隧道洞口施工地表预加固技术及应用思考研究

王铁文

（中铁上海工程局集团有限公司 200333）

1 隧道洞口施工特点和预加固技术施工原则

1.1 隧道洞口施工特点

隧道工程洞口施工是整个项目最为重要也是难度最高的一个环节，该环节施工的质量将直接影响后期工作的进展以及整个隧道工程的施工质量。为此，在进行隧道洞口设计施工时需紧密结合隧道洞口施工的特点开展，选择合适的隧道洞口位置并确定采用科学合理的隧道施工方案。由于隧道洞口类型、进洞的方案等都会受到地形地质、线路走向和地物等的影响，所以可将隧道洞口施工的特点概括为以下几点：

第一，隧道洞口如果周围是悬崖或是坡度较陡的山体，受到不利地形条件的影响，如果施工操作不当，尤其大型机械设备开挖作业时很容易引起山体崩塌、滑坡等问题。洞口穿越山体的表层还会加剧岩石的风化，岩性较差，在隧道洞口开挖施工时容易破坏山体的平衡，出现滑坡问题。为此，需针对实际隧道洞口施工的特点合理选择进洞方式，在开挖前做好对山体的预加固处理，才能保证后期施工的安全，使隧道洞口施工顺利完成。

第二，隧道轴线及其岩层，隧道周围的山体整体是斜交走向的，因此山体会对隧道洞口施工产生一定影响，导致洞口施工出现偏压而影响整体施工的质量。

第三，隧道洞口如果在浅埋层区域，洞口围岩是软弱性土，隧道洞口施工成型难度更大，尤其对于仰坡山体处理时无法采用常规洞口施工手段，会在隧道开挖时对原山体形态造成破坏。而如果山体本身稳定性较差，洞口施工现场的水文地质条件较差，就会给施工带来很大的麻烦，增加安全隐患出现的概率，可能会出现连续性的山体崩塌，严重危害施工安全，给现场施工人员带来伤害。

1.2 隧道洞口施工预加固技术应用原则

1）尽量以保护现场施工环境为目的开展预加固施工

为减少因施工活动给周边生态环境带来的破坏，尤其应保护周围地表植被，保护土壤不受侵害，施工时可采取必要的环境保护措施。例如设置警示牌，保护施工现场不受人为破坏，同时也是为了防止无关人员和设备进入施工现场而增加安全事故发生的概率；减少开挖次数和频率以免洞口因大面积挖掘而出现山体崩塌等安全事故。只有保护现场施工环境，才能进一步提升施工过程的安全，从而为保证施工效率和质量奠定基础。

2）严格遵循施工方案，采用正确的施工方法

在实际施工中必须严格按照具体的方案开展，且需采用正确的施工方法，严格按照施工要求做好每一个工序的施工，并对每一道工序和每一个施工环节进行检查。一般采用自上而下，先支护后开挖的方式，可最大程度上减少施工对边坡构成的损害。当边坡本身就不稳定，洞口位于浅层位置、洞口周边的地质条件复杂时更要利用自然进洞的方式以提升工程施工的安全性。

3）遵循先治理、后施工的原则

由于在隧道洞口施工中，施工活动难免会给周边山体带来损害，为降低泥石流、山体崩塌等安全事故，应遵循先治理自然灾害再进行施工的原则，这样施工过程安全性才会提高，降低施工的难度，使施工能顺利开展。

2 常见的隧道洞口施工地表预加固技术

结合具体隧道工程洞口施工特点，包括洞口的位置、进洞方式、洞口周围土质水文条件、原山体稳定性等，按照自然进洞的原则，并结合地表注浆、洞内支护、表层处理等施工技术措施进行隧道洞口挖掘施工，不仅可以减少山体滑坡、崩塌等自然灾害的出现，而且还能提高仰坡山体的稳定性，使隧洞洞口成洞更加简单且稳定性更高，同时还能节约施工成本。在具体工程施工中，常见的洞口施工方法包括声波法注浆、高压喷射注浆和地面锚杆法施工。对于洞口位于浅层位置且周围地质水文条件较差、原山体稳定性较差、出现严重偏压和地下水比较丰富的地段施工时，一般使用地表注浆预加固施工技术，在浅埋层或围岩稳定性较差的情况下，采用地表注浆方法不但可以起到加固地表地层的目的，而且还能避免地下水渗入洞口中，对于顺利成洞、提高施工效率和质量具有十分明显的作用，能减少地表下沉和地下水渗漏、偏压等对隧道洞口开挖产生的影响。应用较为广泛的注浆施工材料主要有水泥和水玻璃双液浆以及单液水泥浆。总的来说，采用地表注浆加固技术，具有能延长围岩自稳定时间、避免塌方置顶出现、加固充填洞口和塌陷体、封堵地表水等特点。以下对各个预加固施工技术方法进行简单介绍：

2.1 声波法注浆

声波法注浆法的工作原理是，利用了岩层中声波的传播特点，即声波可反映地表岩层的物理形态，当岩层中的声速越高则表明该岩层的密度和硬度越大，岩性相对较为稳定。利用声波法注浆，主要目的是为了使岩体之间的缝隙得到充分填塞，使浆液充分凝结，使原来破碎的岩体能凝结为一个整体，从而有利于提升整个围岩层的稳定性，使隧道洞口地表得以加固。此外，岩体被地下水和大气包围，在注浆以后岩体缝隙中的水或其他充填物被水泥结石替代，从实质上提高岩层的密度和强度，使洞口加固效果进一步提升。

2.2 高压喷射注浆

地表高压喷射注浆方法适合用在地下水量较大、土质大部分是软弱土的区域或地段隧道洞口施工中，尤其在残积层、冲击层等含水量很多的地层，采用常规注浆方法往往无法起到有效的加固效果，使得在后期洞口施工时因为强烈的施工活动而进一步影响围岩体的稳定性，甚至引起地表水渗入而进一步破坏土质的强度。为此，采用高压喷射注浆，不仅是为了提高地表岩层的稳定性，也是为了避免地表水进入到洞口中，从而提高整体隧道结构的安全稳定性。

2.3 地面锚杆

根据隧道洞口的破坏范围设置地面锚杆，使岩体能凝结在一起可起到阻碍隧道洞口内岩土体移动的效果。地面锚杆地表预加固技术在隧道洞口施工中的应用，尤其可以起到防止边坡受严重损害，导致山体塌方和滑动现象的出现。此外，将该方法用在洞口预埋深度较浅、地面荷载不平的地方，可以避免偏差问题的出现。

3 地表预加固技术在具体隧道洞口工程施工中的应用分析

3.1 工程概况

某隧道全长约700m，预设计为单向的双车道，隧道出口位置设设置在滑坡体前端，隧道洞口的深度约1.5m，滑坡四周界限明显。滑坡中间宽约50m，下边宽约60m，厚度约8～15m，是一种相对稳定的滑坡类型。在隧道洞口施工时向下挖深9m 后滑坡体会出现新的扩展，这时则需要采用地表钻孔注浆加固的方式。具体施工流程和工艺控制要点如下：

3.2 表层处理

若施工现场条件较差，原山体稳定性较差甚至已经出现了塌陷，这时则需先采用机械设备对塌陷的地方处理，比如喷射混凝土来控制塌陷位置再次出现塌陷。其次，使用注浆导管在坑壁周围设置钢筋网片进行锚喷支护，在坑底设置钢拱架双层支护并使用钢筋连接拱架的上部，最后铺设钢筋网片再次喷射支护，使填充物充分回填，避免雨水及其他杂物进入洞内，在完成二次混凝土衬砌施工后再返挖并进行土方夯实回填，以保证洞内的安全。

3.3 洞内支护施工

首先，设置灌浆导管并进行增强支护，控制好导管之间的距离和数量。其次，开挖断面并安装拱架时要求使用导管在两侧的拱架底脚进行锁脚加固。此外，在导管内设置锚杆进行注浆加固，最后进行加密处理，使原来支护中间距离减小，进一步提升地表加固的效果。

3.4 地表钻孔注浆

采用地表钻孔注浆加固时，注浆压力值约0.3～0.5MPa，注浆液的扩散半径经过计算得出是52cm，合理设计注浆的范围如下图1，2 所示。沿着隧道轴线注浆长度约38m，沿着隧道横断面加固长度约23m，沿着隧道纵轴方向钻孔深度按照不同区域分别是10m，13m，8m，横纵向孔距分别是90cm 与80cm。

图1 ：注浆设计纵断面

图2 ：注浆设计横断面

在进行注浆液体配置时，按照1：0.8 的比例将水泥与水玻璃混合并充分搅拌，控制水泥浆液水灰比为0.8：1，水泥选择普通型硅酸盐水泥，水玻璃模数M=2.7，原液浓度是40Be’。单孔注浆量的计算公式是：Qd=πR2Hnα，其中是单孔注浆量，单位是m3，R 是浆液的扩散半径，单位是m，H 是注浆孔深，单位是m，n 是土体的孔隙率，取值0.31，α是浆液的有效充填系数，取值0.7。

3.5 质量控制措施

第一，要求必须做好详细的施工准备，即在隧道进洞之前应先对仰坡进行防护加固，平整洞顶的地表做好排水防水措施。第二，准备好施工所用的材料设备，水泥浆液提前按照设计标准进行配置，选择合理的施工方案和辅助施工技术。第三，加强对现场施工的安全质量方面的控制，在保证施工经济安全的前提下还要加强对周边环境的破坏，尽量避免因施工活动而对周边原始山体和植被、土壤等产生破坏。第四，积极利用信息化技术做好对洞口施工的实时监测和控制，做好对地表沉降的观测和地质的超前预报，及时进行二次衬砌，采用动态设计、动态施工和动态管理的方式方法，及时发现设计图纸问题并进行修正，以提高隧道洞口施工的实效性。

3.6 注浆加固效果

采用地表钻孔注浆的方式进行该隧道洞口地表加固，总工期为65 天，总体注入浆液约1800m3，通过注浆加固以后使山体发生了性质上的变化，浆体使各个缝隙填充得十分饱满紧实，提高了土地的强度，同时也提高了摩擦的系数。在洞口段向下挖掘后保持围岩稳定，基本无渗漏问题出现。

4 地表预加固施工技术的应用和发展

在隧道洞口施工中采用地表预加固施工技术已经成为隧道工程隧洞施工中必须关注的问题，预加固技术的应用不但能改善洞口周围岩层的物理性质，提高周围岩层的稳定性，而且还能为施工提供良好的施工条件，使洞口施工简化、可行性增强，从而保障工程施工的安全与质量。此外，地表预加固技术的应用能使隧道工程整体长期处于稳定的状态，不但消除了施工时的安全隐患，而且也提高了隧道工程整体的安全稳定性。由于地表预加固技术突出的优势，目前已在国内外隧道工程施工中得到了广泛的应用，起到了良好的地表加固、封堵地表水渗入、保护周围土壤、地下水和植被不被破坏等效果，预加固技术采用的注浆材料以水泥浆液为主，选择高质量的水泥原材料并进行水泥浆液的合理配置，控制好水灰比可进一步提升预加固的效果。

5 结语

综上所述，隧道工程洞口开挖施工作业时，因为本身施工条件极其复杂，加上受周围原山体、围岩层、水文地质等因素的影响很容易对山体造成破坏而出现山体滑坡、塌方等事故，给施工带来极大的困难，甚至会威胁施工人员的生命。为此，在隧道工程施工中，必须加强对洞口施工的质量控制，根据工程施工特点，按照相应的原则，尤其是自然进洞的原则选择合适的地表预加固施工技术及其质量控制措施。常见的预加固技术有声波法注浆、高压喷射注浆和地面锚杆等，这些措施和方法都必须和具体土体情况结合起来才能发挥技术的最大作用，才能起到加固隧道洞口地表层的作用。