“零仰坡”开挖进洞与单向贯通出洞技术在石子崎隧道中的应用

洪贵权

佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山 528000

随着现代高速公路建设的不断发展，“人与自然和谐发展”“绿色公路”等理念进一步强化，环境保护要求提高，仁新高速项目在建设之初就提出了“平安、耐久、绿色”的建设理念，石子崎隧道采用“零仰坡”进洞及单向掘进贯通出洞，最大限度地减少了洞口段的开挖，实现了生态环境保护，并节省了成本。文章主要结合石子崎隧道工程实例，介绍“零仰坡”开挖进洞与单向掘进贯通出洞技术。

1 隧道建设条件

1.1 隧道概况

石子崎隧道位于广东省连平县隆街镇长沙村南侧山脉，呈183°方向展布，设计为洞口小净距式，洞身分离式隧道，设计速度为100km/h，双向6车道，左线长659m，右线长620m，属中隧道；左线进口端与右线出口端设置端墙式洞门，左线出口端设置削竹式洞门；洞口段为Ⅴ级浅埋围岩，隧道最大埋深约为126m，隧道进出口段均是接桥梁，进出口及洞身无道路抵达，交通条件差。

1.2 地形、地貌与工程地质

石子崎隧道位于低山地貌区，隧道进出口端山坡坡度较陡，自然坡度一般为30°～40°；植被发育，水土保持较好。进口位于一北向斜坡上，地层为强风化砂岩揭露厚度22m，斜坡临空面方位355°，与路线走向呈大角度斜交，岩层产状348°∠21°；出口位于一南西向斜坡上，上覆全～强风化层厚28m，与路线走向大角度相交，岩层产状320°∠34°；进出口端洞口段岩石裂隙发育，岩体较破碎，完整性差，围岩分级为Ⅴ级，围岩易坍塌。

1.3 原设计隧道进洞方案与贯通方案

原设计隧道按开挖边仰坡方案进洞，做好排水系统后，先开挖边仰坡；采用30m长的管棚预支护；采用I22工字钢及φ22mm药卷式锚杆进行锚喷初期支护；采用双侧壁导坑法开挖。

原设计贯通方式为双向贯通，贯通位置选择在隧道中部围岩较好段落，在两开挖工作面间的距离剩下10～15m时，从一端开挖贯通。

2 隧道进洞方案与贯通方案优化

由于隧道进出口场地狭窄，无可用道路抵达，两端桥梁施工期长，如开辟两处工作面，临时设施建设需增加大量用地，需投入2套设备，开辟施工便道长，破坏环境，且工期长、投入大。鉴于上述条件限制，经研究洞口地质情况和多次现场踏勘，结合项目总体进度计划和施工可行性分析，决定采用“零仰坡”从出口端进洞，单向掘进采用CD法贯通出洞。具体以左线为例，其技术方案如下。

（1）“零仰坡”开挖进洞就是尽量降低洞口仰坡高度，减少洞口边仰坡的防护工程量，尽量减少洞口仰坡原始植被的破坏，达到保护环境的目的，左线出口端原设计暗洞止点桩号为ZK359+141，为实施“零仰坡”进洞，将暗洞加长，明洞缩短，即将暗洞止点外移至ZK359+146，覆盖层厚度约70cm，其超前支护洞口第一环采用φ108mm管棚、φ42mm洞内小导管，环向间距为40cm；初期支护采用22b钢拱架，纵向间距为50cm，并采用φ22mm药卷式锚杆及双层钢筋网进行锚喷支护；开挖方法由双侧壁导坑法调整为三台阶预留核心土开挖法。隧道出口端“零仰坡”进洞效果如图1所示。

图1 隧道出口端“零仰坡”进洞效果

（2）原设计为双向掘进在隧道中部贯通，进口洞口段设计为双侧壁导坑法开挖，ZK358+497～502段为明洞，按照“早进洞、晚出洞”的原则，结合现场地质，决定将暗洞出洞桩号外移2.5m，调至ZK358+499.5，ZK358+497～499.5段为明洞，从出口端向进口端单向贯通出洞，采用CD法开挖，超前支护采用φ50mm单层注浆小导管，环向间距为40cm；初期支护采用22b钢拱架，纵向间距为50cm，并采用φ22mm药卷式锚杆及双层钢筋网进行锚喷支。隧道进口端出洞减少仰坡效果如图2所示。

图2 隧道进口端出洞减少仰坡效果

3 “零仰坡”开挖进洞施工技术

（1）施工准备。根据隧道洞口的设计情况、标高和自然坡度准确计算出明暗交接点的桩号（ZK359+146），利用全站仪放出套拱轮廓的位置，并以此控制洞门两侧拉槽分台阶的开挖，在洞口开挖前设置洞顶截水沟和地表防排水系统。进洞施工顺序：测量放样确定“零仰坡”进洞的位置→套拱施工→长管棚施工→洞身开挖（三台阶预留核心土）。

（2）“零仰坡”进洞位置的确定。为了做到“零仰坡”开挖，根据钢拱架的间距，钢拱架从明暗交接点（ZK359+146）向外施工。

（3）套拱施工。拱部按设计先施工锚杆支护与拱部钢拱架（至少1榀）焊接牢固，长管棚支护先在钢拱架上定出导向管的位置，再将导向管焊接在钢拱架上。套拱采用C30混凝土，厚度为70cm，长度为2m，套拱内共安装4榀I22b钢拱架，每榀钢拱架之间用φ22mm钢筋连接，连接钢筋环向间距为1m；按以上参数及要求施工完成后安装顶模与端模，套拱一次浇筑完毕。

（4）长管棚施工。套拱混凝土强度不小于75%时，方能进行管棚钻孔施工，管棚采用φ108mm×6mm热轧无缝钢管，单根管棚长30m，共51根，环向间距为40cm，外插角为1°～3°，导向钢管采用φ133mm×4mm钢管，沿拱部120°范围环向间距40cm均匀布置在工字钢钢架上；管棚四周钻φ10mm注浆孔，尾部250cm范围不钻孔，作为止浆段；管棚注浆采用水泥浆液（添加水泥浆液体积5%的水玻璃），水灰比为1∶1，注浆初压为1.0MPa，终压为2.0～2.5MPa。

（5）洞身开挖。洞口段采用三台阶预留核心土方法开挖，上台阶高度为4.0m，中台阶高度为3.45m，下台阶开挖至仰拱填充顶面，最后进行仰拱开挖，每循环进尺0.5～1m；各台阶步距控制：上台阶长度控制在3～5m；上、中台阶距离为8～12m，中台阶左右侧错开2～3m；中、下台阶距离为10～15m，下台阶左右侧错开2～3m；下台阶开挖10m，洞口段施作一段3m长的仰拱；上台阶拱脚部位增设扩大基础确保稳定，上台阶扩大拱脚连接钢板尺寸为120cm×30cm，钢板厚度为2.0cm，在钢板与钢架间连接一根I22b工字钢，作为钢板与I22b工字钢的斜身支撑，拱脚两侧锁脚为4根φ42mm小导管，长度为4m，锁脚锚管在钢架拱脚底部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设，尾部与钢架焊接牢固。三台阶预留核心土开挖顺序及上台阶扩大拱脚示意图如图3所示。

图3 三台阶预留核心土开挖顺序及上台阶扩大拱脚示意图

4 CD法贯通出洞施工技术

（1）CD法施工技术。石子崎隧道左线在出洞前采用三台阶开挖法，在距离进口端20m处（即桩号为ZK358+522），工法由三台阶转换为CD法（施工范围20m）贯通出洞，施工到桩号ZK358+522时，左侧壁先行导坑施工至出洞，左侧壁采用二台阶开挖，小导洞最大宽度控制在7m范围；再施工右侧壁导洞，右侧壁采用三台阶开挖，同时加快仰拱施工至桩号ZK358+522位置，二衬在左侧壁导坑出洞前施工至桩号ZK358+531位置；根据围岩情况与监控量测数据加临时支护、临时仰拱支护等应急措施，确保安全。

（2）CD法开挖工序。石子崎隧道单向掘进CD法贯通出洞开挖施工工序如图4所示，具体如下。①先行导坑出洞，即先开挖1部，最大开挖宽度控制在7m内，并随挖随挂网喷锚，架设钢拱架，中壁加设I16工字钢支撑施工初期支护（2），左侧开挖采用二台阶法。②左侧及洞身挖掘推进，1部先行导坑出洞后开挖3部，随挖随挂网喷锚，架设钢拱架，中壁加设I16工字钢支撑施工初期支护（4）；3部正常推进后右侧采用三台阶开挖法施工，即开始施工5部后行导坑上部，并做好相应初期支护（6），施工7部后行导坑中部，并做好相应初期支护（8），施工9部后行导坑下部，并做好相应初期支护（10），台阶纵向长不超过5m。③施工仰拱（11），并进行混凝土浇筑，最后进行全断面（12）二次衬砌封闭。④每部开挖的初期支护完成后，开始施工超前支护，超前小导管设计为4.5m，每循环进尺为型钢间距0.5m，小导管尾部从钢拱架腹部穿过支承钢架，与水平面夹角不大于10°。⑤1、5部导洞开挖后每隔3m设置1道临时仰拱。⑥5、7及9部的掌子面不应比边墙超前过多，台阶纵向长不超过5m。⑦左侧小导洞出洞后立即组织进口端套拱、长管棚等施工。

图4 CD法施工工序示意图（单位：mm）

5 隧道监控量测

在隧道“零仰坡”进洞及单向掘进出洞施工过程中，由于洞口段围岩埋深浅，围岩自稳性较差，需加强监控，指导全过程施工。该隧道进行的监控量测项目有洞口浅埋段地表沉降观测、拱顶下沉、洞室周边位移等，每天监测次数不少于1次，每5～10m拟布设一道监测断面，每个断面拟布设7个点，并及时记录数据向现场反馈。地表沉降监控量测时间曲线如图5所示。

图5 地表沉降监控量测时间曲线

6 结束语

“零仰坡”开挖进洞技术在保证了隧道进洞的安全前提下，避免了边仰坡的大量开挖，有效保护了洞口地形地貌，达到了安全、优质的进洞效果，实践了隧道绿色施工新工艺；单向贯通出洞技术，消除了施工场地限制的条件，省去了一端配套的临建设施和施工用地（尤其是在短隧道施工时，采用单向掘进贯通出洞可显著节约成本），同时，洞口的仰坡基本维持了植被的原貌，最大限度地保护了生态环境，该工法已成功应用于仁新高速石子崎隧道施工，取得了较好的经济效益和社会效益，可供同类隧道工程借鉴。