大斷面隧道偏壓陡坡洞口段施工技術(shù)分析

1、大斷面隧道偏壓陡坡洞口段施工技術(shù)分析【摘要】 偏壓陡坡洞口段隧道施工中，由于施工擾動造成地應(yīng) 力的二次分布， 成為洞口邊坡滑動或者洞口淺埋段塌方的誘導(dǎo)因素。 不良地質(zhì)條件的洞口段偏壓大斷面隧道施工風(fēng)險和隧道邊坡綜合施工風(fēng)險是在建寶蘭高鐵小墁坪隧道施工上的風(fēng)險控制點。 論文以小墁 坪隧道出口段為背景工程， 對大斷面隧道下穿邊坡偏壓洞口段綜合施 工技術(shù)進行了分析， 提出的洞口段施工技術(shù)在很大程度上促進了施工進度，保障了施工安全。【關(guān)鍵詞】 隧道工程；洞口段施工；偏壓陡坡；安全控制近年來， 我國隧道建設(shè)進入高峰期， 出現(xiàn)大量在建和待建的山嶺隧道工程。 山嶺隧道工程不良地質(zhì)條件常常誘發(fā)施工運營災(zāi)害，以

2、來成為困擾隧道施工安全的難題。山嶺隧道與邊坡密切相關(guān)，一直包括隧道進出口時洞門外的邊坡以及洞門頂部的仰坡， 在施工過程中可 能受到潛在的滑坡、剝落、 崩落等邊坡變形破壞等問題的威脅。隨著 隧道建設(shè)數(shù)量的增加， 也出現(xiàn)了很多穿越既有道路的隧道工程， 既有 路基與隧道圍巖存在著復(fù)雜的相互作用， 給隧道施工和運營問題帶來 更多的困難， 這方面缺乏成熟的理論和規(guī)范可供借鑒。 新建鐵路寶雞 至蘭州客運專線甘肅段隧道是我公司承擔(dān)的重要建設(shè)項目， 山嶺隧道修建于山體之中，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，尤其是洞口段，由于施工擾動造成地應(yīng)力的二次分布， 成為洞口邊坡滑動或者洞口淺埋段塌方的第 1 頁 共 12 頁誘導(dǎo)因素，

3、 因此， 合理的施工方式對控制洞口邊坡以及淺埋段的穩(wěn)定性至關(guān)重要。1. 工程概況小墁坪隧道位于天水市麥積區(qū)元龍鎮(zhèn)， 出口位于太碌大溝內(nèi)， 地 面高程一般為 1003-1750m，通過區(qū)地勢起伏較大，山勢陡峻，河流 曲折 ，呈峽谷地貌景觀。隧道洞身最大埋深約 656.8m。隧道起迄里 程 DK717+910 DK726+147.9，出口位于 R-10000m的曲線上，其余 為 直 線。 洞 身 縱 坡 為 23.4 - 16.1 。 本 標(biāo) 段 隧 道 起 止 里 程 為 DK717+910- DK726+147.9，全長 8238.138m。隧道圍巖級別如下表 1所示。1.1 工程地質(zhì)及水文地

4、質(zhì)概況隧道區(qū)地表水較發(fā)育， 隧道洞身上部溝谷內(nèi)均常年有水。 因溝谷 中地表水基本為土石分界面出露的泉水和沿途基巖裂縫中滲出的地下水，因而該隧道區(qū)地下水較發(fā)育。地下水水質(zhì)良好，化學(xué)類型為 HC03.S04-Ca.Na和 HC03.S04-Ca型水， 礦化度小于 0.30g/l ， 對圬工 不具氯鹽、硫酸鹽侵蝕性。 小墁坪隧道區(qū)地下水以松散巖層孔隙水 和基巖裂隙水為主， 松散巖層孔隙水主要賦存于溝谷區(qū)第四系全新統(tǒng) 砂，卵石、漂石土中，基巖裂隙水賦存于燕山期侵入的花崗巖中，依 據(jù)儲水裂隙成因的不同， 又分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水兩類， 隧道 洞身通過區(qū)嶺脊段落地下水主要為后者， 地下水水質(zhì)較好， 礦

5、化度小于 0.3g/l ，對圬工不具氯鹽和硫酸鹽侵蝕性。表 1 隧道襯砌類型及施工輔助措施第 2 頁 共 12 頁序號 里程段落 段落長度 圍巖級別 開挖方法起始里程 終止里程1 DK725+822 DK725+922 100 三臺階法2 DK725 +922 DK726+000 78 三臺階法3 DK726+000 DK726+100 100 三臺階法4 DK726+100 DK726+102 2 三臺階 +臨時橫撐5 DK726+102 DK726+132 30 三臺階 +臨時橫撐6 DK726+132 DK726+147.9 15.9 明挖1.2 設(shè)計概況結(jié)合隧道所處地形、地質(zhì)條件，考慮

6、施工工期及洞口施工條件，小墁坪隧道出口采用鉆爆作業(yè)， 采用新奧法施工。 隧道建筑限界采用 線間距為 4.6m 的新建鐵路客運專線雙線區(qū)間隧道，隧道軌面以上有 效凈空面積為 92m2，曲線地段線間距不加寬。寶雞端洞口處地形較 陡， 為減少刷坡挖方， 結(jié)合秦嶺溝中橋的設(shè)置， 定洞口于 DK717+910， 采用到切式洞口， 設(shè) 18m長明洞結(jié)構(gòu)， 盡可能減少邊仰坡開挖并與洞 口環(huán)境相協(xié)調(diào)。 橋梁臺尾里程為 DK717+921.1，橋梁結(jié)構(gòu)進洞 11.1m。 蘭州端洞口地形陡峭， 為減少刷坡挖方、 防護落石及結(jié)合太碌中橋的 設(shè)置，定洞口于 DK726+147.9，采用到切式洞口，設(shè) 15.9m 長洞

7、門結(jié)構(gòu)。盡可能減少邊仰坡開挖并與洞口環(huán)境相協(xié)調(diào)。橋梁臺尾里程為 DK726+147.9，橋梁臺尾于洞門相連。為確保隧道進洞安全，進出口拱部設(shè)置一環(huán) 108 大管棚，管棚環(huán)向間距 40cm，長度為 30m。2. 隧道洞口段施工技術(shù)第 3 頁 共 12 頁2.1 洞口邊坡施工技術(shù)在施作長管棚前應(yīng)先進行洞口開挖，及完成邊、仰坡的防護、天 溝砌筑。洞口邊仰坡開挖中，土方直接用人工配合挖掘機挖裝；石方采用光面爆破進行鉆爆施工，挖掘機配合裝載機裝碴，自卸車運輸，開挖自上而下逐段分層開挖， 與暗洞交界處采取松動爆破， 為安全進洞創(chuàng)造條件。 松動控制爆破采取接近內(nèi)部作用藥包的裝藥量， 用導(dǎo)爆索或塑料導(dǎo)爆管電起

8、爆系統(tǒng)設(shè)計成孔內(nèi)外微差網(wǎng)路， 使得各組炮孔或 各個炮孔起爆有足夠的時間間隔， 成為單獨作用藥包， 炮孔中回填 足 夠長度、一定密實度的堵塞物，以保證爆破后的巖石開裂、凸起，松 動而不飛散， 適于機械化裝車并能有效地控制飛石、 振動效應(yīng)和沖擊 波，確保爆區(qū)周圍的安全，詳見下圖 1 所示。根據(jù)設(shè)計，邊仰坡施工 前先人工在開挖邊緣線 10m開挖并施作洞頂截水天溝， 待進洞后及時 施作洞門和兩側(cè)排水溝， 與洞頂截水溝相連形成完整排水系統(tǒng)。 邊坡 開挖邊線劃定后， 即在相應(yīng)位置劃出截水天溝走向線， 并清除修筑位 置的地表浮土及植被。 根據(jù)設(shè)計尺寸在地表劃出天溝寬度線， 即進行 開挖。 由于截水天溝設(shè)計橫

9、斷面尺寸不大， 開挖時根據(jù)地表巖層情況， 選擇用挖掘機械或者放小炮爆破。 開挖到預(yù)定尺寸后， 即進行漿砌片 石的砌筑， 以便為下部開挖工作面起到臨時排水的作用。 注意砌筑時 預(yù)留排水槽的位置。圖 1 分層橫向臺階布置圖隧道口開挖前準(zhǔn)確測放邊仰坡線確定開挖位置， 每開挖一層臺階， 均要及時做好邊仰坡防護， 然后再進行下部臺階開挖。 盡量減少開挖第 4 頁 共 12 頁和刷坡范圍，保護好隧道口附近的地表植被。邊坡按 1： 1 刷坡。隧道口邊仰坡支護采用砂漿錨桿 +鋼筋網(wǎng) +噴射混凝土聯(lián)合支護方式。 砂漿錨桿用 22 鋼筋、錨桿孔內(nèi)注入砂漿，鋼筋網(wǎng)用 8 的鋼筋在預(yù)制場制成網(wǎng)片。 當(dāng)邊仰坡的刷坡完成

10、后， 將坡面上的虛土和浮石清理干凈， 將網(wǎng)片沿邊坡鋪設(shè)與錨桿固定牢固， 鋪設(shè)完畢后噴射 C25混凝土封閉邊坡面。2.2 洞口大管棚及小導(dǎo)管超前支護施工大管棚采用 108mm6mm熱軋無縫鋼管；導(dǎo)向墻縱向長 1.0m， 在襯砌輪廓線以外施作， 厚 100cm，采用 C25鋼架混凝土， 內(nèi)埋設(shè) I20a 工字鋼、 1405mm導(dǎo)向套管，導(dǎo)向套管沿拱圈環(huán)向布設(shè)，間距、位置及方向應(yīng)準(zhǔn)確， 固定鋼筋與導(dǎo)向管采用雙面焊接， 焊接長度不小于 5d，套拱與明洞襯砌之間預(yù)留 4cm 變形量?；炷翆?dǎo)向墻在洞身外廓線以外施作，導(dǎo)向墻內(nèi)埋設(shè) 2 榀 I20a 型鋼支撐，鋼支撐與管棚導(dǎo)向管焊成整體。作為管棚的導(dǎo)向管，

11、它安設(shè)的平面位置、傾角、外 插角的準(zhǔn)確度直接影響管棚的質(zhì)量。 用全站儀以坐標(biāo)法在工字鋼鋼架 上定出其平面位置； 用水準(zhǔn)尺配合坡度板設(shè)定孔口管的傾角； 用前后 差距法設(shè)定導(dǎo)向管的外插角。 導(dǎo)向管應(yīng)牢固焊接在輕型鋼上， 防止?jié)?筑混凝土?xí)r產(chǎn)生位移。 管棚頂進采用大孔引導(dǎo)和管棚機鉆進相結(jié)合的 工藝，即先鉆大于管棚直徑的引導(dǎo)孔（ 130mm），然后可用 10t 以上 卷揚機配合滑輪組反壓頂進； 也可利用鉆機的沖擊力和推力低速頂進 鋼管。采用注漿機將水泥漿液注入管棚鋼管內(nèi)，注漿壓力 0.5MPa2.0MPa，持壓 5min 后停止注漿。 注漿量一般為鉆孔圓柱體的 1.5 倍，第 5 頁 共 12 頁若注

12、漿量超限，未達到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。注漿結(jié)束后用 M7.5 水泥砂漿充填，增強管棚的剛度和強度。超前小導(dǎo)管采用 42mm、壁厚 3.5mm無縫熱軋鋼管制作，前端 加工成錐形并封焊密實， 尾部焊上箍筋， 管身設(shè)若干注漿孔， 孔徑 6 8mm，孔間距 15cm，按梅花型布置；尾部長度不小于 100cm，作為不 鉆孔的止?jié){段。 超前小導(dǎo)管按拱頂外輪廓中心高程和支距進行布孔放樣，并以插釬作為標(biāo)記控制小導(dǎo)管的間距。小導(dǎo)管環(huán)向間距 30cm，縱向搭接長度為不小于 100cm，外插角為 10 15?。注漿材料為 1

13、 ： 1 （重量比）水泥漿液，小導(dǎo)管注漿的孔口最高壓力嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)，以防壓裂開挖面，注漿壓力一般為 0.5-1.5Mpa ，止?jié){塞必須能承受注漿壓力。 注漿量達到設(shè)計注漿量或注漿壓力達到設(shè)計終壓時結(jié)束注漿。注漿擴散半徑不小于 40cm，注漿漿液相互交錯自然形成砼拱圈。 隧道的開挖長度小于小導(dǎo)管的注漿長度， 預(yù)留部分作為下一循環(huán)的止?jié){墻。注漿前進行壓水試驗，檢查機械設(shè)備是否正常，管路連接是否正確，為加快注漿速度和發(fā)揮設(shè)備效率，采用群管注漿。用手持風(fēng)鉆或鉆孔臺車鉆孔，鉆孔直徑比鋼管直徑大 3 5mm，并將小導(dǎo)管打入孔內(nèi)， 如地層松軟也可用游錘或手持風(fēng)鉆將導(dǎo)管直接打入，打入長度不小于鋼管長度

14、的 90%。2.3 臺階法加臨時橫撐開挖技術(shù)及穩(wěn)定性由于本段雙線鐵路隧道的開挖斷面大而且多為軟巖， 圍巖變形甚第 6 頁 共 12 頁至坍塌。為確保施工安全，級圍巖地段采用安全性、可靠性、穩(wěn)定 性好，能夠較好控制圍巖變形，及時封閉成環(huán)的三臺階法施工工藝。 三臺階法施工時，將整個斷面分成三個分部，按順序開挖，其施工程序見圖 2 所示。圖 2 三臺階+臨時橫撐施工工序流程為確定該方法施工的穩(wěn)定性， 采用連續(xù)介質(zhì)模型的有限差分法對三臺階施工穩(wěn)定性進行了分析。數(shù)值模擬采用大型有限差分軟件FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continua ）進行。 FLAC3D是美

15、國明尼蘇達 ITASCA軟件公司編制開發(fā)基于連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗 日法的有限差分分析程序。 由數(shù)值分析得到的隧道開挖過程中圍巖的 塑性分布如圖 3 所示，在施工過程中如地表、隧道結(jié)構(gòu)拱頂、底部位 置以及開挖掌子面圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域，如果噴射混凝土封閉不及時，初期支護結(jié)構(gòu)施加不及時， 或者超前注漿不均勻， 可能導(dǎo)致掌子面風(fēng) 化巖石脫落以及底部隆起、拱頂帽落，對施工造成影響。數(shù)值分析的結(jié)果表明，寶蘭高鐵小墁坪隧道采用三臺階 +臨時橫撐施工過程中，地表沉降、 洞內(nèi)水平位移均小于設(shè)計文件的變形量警戒值， 能滿足施工控制要求。 且從施工過程中巖體受拉、 受壓屈服產(chǎn)生的塑性區(qū)分布 來看，地表、隧道結(jié)構(gòu)拱頂、底

16、部位置以及開挖掌子面圍巖出現(xiàn)塑性 區(qū)域，施工過程易出現(xiàn)拱起及塌落，超前注漿必須嚴(yán)格控制，且初期支護施作要及時。為之， 考慮偏壓等地形地貌的影響， 建議開挖前應(yīng)完成超前小導(dǎo)管的施工，并注漿加固地層，固結(jié)后開挖上臺階 1 部土體。施工中采第 7 頁 共 12 頁用弱爆破附以小型機具或人工開挖， 人工沿拱弧輪廓線修整或人工開挖， 每循環(huán)進尺不大于一榀鋼架間距， 開挖后立即初噴 3cm混凝土開挖面及掌子面以封閉巖面， 再進行拱部鋼架安裝、 鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù) 噴砼至設(shè)計厚度， 使整個開挖面形成閉和環(huán)。 上臺階施工至適當(dāng)距離 后，開挖 2 部臺階，施工中采用弱爆破附以小型機具或人工開挖，人 工沿拱弧輪廓線

17、修整或人工開挖， 接長鋼架， 施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支 護。 下臺階 3 分部開挖， 施工中采用弱爆破附以小型機具或人工開挖， 人工沿拱弧輪廓線修整或人工開挖。 下半斷面初支， 施工工藝同上半 斷面，拱架接長應(yīng)與開挖步驟相對應(yīng)，交錯進步。仰拱部分開挖，仰 拱支護緊跟拱墻支護及時施做。 灌筑該段內(nèi)仰拱， 灌筑該段內(nèi)隧底填充，利用襯砌臺車一次性灌筑二次襯砌（拱墻襯砌一次施作） 。（a）施工過程中 （b）工后圖 3 施工過程中及工后巖體剪切破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)分布2.4 初期支護施工洞口段的噴射混凝土施工采用濕噴作業(yè)， 采用 C25噴射纖維 （微纖維） 混凝土。 噴射機械安裝好后， 先注水、 通風(fēng)、 清除管

18、道內(nèi)雜物，同時用高壓風(fēng)吹掃巖面， 清除巖面塵埃。 噴射混凝土在終凝 2 小時后開始灑水養(yǎng)護，灑水次數(shù)以能保證混凝土具有足夠的濕潤狀態(tài)為度； 養(yǎng)護時間不少于 7 晝夜，當(dāng)氣溫低于 5不得噴水養(yǎng)護。噴射混凝土 表面應(yīng)密實、平整，無裂縫、脫落、漏噴、空鼓、滲漏水等現(xiàn)象。表面不平整度允許偏差為 2cm。鋼筋網(wǎng)采用 6、8 鋼筋網(wǎng)。隧道鋼筋網(wǎng)預(yù)先在洞外鋼構(gòu)件廠第 8 頁 共 12 頁加工成型。 鋼筋類型及網(wǎng)格間距按設(shè)計要求施作。 安裝搭接長度為 12 個網(wǎng)格，采用焊接。砂層地段先鋪掛鋼筋網(wǎng)，沿環(huán)向壓緊后再噴混凝土。鋼筋網(wǎng)隨受噴面起伏鋪設(shè)，與受噴面的間隙一般不大于 3cm， 與錨桿或其它固定裝置連接牢固。

19、 開始噴射時， 縮短噴頭至受噴面的 距離，鋼筋保護層厚度不得小于 5cm。噴射中如有脫落的石塊或混凝 土塊被鋼筋網(wǎng)卡住時，應(yīng)及時清除。鋼拱架在工廠內(nèi)設(shè)置檢驗試拼平臺，加工后在平臺上進行試拼，試拼合格后方可運至現(xiàn)場。試拼誤差周邊控制在 3mm以內(nèi)，平面翹 曲控制在 3mm以內(nèi)。鋼拱架架立首先要測量準(zhǔn)確，架立后復(fù)核，鋼拱 架盡可能與圍巖貼靠緊密（空隙小于 5cm），兩側(cè)底腳使用墊塊支墊 牢固。每單元接頭處施作鎖腳錨桿，通過鋼拱架與錨桿的焊接，將鋼 拱架鎖定到墻上。錨桿（管）打設(shè)，與水平成約 45角傾斜向下，以改善受力狀態(tài)。錨桿采用中空注漿錨桿，采用風(fēng)鉆鉆孔，孔徑較錨桿大 15mm， 鉆孔完成后采用

20、高壓風(fēng)清除孔內(nèi)積水和殘余物， 防止錨桿送入過程中 被阻。成孔后， 由現(xiàn)場施工技術(shù)人員對孔深進行檢查，對孔深不能滿 足設(shè)計深度要求的（允許偏差 50mm），進行補鉆直到滿足施工規(guī)范 要求。 將錨桿插入錨孔， 其位置盡量居中， 尾部外露長度為 5 15cm。注漿材料宜采用純水泥漿或 1： 1 水泥砂漿，水灰比宜為 0.4 0.5。采用水泥砂漿時砂子粒徑不應(yīng)大于 1.0mm。 注漿時砂漿經(jīng)中空錨桿體 的中空內(nèi)孔從連接套上的出漿口進入錨孔， 錨孔內(nèi)的砂漿由外向里充 盈，錨孔內(nèi)的空氣從排氣管排出，注漿完成后，應(yīng)立即安裝堵頭。在第 9 頁 共 12 頁施工中， 根據(jù)地質(zhì)情況現(xiàn)場試驗調(diào)整參數(shù)。 注漿時在錨桿

21、上安裝止?jié){墊圈封堵孔口， 工作面上的裂紋用塑膠泥封堵。 安裝托板。 若已錨地段有較大變形或錨桿失效，強錨桿，長度不小于原錨桿長度的 1.5 倍。注漿結(jié)束后錨桿及時 立即在該地段增設(shè)加2.5 仰拱、仰拱填充施工技術(shù)仰拱混凝土采用 C35鋼筋混凝土或 C30混凝土； 仰拱填充混凝土 采用 C20。為保證施工安全，仰拱混凝土應(yīng)及時施作，支護盡早閉合 成環(huán)，整體受力，確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。仰拱距掌子面：級圍巖不超 過 90m；級及以上圍巖不大于 35m。在隧道正洞級圍巖中，待噴錨支護全斷面施作完成后，根據(jù)圍巖收斂量測結(jié)果，拆除臨時支護，開挖并灌注仰拱及填充混凝土。 為保證施工質(zhì)量， 仰拱混凝土進行全 幅整體澆筑， 同時解決出碴、 進料運輸與仰拱施工干擾及仰拱混凝土 在未達到要求強度之前承受荷載的問題， 采用仰拱簡易棧橋進行施工。3. 結(jié) 論隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)高速發(fā)展， 高速公路與鐵路、 水利隧道穿越偏 壓碎石土地層的施工技術(shù)需要進一步深入研究， 以完善穿越偏壓碎石 土地層施工技術(shù)的理論與實踐， 指導(dǎo)工程施工。 論文以在建的寶蘭高 鐵小墁坪隧道出口段為背景工程， 對大斷面隧道下穿邊坡偏壓洞口段 綜合施工技術(shù)進行了分析， 提出的洞口段施工技術(shù)在很大程度上促進 了施工進度， 保障了寶蘭鐵路的如期順利通車。 從小墁坪隧道的施工 結(jié)果來看， 說明整個技術(shù)方案是可行的，