山區(qū)高速中短隧道單向出洞的研究和應(yīng)用

唐祥春

(保利長大工程有限公司,廣東 廣州 510062)

1 工程概況

湖南官新高速11標(biāo)設(shè)有隧道三座，其中檀山?jīng)_隧道為短隧道，隧道長330 m(含明洞17 m)，洞口段埋深0～34 m，洞身段埋深34～79 m，主要由強(qiáng)微分化泥質(zhì)砂巖、石英巖組成，巖質(zhì)較軟，隧道內(nèi)地下水缺乏，巖質(zhì)破碎，洞口無偏壓現(xiàn)象。

檀山?jīng)_隧道進(jìn)口處設(shè)有混凝土便道并直達(dá)隧道洞口，出口處前方20 m為平口鎮(zhèn)養(yǎng)老院，其洞口地形陡峭，便道修建難度大，傳統(tǒng)的隧道兩端掘進(jìn)，中間貫通的方案嚴(yán)重影響施工工期，增加成本，且敬老院未拆除，修建便道及洞口場地布置受限。為了節(jié)省成本，加快施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)洞口邊仰坡“零開挖”和“綠色公路”的目標(biāo)，檀山?jīng)_隧道采用單向出洞施工工藝。

2 采用雙層超前注漿小導(dǎo)管代替長管棚

山區(qū)隧道洞口段考慮到一般為強(qiáng)-全風(fēng)化粉質(zhì)砂巖、花崗巖、灰?guī)r及全風(fēng)化粉砂質(zhì)土、粘土等坡積土層，圍巖差且位于淺埋地段，設(shè)計(jì)常采用20～35 m長的長管棚進(jìn)行注漿加固，其作用主要是對隧道洞口淺埋段圍巖進(jìn)行注漿板結(jié)，使之成為一個整體，共同承受圍巖壓力，同時注漿的長管棚在淺埋段形成一根挑梁，做為圍巖的支撐點(diǎn)，防止圍巖滑塌，這樣做即使長管棚或者圍巖有滑塌現(xiàn)象，也是緩慢發(fā)展的，給人員、設(shè)備撤離提供了安全時間。

綜合上述原理，根據(jù)山區(qū)高速出洞段的地質(zhì)特征，檀山?jīng)_隧道右洞根據(jù)施工情況、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，在洞口段取消了長34 m的長管棚和套拱，出洞端的洞口邊仰坡未進(jìn)行開挖防護(hù)，直接采用雙層預(yù)注漿超前小導(dǎo)管對出洞端強(qiáng)分化泥灰?guī)r進(jìn)行注漿加固，結(jié)合新奧法的原理，開挖一榀，支護(hù)一榀，同時輔以系統(tǒng)錨桿，通過該方法，檀山?jīng)_隧道右洞歷時204 d，于2021年1月13日順利安全出洞。

3 出洞開挖工法選擇

根據(jù)山區(qū)高速隧道洞口段圍巖的特點(diǎn)，結(jié)合多個山區(qū)高速隧道的單向出洞施工經(jīng)驗(yàn)，鑒于單向兩車道隧道采用單側(cè)壁導(dǎo)坑工法，環(huán)形開挖留核心土工法，單向三車道隧道出洞段部分采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七部法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(具體方法需根據(jù)現(xiàn)場圍巖的實(shí)際自穩(wěn)并結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)做出選擇和調(diào)整)。

檀山?jīng)_隧道右洞單向出洞范圍K63+641～K63+675段(出洞端的長管棚范圍)，根據(jù)掌子面地質(zhì)圍巖、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，選擇了環(huán)形開挖留核心土工法順利出洞。

4 監(jiān)控量測

山區(qū)高速隧道單向出洞掘進(jìn)過程中，由于圍巖埋深一般較淺，掌子面圍巖較深埋段一般松散、破碎，自穩(wěn)性較差，必須加強(qiáng)洞內(nèi)周邊收斂、拱頂下沉和洞外地表等監(jiān)控量測工作，建議按照每5 m設(shè)置一個拱頂下沉、地表沉降、周邊收斂監(jiān)測斷面，每天監(jiān)測2次，并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，如監(jiān)測結(jié)果異常及時反映，并做出應(yīng)對措施。

檀山?jīng)_隧道單向出洞時，隧道地表沉降埋設(shè)橫向間距4 m，每排8個測點(diǎn)；縱向間距5 m，設(shè)有4排。拱頂下沉、水平位置收斂縱向每5 m設(shè)置一個檢測斷面，其測量結(jié)果如下。

表1 檀山?jīng)_隧道右洞單向出洞范圍內(nèi)拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

表2 檀山?jīng)_隧道右洞單向出洞范圍內(nèi)水平位置收斂監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

經(jīng)過分析，檀山?jīng)_隧道采用單向出洞施工工藝，掌子面剛被開挖時，拱頂下沉及水平位置收斂較大，但是很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，施工過程中盡量減少爆破震動，利用超前注漿小導(dǎo)管與圍巖結(jié)合，充分發(fā)揮隧道圍巖的自穩(wěn)性，保證安全施工。

6 山區(qū)高速中、短隧道單向出洞施工工藝流程

隧道由進(jìn)洞端向出洞端單向掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)至出洞端長管棚范圍處，立即停止，組織相應(yīng)的人員根據(jù)圍巖選擇合適開挖工法，無論采用什么工藝，主要操作如下。

(1)上臺階開挖前，先進(jìn)行雙層超前小導(dǎo)管施工，小導(dǎo)管縱向每隔2榀打一環(huán)，小導(dǎo)管長度L≥4 m、環(huán)向間距@=40～60 cm、直徑不小于Φ42 mm、角度&1=12°&2=30°(首先打設(shè)12°的超前小導(dǎo)管，隔一榀打設(shè)30°的超前小導(dǎo)管，再隔一榀打設(shè)12°的超前小導(dǎo)管，由此類推、注漿壓力不小于1 MPa，施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙打設(shè)超前小導(dǎo)管和注漿，嚴(yán)控小導(dǎo)管打設(shè)角度和的搭接范圍，確保注漿飽滿度，以保證安全。

(2)按照選擇開挖工法進(jìn)行開挖，先施工外側(cè)，再施工內(nèi)側(cè)，每次開挖完成后，首先采用小型挖掘機(jī)排險(xiǎn)，在值班人員和施工技術(shù)人員確認(rèn)無險(xiǎn)情后，再用C25噴射混凝土，封閉掌子面。

(3)經(jīng)檢查無欠挖后，安裝工字鋼拱架，工字鋼拱架在安裝前需經(jīng)過監(jiān)理工程師驗(yàn)收；按設(shè)計(jì)圖紙及時施作系統(tǒng)錨桿。

(4)重視鎖腳錨桿施工控制，鎖腳錨桿規(guī)格Φ42注漿小導(dǎo)管，長不小于3.5 m，高度不大于拱腳以上50 cm，施打角度與水平方向斜向下成45°。

(5)如因特殊情況掌子面暫停開挖，首先采用C25噴射混凝土封閉掌子面。

(6)開挖完成后及時進(jìn)行初支成環(huán)，嚴(yán)控隧道安全步距，特別仰拱安全步距。

按照打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿→開挖→初支→打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿的循環(huán)順序進(jìn)行施工，直至超前小導(dǎo)管打穿原地面，作為出洞端的明暗交界線，隧道貫通后在明洞范圍增設(shè)3榀拱架及噴混凝土，防止頂部落石，加固洞口。

7 單向出洞關(guān)鍵控制措施

(1)雙層注漿超前小導(dǎo)管的安裝及注漿施工單向出洞施工工藝的關(guān)鍵，為了保證順利出洞，因此重點(diǎn)要注意一下四個環(huán)節(jié)。

①數(shù)量。嚴(yán)格按照規(guī)范及圖紙要求，安裝超前小導(dǎo)管，嚴(yán)禁少打、少放超前小導(dǎo)管。

②保證雙層超前小導(dǎo)管的長度與壁厚。

③嚴(yán)格控制雙層超前小導(dǎo)管的施打角度。當(dāng)采用雙層超前小導(dǎo)管時，建議施打角度為：第一環(huán)12°，第二環(huán)30°，第三環(huán)12°，第四環(huán)30°…交替布置，且超前支護(hù)小導(dǎo)管末端與鋼拱架必須焊接起來形成整體。

④保證雙層超前小導(dǎo)管的注漿質(zhì)量。超前小導(dǎo)管注漿漿液采用水灰比為1∶ 1的水泥漿，注漿終壓不小于1 MPa，穩(wěn)壓時間不小于5 min。壓漿完成后，在超前注漿小導(dǎo)管末端進(jìn)行有效封堵。

(2)嚴(yán)格控制開挖方式，減少對圍巖的擾動。

上(中)臺階采用機(jī)械結(jié)合人工風(fēng)鎬開挖，如需爆破采用弱炮、小炮。

下臺階和仰拱可采取弱爆破結(jié)合機(jī)械開挖。在開挖中、下臺階時，盡量減少對上部支護(hù)的擾動。為保證施工作業(yè)人員及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，下臺階左、右兩側(cè)必須交錯開挖，兩側(cè)開挖面錯開距離不小于3 m。嚴(yán)禁在開挖下臺階時兩側(cè)對稱開挖。

(3)隧道開挖預(yù)留沉降量控制

在山嶺地區(qū)中、短隧道單向出洞過程中，由于覆蓋層埋深淺，圍巖自穩(wěn)性較差，必須加強(qiáng)施工監(jiān)控量測工作。嚴(yán)格按照監(jiān)測頻率實(shí)施，并及時匯總監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測出地表或初期支護(hù)發(fā)生較大沉降，或發(fā)生較大收斂，達(dá)到監(jiān)測預(yù)警值時，立即通知各方，及時采取科學(xué)合理的應(yīng)對措施。

(4)安全距離控制

山嶺地區(qū)中、短隧道V級圍巖采用環(huán)形開挖留核心土法出洞時，必須嚴(yán)格控制各臺階長度。為保證安全，建議上臺階長度控制在3～5 m，中臺階控制在10～15 m，下臺階控制在10～15 m，仰拱距離掌子面不超過30 m，二次襯砌距離掌子面不超過60 m。

8 安全控制措施

(1)嚴(yán)格落實(shí)100%覆蓋安全技術(shù)交底，技術(shù)交底必須留有影像資料。技術(shù)交底內(nèi)容須切實(shí)可行、針對性強(qiáng)，交底完成后當(dāng)場簽字拍照，項(xiàng)目部施工員及安全員嚴(yán)格按照計(jì)算交底內(nèi)容進(jìn)行施工。

(2)正式施工前編制詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)書及施工組織設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書組織施工。

(3)隧道各班組嚴(yán)格執(zhí)行交班制度，在交班時，交班人將本班組情況情況，現(xiàn)場安全注意事項(xiàng)及處理措施向接班人進(jìn)行詳細(xì)交底，并進(jìn)行紙質(zhì)記錄，接班人開工前，首先查看工作的安全情況，如安全狀況不達(dá)標(biāo)不得進(jìn)行施工。

(4)必須采取超前鉆探或地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對出洞段前方圍巖情況進(jìn)行預(yù)判。

(5)施工中必須加強(qiáng)監(jiān)測圍巖和支護(hù)的變形位移情況。如發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)有險(xiǎn)情，必須在危險(xiǎn)地段設(shè)置明顯標(biāo)志或派專人看守，并迅速報(bào)告施工現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，及時采取措施處理，情況危險(xiǎn)時，必須將工作人員全部撤離危險(xiǎn)區(qū)域，并立即向上級報(bào)告。

(6)在洞口安設(shè)“隧道施工安全制度”標(biāo)牌，所有進(jìn)洞人員必須正確佩戴安全防護(hù)用品，否則禁止其進(jìn)入隧道施工現(xiàn)場。

(7)在施工各個臺階的初期支護(hù)時，必須保證鋼拱架的拱腳落到實(shí)處，若拱腳處有部分超挖，必須用等強(qiáng)度混凝土預(yù)制塊或片石支墊密實(shí)，嚴(yán)禁鋼拱架拱腳懸空。

(9)嚴(yán)格控制超挖與欠挖。對于超挖部分先用C25噴射混凝土填充密實(shí)，禁止用片石、塊石或其它雜物填充；對于欠挖部分，必須先用人工風(fēng)鎬開挖到設(shè)計(jì)位置，再進(jìn)行下一道工序。

(10)開挖完成后必須排險(xiǎn)。每次開挖完成后，先用挖掘機(jī)進(jìn)行徹底排險(xiǎn)，不得少于2遍，特別要注意將孤石、危險(xiǎn)石清理干凈。排險(xiǎn)完成后，必須經(jīng)專職安全員確認(rèn)掌子面處安全無危石、孤石及不會發(fā)生掉塊后才準(zhǔn)許進(jìn)行下一步作業(yè)。

9 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)對于山區(qū)高速中、短隧道，本工法采用"零開挖、單向出洞"，節(jié)省了修建一條通至隧道洞口的施工便道，無需進(jìn)行邊仰坡開挖、節(jié)約了洞口場地及臨建設(shè)施，節(jié)省了人工、機(jī)械設(shè)備、材料的投入，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

(2)由于采用單向出洞，減少對出洞端的地形地貌的依賴，避免了由于出洞端由于征拆進(jìn)度緩慢造成隧道無法貫通的現(xiàn)象，加快了施工進(jìn)度，減少了窩工現(xiàn)象，且由于只需要一個施工班組，減少了人員、機(jī)械、設(shè)備的進(jìn)退場費(fèi)用。

(3)檀山?jīng)_隧道右洞由于采用單向出洞，節(jié)省修建一條直達(dá)隧道洞口的便道及洞口洞口場地及臨建設(shè)施，預(yù)計(jì)節(jié)省費(fèi)用83萬元，等待敬老院拆除造成隧道停工的窩工和進(jìn)退場費(fèi)用約21萬元，預(yù)計(jì)節(jié)省費(fèi)用約104萬元。

10 社會效益

(1)本工法做到工程施工、生態(tài)保護(hù)、環(huán)境保護(hù)同步協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)施工后再治理、再補(bǔ)救、破壞生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象。

(2)本工法真正實(shí)現(xiàn)在隧道洞口處零開挖，極大限度地保護(hù)隧道洞口的原生態(tài)植被，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，不僅做到經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的有機(jī)統(tǒng)一。

(3)本工法操作簡單，且多為重復(fù)性工作，技術(shù)員及工人能夠熟練掌握，且可以復(fù)制性強(qiáng)。

(4)使用本工法施工，可以加快施工進(jìn)度，減少了臨時用地，減少了開挖量和粉塵，同時騷擾當(dāng)?shù)鼐用瘛?/p>

(5)檀山?jīng)_隧道右洞采用單向出洞，減少了臨時用地約2 800 m，減少了混凝硬化2 100 m，保護(hù)了原生態(tài)的植被，且隧道出口600 m范圍內(nèi)為資江，如果破壞植被，雨水將裸露的地表上的黃泥水沖到資江中，造成水土流失。