調(diào)研、測量、勘察工作，然后根據(jù)地質(zhì)水文情況進(jìn)行巖體的受力及穩(wěn)定性分析，結(jié)合超前預(yù)報(bào)進(jìn)行動態(tài)施工，最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙優(yōu)化進(jìn)洞位置，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定措施，增設(shè)超前鉆探及超前預(yù)報(bào)措施，盡早平衡斜交進(jìn)洞引起的偏壓，加強(qiáng)洞身初期支護(hù)。并結(jié)合工程地質(zhì)的實(shí)際情況，通過合理的進(jìn)洞位置角度以及適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)，盡量維護(hù)圍巖穩(wěn)定，減少圍巖松動，控制圍巖變形在合理范圍，防止圍巖出現(xiàn)塌方。本文通過優(yōu)化各項(xiàng)施工措施，保證隧道施工順利進(jìn)行，未發(fā)生施工安全事故，達(dá)到了維護(hù)邊坡及洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定，保證施工安全的效果。洞口圍巖夾泥順向巖體的有效處治和進(jìn)洞段隧道整體穩(wěn)定性的有效提高，降低了運(yùn)營期維修頻率，為類似條件下的隧道進(jìn)洞施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]李鵬華.那現(xiàn)隧道超前支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)期刊，2019（15）：33-44.

[2]王劍鋒.山體偏壓隧道洞口施工技術(shù)[J].黑龍江交通科技，2015（8）：110-111.

作者簡介：

李玉章（1984—），工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作;

廖巧玲（1988—），工程師，主要從事公路工程橋梁與隧道施工技術(shù)管理工作;

黃偉倫（1995—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作。