木槽岩隧道进口施工方案比选

2022-04-24刘德品

建材世界 2022年2期

刘唐，刘德品

(湖北交通职业技术学院公路与轨道学院,武汉 430079)

1 工程概况

木槽岩隧道是恩施大峡谷旅游公路控制性工程，穿越大巴山向南延伸的中山区，沿线地形复杂，所经之处起伏较大，地势陡峭，相对高差达200 m。在沟壑、路坎、陡壁处基岩出露较广，隧道地区大部分覆土0.5～2.5 m，植被茂密，自然坡度一般15°～35°。隧道进口自然坡度45°～75°之间，距进口不远处即为悬崖。隧道进口里程K20+460，隧道出口里程K21+545，全长1 085 m。隧道进口段上覆地层为第四系坡残积土层,由山前滑坡坡积、崩积物及坡面洪流形成的洪积物组成，有溶洞，地下水不发育，围岩级别Ⅴ级，主要成分为岩屑、砂砾、角砾、粘土等。从开挖的边坡、仰坡土层中发现,内含大块孤石较多,土层松散、潮湿。此段属于严重左偏压地段,坡体处于不稳定状态[1]。木槽岩隧道入口原设计在开挖过程中采取超前小导管注浆支护。

2 方案变更的提出

2.1 第一次方案变更——清除坡顶危岩并延长明洞

施工单位进场后，开始按设计要求对洞顶边仰坡进行刷坡施工，表层剥离后发现洞顶围岩较差、岩石破碎严重，并有多处溶洞，从表面看溶洞直径在1 m左右，深度未知，现场地质情况与原勘察结果发生较大变化[2]。因此施工单位邀请设计、监理、监控量测及业主单位进行现场踏勘，并由监理方组织召开了现场会议，会议决定将洞顶松散岩石全部清除，并将明洞延长至K20+500处，维持超前小导管注浆支护的方式[3]，施工方案见图1。

2.2 第二次方案变更——管棚进洞方案的提出

施工单位按照第一次变更方案实施过程中发现，洞顶山体坡度大，部位狭窄，爆破后的岩石只能用人工进行清理，清除难度大。经过近半个月的施工，进度缓慢，效果不佳，如继续按清除方案进行实施，质量、进度、工期以及安全均难以保证。

为尽量减少对现有植被的破坏、避免隧道顶落石对山下过往车辆及行人的安全威胁，施工单位再次邀请设计、监理、监控量测及业主等参建单位进行现场踏勘，并组织有关专家召开了第二次专题会议，会议研究认为，明洞延长至K20+500是合适的，按清除松散岩体方案执行难度大、工期长、安全难以保证，而且对环境破坏大，建议采用管棚支护进洞，但会议要求施工单位对管棚方案与清除松散危岩后配合超前小导管注浆方案进行综合对比论证，以便最终确定进洞方案。

3 管棚方案与清除松散岩体后配合超前小导管注浆方案对比分析

3.1 质量对比分析

原设计为超前小导管注浆。按第一次方案变更的会议精神，将洞顶堆积岩体(K20+500～K20+518)全部清除。因进洞口处岩石破碎严重，从表面看洞顶的岩石(K20+500～K20+518段)与山体之间有约30 cm的土夹层，与山体未连成整体，如采用超前小导管，因小导管受施工工艺和机械限制，长度一般在5 m左右，注浆压力较小，而且注浆分段进行，水泥浆浸入岩石的深度有限，固结的整体性较差。

如采用大管棚方案，因大管棚成孔深度大，最深可超过40 m(该项目预估30 m)，注浆压力大，水泥浆浸入岩隙的范围大，一次完成注浆，可以形成很好的整体性，对破碎岩石的固结效果好，充分发挥周边岩体的作用，与新奥法设计原理一致，有利于顺利进洞，而且可以提高隧道明洞段的耐久性。从质量上讲大管棚明显优于超前小导管[4]。

3.2 安全对比分析

按第一次会议确定的方案施工，需将洞顶仰坡部分(K20+500～K20+518)的松散岩体全部清除，因该部分岩体有效施工部位狭窄，坡度大(最大坡度约为75°)，没有足够的工作面，属复杂的高空、高边坡作业，在此处进行钻孔、爆破、清除爆破后的岩石等工作难度大，工作人员必须系安全绳方可进行施工作业；清理的岩石只能任其自由下落，极易落至山下(洞口下方约300 m有高岭土公司正在施工)造成落石伤人；在进行爆破时，因岩体破碎严重，爆破参数难以控制，炸药单耗太低达不到爆破效果，单耗过高又容易形成爆破飞石，给山下的施工单位及附近的居民造成伤害；在进暗洞的施工过程中，原方案的超前小导管的可靠性没有大管棚保障性高，较易发生洞顶坍塌等安全事故。总之，如采用第一次会议拟定的方案，施工安全隐患极大。

如采用大管棚方案，不用全部清除洞顶的堆积岩体，只需对明洞末端两侧进行少量的松散岩石刷坡后，对仰坡直接进行挂网锚喷处理；对明洞与暗洞交界面K20+500台阶处的石碴用机械转至路基上，然后再用装载机装车、汽车运至弃土场，减少高空、高边坡作业的时间，降低施工安全风险。

3.3 工期对比分析

如采用全部清除洞顶松散岩石的方案，工效过低，耗时较长。该处剩余总方量约4 100 m3，全部用人工清至洞顶高程约需耗时70 d。清除方案受天气影响大，一旦下雨因安全无法保障只能停工；清除后超前小导管进洞方案，因安全保障性低，不能采用全断面开挖，只能采用台阶法或预留核心土法进行洞身开挖，每天进尺只能保证1 m左右，则K20+500～K20+525明暗交接段的施工时间大约需30 d。采用清除松散岩石方案开挖至K20+525桩号(大管棚方案末端达的桩号)所需的总时间约100 d。

如采用大管棚进洞方案只需先用机械清除K20+500台阶处的石碴，然后直接进行大管棚施工，大管棚施工时因占地面积小，可在施工部位搭设防雨棚，受天气影响因素相对较小，整个施工过程包括石碴清理、套拱浇筑、造孔、顶管、注浆并开挖至K20+525，预计包括明暗洞交界处孤石清理、支护和管棚加工25 d，套拱施工5 d，钻孔、管棚安装、注浆、开挖35 d，所需时间为65 d。

对比可知，如采用大管棚方案可提前工期35 d以上，进度明显加快。

3.4 环境保护对比分析

采用清理松散岩石方案，总方量大约为4 100 m3，如全部开挖，对现有植被破坏严重，开挖后形成陡峭的山体(近乎悬崖)，没有坡面过渡段，洞顶视觉效果差。开挖的弃碴需占用800 m2(折合为1.2亩)的平地(堆积高度按5 m计)，对当地的生态环境造成较大的破坏，不利于耕地保护。采用大管棚方案，弃渣大大减少，有利于保护环境。

3.5 经济对比分析

K20+500～K20+525采用清除松散岩体后，采取超前小导管的支护措施费用，包含孤石开挖、C20喷射混凝土、钢筋网、超前小导管、φ22砂浆锚杆、洞顶碎石回填、弃渣场征地等，费用合计约80.4万元。

采用大管棚的支护措施费用，包括套拱C25砼、套拱孔口管、大管棚、注浆、钢筋笼、φ22砂浆锚杆、C20喷射混凝土、钢筋网、机械设备进出场费等，合计约92.8万元。

采取大管棚方案需要增加造价约12.4万元。

3.6 方案的确定

通过以上两个方案的对比分析可知，如采用大管棚方案，在质量、安全、环境保护方面均比清除洞顶松散岩体后进洞的方案更优，进度也可大幅加快。大管棚比清除方案加快的绝对时间为35 d，相对时间为35/500=7%(500 d为原计划隧道施工总工期)。

采用大管棚方案需要增加一部分费用，增加的费用绝对额为12.4万元，相对于隧道造价的比值为12.4万元/3 000万元=0.41%(3 000万元为隧道概算金额)，通过对比可知费用增加幅度远远小于工期提前的幅度，同时有质量、安全方面的保障，还可最大限度地保护当地良好的生态环境。

为保证顺利进洞和施工安全,经业主、设计、监理、施工单位对比论证,决定采用大管棚支护方案,以便尽快通过明暗交界地质破碎带。

4 进洞施工顺序与管棚施工

4.1 施工顺序

为确保施工安全，进洞采取侧导坑方式开挖，缩小相关节段长度。开挖在预支护长管棚及注浆完成并达到强度后进行，主要施工顺序为[5]：1)左侧导坑开挖；2)左侧初期支护(含侧导坑、仰拱初期支护)；3)右侧上导坑开挖；4)右侧上导坑初期支护；5)右侧下导坑开挖；6)右侧下导坑初期支护(含仰拱初期支护)；7)仰拱衬砌；8)二次衬砌。

4.2 管棚施工

管棚规格采取热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚6 mm，节长3 m和6 m；外插倾角1.5°，可根据实际情况作调整，范围在1°～5°之间[6]。注浆材料采用32.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa，浆液扩散半径不小于0.5 m。洞口明暗挖交接段开挖时，挖至拱顶轮廓线下50 cm左右，拱顶即作为套拱施工和钻机架设的平台，大管棚布置见图2。管棚施工工艺流程主要包括套拱施工——搭设平台——钻机就位——钻孔施工——钻杆分节退出——清孔——管棚下管——移动钻机——注浆机准备——注浆——退机——拆除平台——管棚施工结束。