丘陵地貌小净距隧道“零”开挖单向出洞技术

2023-02-15方存星施亮亮伍定旺

工程建设与设计 2023年2期

方存星，施亮亮，伍定旺

（中交第二航务工程局有限公司，武汉 430000）

1 引言

隧道作为高速公路建设中的重要组成单元，在山区地质条件复杂，地形地貌多变，隧道洞口处多为陡峭山坡，无既有道路及施工作业场地，洞口施工常需大面积开挖，对原地形地貌、现有生态环境破坏严重，与管理日趋严格的环境保护工作相矛盾，背离了现代高速公路建设中体现的绿色、环保、人本等理念，不符合可持续发展的要求。

2 隧道建设条件

2.1 隧道概况

蛇岭隧道位于湖南西南部怀化市靖州县平茶镇马路口村，左洞长535 m，起讫桩号为Z1K42+665~Z1K43+200；右洞长601 m，起讫桩号为K42+624~K43+225，属中隧道，小净距隧道形式布置，隧道左右洞设计线净距总体控制在14.5~21 m，洞顶最大埋深约67.5 m。

2.2 地形地貌

蛇岭隧道隧址区属于剥蚀低山、丘陵地貌，山坡坡度较陡，一般约30°~40°，局部可达50°~60°，冲沟发育多条，植被较茂盛，为杉、松、竹等；隧道靖州端进洞口设计为桥接隧道，地形陡峭，山体坡向为70°~95°，坡角约为45°~65°，进口端洞口施工不具备适宜的工作场地；局部在坡脚冲沟见基岩裸露，岩体破碎、节理裂隙较发育。

2.3 地层岩性

隧道口上部坡体曾发生过浅层土质滑坡，堆积体散落于下方坡面，破坏程度一般，目前山体坡体稳定性较为稳定。山坡表层多覆盖残坡积层，层厚1~3 m，成分为粉质黏土及碎石土，土体稳定性一般至较好；从详勘情况及桥台桩基施工中得知强风化板岩层厚20~25 m，强风化板岩上段呈现为在黄色碎裂状板岩夹薄层块状板岩，可见规律的似层状产状290°∠22°。从开挖揭露情况可知，岩体趋于稳定，深部为强风化板岩下段及中风化板岩，岩体稳定性较好。

2.4 原设计隧道进洞及贯通方案

地勘揭露隧道进出口段地质条件差、埋深浅，设计按照开挖边仰坡并采用φ108 mm×6 mm超前大管棚辅助进洞。洞顶截水沟、排水沟和改沟施工完成后形成完善的洞口防排水系统，开挖边仰坡后对洞口临时边仰坡、洞口浅层滑坡进行防护处理，然后进行洞口、洞身段的开挖。

原设计隧道贯通方式为双向贯通，贯通点避免选择在断层破碎带附近、地质围岩较弱或水文条件较差的地方。隧道采用双向掘进时，掘进至两掌子面相距20~35 m时，撤离停挖端人员和机具，改为单向开挖；隧道采用单向掘进时，贯通出洞前应反向开挖超过洞口超前管棚施工段。

3 “零”开挖出洞总体施工

隧道进口端山体自然倾角大，现场可见岩体破碎，自然风化程度高，强度低，整体稳定性较差且左洞进口端处岩层产状与隧道轴线存在一定夹角，开挖后山体将对隧道产生偏压。以双层注浆小导管为超前支撑，隧道“零”开挖出洞，严格按照“管提前，爆破弱，进尺短，支护强，测量勤”的原则进行施工[1-2]。注浆小导管超前支护示意图如图1所示。

图1 注浆小导管超前支护示意图

在开挖时，首先将隧道断面的拱顶部的岩体挖开，进行混凝土喷射，然后通过I20钢拱架构成拱架，拱架间距0.6 m，待钢筋网片和拱架安装完成后，喷射混凝土进行临时支撑，施工过程中单个循环开挖进尺为0.6 m，直至出洞。单个循环开挖完成即时喷射混凝土封闭掌子面，防止围岩进一步风化，造成坍塌，待拱顶下沉量的监控量测数据沉降趋于稳定，继续采用环形开挖预留核心土法进行洞身扩挖，挖除隧道断面两侧拱腰部岩体，实现隧道全断面“晚出洞”贯通。

4“零”开挖出洞施工要点

4.1 开挖及初期支护

4.1.1 掌子面开挖

1）环形开挖上台阶每循环进尺为0.6 m，核心土面积为整个断面面积的65%；出洞掘进过程中选用人工风镐开挖，遇到风化程度较低岩石时采用打浅眼、少装药、密炮眼的弱爆破方式开挖；中、下台阶跳槽开挖，初期支护双侧交错落底，防止每一面拱脚同时悬空，按照围岩条件，控制单侧每次落底长度在3 m以内。

2）施工时保持二衬距掌子面为65 m，仰拱距掌子面为35 m的安全步距。

3）开挖预留变形量依据监控量测数据以及考虑施工水平，在隧道距离出洞40 m的范围适当扩大开挖面、调整拱架，确保隧道贯通后的二衬厚度及线路的准确。

4.1.2 初期支护

初期支护采用注浆锚喷网和型钢架支撑联合支护，初期支护施工按照清理岩面、初喷混凝土、安装注浆锚杆、挂钢筋网、拱架安装、复喷混凝土的流程执行。（1）喷射混凝土前用断面仪对开挖断面检验，清理和处理欠挖部分及所有开裂、破碎、出水点、崩解的破损岩石，清除浮石和墙角虚碴，初喷4 cm厚C20混凝土；（2）初喷后及时安装网片间距为20 cm×20 cm的φ8 mm钢筋施工喷锚支护、安设I20钢架支撑，相邻钢架用I16钢架连接，上导钢支撑采用扩大拱脚以及设置注浆小导管为锁脚锚杆固定，复喷22 cm厚C20混凝土。

4.2 双层注浆小导管制安

1）注浆小导管制作。注浆小导管采用42 mm×4 mm×4 000 mm无缝钢管制作，小导管前端呈尖锥状，尾端预留50 cm止浆段不设置压浆孔；小导管尾部焊φ6 mm加劲箍，管壁四周按20 cm间距梅花形、钻设8 mm压浆孔[3]。

2）注浆小导管定位。管位环向间距为0.4 m，纵向间距1.2 m，并以梅花形布置前后排小导管。注浆小导管孔位采用凿岩钻机施工，前后两排小导管孔道与拱架角度分别呈5°~12°、25°~30°的外插角，钻进达到设计深度4 m后，采用不立即停钻进的措施，稳稳地钻进1~2 min，防止孔底尖灭。注浆小导管设置在隧道拱顶部120°角度范围内。

3）注浆小导管安装。注浆小导管安装采用人工缓慢放入钻设完成的孔内，对孔外露出的导管长度用钢尺量测，计算出孔内小导管长度，在保证管长的同时，将安装精度误差控制在±50 mm以内。竖向两排小导管之间搭接长度1.5 m的小导管与钢拱架牢靠焊接。

4）注浆小导管注浆。注浆采用425号硅酸盐水泥浆液或双液注浆，注浆过程中注浆压力为0.5~1.5 MPa，终止压力2 MPa，当注入浆液量超过设计量且孔口压力未达到规定压力值时，停止注浆，待浆液凝结后二次注浆，确保管内注浆液饱满。同时，综合现场地质条件、岩性及机械设备等因素，现场试验确定浆液配合比和终凝时间。

4.3 钢拱架制作、安装

1）拱架制作。拱架采用型钢弯曲机进行预弯，在定型模上焊接而成，每节两端均焊20 cm×20 cm×1 cm连接钢板，钢板采用冲孔机钻孔，拱架加工完成后进行试拼检查。

2）拱架安装。拱架垂直于隧道轴线安装，采用连接钢板辅以两正、两反的高强螺栓连接固定，钢板平面与拱架轴线保持垂直，拱架竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲，拱架底部放置在30 cm×30 cm×10 cm的标准预制混凝土块上，且混凝土块放置在低于开挖底线以下15~20 cm稳固的地层上。每榀拱架安装后利用2根长3.5 m的φ45 mm×3 mm注浆小导管作为锁脚锚杆定位。

4.4 洞口位置优化

施工过程中的洞口位置就是隧道明暗交界里程点，其位置的选择主要考虑地形、地质、洞口防护形式以及施工安全[4]。蛇岭隧道由洞内向外单向出洞施工，施工过程中发现围岩情况较超前地质预报揭露的围岩情况好，监控量测数据反映坡体稳定，结合后期运营安全、暗洞施工安全性、洞门景观设计以及完整地保存原地貌的自然景观的考虑，隧道右线较原设计延长1.2 m，充分体现了“零”开挖、“晚出洞”的施工理念。

5 施工效果评价

5.1 初支变形监测

隧道出洞施工时，在洞口和浅埋段每隔5 m设置位移变形监测点、布置收敛计监测周边收敛，在隧道中线两侧2倍（B/2+H+H0）的范围内设置地表下沉量监测点，其中，B为隧道开挖宽度，H为隧道开挖高度，H0为隧道埋设深度。结合现场监测资料，隧道拱顶下沉累计量如图2所示。由图2可知，隧道最大拱顶沉降累计为53.1 mm，最大下沉速率为1.8 mm/d，均处于可控范围内。