超小净距浅埋偏压隧道施工技术应用

吴 际

(中铁四局集团有限公司，安徽合肥 230001)

随着高速公路网不断向山区延伸，山区隧道也越来越多。由于地形的限制，超小净距浅埋偏压隧道不可避免，该类型隧道施工安全风险大，应加强控制，现结合施工实例为今后类似施工提供经验。

1 工程概况

1.1 工程概述

云南普宣高速公路法马坡隧道位于云南省宣威市宝山镇得马田村。在平面线位上，法马坡隧道起止里程为ZK25+855～ZK26+195，左线长340 m，右线长340.35 m(见图1)。位于R=2 528 m的左转圆曲线上。在纵断面上，隧道位于1.81%的下坡路段。本隧道左右线均不设超高，路基横坡为2%。左右线洞身Ⅳ级围岩共524.35 m;Ⅴ级围岩共156 m。

图1 法马坡隧道地表建筑物平面布置图

1.2 技术标准

公路等级:高速公路(双洞四车道);设计车速:80 km/h;双洞分离式隧道建筑限界净宽:10.25 m=(0.75+0.5+2 ×3.75+0.75+0.75)m;隧道限界净高:5.0 m;隧道为超小净距隧道，中岩墙厚度为1.28 m ～2.63 m。

1.3 工程地形地貌

隧址区属于构造剥蚀浅丘地貌;隧道出洞口位于法马坡南东至北西流向的季节性冲沟南西侧自然斜坡上部，斜坡沿隧道走向地面坡角一般为10°～20°，垂直隧道走向地形较陡，地面坡角20°～40°，局部直立呈陡坎状。

1.3.1 地层岩性

隧址区地层主要为第四系全新统杂填土(Qml4)、第四系全新统残坡积(Qel+dl4)粘土及二叠系上统宣威群(Pxn2)页岩夹砂岩、薄层煤层，由老至新分述如下:

①宣威群(Pxn2)。

页岩:深灰色、黄褐色和灰黑色，泥质结构，页理状构造，主要由粘土矿物组成，夹薄层煤层，砂质含量较高。

②第四系全新统残坡积(Qel+dl4)。

粘土:黄褐色、灰褐色，可塑状，干强度及韧性高，切面有光泽，无摇震反应，局部地段含少量页岩及砂岩碎石角砾，粒径3 mm～80 mm，含量约5%～15%。主要分布在隧址区进出洞口的斜坡上，揭露厚度为 1.20 m ～5.70 m。

③第四系全新统杂填土(Qml4)。

杂色，主要由碳渣、页岩碎块及粘土组成，碳渣含量为10%，主要覆盖在表层，页岩碎石粒径30 mm～60 mm，含量为45%，稍湿，结构松散～稍密，为炼锌废渣所堆填，时间约10年。主要分布在洞身段的居民区附近，揭露厚度为5.10 m～12.10 m。

1.3.2 不良地质

根据对隧址区进行工程地质测绘，隧道区未见滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象，存在的主要不良地质为老窑采空区。老窑采空区主要为20世纪50年代～70年代村民自采形成，规模小，延伸长度小，其沿煤层走向方向延伸长度一般小于30 m，现洞口已被附近居民的生活垃圾所填埋。由于开采时间的间隔，采煤工作的多次交替，老窑的分布十分混乱，无规律性，为典型的乱采乱挖形成，分布于路线区的浅表部位。根据对煤窑的调查和沿隧道轴线的物探资料，未查出隧道区有采空区分布，为防止可能出现的采空区，在施工中采取了超前探测。

2 工程主要特点

2.1 工程主要特点、重点和难点分析

1)隧道均为Ⅳ，Ⅴ级围岩，属软弱围岩，开挖断面大，隧道开挖断面为106 m2～113 m2，属大断面隧道。开挖与支护的稳定是施工自始至终关注的要点。

2)隧道为超小净距隧道，中岩墙厚度为1.28 m～2.63 m，小净距隧道施工左、右洞相互影响，中岩墙的稳定性是小净距隧道建设成败的关键，对整个围岩的稳定性起到至关重要的作用。

3)隧道工程地质复杂多变，本隧道经过含煤地层、瓦斯，且有较多的原来地方私挖乱采遗留的老窑采空区，隐含的风险较大。

4)隧道埋深浅，出口端偏压严重，下穿村庄房屋、文宣公路，且公路上有较多运煤重车行驶。

本隧道最大埋深38 m左右，并穿越村庄民房、公路，施工中容易出现坍塌、房屋墙体(地面)开裂、公路沉陷等。

图2 各断面覆土厚度横断面图

2.2 对策措施

经过分析，针对工程特点、工程技术难点与施工重点，施工过程中采取了以下措施:

1)根据围岩实际情况，施工方案的选择:a.对于洞口Ⅴ级围岩浅埋地段，采用三台阶七步法施工;隧道Ⅳ级围岩采用环形开挖预留核心土法施工。b.施工中遵循“先预报、管超前、严注浆、短进尺、强支护、弱爆破、早封闭、勤量测”的施工原则，确保施工安全。

2)做好隧道施工风险管理及危险源评价工作。在隧道施工中，应做好危险源的识别、监控及施工风险管理工作。a.重视超前地质预报工作，把超前地质预报纳入正常的循环工序进行控制。施工期间全隧道采用超前地质水平钻孔等预报手段，及时掌握掌子面前面地质情况。b.施工过程中如遇老窑采空区，采用片石混凝土回填。

4)为减少左右洞隧道施工相互干扰，右洞隧道衬砌超前左洞掌子面20 m，对中岩墙采取注浆和设置预应力对拉锚杆等加固措施，确保中岩墙的稳定，爆破采用微振控制爆破技术，对最大单段炸药用量进行计算，严格控制爆破震动，后行洞对先行洞爆破震动速率不超过15 cm/s，在下穿公路施工中，对公路地表爆破震动速率不超过2 cm/s。由于中岩墙厚度仅为1.28 m～2.63 m，施工中对先行洞初期支护进行加强。

3 施工过程

根据指挥部组织的业主、设计、监理、施工单位四方现场勘查，结合“零开挖”进洞原则和现场实际测量结果，考虑施工安全和隧道严重偏压及地形悬空情况，确定法马坡隧道出口端左、右线保持原设计情况不变，各断面覆土厚度见图2。

3.1 洞口段开挖与防护

施工以“减少干扰，利于施工，确保安全进洞”为原则，做好统筹规划，确保隧道洞口施工顺利进行。

洞口明洞段开挖采用挖掘机，配合自卸汽车装运。开挖自上而下逐层进行，随开挖随进行边、仰坡防护。至暗挖段拱顶开挖轮廓线高度时，按设计坡度下挖至设定的上半断面底部，临时喷射混凝土封闭暗洞掌子面。

进洞施工前，施作了超前大管棚和超前小导管注浆支护。超前大管棚采用KRB80412管棚钻机打眼和安装钢管，PF-40A注浆机注浆支护。具体作法如下:

洞口开挖至仰拱底，先施工钢架(Ⅰ20b)混凝土套拱，并预埋管棚导向管，其环向间距及倾角同设计的管棚环向间距及外插角，然后施作长管棚，形成洞室轮廓。

洞口段加强了防排水措施，防止积水长时间浸泡墙脚和隧底，造成边墙围岩失稳。

因子分析模型的解析表达式通常有如下的形式：假定P个随机观测向量，有均值，协方差，因子分析的模型可表达如下形式[4]：

3.2 洞身工程开挖与支护

法马坡隧道开挖断面超过100 m2，其中Ⅳ级围岩524.35 m;Ⅴ级围岩156 m。为确保施工安全和支护质量，隧道Ⅳ级围岩采用环形开挖预留核心土法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶七步法施工，Ⅴ级围岩开挖以挖掘机辅以风镐开挖为主，必要时采用风钻打眼弱爆破;其余地段采用YT-28凿岩机钻眼，非电毫秒雷管微差控制爆破，严格控制爆破震动速率，后行洞对先行洞爆破震动速率不超过15 cm/s，在下穿公路施工中，对公路地表爆破震动速率不超过2 cm/s，确保中岩墙的稳定，施工进入公路影响范围(K26+020～K26+040)和民房影响范围(K25+900～K26+060)内时，重点控制监测，确保施工安全。为保证开挖断面尺寸，采用激光断面仪等确定开挖轮廓线和炮孔位置。

隧道出口左右线均采用无轨运输，采用ZL50C侧式装载机装渣，20 t柴油自卸汽车运输。

3.2.1 Ⅴ级围岩采用三台阶七步法开挖

Ⅴ级围岩采用三台阶七步法施工，上台高3.0 m，中台高2.8 m，下台高3.0m，仰拱最后开挖(高1.6 m)，上台长5 m，中台长5 m～6.5 m，仰拱滞后20 m ～30 m。核心土高1.5 m ～2.0 m，长3 m ～5 m，宽5 m～6 m，下台中部预留4.0 m宽斜坡道。中台及下台两侧台阶错开2m～3m。每循环进尺0.6m。对隧道周边围岩进行超前预加固后进行三台阶分步平行开挖，上半断面环形部分人工采用风镐开挖，其余各部分采用挖掘机开挖、装碴。具体见图3。

图3 三台阶七步开挖法施工工序透视图

表1 监控量测的项目、方法和频率表

三台阶七步法施工工序说明:

1)上部弧形导坑开挖。

在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3 m～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺最大不得超过0.6m，开挖后立即初喷3 cm～5 cm的混凝土。开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，并架设钢架，在拱架拱脚以上30 cm高度处，应紧贴钢架两侧边沿按下倾30°打设φ42锁脚锚管，锁脚锚管与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

2)左、右侧中台阶开挖。

开挖循环进尺最大不得超过0.6 m，开挖高度为2.8 m，左右侧台阶错开2 m～3 m，开挖后立即初喷3 cm～5 cm混凝土。及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在拱架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

3)左、右侧下台阶开挖。

开挖循环进尺最大不得超过0.6 m，开挖高度一般为3.0 m，左右侧台阶错开2 m～3 m，开挖后立即初喷3 cm～5 cm混凝土。及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在拱架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

4)上、中、下台阶预留核心土开挖。

各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

5)隧底开挖。

每循环开挖长度宜为2 m～3 m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4 m～6 m。

3.2.2 地质超前预报

本隧道地质超前预报采用了超前钻探的方法。采用水平钻机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯来判断开挖岩石的信息，借助于传感设备，通过钻速、钻进压力、扭矩等判断前方岩体的特性，并可以通过加入钻孔声波、水压力等技术，预测涌水量和涌水压力，能够较为完整准确的揭示地质状况，并且在孔口可以进行有害气体的监测，可用于30 m～50 m的预报。施工采用HR1500型钻机，钻孔外径90 mm，取芯直径57 mm。3.2.3 监控量测

现场监控量测不仅监测各施工阶段围岩和支护动态、确保施工安全，而且是调整初期支护设计参数、确定二次衬砌和仰拱的施作时间的依据。

本隧道以洞内外观察、水平相对净空变化值的量测、拱顶下沉量测、浅埋段地表沉降量测、锚杆轴力、爆破震动监测为必须进行的监控量测项目，必要时增设隧底上鼓、围岩内部变形等量测项目。洞外在进口浅埋段地表布点，进行地表下沉量测。监控量测的项目、方法和频率见表1。

4 结语

通过施工过程的严格控制和精心组织，按期优质完成该隧道，各项预定目标均得到了实现。超小净距浅埋偏压隧道在山区公路隧道施工中常见，为确保安全施工，有必要加强对该类型隧道的经验总结。