浅析复杂地质条件下公路隧道洞口的施工方法

摘要：目前国内对洞口段的设计大多考虑了预加固措施，但对施工方法不够明确，施工规范也仅简单阐述了洞口的施工原则。文章论述了施工方法的选择对洞口防坍和施工安全具有重要作用。

关键词：公路隧道洞口；隧道施工；施工安全

中图分类号：U451文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0154-03

我国70%的国土为山岭和丘陵地区，以往山区公路建设中较多采用的是大填大挖和盘山绕行的方案，近年来，随着公路交通事业的发展，隧道的应用越来越广泛，建设规模越来越大。采用隧道方案能够较大地提高路线线形标准，缩短行车里程，还可避开山区公路滑坡、崩塌、碎落等常见病害，改善行车条件，并且可以避免大面积开挖扰动山体，减少对植被的破坏，避免产生大量弃方土石填充山谷河滩，能够有效地保护生态环境。与铁路、水工隧道相比，公路隧道具有断面大，附属设施多，运营环境要求高等特点，因此对公路隧道建设的技术水平要求也相对较高。

隧道的分部工程按照结构部位、施工的特点及任务划分，一般包括隧道总体、洞身开挖、支护、防排水系统、二次衬砌、明洞、洞口、路基路面、以及通风、照明附属设施等。其中锚喷初次衬砌、模筑混凝二次衬砌的施工相对独立，工序不搭接，因此宜分开作为独立的分部工程。由于隧道透水对安全运营和隧道结构都具有较大的危害，隧道的防排水问题受到越来越多的关注，故为保证工程质量，宜单独列为分部工程。洞口以外的排水工程可列入洞口工程，也可以归人整个隧道的防排水系统中。高等级公路的长大隧道常设有通风、照明、供配电、监控报警系统等附属设施，应按照其安装施工及功能等特点划分为独立的分部工程。洞口工程包括洞口的开挖、洞门翼墙的砌筑等分项工程。

目前国内对洞口段的设计大多考虑了预加固措施，但对施工方法不够明确，施工规范也仅简单阐述了洞口的施工原则。笔者认为，施工方法的选择对洞口防坍和施工安全具有重要作用。本文就复杂地质条件下公路隧道洞口的施工方法进行一些探讨。

一、隧道洞门的作用及主要形式

国内外工程技术人员都非常重视隧道洞口段的施工，许多国家的隧道设计、施工规范中，都对洞口段的设计与施工设有专门条款。近年来国外大多提倡隧道进洞顺延山坡坡度，尽量不扰动洞口段岩体的稳定性，采取无洞门的“趋自然状态”形式。国内设计和施工时着重强调“早进晚出”及“保持边仰坡稳定”，要求及时施做洞门，通常采用在预加固结构保护下进行施工。

隧道洞门的作用为保持洞口仰坡和路堑边坡的稳定；汇集和排除地面水流；便于进行建筑艺术处理。洞门的主要形式有：

1．环框式洞门。将衬砌略伸出洞外，增大其厚度，形成洞口环框，适用于洞口石质坚硬、地形陡峻而无排水要求的场合。

2．端墙式洞门。适用于地形开阔、地层基本稳定的洞口；其作用在于支护洞口仰坡，并将仰坡水流汇集排出。

3．翼墙式洞门。在端墙的侧面加设翼墙而成，用以支撑端墙和保护路堑边坡的稳定，适用于地质条件较差的洞口；翼墙顶面和仰坡的延长面一致，其上设置水沟，将仰坡和洞顶汇集的地表水排入路堑边沟内。

4．柱式洞门。当地形较陡，地质条件较差，且设置翼墙式洞门又受地形条件限制时，可在端墙中设置柱墩，以增加端墙的稳定性，这种洞门称为柱式洞门。它比较美观，适用于城郊、风景区或长大隧道的洞口。

5．台阶式洞门。在傍山地区，为了降低仰坡的开挖高度，减少土石方开挖量，可将端墙顶部作成与地表坡度相适应的台阶状，称为台阶式洞门。

二、复杂地质条件下随道洞口段施工方法

公路隧道通过多年的发展，在公路隧道设计、施工和运营中提倡环保型建设理念，取得了初步的成果：如隧道洞口由以前的大挖深槽采用柱式洞门进步到现在采取小刷坡的削竹式洞门；在自然生态环境敏感地区采取前置式洞口工法即“零开挖”工法进行隧道施工，最大限度的减少了边、仰坡的开挖面积，有效保护了生态环境；对于偏压洞口采取早进洞措施，洞口部位结构采取抗偏压结构形式，但仍然避免不了山体内侧边坡开挖过高的弊端；在局部沿河傍山路段为了避免泥石流、崩塌等不良地质灾害对公路运营的影响，建设过程中采取了棚洞等结构型式进行过度，确保了公路的安全畅通，但整体上讲，所采取的棚洞结构在构造选型、与周围地形的景观过度、协调等方面尚有所欠缺。总体来讲，评价公路隧道对环境的影响主要考虑隧道洞口施工对自然环境的破坏、隧道洞门及其它构造物与环境的协调、隧道内汽车废气对环境的影响、隧道内废水对环境的影响、隧道施工弃渣对环境的影响等五个方面，在以上五个方面中，公路隧道建设对环境的影响均发生在隧道洞口或洞门处理上，隧道洞口设计形式及洞口施工是公路隧道环保型建设的重点，尤其在沿河傍山路段，如何因地制宜地选择环保型棚洞结构型式，做到工程构筑物与自然环境、地形的和谐统一、最大限度地保护生态环境，是公路隧道环保型建设技术考虑的重点课题。

1．洞口段的预加固措施。洞口段围岩的自支护能力比较弱，有的甚至没有自支护能力。因此，在洞口段施工中最重要的是提高围岩的自支护能力，保证开挖及后续作业的进行。

根据国内外经验，洞口施工大多是在预加固的支护系统下进行的，尤其是在浅埋、偏压、破碎、软弱、地下水丰富并具有软弱夹层、顺层等极易发生滑移、坍塌的地段，更需要采用综合预加固体系。笔者所参加的隧道施工，在复杂地质条件下的随道洞口段采用的预加固措施主要有地表锚杆加固、抗滑桩、挡土墙、锚索（桩）、减载、填土反压、地表注浆、超前锚杆、大小管棚、预注浆、套拱、水平旋喷桩、锥形短桩加固隧底等方式。

另外，在洞口段采用预加固措施时应注意以下几点：（1）在围岩特别差的地段，本着“宁强勿弱”的原则，在确定施工方案前应优先对大管棚、水平高压旋喷法、小管棚等方法进行比选，避免采用一般加固措施带来的隐患；（2）采用预加固措施后，施工中发现有边墙开裂、仰拱隆起现象，说明拱部加固后，边墙、仰拱受力增大，因此，施工中在进行拱部预加固的同时应加强边墙、仰拱支护强度，如增加锚杆的数量和长度、增设格栅钢架及先行施做仰拱等措施。

2．洞口段施工的注意事项。在制定隧道洞口段方案时，要充分考虑地质和施工条件、埋深和断面尺寸、围岩类别、坡面情况、地表建筑物结构、地下水及气候条件、施工进度与围岩承载拱形式的关系、材料供应、队伍施工水平、方案经济性、工期要求、突发事件应对措施等因素。

综合起来，笔者认为在隧道洞口段施工要注意以下事项：（1）重视各项准备工作。进洞前施工单位制定完整的进洞方案（场地布置、预加固措施、施工方法等），方案经审核批准后开工，施工中不得随意变更方案。重点隧道配备专职地质技术人员，及时掌握地质变化情况，并提出施工建议；（2）贯彻“早进晚出”原则，尽量减少对边仰坡的扰动，提倡“趋自然状态进洞”，尽早完成洞口周围排水系统。边仰坡处理与路基施工、场地布置、便道施工、桥涵工程统一安排；（3）先固后挖，严格执行“先治水，管超前，严注浆，短开挖，弱爆破，强支护，早封闭，勤量测，抢做门”27字方针；（4）衬砌尽量先墙后拱，不提倡先拱后墙，有仰拱的必须先做仰拱，尽早成环；（5）洞口段采用台阶法施工时，尽量缩短台阶长度以确保隧道稳定性；（6）对于偏压、浅埋的多线隧道，优先采用双侧壁导坑法，在地表预加固措施到位的前提下，可考虑采用台阶法；（7）拱部采取预加固措施的同时，加强对边墙及仰拱等部位的支护措施；（8）尽早完成洞门，增强洞口段稳定性。

3．大管棚施工方法。（1）作用：由于隧道断面大，洞口处岩体风化十分严重，土体松散，所以洞口开挖面极易发生坍塌，施工进洞困难。采用大管棚结合小导管对洞口段堆积体进行注浆固结然后再开挖，这样可以有效保证洞口边仰坡安全，而且使开挖部位形成棚幕和一层壳体，从而大大增加了进洞施工的安全性，确保顺利进洞；（2）工作原理：超前支护的基本工作原理是在待开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内，环向按照一定的间距超前打入钢管，并在钢管内进行压力注浆。环向钢管形成棚架，为开挖及初期支护作业提供了安全保障；浆液固结后钢管和围岩之间组成了一个共同的固结圈，从而在隧道的纵向和横向分别形成一个刚度较大的梁结构和拱结构。这个结构能有效提高围岩的承载力及自稳能力，减小围岩的变形；同时，隧道开挖后与钢架一起共同组成刚度较大的支护结构，以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形；（3）施工过程：第一，测量放样、钻机定位：测量放样出隧道设计轮廓线并按 40cm 的间距标出管棚的位置。将钻机移动并定位至标定位置。第二，钻孔：使用顶驱液动锤按设计角度1°～2°，把套管与钻杆同时同步冲击回转钻入岩土层内至设计度。套管与钻具同时跟进，产生护孔功能，避免内钻杆在提出孔后产生塌孔或涌水事故，提供临时护孔，方便往孔内插管注浆。钻孔要求精度高，终孔位置准确，各开孔的孔眼与终孔的孔眼落在同一周界面上，避免产生较大的偏差和变形。同时要确保钻孔的同轴度，以避免管棚送入时受卡。第三，清孔：钻孔完结后，先把套管内孔注水清洗洁净后，才把钻杆取出。套管仍保留在孔内供护孔作用。第四，顶进钢管棚：把按设计要求加工好的钢花管顶入套管内，接头采用 15cm 长的厚壁管箍，上满丝扣；并把钢管轻轻打入岩土地内，以固定钢管不易滑出孔口。钢管插进完毕后，取出套管，钻进其它孔眼。套管取出时，冒落的岩土会于孔内压紧钢管。钢管口与孔口周壁用水泥密封。当管棚安装完毕后，用小木楔在钢管与围岩壁楔紧，再用防水胶泥（锚固剂）将空隙封闭住。第五，清孔并插入钢筋笼：再次清孔并将钢筋笼插入钢花管内，使之与钢花管成为一体。第六，注浆：利用浆液的渗透作用和压密作用将周围岩体预先加固并封堵围岩的裂隙水，这样既能起到超前预支护的作用，同时也加强了管棚的强度和刚度。注浆时一般总是先注无水孔，后注有水孔。在无水地段可从拱脚起顺序注浆。注浆速度根据注浆孔出水量大小而定，一般从快到慢。注浆结束时将闸阀关闭，卸下进浆管，进入下一循环。

工程实践证明，大管棚施工方法在复杂地质条件下的隧道洞口开挖中的应用是成功的。大管棚工法的梁效应和固结效应，既能阻止松散围岩的坍塌又能有效控制沉降，为隧道洞身的安全、顺利通过创造了条件。

4. 前置式洞口施工法。前置式洞口施工法是公路隧道进洞的一种新型施工方法。公开技术是明洞暗做法，采取保护山坡自然进洞的方法进行隧道洞口施工，在洞外不开挖山脚土体的情况下，采用拉槽施工的方法先修建临时明洞衬砌，然后在临时明洞衬砌暗挖明洞核心土，采用冲击破碎开挖进洞。这样既可保全洞口山坡及原生植被免遭破坏，减小洞口仰坡防护工程，也可缩短边仰坡的暴露时间，提高其稳定性。

主要特点：（1）施工中尽量不切坡进洞，有效的保护隧道洞口自然生态环境；（2）利用洞外临时衬砌和边、仰坡临时防护及临时衬砌外回填反压，保证隧道洞口边、仰坡的稳定；（3）保留了左右洞间的原生岩土体，保证仰坡的稳定和保护该部原生植被。

施工步骤为：（1）修筑截水沟、清表、修整仰坡浮土，该处仰坡厚度高度控制在0～5m，因开挖工作量较小，采用人工开挖即可；（2）前置式洞口段临时衬砌及管棚套拱两侧施工槽开挖；（3）前置式洞口段临时衬砌及管棚套拱两侧施工槽边仰坡防护；（4）按设计施工管棚套拱，钢拱架架立就位后，浇注套拱；若无超前大管棚，直接进行下一步；（5）超前大管棚或超前小导管预支护施工，若无超前预支护，直接进行下一步；（6）前置式洞口临时衬砌基础施工，在型钢拱脚部先浇注基础混凝土稳定拱架基脚，浇筑高度控制在5m以内；（7）前置式洞口临时衬砌施工，首先架立型钢拱架，并采用连接钢筋焊接牢靠；（8）洞顶回填反压，以保证临时衬砌和边仰坡的稳定，临时衬砌最大回填高度控制在3m内；（9）前置式洞口段临时衬砌内部洞口明洞段岩土体上台阶暗挖；（10）前置式洞口段临时衬砌内部洞口明洞段岩土体下台阶暗挖；（11）前置式洞口段仰拱、仰拱回填以及矮边墙施工；（12）前置式洞口明洞段防水层及排水管施工；（13）明洞衬砌施工；（14）洞顶绿化恢复。

三、结语

隧道洞口段施工对于隧道施工的重要性显而易见，按照新奥法理论，初期支护及预加固措施是隧道结构的一部分，而二次衬砌仅起安全储备和饰面作用，因此重视预加固措施和初期支护对隧道施工是工作之本。各项措施不是孤立存在的，根据围岩情况、施工环境、工期要求等进行安全性、经济性比较，因地制宜采取综合手段才是确保施工顺利进行的关键所在。

参考文献

[1]安刘生．隧道洞口施工地表预加固技术及应用[J]．北京工业大学学报，2007，（3）．

[2]张虎．地表注浆在隧道工程中的应用[J]．公路，2006，（3）．

[3]熊四华，范草原．山岭公路隧道进洞施工方案浅析[J]．重庆交通学院学报， 2003，（4）．

[4]刘刚，宋宏伟．复杂条件下隧道设计与施工中的关键问题[J]．公路，2003，（7）．

作者简介：欧凌勇（1972－），男，湖南永州人，湖南省公路桥梁建设集团公司工程师，研究方向：公路桥梁隧道施工。