顺层地质隧道斜交进洞施工技术

李玉章　廖巧玲　黄伟伦

摘要：文章通过对板角隧道顺层地质斜交洞口衬砌围岩压力的分析，针对该隧道斜交进洞的施工难题，提出了斜交洞口边坡防护及进洞施工处治措施，为类似工程提供参考。

关键词：顺层地质;斜交进洞;应力分析;滑动层;处治措施

中图分类号：U455.7A170624

0 引言

随着高速公路、铁路等基础设施建设速度的加快，为保证其高速运行的特点，线路要求顺直平坦，但在丘陵、山区及城市周边极易产生斜交进洞隧道。斜交进洞隧道具有洞口边坡顺层、夹泥等特点，因此在隧道掘进施工时易发生围岩失稳、塌方等风险。针对这些情况，本文进行了夹泥顺层地质隧道斜交进洞施工技术研究分析，有效保障施工期人员财产安全及施工进度，同时也为后期隧道运营安全提供保障。

1 工程概况及进洞分析

1.1 工程概况

巴马至凭祥高速公路总承包No.6合同段板角隧道位于广西壮族自治区崇左市龙州县上降乡境内，左洞长1 291 m（ZK277+604～ZK278+895）、右洞长1 295 m（K277+574～ZK278+869）。其进口端属于自然偏压以及地质偏压，进口端左、右洞口设计高程分别为299.686 m、 299.586 m，地面高程分别为303.29 m、304.422 m。隧道进口端洞口位于山坡上，坡向约为322°，坡度约为22°，斜坡表面覆盖层为第四系残坡积黏土，下伏基岩为三叠系下统灰岩与三叠系下统凝灰熔岩及断层破碎带，未见基岩出露。设计坡向与岩层倾向相反，为逆向坡，属于稳定结构，隧道出口受到断裂影响，覆盖层较厚。

经现场清表及孤石清理后，岩体揭露为坡向与岩层倾向相同，为顺向坡。该顺向坡分成层状，表层岩体厚约1 m，岩体破碎、风化严重，同时岩体中夹杂泥土，属于不稳定结构。

1.2 进洞分析

板角隧道所属区域相对来说降雨量较少，雨季明显。根据现场实地勘察及洞口复测资料，结合板角隧道进口端洞口段岩体凸出，无大的汇水量，便于排水的实际情况，按照常规方法做好洞口截排水工作后，地表水及地下水对隧道施工及隧道质量影响较小，不需增加特别的防排水施工措施。洞口段顺向坡，岩层会产生巨大的下滑力，会对隧道初支和二衬产生巨大的压力及破坏作用。为应对偏压及顺向岩层的不利地质条件，根据现场勘察，初步估计该表层岩体覆盖进口端山体整个坡面，若对其全部进行清理，则对原山体扰动过大，不利于坡面稳定，且工程量较大，危险系数高。同时，斜交进洞方式就是顺应地形进洞，不对边仰坡进行开挖，其优点是边仰坡开挖量小，设计施工相对简单，对环境的破坏也很小，仍然保持斜交进洞。根据现场实地勘察及洞口复测资料，结合板角隧道洞口段坡体岩层走向，斜交进洞靠里侧仰坡在隧道开挖后产生大面积的塑性区，如不进行防护，则极有可能产生坍塌，开挖后容易出现岩体失稳现象，从而影响到洞口仰坡的稳定，因此，应对隧道边坡及隧道进口端支护进行优化。

2 斜交洞口边坡防护及进洞施工处治措施

2.1 边坡防护施工处治措施（图1）

隧道洞口边仰坡开挖前，根据现场实际地形，采用白灰放出截水沟的边线，施工时水沟的底坡度随地形变化，保证水沟流水通畅。采用“零开挖”进洞理念进行洞口土石方的开挖工作，减少施工对岩、土体的扰动，减少对山体自稳体系的破坏，严禁使用大规模爆破开挖。对边、仰坡上可能滑塌的松散表土、灌木与边、仰坡上的浮石、危石要彻底清除，或采用主动网、喷锚等措施进行加固，并将凹凸不平处的坡面修整平顺。边仰坡必须逐级开挖，逐级防护。边坡防护在开挖完成后即刻施工。对危及洞口安全的大块危石采用弱钻爆法进行破除清理，边开挖边进行喷锚支护，最后喷射10 cm厚混凝土封闭岩面。根据边坡开挖后的实际地质情况，判断边坡的稳定性，再根据边坡的稳定情况，对锚杆数量进行适当调整。边仰坡开挖前应按设计坡比要求推算出起坡点和坡脚位置，刷坡前用白灰标记出刷坡范围，保护未施工部位的植被完整。

2.1.1 隧道明暗交界位置优化

为减少顺向坡开挖量及开挖后的下滑力，减少偏压力，左右洞明暗交界于原设计处外移4 m。左洞设计有偏压明洞13 m（ZK277+604～ZK277+617），半明半暗段10 m（ZK277+617～ZK277+627），设计偏压挡墙23 m;右洞设计有偏压明洞8 m（K277+574～K277+582），半明半暗段8 m（K277+582～K277+590），设计偏压挡墙16 m。

处治措施：左洞施做偏压明洞9 m（ZK277+604～ZK277+613），右洞施做偏压明洞4 m（K277+574～K277+578）。详见图1。

复测完成并形成洞口纵断图和横断图后，经参建各方进行现场踏勘，结合复测后形成的洞口纵横断面图与原设计图纸进行对比分析，确定优化后的明暗洞交接桩号。

2.1.2 进口端边仰坡喷锚防护施工优化

设计边坡防护形式为喷锚防护，组合使用长度为2 m或4 m的22 mm砂浆锚杆，间距为1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置;注浆采用M30水泥砂浆;挂8 mm钢筋网（钢筋网尺寸为20 cm×20 cm）;喷射10 cm厚混凝土。

处治措施：為保持仰坡面稳定，关键为减小塑性区，对仰坡面进行加固、加强支护就显得尤为重要：（1）增加主动网及被动网，防止表面孤石掉落;（2）局部坡面设计“井”字型锚杆格梁，加固滑层，同时锚杆外露30 cm左右，便于挂设被动网;（3）沿洞身切角方向布设渐变锚杆，锚杆长度>3 m且嵌入稳固岩层≥2 m，锚杆长度大致为3.3～6.3 m，具体长度可根据现场情况进行调整。

2.1.3 进口端偏压墙抗偏压施工优化

偏压墙拱脚宽度为3.3 m，应置于稳固基岩上，且嵌入岩石≥50 cm;偏压墙墙身坡率为1∶0.3。

处治措施：（1）岩层下滑力增加，造成隧道洞口段二衬偏压力增加，因此应增加偏压墙自重以抵抗偏压力，护拱脚宽度由3.3 m增加到4.3 m，偏压墙墙身坡率保持1∶0.3不变，偏压墙墙身根据护拱脚宽度的变化进行相应变化;（2）为不破坏偏压挡墙基脚，基础开挖采用台阶式，同时开挖后偏压挡墙采用钢筋笼或钢管形式与原岩体台阶连接。

护拱养护完成后，进洞前将偏压墙外侧回填土石，以进行反压，确保挡土墙、护拱、半明半暗初期支护结构的稳定。

2.2 洞口段超前支护及初期支护施工处治措施

2.2.1 进口端超前管棚施工优化

原设计进洞超前支护采用超前钢管大管棚进行注浆支护。超前大管棚一般设置于隧道Ⅴ级围岩洞口，并注浆固结围岩，提升围岩对结构的弹性抗力和承载能力，优化结构受力，保证施工进洞安全[1]。采用C30钢筋混凝土套拱作为管棚导向墙，在管棚施工前必须先施作套拱（在明洞衬砌外设60 cm厚C30钢架混凝土套拱，套拱纵向长度为2.0 m），并将127 mm×4 mm导向管固定在套拱内，导向管安装时应采取措施保证孔口孔向精准，一般采用预留管棚上抬量及控制套拱的定位钢管仰角（0.5°～1°）的形式。套拱施作按设计基底标高一次落底，基础尺寸为2 m×0.6 m×1 m，在基础开挖验收完成后，尽快浇筑C15混凝土。套拱模型采用钢拱架支撑、组合模板。导向管与套拱拱架固定，通过全站仪测定导向管位置，导向管与钢拱架焊接成整体。套拱采用3根间距为75 cm的Ⅰ20b工字钢进行加固支撑。拱墙采用C30混凝土一次整体浇筑成型。导向管（127 mm×4 mm）长2 m，环向间距为50 cm，采用 22 mm固定钢筋与孔口管、Ⅰ20 b工字钢进行焊接，不设导向管部分的拱架采用环向间距为100 cm的22 mm钢筋进行连接。管棚采用电动管棚钻机钻孔法施工，套管按设计图纸自行加工，采用丝扣连接。钻孔前应搭设可靠的脚手架，钻孔过程中需要严控钻杆的轴向，保证钻机固定牢靠，采用测斜仪器在钻进过程中量测钻进偏斜度，并根据结果修正钻进角度，避免开挖和支护受到影响[2]。按管棚编号，先进行奇数孔位管棚钻孔注浆，再进行偶数孔位管棚施工，通过偶数孔位钻孔情况验证奇数孔位注浆效果。使用注浆机向管棚内注入42.5级水泥净浆与35波美度水玻璃，固结洞口段的松散、软弱岩体，改善土体或岩体的力学性质，形成整体的棚架，与开挖面形成梁式结构，进行有效的超前支护。

处治措施：为增加管棚抵抗岩层下滑力，在管棚内增加三根 22 mm钢筋，三根钢筋断面呈三角形，纵向间距1.5 m进行点焊。在管棚安装后、注浆前进行安装。

2.2.2 地质超前预报及超前钻探

进洞前和隧道掘进过程中，需采用超前预报、地质超前钻探探明前方围岩、涌水、溶洞等地质情况。必要时，施工方法、洞身衬砌应根据前方地质情况的变化进行调整。进行超前钻探需停止施工，采用喷射混凝土来临时封闭掌子面，测量人员使用开挖台车标记钻孔位置，钻工调整钻角度后开始钻进。需注意钻进过程中的钻碴情况、钻孔出水量与钻杆进尺，对钻孔过程中的各项指标进行详细记录。通过分析超前钻孔记录资料，判断前方围岩的特性、节理发育与地下水发育情况，根据实际情况针对性地采取相应施工控制措施。要求如下：

（1）孔数：每个断面进行3个超前水平钻孔，两侧边墙与掌子面正中间各一个孔（图2）。

（2）孔深：采用循环连续钻探，孔深为30 m，连续的两循环钻孔需重叠5 m，实际一个循环为25 m。

（3）孔径：为 75 mm，满足取芯、取样与孔内测试要求。

在临近富水段、地质较差段5～8 m前，于钻孔前，预先安排2～4组超前水平钻，钻进5～8 m，通过钻孔情况判断前方水文地质情况，并采取措施针对性地进行超前支护、引流导排等，同时作为泄水孔，排出前方围岩段裂隙水，避免涌水、突泥现象的发生。

通过地质超前预报与超前钻探进行分析，现场地质情况为：破碎状灰岩，裂隙发育，无涌水。

2.2.3 初期支护施工优化

初期支护设计情况：ZK277+627～ZK277+705段（55 m）、K277+590～K277+645段（55 m）设计支护类型为XS5d。支护参数为：间距为70 cm的Ⅰ18工字钢，采用环向间距为100 cm的 22 mm纵向连接钢筋进行连接;每处拱脚采用2根3.5 m长的 42 mm×4 mm的注浆钢花管作为锁脚锚杆;系统锚杆采用3.5 m长（内侧4.5 m）的D25中空注浆锚杆，呈梅花形布置，纵向间距为70 cm，环向间距为100 cm;C25喷射混凝土厚26 cm。锁脚锚管、中空锚杆注浆，注浆材料为水泥净浆，水灰比0.6∶1～3∶1（重量比），初始注浆压力为0.5～1.0 MPa。注浆浆液的浓度、压力由小到大，逐步变换。前期通过单孔注浆量控制注浆，当单孔注浆量达到设计注浆量时，即可结束注浆;后期通过终压控制注浆，即达到注浆孔设计终压时，且注浆孔注入量<0.2 L/min时，保持20～30 min即可结束注浆。完成注浆后，采用机械压浆的方式封孔，并抹平孔口。

处治措施：为抵抗顺向坡岩层巨大的下滑力，保证开挖后围岩的稳定，防止因偏压产生初支、二衬的开裂，在洞内采取加强衬砌等抗偏压措施。需对进洞段ZK277+627～ZK277+705（55 m）、K277+590～K277+645（55 m）初期支护进行加强，将其更换为I22工字钢，并缩短工字钢间距为50 cm;上导拱脚处增加锁脚钢管，每处增设1根长450 cm、间距为50 cm的 108 mm×6 mm注浆管棚钢花管;加密D25中空注浆锚杆，间距为纵向50 cm，环向100 cm;C25喷射混凝土增厚至28 cm。

3 施工效果

经处治后，施工过程中未发生安全事故，质量优良，未留下质量与安全隐患。洞口边仰坡稳定，地表无开裂、无异常情况;进洞段围岩稳定、无掉石及塌方现象，围岩及初支稳定、无开裂现象。初支后点状渗水，二衬后无渗水，防排水效果良好。洞口地表沉降、洞内初支支护沉降符合设计及规范要求。具体数据如表1、表2所示。

由表1、表2可知，隧道进口段右线处于缓慢变形阶段，拱顶沉降量最大为-1.3 mm/d（断面里程YK277+590），地表沉降量最大为2.0 mm/d;隧道左线刚开始进洞，目前处于稳定阶段。

4 结语

针对顺层地质斜交进洞施工的隧道，首先做好前期实地调研、测量、勘察工作，然后根据地质水文情况进行岩体的受力及稳定性分析，结合超前预报进行动态施工，最后根据设计图纸优化进洞位置，增强边坡稳定措施，增设超前钻探及超前预报措施，尽早平衡斜交进洞引起的偏压，加强洞身初期支护。并结合工程地质的实际情况，通过合理的进洞位置角度以及适当的加强支护，尽量维护围岩稳定，减少围岩松动，控制围岩变形在合理范围，防止围岩出现塌方。本文通过优化各项施工措施，保证隧道施工顺利进行，未发生施工安全事故，达到了维护边坡及洞內围岩稳定，保证施工安全的效果。洞口围岩夹泥顺向岩体的有效处治和进洞段隧道整体稳定性的有效提高，降低了运营期维修频率，为类似条件下的隧道进洞施工提供了经验借鉴。

参考文献

[1]李鹏华.那现隧道超前支护结构稳定性的分析[J].科技创新导报期刊，2019（15）：33-44.

[2]王剑锋.山体偏压隧道洞口施工技术[J].黑龙江交通科技，2015（8）：110-111.

作者简介：

李玉章（1984—），工程师，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作;

廖巧玲（1988—），工程师，主要从事公路工程桥梁与隧道施工技术管理工作;

黄伟伦（1995—），助理工程师，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作。