隧道进口浅埋段开挖施工技术

李 鹏

1 工程概况

青银国道主干线山西离石—军渡段高速公路八盘山隧道,左线全长:4.097km(LK34+163～LK38+260),隧道右线长4.122km(RK34+150～RK38+272),隧道平均开挖面积:97 m2,设计为双向四车道高速公路,单幅路基宽度为12.25 m;计算车速为80km/h;设计车辆荷载:公路Ⅰ级;地震烈度:6级。隧道位于吕梁山脉中段西侧,属晋陕黄土高原区。区内沟壑纵横,沟谷多由东向西,黄土冲沟多呈南北羽状分布排列。通过主要地层有:三叠系下统刘家沟组中～细粒砂岩夹不稳定薄层泥岩,弱～微风化,层间结合稍差,节理较发育,岩体完整性稍差,呈块(石)碎(石)状镶嵌结构。地下水呈线状、点状分布,为砂岩裂隙水及上覆岩土体松散岩类孔隙水。其中浅埋段穿越地层有:上覆上更新统马兰组黄土、第四系中更新统离石组黄土、第三系上新统保德组黏土及半固结砾岩,稳定性较好～稍差。

2 施工方案及技术措施

2.1 洞口施工

洞口段施工包括洞外地表防排水、边仰坡开挖和防护、明洞、进洞和洞门施工。

1)进洞前采取的措施。对洞门段30 m范围内地表进行小导管注浆加固,采用φ 50钢管,间距1 m×1 m,长度4 m～6 m,梅花形布置。2)洞口开挖。在洞顶按设计要求人工开挖并施作洞顶截水天沟和洞口地表排水沟。形成完整的排水系统,以防地表水冲刷仰坡,危及隧道和施工。在完成洞口截、排水设施后进行洞口段施工。洞口段土方施工用挖掘机开挖,石方采用松动或预裂爆破,挖掘机分层挖装,自卸汽车运输,人工辅助修坡。洞口边仰坡防护采用挂网、喷锚防护。洞口段分层由上向下开挖时,控制边仰坡开挖高度,施工过程中加强对仰坡的观察。边仰坡支护完成后,测设隧道洞口位置,并画出开挖轮廓线,之后在拱部范围内设超前小导管注浆加固,并紧靠岩壁架设1榀钢架支撑并与小导管或锚杆尾部焊接成整体,保证进洞施工时的安全。3)进洞及洞口段的技术措施。在进洞施工中实行长管棚和小导管超前注浆支护,严格按环状开挖,预留核心土,短进尺、台阶法开挖,遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、紧衬砌”的施工原则,及时施作初期支护,尽量减少围岩暴露时间,确保洞口施工安全。加强围岩量测,并通过量测数据的分析和判断,及时反馈指导施工,修改支护参数,确保围岩结构的稳定。施工顺序为:上台阶开挖15 m(RK34+166～RK34+181)→掌子面封闭处理→下台阶开挖 13 m(RK34+163～RK34+176),逐榀开挖;待初期支护强度整体提升、开挖段变形趋于稳定后逐榀封闭→仰拱及仰拱回填;分段施工→继续进行上台阶开挖,紧跟仰拱。

2.2 开挖施工

1)测量放线。a.隧道中线测桩之间距,不超过 5 m,每 10 m设一水准点,并在每循环开钻前准确放出开挖轮廓线和格栅钢架的位置。b.每次测量放线时,对上一循环断面进行检查。2)超前支护。本隧道RK34+163～RK34+192段围岩类别为Ⅱ类浅埋,进洞口设计采用φ 108mm超前长管棚和φ 42mm超前小导管注浆支护。超前长管棚和小导管设计采用无缝钢管加工,布置在隧道拱部范围内。长管棚的施工工序为:洞口上半断面开挖→测量定位→施作套拱和套管→搭设作业平台→钻孔→扫孔→安装管棚→管棚注浆。小导管施工前对掌子面的岩层喷射混凝土封面作为止浆墙。导管采用风动凿岩机钻孔,施工前先测设开挖轮廓线,在开挖线外按设计间距布置导管,钻孔完成后用高压风清孔,导管采用锤击或钻机顶入,并与钢架焊接成整体。孔深应保证导管插入管长的90%。钻孔时保持5°～10°的外插角,以确保导管支撑效果。3)洞身开挖。Ⅱ类浅埋及Ⅱ类围岩采用台阶法开挖,人工持小型机具开挖,遇岩石较好时采用预裂爆破施工,并严格控制装药量。台阶长度为3 m～5 m,开挖循环进尺为0.5 m～0.75 m,上台阶采用环形开挖留核心土法施工,初期支护完成后开挖核心土;下台阶先开挖中槽,然后跳段开挖边墙马口,完成支护结构。开挖前先施工超前小导管或超前锚杆支护,开挖成洞后,尽早进行仰拱封闭,以便形成封闭受力结构。初期支护后,待各测试项目所显示的位移率明显缓慢并已基本稳定后,及时施作二次衬砌。4)洞身支护。a.砂浆锚杆。采用风动凿岩机按设计要求钻孔,锚杆孔位与岩面垂直,要求与设计孔位偏差不大于100mm,钻孔偏差不大于±50mm。钻孔后用高压风清除孔内石屑,然后安装锚杆,插入长度不小于设计长度的95%。成孔后用高压风清孔,先将内径4mm～5mm、壁厚1mm～1.5mm的软塑料排气管同锚杆一起送入钻孔至孔底,并在孔外留0.5 m左右的富余长度,然后将注浆管固定在孔口位置,并将锚杆孔口堵塞,在确认排气管畅通后,采用双管排气法注浆,直到排气管不排气或溢出稀浆时停止,拔出排气管,待砂浆达到强度后安装垫板拧紧螺帽,并与拱架焊成整体。b.钢筋网。本隧道钢筋网采用φ 8mm钢筋,间距15mm×15mm,预先在加工场制作成2 m×2 m的网片,运至工作面安装。钢筋网在初喷混凝土之后铺设,钢筋网与岩面或初喷混凝土面的间隙不小于3cm～5cm,钢筋网保护层厚度不小于3cm,钢筋使用前应清除污锈,采用双层钢筋网时,第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设,铺设时与锚杆和钢支撑焊接成整体。c.型钢拱架。型钢拱架严格按照设计要求在洞外加工场分单元加工,汽车运至洞内分段拼装。拱架安装前先初喷一层混凝土,按照设计间距固定在稳固的地基上,当基底强度不足时,采用加设槽钢的办法增强基脚的承载力。采用短进尺,每75cm架立Ⅰ20a钢拱架一榀,每循环进尺控制在80cm以内,拱架安装后在拱脚处打设锁脚锚杆。钢拱架平面应垂直于隧道中线,其倾斜度不大于2°,钢拱架的任何部位偏离铅垂面不应大于±5cm。型钢拱架与系统锚杆焊接成整体,拱架间设纵向连接筋。采用分部开挖时,应及时将拱架连接成整体,以提高钢拱架受力的整体性能。架立型钢拱架后尽快进行复喷混凝土至设计厚度。d.喷射混凝土。喷射混凝土严格按设计配合比拌和,配合比及搅拌的均匀性每班检查不少于两次。喷射混凝土前,认真检查隧道断面尺寸,对欠挖部分及所有开裂、破碎、崩解的破损岩石进行清理和处理。并埋设喷层厚度控制标志钉,每1 m～2 m设一根。混凝土在混凝土拌合站集中拌和。喷射混凝土作业采用分段、分块、先墙后拱、自下而上螺旋形喷射方式分层喷射,喷射时要严格控制风压、水压,同时保证喷射速度适当,使喷嘴与受喷面保持适当距离(0.8 m～1.2 m),喷射角度尽量接近90°,不使角隅处及钢筋背面出现蜂窝或砂襄,若出现时,及时清除,重新喷射。隧道喷射混凝土厚度大于5cm时,分两层作业。第二次喷射混凝土如在第一层混凝土终凝1 h后进行,需冲洗第一层混凝土面。两次喷射注意找平岩面,以便于铺设防水层。喷射混凝土开挖时,下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔,不得小于4 h。5)仰拱施工。依据喷锚构筑法,仰拱混凝土应及时施作,支护尽早闭合成环,整体受力,确保支护结构稳定。

3 结语

1)鉴于黄土高原地区的特殊地貌,区内沟壑纵横,隧道设计、施工时应加强对地形的测量精度,特别是施工过程中应根据设计图纸,针对进口浅埋段进行地表复测,详细论证进洞开挖施工技术。2)对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段、黄土等不良地质,可采用边仰坡挂网喷锚和小导管加固、进洞口长管棚和小导管注浆支护,提前发挥超前支护作用,减少地表沉降和防止围岩坍塌,保证隧道施工安全。3)施工过程中应当自始至终坚持“勤量测”和“动态设计,动态施工”的原则,准确掌握围岩沉降、收敛规律以及支护压力,结合实际围岩情况,采用合理的开挖方法,并及时调整有关的支护参数。4)经过设计、施工方案的优化调整,顺利通过了该浅埋段,施工中未发生任何安全质量事故,截止目前该隧道已安全通车运营两年之久。施工方案的成功充分说明:针对隧道不良地质段的施工,必须对现场情况进行认真分析,根据具体情况采取灵活有效的设计施工措施,才会取得最好的效果和最佳的效益。

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