畢志剛，毛曉輝，呂文國，李文杰，梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展，公路隧道建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模越來越大[1-3]。在山區(qū)修建公路，由于受到地形地貌、地質(zhì)條件和路線選擇等因素的限制，公路隧道的建設(shè)常常選擇連拱或小凈距形式[4-5]。連拱隧道施工工序轉(zhuǎn)化多，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，并且隧道中夾巖防排水質(zhì)量不好。小凈距隧道施工工藝相對簡單，具有良好的防滲漏水特性，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益方面具有顯著優(yōu)勢[6]。

小凈距隧道施工受地形、地貌的影響相對較小，但由于小凈距隧道中夾巖厚度遠(yuǎn)小于普通雙洞隧道，且中夾巖施工過程中多次被擾動而成為受力薄弱環(huán)節(jié)，小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜[7-8]。為了確保開挖過程中圍巖穩(wěn)定性，減小由于小間距造成的圍巖變形和爆破震動等不利因素，需要根據(jù)不同圍巖條件選擇相應(yīng)的開挖方法[9-11]。若隧道洞口圍巖很差且存在偏壓，小凈距隧道施工風(fēng)險極大，需要進(jìn)行洞外注漿、洞內(nèi)超前支護(hù)、中夾巖加固等措施[12-14]。

依托中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司承擔(dān)的福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程，針對淺埋偏壓小凈距公路隧道具有埋深淺、圍巖軟弱破碎、圍巖壓力不對稱、中夾巖施工易擾動等特點(diǎn)，通過研究隧道洞口開挖與支護(hù)、正洞開挖方法與支護(hù)形式、中夾巖加固方法等，確保公路隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全快速施工，為后續(xù)類似淺埋偏壓小凈距隧道施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

布盂隧道進(jìn)口位于福建省尤溪縣新陽鎮(zhèn)高士村布盂境內(nèi)，出口位于大田縣文江鄉(xiāng)橋下村，整體呈北東-南西走向。布盂隧道為分離式隧道，進(jìn)口線間距約18 m，出口線間距約19 m。右洞里程K196+225～K197+304，長1 079 m；左洞里程Z3K196+298～Z3K197+290，長992 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70/2-2014)要求[15]，當(dāng)雙線隧道凈距不能滿足表1(B-隧道開挖斷面寬度)要求時，即為小凈距隧道。

表1 分離式隧道獨(dú)立雙洞間距最小凈距

隧道進(jìn)口段地形呈緩坡段，植被發(fā)育，山體上部地形自然坡度約10°～15°，山體下部坡度20°～30°，主要為殘坡積粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土和全～強(qiáng)風(fēng)化肉紅色花崗巖，土層呈松散狀，可塑-硬塑?；◢弾r殘積土(砂質(zhì)黏性土)，孔隙率大、強(qiáng)度低、壓縮性高，遇水易軟化。洞口土體穩(wěn)定性較差，雖然坡體基本穩(wěn)定，洞口邊仰坡和兩側(cè)邊坡開挖后易引起坍塌，進(jìn)口段埋藏淺，且土體厚度大，圍巖等級為Ⅴ級。隧道出口植被發(fā)育，山體上部地形自然坡度25°～30°，圍巖主要由殘坡積粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成，土層松散，可塑-硬塑；強(qiáng)風(fēng)化巖裂隙發(fā)育，呈碎石狀，圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩(wěn)定性差，洞口仰坡和兩側(cè)邊坡易坍塌。

布盂隧道進(jìn)出口段圍巖軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，且存在跨度大、埋深淺、圍巖壓力不對稱、隧道凈距小等特點(diǎn)，進(jìn)洞較困難。因此，應(yīng)開展相應(yīng)施工關(guān)鍵技術(shù)研究，確保施工進(jìn)度及施工安全。

2 洞口施工措施

2.1 樁板墻施工

依據(jù)“零開挖”進(jìn)洞理念，遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”施工原則，盡量避免對山體的大挖大刷。隧道洞口段為淺埋順層偏壓，由于偏壓隧道外側(cè)覆蓋層厚度較小，可能出現(xiàn)外側(cè)巖土失穩(wěn)情況。隧道進(jìn)口左線Z3K196+230-Z3K196+298路塹右側(cè)設(shè)計為樁板墻，按從小里程至大里程的順序施作，為給隧道進(jìn)洞創(chuàng)造條件。

圖1 抗滑樁施工斷面示意圖

為不影響右洞施工，抗滑樁施工平臺及臨時邊坡開挖在設(shè)計開挖線外，根據(jù)實際情況預(yù)留至少5 m不開挖，如圖1所示。施作抗滑樁時先做好樁口周圍排水及邊坡臨時防護(hù)，待右洞對應(yīng)該段二襯施工完后(此時抗滑樁已施工完成)，開挖左線路塹至抗滑樁頂(開挖一級防護(hù)一級)。通過抗滑樁的施做，有效改善了隧道外側(cè)土巖的力學(xué)性質(zhì)，防止外側(cè)土巖石產(chǎn)生失穩(wěn)或坍塌。

2.2 洞口開挖與防護(hù)

淺埋偏壓洞口段邊坡和仰坡的坡頂截水天溝，應(yīng)結(jié)合永久排水系統(tǒng)提前修建，防止水流沖刷邊仰坡造成環(huán)境破壞。截水溝距離邊仰坡開挖線5～10 m，施工截水天溝時，溝兩側(cè)填土應(yīng)夯實，并高于溝頂，以免雨水沖刷滲入截水溝基礎(chǔ)內(nèi)，截水天溝采用C25混凝土澆筑。截水溝要在邊仰坡土石方開挖之前澆筑完成，以免開挖完成后造成地表匯水過大，造成邊仰坡浸水性失穩(wěn)，且截水溝出口應(yīng)接入路基排水系統(tǒng)。

圖2 邊仰坡支護(hù)示意圖

2.3 導(dǎo)向墻施工

隧道洞口屬于淺埋偏壓地質(zhì)條件，且洞口為軟弱土質(zhì)地層，開挖前需要采用超前支護(hù)等措施來改良加固地層。結(jié)合工程實際，采用超前大管棚進(jìn)行加固，首先要施作導(dǎo)向墻。導(dǎo)向墻采用先墻后拱方法施工，先做基礎(chǔ)底部邊墻，待邊墻強(qiáng)度滿足要求后施作拱圈部分，基礎(chǔ)與拱圈施工縫設(shè)置接茬鋼筋。導(dǎo)向墻采用C25混凝土現(xiàn)澆，截面尺寸為0.6 m×2 m，內(nèi)置三榀I18型鋼拱架(縱向間距0.75 m)；在鋼支撐上安裝Φ140×5 mm，長2 m的導(dǎo)向鋼管，導(dǎo)向管中心距為40 cm，方向與管棚位置方向一致。基礎(chǔ)底部應(yīng)進(jìn)行承載力試驗，容許承載力不小于200 kPa，否則應(yīng)采取注漿或設(shè)置鎖腳錨管等措施處理。導(dǎo)向墻開挖采用掏槽開挖，并預(yù)留核心土，挖至基礎(chǔ)底部時立即對基坑進(jìn)行封閉，當(dāng)基坑底部有水時必須全部抽干后，方可施工。

2.4 超前大管棚施工

小凈距隧道洞口淺埋或偏壓，存在風(fēng)化軟弱破碎圍巖地段，需要施做長管棚[16-17]。導(dǎo)向墻施作完成后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的75%后，進(jìn)行管棚鉆孔作業(yè)安設(shè)管棚。管棚長度由洞口地質(zhì)條件確定，長度20～40 m，外插角1°～3°，搭接長度不小于3 m。管棚鋼管均采用Φ108(壁厚6 mm)熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距40 cm。管棚分節(jié)長度為4 m或6 m，接頭采用長30 cm的Φ114(壁厚6 mm)熱軋無縫鋼管絲扣連接，鋼管同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不得超過管數(shù)的50%，相鄰鋼管接頭至少須錯開1.0 m。注漿后管內(nèi)填充M30水泥砂漿，必要時，管內(nèi)可設(shè)置鋼筋籠，以提高管棚的剛度。管棚鋼管環(huán)向打孔注漿，孔徑14～16 mm，孔間距113 mm，梅花形布置，尾部留不鉆孔止?jié){段110 cm。管棚注漿采用水泥漿液，漿液的水灰比為1(0.8～1)(重量比)，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

3 明洞與洞門施工

3.1 明洞施工

隧道洞口段為淺埋偏壓不良地質(zhì)段，不良地質(zhì)主要為順層偏壓。根據(jù)隧道洞口實際情況，襯砌結(jié)構(gòu)采用模筑C30鋼筋混凝土，其邊坡防護(hù)采用噴錨網(wǎng)防護(hù)，回填坡面應(yīng)盡量與原地形順接，洞頂回填面噴播植草。明洞襯砌采用路塹偏壓結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3 明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖

隧道明洞施工采取仰拱施工完成后進(jìn)行仰拱填充施工，而后進(jìn)行墻拱襯砌施作。仰拱襯砌采用65 cm厚C30鋼筋混凝土，鋼筋網(wǎng)為主筋Ф25 HRB400的雙層鋼筋網(wǎng)，仰拱填充為C15混凝土。

3.2 洞門施工

隧道右洞進(jìn)口在直線段上，出口在半徑為3 200 m的平曲線上，隧道左洞進(jìn)口在直線段上，出口在半徑為3 600 m的平曲線上；右洞縱坡為1.7%，左洞縱坡為1.747%，進(jìn)出口端均采用端墻式洞門。洞門端墻應(yīng)與明洞回填配合進(jìn)行，明洞回填M10漿砌片石部分可作為洞門墻內(nèi)模，其余部分需內(nèi)模施作。明洞回填土石應(yīng)在洞門端墻完成后，即端墻混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%后進(jìn)行。隧道洞門施工采用“零開挖”進(jìn)洞理念，避免對隧道洞口仰坡的開挖，極大降低對坡面的破壞，保護(hù)原生植被，保持較好的景觀效果。

4 洞身開挖與支護(hù)

4.1 中隔壁法施工

隧道洞口地層軟弱破碎，屬于淺埋偏壓大跨隧道，需要采用合理的開挖方式，采取分部開挖，將大跨變小跨。隧道洞口屬于Ⅴ級圍巖條件，右線出口進(jìn)洞開挖采用中隔壁法。中隔壁法是將隧道開挖斷面左右一分為二，首先開挖一側(cè)，并在隧道中部位置設(shè)立鋼支撐以及噴混凝土的臨時支撐隔墻，當(dāng)先開挖的一側(cè)超前一定距離后，再開挖另一側(cè)斷面[18]。中隔壁法在軟弱地層中進(jìn)行開挖，開挖斷面相對較小，需要采取小型機(jī)械或人工開挖。由于中隔墻的存在，在爆破開挖時需要嚴(yán)格控制裝藥量，避免對中隔墻產(chǎn)生損害。中隔壁法開挖橫斷面和縱斷面示意圖如圖4所示。

圖4 中隔壁法開挖橫斷面和縱斷面示意圖

4.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

隧道洞口淺埋偏壓，根據(jù)地質(zhì)勘探在Ⅴ級圍巖條件下，右線進(jìn)口、左線進(jìn)出口進(jìn)洞開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法首先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，同時施作導(dǎo)坑四周的初期支護(hù)和臨時支護(hù)，而后根據(jù)地質(zhì)條件，對中心剩余部分采用臺階法進(jìn)行開挖[19]。該方法施工速度稍慢，工作面相對較小，但在軟弱圍巖條件下能有效控制地表沉降。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖橫斷面和縱斷面示意圖如圖5所示。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖橫斷面和縱斷面示意圖

4.3 中夾巖柱加固

隧道洞口圍巖主要由殘坡積粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成，圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩(wěn)定性很差。由于隧道洞口段左右線進(jìn)出口凈距均小于20 m，在Ⅴ級圍巖條件下，屬于小凈距施工。對于小凈距隧道施工，確保中夾巖的穩(wěn)定決定了隧道施工質(zhì)量。中夾巖在小凈距隧道雙拱結(jié)構(gòu)中部，起著極其重要的支撐作用，小凈距隧道施工過程中二次應(yīng)力場在中夾巖疊加，極有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此需要對中夾巖進(jìn)行加固[20]。從中夾巖的受力特性分析，對于Ⅴ級圍巖，中夾巖未加固前會產(chǎn)生蝶形塑性區(qū)，而且隨著隧道的施工開挖，蝶形塑性區(qū)會逐漸由小變大，及時進(jìn)行加固處理后，蝶形塑性區(qū)逐漸變形直至消失。

中夾巖加固主要采用以下兩種方法：超前預(yù)注漿加固、低預(yù)應(yīng)力水平對拉錨桿加固。與預(yù)應(yīng)力錨桿加固中夾巖方法相比，注漿加固是后洞到達(dá)前(即中夾巖形成前)完成的，加固時效性強(qiáng)，因此隧道進(jìn)出口選用超前小導(dǎo)管注漿加固中夾巖。小導(dǎo)管采用Φ42壁厚3.5 mm、長度5.0 m的熱軋無縫鋼花管，平插角45°，間距根據(jù)圍巖情況分為0.6 m×1.0 m(環(huán)×縱)、0.8 m×1.0 m(環(huán)×縱)兩種。加固范圍：左洞為邊墻腳至設(shè)計標(biāo)高向上6 m，右洞為邊墻腳至設(shè)計標(biāo)高向上6.5 m。中夾巖注漿加固平面示意如圖6所示。

圖6 中夾巖注漿加固平面示意圖

隧道注漿選擇單液水泥凈漿，漿液按確定的漿液配合比進(jìn)行拌合。注漿前先沖洗管內(nèi)沉積物，漿液先稀后濃，由下至上順序進(jìn)行注漿。單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計要求值1.0 MPa，持續(xù)注漿15 min且進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4或進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計進(jìn)漿量的100%時注漿方可結(jié)束。

4.4 二襯施工

隧道洞口淺埋偏壓，Ⅴ級圍巖自穩(wěn)能力較差，及時進(jìn)行二次襯砌施工尤為重要。二次襯砌能夠分擔(dān)部分圍巖壓力，有效抑制隧道初期支護(hù)的變形，促使隧道達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。隧道襯砌遵循“仰拱超前、拱墻整體襯砌緊跟”的原則，初期支護(hù)完成后，為有效地控制其變形，仰拱盡量緊跟開挖面施工，仰拱及仰拱填充采取整幅施工，利用棧橋平臺確保運(yùn)輸通暢。仰拱襯砌及填充施作完成后，利用多功能作業(yè)臺架人工安裝防排水。拱墻二次襯砌采用長12 m自行液壓整體式襯砌臺車進(jìn)行施工，一次性整體澆注，隧道襯砌采用模筑C30混凝土或C30鋼筋混凝土，其抗?jié)B等級不得小于P8?；炷敛捎冒韬驼炯邪韬凸┝?，混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至施工作業(yè)點(diǎn)，混凝土輸送泵泵送入模。

二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值的100%后應(yīng)進(jìn)行拱頂回填注漿，注漿管采用預(yù)埋Φ40PVC管，注漿管長度為襯砌厚度加20 cm(外露)，管道安裝于隧道頂部，縱向間距不大于4 m，每模襯砌不少于3根，如圖7所示。管道安裝時不得損壞防水板，并應(yīng)與防水板保持適當(dāng)間距，以利于漿液流出。注漿材料采用水泥漿液(水灰比11)，回填注漿壓力控制在0.1 MPa以內(nèi)。注漿管預(yù)埋時，外露部分鋼管安裝止?jié){閥門，防止?jié){液回流。

正式注漿前應(yīng)進(jìn)行試注，以取得各注漿參數(shù)，從而優(yōu)化配合比設(shè)計。注漿順序宜沿上坡方向進(jìn)行，注漿過程中要時刻觀察注漿壓力和流量的變化，并做好記錄。當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.2 MPa或相鄰孔出現(xiàn)串漿時，即可結(jié)束本孔注漿。注漿結(jié)束并檢查合格后，切斷凸出的注漿管頭，封堵注漿口并用水泥砂漿抹平。

圖7 二襯拱頂回填注漿示意圖

5 監(jiān)控量測分析

隧道洞口段為淺埋偏壓及不良地質(zhì)條件，不良地質(zhì)主要為順層偏壓。由于淺埋大跨隧道工序多、爆破開挖擾動次數(shù)多、隧道結(jié)構(gòu)受力和變形影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)，淺埋大跨隧道施工風(fēng)險高，施工過程中必須重視監(jiān)控量測。通過監(jiān)控量測可以及時掌握隧道圍巖和初支的變形情況，進(jìn)一步分析確定圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，從而最終確定隧道施工方法和支護(hù)方式，確保洞室周邊巖體的穩(wěn)定以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

按照設(shè)計要求進(jìn)行必需的監(jiān)控量測項目(見表2)，在淺埋、偏壓以及不良地質(zhì)區(qū)段的洞內(nèi)、洞外布置監(jiān)控觀測點(diǎn)[21]。洞內(nèi)與洞外布置的觀測點(diǎn)在同一斷面里程，Ⅴ級圍巖5 m一個監(jiān)測斷面，Ⅳ級圍巖10 m一個監(jiān)測斷面，地表沉降觀測點(diǎn)布置如圖8所示。按照設(shè)計測量頻次和驗收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，確保在安全環(huán)境下進(jìn)行施工。

表2 隧道監(jiān)控量測必測項目

圖8 洞口地表下沉測點(diǎn)布置

布盂隧道右洞初支拱頂沉降初期日變化量較小，沉降速率約為0.9 mm/d；隨著隧道向前開挖，由于初期支護(hù)不閉合，拱頂沉降速度有所增大，約為2.3 mm/d；當(dāng)隧道初支閉合，拱頂沉降速率逐漸減小至1.2 mm/d，且趨于穩(wěn)定。洞外地表沉降時程曲線如圖9所示，與隧道初期支護(hù)拱頂沉降趨勢相同，初期地表沉降速率相對較小；隨著隧道的開挖，沉降速率有所增加；當(dāng)初期支護(hù)閉合，地表沉降速率也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖9 洞口地表沉降時程曲線

6 結(jié)論

小凈距隧道是山區(qū)特殊地質(zhì)條件下公路隧道的主要結(jié)構(gòu)形式之一，洞口設(shè)計常出現(xiàn)淺埋、偏壓等問題。以實際工程為背景，研究了小凈距大斷面公路隧道進(jìn)洞施工技術(shù)，主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)洞口段施工“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，分析了洞口殘積土地質(zhì)特性，采取有效的施工和加固方法，解決了淺埋偏壓隧道洞口段進(jìn)洞難的施工難題。

(2)淺埋偏壓地質(zhì)條件下，采用超前大管棚對軟弱地層進(jìn)行超前支護(hù)，并通過注漿與圍巖形成一體共同承受地應(yīng)力，有效控制了地表沉降，防止施工過程中產(chǎn)生局部掉塊或塌方，確保施工安全。

(3)淺埋軟弱圍巖地層隧道施工，Ⅴ級圍巖條件下隧道開挖采用中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，有效控制了施工中隧道圍巖的變形，保持了圍巖的穩(wěn)定性。

(4)小凈距隧道中夾巖加固是設(shè)計和施工的關(guān)鍵。采用中空注漿錨桿加固方法對中夾巖進(jìn)行加固，漿液填充了巖體空隙，錨桿本身又大大提高了巖柱抵抗側(cè)向膨脹變形的能力，加固后巖體完整性從根本上得到改善，強(qiáng)度大大提高。