山区高速公路隧道穿越复杂岩层进洞方案探讨

赖友烽

摘要  通过介绍福建省厦蓉高速公路改扩建工程龙岩段第7合同段京源口隧道右洞进洞施工过程，详细阐述了施工中浅埋、富水、偏压及残积土等问题。介绍了“明拱暗挖”、地表小导管注浆、井点降水及洞内开挖三台阶临时仰拱施工等方式及施工控制要点，确保了开挖施工安全及山体的稳定性，也减少了对周边山体的扰动，为后期山区复杂地质高速公路隧道建设项目提供参考。

关键词  浅埋富水；明拱暗挖；地表注浆；井点降水；进洞开挖

中圖分类号 U452.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0057-04

0 引言

随着高速公路建设里程数的增加，在建设过程中特别是山区高速公路隧道洞口段常遇到许多复杂多变的地质，如浅埋、富水、偏压及坡积土等复杂地质隧道洞口进洞难的问题。通过结合现场的地质情况，采用成洞面前移、套拱与大管棚明挖暗作、增设侧墙反撑、井点降水、地表注浆及三台阶临时仰拱的施工技术，解决了浅埋、富水、偏压及残积土等隧道进洞难的问题。

1 工程概况

隧道位于龙岩市新罗区龙门镇赖坑村至小池镇京源口之间，设计为高速公路四车道双下行线分离式两车道隧道。隧道右线设计桩号YK162+111～YK164+082，长1 971 m，最大埋深245 m。该合同段负责施工进口段，右线里程YK162+111～YK163+000，长889 m；位于直线及R=3 500 m的圆曲线上，纵坡坡度2.3%。隧道进口均用端墙式洞门，右洞洞口里程YK162+111，设10 m明洞，明暗交界里程YK162+121。隧道进口处南西向山坡坡底，右线进口位于坡脚山坳，洞口左侧山坡自然坡度约23°～32°，上覆粉质黏土及残积黏性土，分布于洞顶及洞身上台阶，洞身中台阶以下主要为全风化花岗岩。

2 工程实施难点

工程实施难点主要表现为地质、水文条件复杂。京源口隧道右洞进洞口YK162+111～YK162+221段围岩、全右洞洞口段穿越山坳原老龙长高速隧道弃土区，洞口段路基为原龙长高速弃土场，人工填土范围长约95 m，最大填土厚度达15 m，填土主要成分为坡残积黏性土、砂岩的碎块石及坡积（含碎石）粉质黏土，2005年堆填，现基本完成固结，坡顶平坦；YK162+145处洞顶有常年储水的天然水潭，地下水量丰富，山坳汇水由地表下渗至洞身范围，存在水量较大、易出现流泥坍塌、支护不易稳定等安全风险，且洞口左侧原地面坡度约23°～32°，隧道从坡脚处通过，洞身偏压非常严重，并且洞口段（134 m）为Ⅴ级围岩，围岩为坡残积黏性土、全-强-中风化花岗岩，见有裂隙带F101A通过，岩体呈散体结构，土质松散，[BQ]＜250，隧道地下水丰富。

3 进洞方案选定

3.1 开挖方案1

由于隧道洞口桩号为YK162+121处左侧坡设计高度为28 m，且坡顶往大里程方向140 m均为原京源口隧道弃碴，采用常规的明挖法进洞施工，需要进行大面积的边坡开挖和防护，开挖过程大量破坏山体的原状土，影响了原有的山体自然平衡，再加上防护措施不及时、降水以及地表雨水等影响，极易造成边仰坡滑塌、顺层滑坡等严重的工程隐患，影响隧道的施工安全。且临时性支护作业数量多，施工周期长，安全性风险较大，施工费用高[1]。

3.2 开挖方案2

考虑隧道施工应按“早进洞早安全”原则，将京源口隧道右洞成洞面里程桩号调整至YK162+111，接长明洞10 m，洞口里程调整至YK162+091；洞口段为解决右侧浅埋与左侧偏压荷载的平衡问题，提出进洞新理念——“局部反压、明拱暗墙”施工技术。采用“荷载-结构”模型对明、暗洞初期支护进行计算，其中暗作支护结构和明洞初期的支护结构完全相同，明作支护结构和暗洞结构相近。明作部分是通过用锚固措施将三周山体围岩充分地连接起来，用于抵消此处山体的偏压和应力，也可以为暗作部分提供一定的预支撑。该隧道洞口浅埋侧原状范围岩没有得到足够阻力用于抵抗偏压侧边坡滑移的能力，采取了增设右侧挡土墙的措施用于增加抵抗力，类似于边坡路堑式挡土墙。洞顶洞身处堆积洞渣采用小导垂直注浆固结及洞侧两边井点降水后，洞身开挖采用三台阶临时仰拱法施工。既减少了对边坡土体扰动，又减少了开挖方量，解决了右侧穿跨浅埋松散坡积土与富水等问题，确保了洞口安全。结合洞口设计图及以往施工经验，对两种方案的优劣进行对比，该项目采用方案2进行施工。

4 关键施工技术

施工整体布置如图1所示。

4.1 明洞前移、套拱采用先做明拱后施工暗墙的施工技术

4.1.1 成洞面前移

右洞路堑清表开挖至YK162+121，其中YK162+091～

YK162+221段上覆层为原龙长高速隧道煤矸石弃碴，覆盖厚度3～9 m，该段路基设计为三级挖方边坡，煤矸石弃碴的不稳定性可能影响日后营运安全。成洞面YK162+121处仰坡设计高达22 m，且坡顶往大里程方向140 m均为原龙长高速弃碴，边仰坡开挖后将极不稳定，危及隧道施工安全。考虑隧道施工应遵循“早进晚出”原则且明显降低了边坡的高度，将京源口隧道右洞成洞面里程调整至YK162+111，接长明洞，洞口里程调整至YK162+091。

4.1.2 套拱、大管棚的明挖暗作

洞口段的围岩主要是坡残积黏性土、砂岩的碎块石及坡积（含碎石）粉质黏土，在施工前针对洞口段的地表和左侧边坡先采用截排水进行了施工，可以大量减少降雨等路面水直接进入隧道，增加隧道围岩的自承强度，减小施工的难度和危险性。

ZK162+091～ZK162+111混凝土护拱作为大管棚的导向墙，洞口明洞段开挖套拱在开挖廓线以外施作，断面尺寸纵向长度×厚度：10 m×0.6 m。洞口段明作部分上覆土开挖并修整支护范围内的围岩，开挖深度范围不大于0.8 m，开挖后的轮廓界边拱作套拱混凝土浇筑的底模，将套拱内部安装采用C25模筑混凝土，环向布设I20b工字钢纵向间距为0.7 m（与设计初期支护参数相同），环向主筋采用Φ22钢筋，纵向间距为0.25 m，纵向钢筋采用Φ12钢筋，间距为0.25 m，箍筋采用Φ10钢筋，间距为0.5 m[2]。套拱内埋设钢筋支撑，钢筋与管棚孔口管连接成整体。该隧道采用压双排φ108钢管柱纵向0.5 m加固基础，确保其基础稳定性；采用Φ50长4.5 m注浆小导管锚入套拱周围3.5 m土体内，要求小导管注浆饱满，套拱拱脚分三个不同位置重点锚固，砂浆锚杆末端深入到钢筋混凝土套拱0.5 m内，并控制抗拔力目标值争取达到150 kN且不小于80 kN，以确保套拱与围岩的整体性，以便承载山体偏压作用力。如图2所示。

导向墙钢架施工完后，马上进行管棚导向钢管（Φ127×4 m）施作，管棚安装应考虑隧道纵坡及曲线影响，在工字钢上标出平面位置；孔口管定位一般采用水准仪进行设定倾角；外插角按1°～3°控制。导向管与钢架工字钢焊接在一起上，防止混凝土施工时产生导向管跑位[3]。

暗作部分先施作大管棚，管棚沿拱部开挖轮廓线外设置，环向间距40 cm。管棚设计长度40 m，管棚采用Φ108 mm×6 mm每节长4～6 m的热轧无缝钢管。大管棚施工完毕后，把明作部分套拱工字钢脚外露20 cm，与中导工字钢按暗挖段设计要求顺接。中下导施工时两侧都增设Φ42的锁脚锚杆，控制每开挖一榀闭合一榀的循环步骤逐步往洞身推进。

4.1.3 侧墙反撑技术

在明作套拱右侧施工衡重式挡土墙，利用挡土墙自身重力来抵消偏压所产生的荷载，从而大幅度提高隧道支撑结构的抗形变能力。顺着隧道右侧前进方向布置挡土墙，桩号于YK162+091起共22 m；在侧墙的上墙身与套拱明作部分之间施作1 m×1 m钢筋混凝土支撑梁结构，支撑梁间距2 m一道，使套拱与侧墙形成一体，削弱套拱的直接受力，使来自偏压山体的侧压力大部分直接有效地传递给侧面挡墙。挡墙的泄水孔采用Φ50 mm，2 m×2 m梅花形布设，坡度为2.5%，在挡墙内侧挂土工布并用级配碎石做反滤层。

隧道套拱明作部分回填采用透水性材料，按15 cm一层来控制回填厚度，用小型机械夯实，到回填标高后，对地表土进行整平压实，再采用厚20 cm的C30防水混凝土浇筑封闭层。

4.2 地表注浆加固技术

YK162+111～YK162+250段位于龙长弃渣堆积体，地表进行初平并采用厚25 cmC20混凝土加间距为200×200 mm双层钢筋网片的止浆盘，注浆的范围为边线外不得小于1 m。地表注浆范围为洞顶至洞左右两侧各宽5 m，左右两侧5 m范围为加强注浆区域，注浆深度范围为地表至仰拱中心底标高以下5 m，间距0.8 m，梅花形布置；其他注浆范围在浅埋侧的套拱明作部分施工。如图3所示。

注浆初期压力控制在0.5～1.2 MPa，后期压力为1.5～2 MPa。以单孔注浆量Q=0.75 L，注浆压力达到终压，进浆量且小于30 L/s，维持注浆压力30 min可结束。

开挖时如发现地表注浆效果较差，应对局部效果较差位置进行洞内注浆补强。

4.3 隧道井点降水技术

采用潜孔钻钻进成孔，井孔深度达到设计深度35 m，洞身左右两外侧边8 m，沿洞纵向每隔8 m设置井，孔验收合格后，进行清孔。利用抽渣筒来测量泥浆内沉渣率。如果沉渣率过高，易引起进孔的堵塞，导致井点降水的整体效果差。清孔含渣率合格后，先预拼装各井管然后依次吊装。节段要求中心对齐，注意焊接质量，裹滤网层包裹在焊接头处。所有井管吊装并安装完毕后，安装抽水泵，排到现场施作的排水沟，把井口位置用混凝土封堵。要求每个降水井独立安装水表及水位监测点，对降水情况实时监测，每6 h记录并进行统计，并与地下水位监测数据进行对比，从而指导现场开挖施工[4]。

4.4 進洞开挖技术

进洞后洞身三台阶临时仰拱法施工，该法适用于各类浅埋松散坡积土与富水地带施工，可以保证安全又可以提高施工效率。如图4所示。

（1）开挖上导坑并支护，在上台阶拱脚设I14钢架临时仰拱，使上台阶初期支护封闭成环，待隧底仰拱浇筑完成后拆除临时仰拱。每个部位开挖前先做临时支撑（拱脚部连接盘下临时支撑小导管）。

（2）开挖左侧中台阶并按设计参数进行支护。所有中、下台阶及仰拱必须错开落底、支护；钢拱架拱脚连接盘加宽6 cm（22 cm×30 cm），螺栓外移1 cm。

（3）开挖右侧中台阶左侧，施工距离控制在2～3 m，采用人工开挖并施作周边的初期支护，错开2 m，完成后施作中台阶临时仰拱（临时仰拱采用I20b工字钢架），钢架连接采用U形Φ22螺纹钢，间距控制在1 m，喷射28 cm厚C25混凝土[5]。仰拱施工的长度不得多于6榀，且严格控制开挖1榀同量封闭成环。仰拱初支模筑混凝土改为喷射混凝土（快速提升仰拱初支强度），仰拱及仰拱填充一次性浇筑完成[6]。

（4）开挖左侧下台阶并支护。拱架制作及安装严格按设计要求施作；钢架拱（墙）脚应架设槽钢上，提高工字钢架拱脚的稳定。若钢架和初喷混凝土间隙大，采用楔形垫块塞紧。

（5）开挖右侧下台阶并进行支护。

（6）仰拱开挖及初支，拆除临时仰拱，浇筑仰拱混凝土。初支严格控制开挖长度，开挖完成后，先进行3～5 cm初喷混凝土进行开挖面封闭，再进行立架；重点注意锁脚锚杆施工，锁脚锚杆尾部预留弯头，与钢架连接板焊接。开挖时控制锁脚锚管角度，一根向下35°，一根向下65°（角度偏差控制在5°以内）。

（7）通过全断面仪测量，合格后铺设防水层，并浇筑二衬。

（8）所有工作面严禁积水，拱脚严禁浸泡在水中，临时支撑小导管（向下75°）位置，距钢拱架往洞中心方向50 cm范围内进行喷射混凝土封闭。

（9）初支变形超出预警值时，加做临时支撑（4个板凳形临时支撑架子，采用工字钢支腿，槽钢横托，脚部采用22 cm×30 cm连接盘找平固定，放置于上台阶核心土顶部）；用三排直径50 mm长度3.5 m打孔小导管进行边墙注浆，控制注浆压力1 MPa与初期支护钢拱架焊接牢固，以增强整体刚度。

5 结束语

京源口隧道右洞洞口段岩层为坡残积土，稳定性差，侧向偏压严重，且洞口水量大，施工难度大。针对以上施工存在的难点，该项目采用明洞前移、“明拱暗墙、反压挡墙”技术，减少了边仰坡开挖量，保证了偏压开挖的安全，有利于生态环境的保护。采用地表小导管注浆、井点降水及洞内开挖三台阶临时仰拱等施工技术，通过注浆加固坡残原状土，并采用井点降水有效降低了地下水位，该隧道于2018年顺利贯通。有效固结隧道围岩提高了强度，节约了施工成本，保证了施工进度、安全，取得较好的经济效益；也为山区此类高速公路隧道传统明挖进洞大挖方、边坡防护工程量大、偏压、富水严重导致进洞难稳定等难题提供了参考。

参考文献

[1]苏兴矩. 浅埋偏压隧道半明拱进洞设计分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2021（6）： 112-116.

[2]颜汉文. 道路、桥梁、隧道工程施工中的难点与技术对策[J]. 运输经理世界， 2021（5）： 83-84.

[3]王昌林. 山岭重丘区特长隧道单向出洞施工技术[J]. 交通世界， 2023（7）： 108-111.

[4]刘银环. 近海富水地铁车站基坑管井降水技术[J]. 城市道桥与防洪， 2022（11）： 182-187+22.

[5]彭雪峰， 张航， 钱志豪， 等. 散岩堆积体中特大断面公路隧道洞口段坡体稳定性研究[J]. 四川建筑， 2020（5）： 109-112+115.

[6]曹林祥， 王非凡， 袁青. 陡峭地形隧道“晚出洞”施工探讨[J]. 中外公路， 2021（1）： 170-173.