大断面隧道偏压陡坡洞口段施工技术分析

周建军

【摘要】 偏压陡坡洞口段隧道施工中，由于施工扰动造成地应力的二次分布， 成为洞口边坡滑动或者洞口浅埋段塌方的诱导因素。不良地质条件的洞口段偏压大断面隧道施工风险和隧道边坡综合施工风险是在建宝兰高铁小墁坪隧道施工上的风险控制点。论文以小墁坪隧道出口段为背景工程，对大断面隧道下穿边坡偏压洞口段综合施工技术进行了分析，提出的洞口段施工技术在很大程度上促进了施工进度，保障了施工安全。

【关键词】 隧道工程；洞口段施工；偏压陡坡；安全控制

近年来，我国隧道建设进入高峰期，出现大量在建和待建的山岭隧道工程。山岭隧道工程不良地质条件常常诱发施工运营灾害，一直以来成为困扰隧道施工安全的难题。山岭隧道与边坡密切相关， 包括隧道进出口时洞门外的边坡以及洞门顶部的仰坡，在施工过程中可能受到潜在的滑坡、剥落、崩落等边坡变形破坏等问题的威胁。随着隧道建设数量的增加，也出现了很多穿越既有道路的隧道工程，既有路基与隧道围岩存在着复杂的相互作用，给隧道施工和运营问题带来更多的困难，这方面缺乏成熟的理论和规范可供借鉴。新建铁路宝鸡至兰州客运专线甘肃段隧道是我公司承担的重要建设项目，山岭隧道修建于山体之中，地质条件更加复杂，尤其是洞口段，由于施工扰动造成地应力的二次分布， 成为洞口边坡滑动或者洞口浅埋段塌方的诱导因素， 因此， 合理的施工方式对控制洞口边坡以及浅埋段的稳定性至关重要。

1. 工程概况

小墁坪隧道位于天水市麦积区元龙镇，出口位于太碌大沟内，地面高程一般为1003-1750m，通过区地势起伏较大，山势陡峻，河流曲折 ，呈峡谷地貌景观。隧道洞身最大埋深约656.8m。隧道起迄里程DK717+910～ DK726+147.9，出口位于R-10000m的曲线上，其余为直线。洞身纵坡为23.4‰-16.1‰。本标段隧道起止里程为DK717+910- DK726+147.9，全长8238.138m。隧道围岩级别如下表1所示。

1.1 工程地质及水文地质概况

隧道区地表水较发育，隧道洞身上部沟谷内均常年有水。因沟谷中地表水基本为土石分界面出露的泉水和沿途基岩裂缝中渗出的地下水，因而该隧道区地下水较发育。地下水水质良好，化学类型为HC03.S04-Ca.Na和HC03.S04-Ca型水，矿化度小于0.30g/l，对圬工不具氯盐、硫酸盐侵蚀性。 小墁坪隧道区地下水以松散岩层孔隙水和基岩裂隙水为主，松散岩层孔隙水主要赋存于沟谷区第四系全新统砂，卵石、漂石土中，基岩裂隙水赋存于燕山期侵入的花岗岩中，依据储水裂隙成因的不同，又分为风化裂隙水和构造裂隙水两类，隧道洞身通过区岭脊段落地下水主要为后者，地下水水质较好，矿化度小于0.3g/l，对圬工不具氯盐和硫酸盐侵蚀性。

表1 隧道衬砌类型及施工辅助措施

序号 里程段落 段落长度 围岩级别 开挖方法

起始里程 终止里程

1 DK725+822 DK725+922 100 Ⅲ 三台阶法

2 DK725+922 DK726+000 78 Ⅳ 三臺阶法

3 DK726+000 DK726+100 100 Ⅳ 三台阶法

4 DK726+100 DK726+102 2 Ⅴ 三台阶+临时横撑

5 DK726+102 DK726+132 30 Ⅴ 三台阶+临时横撑

6 DK726+132 DK726+147.9 15.9 Ⅴ 明挖

1.2 设计概况

结合隧道所处地形、地质条件，考虑施工工期及洞口施工条件，小墁坪隧道出口采用钻爆作业，采用新奥法施工。隧道建筑限界采用线间距为4.6m 的新建铁路客运专线双线区间隧道，隧道轨面以上有效净空面积为92m2，曲线地段线间距不加宽。宝鸡端洞口处地形较陡，为减少刷坡挖方，结合秦岭沟中桥的设置，定洞口于DK717+910，采用到切式洞口，设18m长明洞结构，尽可能减少边仰坡开挖并与洞口环境相协调。桥梁台尾里程为DK717+921.1，桥梁结构进洞11.1m。兰州端洞口地形陡峭，为减少刷坡挖方、防护落石及结合太碌中桥的设置，定洞口于DK726+147.9，采用到切式洞口，设15.9m长洞门结构。尽可能减少边仰坡开挖并与洞口环境相协调。桥梁台尾里程为DK726+147.9，桥梁台尾于洞门相连。为确保隧道进洞安全，进出口拱部设置一环φ108大管棚，管棚环向间距40cm，长度为30m。

2. 隧道洞口段施工技术

2.1 洞口边坡施工技术

在施作长管棚前应先进行洞口开挖，及完成边、仰坡的防护、天沟砌筑。洞口边仰坡开挖中，土方直接用人工配合挖掘机挖装；石方采用光面爆破进行钻爆施工，挖掘机配合装载机装碴，自卸车运输，开挖自上而下逐段分层开挖，与暗洞交界处采取松动爆破，为安全进洞创造条件。松动控制爆破采取接近内部作用药包的装药量，用导爆索或塑料导爆管电起爆系统设计成孔内外微差网路，使得各组炮孔或各个炮孔起爆有足够的时间间隔，成为单独作用药包，炮孔中回填 足够长度、一定密实度的堵塞物，以保证爆破后的岩石开裂、凸起，松动而不飞散，适于机械化装车并能有效地控制飞石、振动效应和冲击波，确保爆区周围的安全，详见下图1所示。根据设计，边仰坡施工前先人工在开挖边缘线10m开挖并施作洞顶截水天沟，待进洞后及时施作洞门和两侧排水沟，与洞顶截水沟相连形成完整排水系统。边坡开挖边线划定后，即在相应位置划出截水天沟走向线，并清除修筑位置的地表浮土及植被。根据设计尺寸在地表划出天沟宽度线，即进行开挖。由于截水天沟设计横断面尺寸不大，开挖时根据地表岩层情况，选择用挖掘机械或者放小炮爆破。开挖到预定尺寸后，即进行浆砌片石的砌筑，以便为下部开挖工作面起到临时排水的作用。注意砌筑时预留排水槽的位置。

图1 分层横向台阶布置图

隧道口开挖前准确测放边仰坡线确定开挖位置，每开挖一层台阶，均要及时做好边仰坡防护，然后再进行下部台阶开挖。尽量减少开挖和刷坡范围，保护好隧道口附近的地表植被。边坡按1：1刷坡。隧道口边仰坡支护采用砂浆锚杆+钢筋网+喷射混凝土联合支护方式。砂浆锚杆用Φ22钢筋、锚杆孔内注入砂浆，钢筋网用Φ8的钢筋在预制场制成网片。当边仰坡的刷坡完成后，将坡面上的虚土和浮石清理干净，将网片沿边坡铺设与锚杆固定牢固，铺设完毕后喷射C25混凝土封闭边坡面。

2.2 洞口大管棚及小导管超前支护施工

大管棚采用Ф108mm×6mm热轧无缝钢管；导向墙纵向长1.0m，在衬砌轮廓线以外施作，厚100cm，采用C25钢架混凝土，内埋设I20a工字钢、φ140×5mm导向套管，导向套管沿拱圈环向布设，间距、位置及方向应准确，固定钢筋与导向管采用双面焊接，焊接长度不小于5d，套拱与明洞衬砌之间预留4cm变形量。混凝土导向墙在洞身外廓线以外施作，导向墙内埋设2榀I20a型钢支撑，钢支撑与管棚导向管焊成整体。作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪以坐标法在工字钢钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定导向管的外插角。导向管应牢固焊接在轻型钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。管棚顶进采用大孔引导和管棚机钻进相结合的工艺，即先钻大于管棚直径的引导孔（φ130mm），然后可用10t以上卷扬机配合滑轮组反压顶进；也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。采用注浆机将水泥浆液注入管棚钢管内，注浆压力0.5MPa～2.0MPa，持压5min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。注浆结束后用M7.5水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。

超前小导管采用Φ42mm、壁厚3.5mm无缝热轧钢管制作，前端加工成锥形并封焊密实，尾部焊上箍筋，管身设若干注浆孔，孔径6～8mm，孔间距15cm，按梅花型布置；尾部长度不小于100cm，作为不钻孔的止浆段。超前小导管按拱顶外轮廓中心高程和支距进行布孔放样，并以插钎作为标记控制小导管的间距。小导管环向间距30cm ，纵向搭接长度为不小于100cm，外插角为10～15?。注浆材料为1 ：1（重量比）水泥浆液，小导管注浆的孔口最高压力严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5-1.5Mpa，止浆塞必须能承受注浆压力。注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到设计终压时结束注浆。注浆扩散半径不小于40cm，注浆浆液相互交错自然形成砼拱圈。隧道的开挖长度小于小导管的注浆长度，预留部分作为下一循环的止浆墙。注浆前进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，采用群管注浆。用手持风钻或钻孔台车钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，并将小导管打入孔内，如地层松软也可用游锤或手持风钻将导管直接打入，打入长度不小于钢管长度的90%。

2.3台阶法加临时横撑开挖技术及稳定性

由于本段双线铁路隧道的开挖断面大而且多为软岩，围岩变形甚至坍塌。为确保施工安全，Ⅴ級围岩地段采用安全性、可靠性、稳定性好，能够较好控制围岩变形，及时封闭成环的三台阶法施工工艺。三台阶法施工时，将整个断面分成三个分部，按顺序开挖，其施工程序见图2所示。

图2 三台阶+临时横撑施工工序流程

为确定该方法施工的稳定性，采用连续介质模型的有限差分法对三台阶施工稳定性进行了分析。数值模拟采用大型有限差分软件FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continua）进行。FLAC3D是美国明尼苏达ITASCA软件公司编制开发基于连续介质快速拉格朗日法的有限差分分析程序。由数值分析得到的隧道开挖过程中围岩的塑性分布如图3所示，在施工过程中如地表、隧道结构拱顶、底部位置以及开挖掌子面围岩出现塑性区域，如果喷射混凝土封闭不及时，初期支护结构施加不及时，或者超前注浆不均匀，可能导致掌子面风化岩石脱落以及底部隆起、拱顶帽落，对施工造成影响。数值分析的结果表明，宝兰高铁小墁坪隧道采用三台阶+临时横撑施工过程中，地表沉降、洞内水平位移均小于设计文件的变形量警戒值，能满足施工控制要求。且从施工过程中岩体受拉、受压屈服产生的塑性区分布来看，地表、隧道结构拱顶、底部位置以及开挖掌子面围岩出现塑性区域，施工过程易出现拱起及塌落，超前注浆必须严格控制，且初期支护施作要及时。

为之，考虑偏压等地形地貌的影响，建议开挖前应完成超前小导管的施工，并注浆加固地层，固结后开挖上台阶1部土体。施工中采用弱爆破附以小型机具或人工开挖，人工沿拱弧轮廓线修整或人工开挖，每循环进尺不大于一榀钢架间距，开挖后立即初喷3cm混凝土开挖面及掌子面以封闭岩面，再进行拱部钢架安装、钻设系统锚杆后复喷砼至设计厚度，使整个开挖面形成闭和环。上台阶施工至适当距离后，开挖2部台阶，施工中采用弱爆破附以小型机具或人工开挖，人工沿拱弧轮廓线修整或人工开挖，接长钢架，施作洞身结构的初期支护。下台阶3分部开挖，施工中采用弱爆破附以小型机具或人工开挖，人工沿拱弧轮廓线修整或人工开挖。下半断面初支，施工工艺同上半断面，拱架接长应与开挖步骤相对应，交错进步。仰拱部分开挖，仰拱支护紧跟拱墙支护及时施做。灌筑该段内仰拱，灌筑该段内隧底填充，利用衬砌台车一次性灌筑二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

（a）施工过程中 （b）工后

图3 施工过程中及工后岩体剪切破坏产生的塑性区分布

2.4 初期支护施工

洞口段的喷射混凝土施工采用湿喷作业，采用C25喷射纤维（微纤维）混凝土。喷射机械安装好后，先注水、通风、清除管道内杂物，同时用高压风吹扫岩面，清除岩面尘埃。喷射混凝土在终凝2小时后开始洒水养护，洒水次数以能保证混凝土具有足够的湿润状态为度；养护时间不少于7昼夜，当气温低于5℃不得喷水养护。喷射混凝土表面应密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓、渗漏水等现象。表面不平整度允许偏差为±2cm。

钢筋网采用φ6、φ8钢筋网。隧道钢筋网预先在洞外钢构件厂加工成型。钢筋类型及网格间距按设计要求施作。安装搭接长度为1～2个网格，采用焊接。砂层地段先铺挂钢筋网，沿环向压紧后再喷混凝土。钢筋网随受喷面起伏铺设，与受喷面的间隙一般不大于3cm，与锚杆或其它固定装置连接牢固。开始喷射时，缩短喷头至受喷面的距离，钢筋保护层厚度不得小于5cm。喷射中如有脱落的石块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清除。

钢拱架在工厂内设置检验试拼平台，加工后在平台上进行试拼，试拼合格后方可运至现场。试拼误差周边控制在±3mm以内，平面翘曲控制在3mm以内。钢拱架架立首先要测量准确，架立后复核，钢拱架尽可能与围岩贴靠紧密（空隙小于5cm），两侧底脚使用垫块支垫牢固。每单元接头处施作锁脚锚杆，通过钢拱架与锚杆的焊接，将钢拱架锁定到墙上。锚杆（管）打设，与水平成约45°角倾斜向下，以改善受力状态。

锚杆采用中空注浆锚杆，采用风钻钻孔，孔径较锚杆大15mm，钻孔完成后采用高压风清除孔内积水和残余物，防止锚杆送入过程中被阻。成孔后，由现场施工技术人员对孔深进行检查，对孔深不能满足设计深度要求的（允许偏差±50mm），进行补钻直到满足施工规范要求。将锚杆插入锚孔，其位置尽量居中，尾部外露长度为5～15cm。注浆材料宜采用纯水泥浆或1：1水泥砂浆，水灰比宜为0.4～0.5。采用水泥砂浆时砂子粒径不应大于1.0mm。注浆时砂浆经中空锚杆体的中空内孔从连接套上的出浆口进入锚孔，锚孔内的砂浆由外向里充盈，锚孔内的空气从排气管排出，注浆完成后，应立即安装堵头。在施工中，根据地质情况现场试验调整参数。注浆时在锚杆上安装止浆垫圈封堵孔口，工作面上的裂纹用塑胶泥封堵。注浆结束后锚杆及时安装托板。若已锚地段有较大变形或锚杆失效，立即在该地段增设加强锚杆，长度不小于原锚杆长度的1.5倍。

2.5 仰拱、仰拱填充施工技术

仰拱混凝土采用C35钢筋混凝土或C30混凝土；仰拱填充混凝土采用C20。为保证施工安全，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。仰拱距掌子面：Ⅲ级围岩不超过90m；Ⅴ级及以上围岩不大于35m。在隧道正洞Ⅴ级围岩中，待喷锚支护全断面施作完成后，根据围岩收敛量测结果，拆除临时支护，開挖并灌注仰拱及填充混凝土。为保证施工质量，仰拱混凝土进行全幅整体浇筑，同时解决出碴、进料运输与仰拱施工干扰及仰拱混凝土在未达到要求强度之前承受荷载的问题，采用仰拱简易栈桥进行施工。

3. 结 论

随着我国基础建设高速发展，高速公路与铁路、水利隧道穿越偏压碎石土地层的施工技术需要进一步深入研究，以完善穿越偏压碎石土地层施工技术的理论与实践，指导工程施工。论文以在建的宝兰高铁小墁坪隧道出口段为背景工程，对大断面隧道下穿边坡偏压洞口段综合施工技术进行了分析，提出的洞口段施工技术在很大程度上促进了施工进度，保障了宝兰铁路的如期顺利通车。从小墁坪隧道的施工结果来看，说明整个技术方案是可行的，可直接推广应用到其他铁路，公路，水利水电工程项目中。这对我国在高风险长大隧道方面的施工产生了积极的影响，也为行业内提供了相对成熟的技术管理经验。

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