復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧洞進洞方案設(shè)計與施工

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(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽，550081)

復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧洞進洞方案設(shè)計與施工

李志偉，秦曉亮，張濤，張毅馳

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽，550081)

水利工程中經(jīng)常遇到復(fù)雜條件下隧洞進洞難問題，由于洞口圍巖風化嚴重，承載力較差，再加上降水等不利因素，隧洞進洞方案非常關(guān)鍵。基于安全、環(huán)保理念，本文提出“明洞暗進”隧洞進洞方案，相比傳統(tǒng)方案，該方案降低了施工難度、減少了土石開挖、縮短了施工工期，有效地解決了隧洞進洞難問題，對類似工程有借鑒意義。

隧洞 復(fù)雜地形 明洞暗進 水利工程

1 引言

水利工程中隧洞洞口處的地質(zhì)、地形條件往往較差，埋深較淺，圍巖風化嚴重，圍巖承載能力差，所以，隧洞進洞方案非常關(guān)鍵。隨著社會的發(fā)展，我國的設(shè)計理念相比以前有所轉(zhuǎn)變，設(shè)計人員堅持“最大限度的保護、最小程度的破壞、最強力度的恢復(fù)”的原則，使隧洞工程與自然環(huán)境相和諧[1]。

傳統(tǒng)的進洞方案主要為明挖方案和半明半暗隧洞方案。明挖方案即將洞口不良地質(zhì)仰坡開挖、防護，待地形條件滿足進洞要求時進洞，明挖方案形成高邊坡，對邊坡的開挖破壞原山體的自然環(huán)境，再加上防護不及時、降水等因素的影響，很可能導(dǎo)致開挖邊坡坍塌，雖然明挖方案的造價較低，但其對山體自然環(huán)境破壞較大，因此隧洞進洞方案已基本不采用這種大填大挖方案；半明半暗隧洞方案主要優(yōu)點是開挖量少，對山體破壞小，可有效控制臨時邊坡高度，保證山體穩(wěn)定，但是，其施工的工序較多，工期較長。

根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)特點，隧址洞口地形條件復(fù)雜，為避免安全事故發(fā)生，減少自然環(huán)境破壞，且滿足工期要求，本文提出一種基于安全、環(huán)保理念的進洞方案。

2 隧洞進洞設(shè)計方案

洞口受風化、卸荷作用影響，掛口區(qū)域巖體裂隙發(fā)育、完整性較差，地基承載力較差[2]，可以考慮采用明洞暗進方案。其主要特點是施工工序少，操作簡單，安全性高，對原山體基本無破壞作用，同時采用明洞段和管棚措施，確保了暗洞開挖時山體的穩(wěn)定，特別是在較破碎的全、強風化的圍巖段，效果非常明顯。

2.1 明洞暗進方案

明洞暗進方案，解決了復(fù)雜地形條件下隧洞進洞施工難問題。洞口邊坡設(shè)置擋墻，并在進洞前修建一段明洞，形成整體的支擋結(jié)構(gòu)，明洞穿過擋墻直抵洞口邊坡，擋墻及明洞對復(fù)雜地形邊坡起到保護作用，為確保洞口段開挖安全，沿拱頂布置一排大管棚超前支護。該方案結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 隧洞掛口正視

圖2 明洞段縱剖面

圖3 外側(cè)擋墻縱剖面

2.2 施工步驟

隧洞進洞方案主要包括擋墻、明洞段和管棚，擋墻緊貼山體邊坡，擋墻分2次澆筑，明洞外側(cè)擋墻先澆筑，并預(yù)留外側(cè)擋墻與明洞結(jié)合處的插筋，與明洞相交內(nèi)側(cè)擋墻后澆筑，明洞段施工不宜一次性開挖，應(yīng)錯開挖槽施工，確保復(fù)雜地形條件下邊坡的安全。隧洞進洞方案采用明洞暗進方案，與傳統(tǒng)的明挖方案和半明半暗隧洞方案相比降低了施工難度、減少了土石開挖、縮短了施工工期。

施工步驟如下：

(1)首先澆筑明洞外側(cè)擋墻，每倉澆筑前對倉面進行鑿毛處理，確保擋墻結(jié)合完整，預(yù)留外側(cè)擋墻與明洞結(jié)合處的插筋；

(2)明洞段內(nèi)側(cè)洞壁挖槽，土石開挖棄渣回填外側(cè)未開挖邊坡處壓腳，澆筑該側(cè)明洞段洞壁；

(3)明洞段外側(cè)洞壁挖槽，澆筑該側(cè)明洞段洞壁；

(4)明洞段兩側(cè)洞壁施工完成后，澆筑明洞拱頂和與明洞相交內(nèi)側(cè)擋墻；

(5)明洞段內(nèi)部掏槽開挖，澆筑底板，明洞段及擋墻施工完成后，掛口位置管棚開始施工，最后隧洞開始進洞。

3 隧洞進洞安全分析

保證洞口段安全進洞，是整座隧洞順利掘進的前提。由于洞口的圍巖地質(zhì)條件較差，采用管棚進行超前支護，管棚強度是否達到要求是隧洞進洞方案成敗的關(guān)鍵。結(jié)合某工程隧洞的明洞暗進進洞方案，本文介紹一種校核管棚強度的方法。

3.1 圍巖基本情況

某隧洞進、出口邊坡巖體主要為薄～中厚層砂巖、粉砂巖，下部為(含)炭質(zhì)粉砂巖、泥巖，受構(gòu)造影響，掛口區(qū)域巖層倒轉(zhuǎn)傾向上游，且由于傾倒作用而傾角變緩，巖層整體緩傾洞內(nèi)，掛口區(qū)域巖體裂隙發(fā)育、完整性較差，巖體為Ⅳ類圍巖。根據(jù)地質(zhì)提供的地層參數(shù)，重度γ=26kN/m3；內(nèi)摩擦角φ=38°；隧洞寬度B=8.89m；隧洞高度H=6.65m；隧洞埋深hm=0～21m；地面荷載q=0；粘聚力c=5kPa。為確保洞口段開挖安全，沿拱頂104.43°范圍布置一排大管棚超前支護，35根直徑φ108mm鋼管，壁厚8mm，長20m，環(huán)向間距30cm，外插角1°～3°；掛口點內(nèi)側(cè)管棚洞段20m范圍內(nèi)鋼支撐加密為0.5m，鋼支撐之間設(shè)聯(lián)系筋Φ22，間距0.5m。

3.2 管棚強度校核

由于管棚僅為隧洞超前支護，后期主要由C25鋼筋混凝土襯砌承載，因此計算時僅考慮施工工況，其計算模型簡化如圖4所示。Ⅳ類圍巖洞身段施工主要步驟：①上臺階開挖，上臺階初期支護；②下臺階開挖，下臺階兩邊墻處初期支護，底板襯砌，全斷面邊墻及拱部二次襯砌。頂拱部位開挖臺階高度約h=2.0m。

圖4 管棚強度計算模型

(1)管棚最不利受力段長度L

式中各參數(shù)如圖4所示。

(2)圍巖壓力及管棚最大彎矩計算

管棚在鋼支撐上，鋼支撐看作為鉸支座，管棚計算簡化為多跨梁計算模型，模型如圖5。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》圍巖壓力計算公式[3]，經(jīng)計算，單根鋼管所承受的圍巖壓力分別為：q5=44.12kN/m；q4=41.16kN/m；q3=40.36kN/m；q2=39.06kN/m；q1=38.12kN/m。

圖5 管棚計算模型

圖中：節(jié)點之間荷載按線性分布；1～5表示節(jié)點編號；0.5、1.97表示單元長度；(1)～(4)表示單元編號。

經(jīng)計算，管棚彎矩圖如圖6所示。

圖6管棚彎矩圖

從彎矩圖中可知，管棚最大彎矩Mmax=15.34kN·m。

(3)管棚強度校核

隧洞鋼管選用φ108×8，間距30cm。鋼管材料選用Q345b，鋼管的屈服強度[σs]=345/1.111=310MPa。鋼管采用無縫鋼管，鋼管內(nèi)注M30水泥砂漿。計算不考慮鋼管內(nèi)注漿。由材料力學(xué)可知，鋼管抗彎截面模量公式如下：

式中：D——鋼管外徑，D=108mm；

d——鋼管內(nèi)徑，d=108-8×2=92mm；

經(jīng)計算鋼管抗彎截面模量W=58.52cm3。

4 結(jié)論

(1)明洞暗進隧洞進洞方案與傳統(tǒng)方案相比，降低了施工難度、減少了土石方開挖、縮短了施工工期，該方案優(yōu)點顯著，能夠有效地解決復(fù)雜地形地質(zhì)條件隧洞進洞難問題；

(2)通過管棚強度校核對隧洞進洞安全分析，結(jié)果表明，管棚強度滿足要求，隧洞進洞方案能夠滿足安全性要求；

(3)該方案采用明洞段及擋墻支護，隧洞掛口位置拱頂布置管棚，降低隧道掘進風險，該方案已成功應(yīng)用于工程中，對類似工程有一定借鑒意義。

〔1〕張雙茁.偏壓地形條件下隧道進洞方案設(shè)計[J].交通標準化，2009(01)：59-63.

〔2〕龐小沖，袁永新.復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道進洞方案研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2016(02)：189-192.

〔3〕重慶交通科研設(shè)計院主編，公路隧道設(shè)計規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2004.

〔4〕楊 曌.特殊地質(zhì)地段隧道進洞方案研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2013.

〔5〕徐俏東.隧道明洞暗做法在特殊環(huán)境下的應(yīng)用[J].上海鐵道科技，2011(01)：85-87.

〔6〕姜同虎，霍三勝，葉 飛，等.淺埋軟弱破碎圍巖隧道進洞施工技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(03)：117-122.

〔7〕楊立波.復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道進洞施工技術(shù)[J].山西建筑，2012(03)：180-181.

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