何偉華

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459）

山區(qū)高速公路施工時(shí)為避免破壞隧洞周邊環(huán)境和自然生態(tài)，洞口段應(yīng)盡量規(guī)避大面積開(kāi)挖，按照早進(jìn)洞、零破壞、快成洞的原則施工。否則不僅破壞自然生態(tài)，而且增添隧道開(kāi)挖及防護(hù)工程量，恢復(fù)隧道周邊植被的成本也較大[1]。

石忠高速公路沿河傍山路段，其中某隧道為斜交、偏壓隧道，根據(jù)其實(shí)際地形地貌及地質(zhì)情況，按照“綠色環(huán)保、安全施工、美麗環(huán)境”的方針，經(jīng)過(guò)施工工藝比選，最終選取斜交套拱配置大管棚提前支護(hù)施工技術(shù)，有效縮小了邊、仰坡的開(kāi)挖面積，不僅保護(hù)了隧道所在地的自然生態(tài)，而且加快了施工進(jìn)度，降低了成本。工程采用三維數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了隧道洞口偏壓段斜交套拱施工技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)和可行性，對(duì)類(lèi)似工程提供一定參考。

1 工程地質(zhì)概況

石忠高速公路某隧道左右線總長(zhǎng)1 000 m，洞寬和洞高分別為11.32 m 和7.05 m，隧道設(shè)計(jì)成分離式雙向四車(chē)道，進(jìn)出口皆設(shè)計(jì)為端墻式，左洞與右洞坡度均為0.5%。隧道所在區(qū)域上表層為埋深很淺的殘坡土積層，下面部分的基層巖石是粉砂巖等，結(jié)構(gòu)是粉細(xì)粒，呈千枚薄層狀形式構(gòu)造，地質(zhì)破碎，易引起滑坡和塌方。隧道口區(qū)域地下水大多是風(fēng)化帶孔隙裂隙水。

隧道左邊洞口為很淺的覆蓋土層，偏壓現(xiàn)象十分顯著，右邊地處高邊坡位置。為嚴(yán)格遵循零開(kāi)挖、零破壞的綠色施工方針，對(duì)原植被盡量保護(hù)，防止大范圍開(kāi)挖，盡量降低邊仰坡開(kāi)挖高度，確保進(jìn)洞安全，按照隧道洞口的實(shí)際地形地貌和地質(zhì)情況，對(duì)三種進(jìn)洞施工工藝進(jìn)行比選，從而選擇最佳工藝。

2 進(jìn)洞施工工藝比選

2.1 半明半暗斜交進(jìn)洞施工工藝

如果斜交偏壓隧道洞口周邊地形非常陡峭，將套拱進(jìn)行梯形排列，對(duì)不存在圍巖的位置，將套拱壁拱虛擬為圍巖巖壁，通過(guò)正交方式將初支鋼支撐布置好后，馬上進(jìn)行混凝土噴射支護(hù)。這種施工工藝能很好適應(yīng)斜交進(jìn)洞的地形地貌，規(guī)避了常規(guī)隧道進(jìn)洞不當(dāng)時(shí)出現(xiàn)邊、仰坡開(kāi)挖面積過(guò)大從而導(dǎo)致的環(huán)保問(wèn)題和安全隱患，很好地保護(hù)了隧道周邊特別是洞口段的自然生態(tài)(見(jiàn)圖1)。但由于斜交地段的地層偏壓力很大，襯砌結(jié)構(gòu)受力不勻均，且套拱以及鋼拱架都呈不規(guī)則斷面設(shè)計(jì)，工藝繁瑣，因而造價(jià)高昂[2]。

圖1 半明半暗斜交進(jìn)洞施工工藝

2.2 貼壁套拱斜交進(jìn)洞施工工藝

當(dāng)隧道進(jìn)洞段圍巖較為破碎、覆蓋層很薄，而且山體和隧道斜交的角度較大、隧道穿越的山體非常陡峭時(shí)，可以采用貼壁套拱斜交進(jìn)洞施工工藝。隧道開(kāi)挖前先開(kāi)挖路塹，提前保留3～5 m核心土，合理切槽洞口兩側(cè)，將鋼拱架當(dāng)成骨架開(kāi)展套拱施工，保證與隧道口相接的套拱能順利施工。采用預(yù)留核心土二臺(tái)階工法進(jìn)行開(kāi)挖和隧道支護(hù)工作。明洞也可以采用斜交方式，對(duì)周邊自然環(huán)境進(jìn)行生態(tài)修復(fù)(見(jiàn)圖2)。該施工技術(shù)能有效降低周邊邊坡和仰坡的開(kāi)挖范圍，但由于斜交地段地層壓力較大，且隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力體系十分復(fù)雜，通過(guò)暗挖方式進(jìn)洞后，需要逐漸轉(zhuǎn)移為隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面，因此隧道過(guò)渡段的施工十分困難[3]。

圖2 貼壁套拱斜交進(jìn)洞施工工藝

2.3 偏壓套拱斜交進(jìn)洞施工工藝

如果洞口所在區(qū)域十分陡峻，不僅斜交嚴(yán)重且出現(xiàn)嚴(yán)重偏壓，在覆蓋層薄且隧道一邊落底、另外一邊為高邊坡硬質(zhì)圍巖的地質(zhì)條件下，為平衡高邊坡偏壓，防止隧道失穩(wěn)，可采取偏壓套拱施工工藝。提前保留3～5 m 核心土，合理切槽洞口兩側(cè)，將鋼拱架當(dāng)成骨架開(kāi)展套拱施工，保證與隧道口相接的套拱能順利施工。為了與地形相協(xié)調(diào)，偏壓套拱施工工藝的套拱按階梯狀布置，內(nèi)側(cè)山體按實(shí)際地形采取縱、橫向方式進(jìn)行預(yù)支護(hù)，外側(cè)設(shè)置抗偏壓耳墻(見(jiàn)圖3)。首先進(jìn)行隧洞掘進(jìn)，同時(shí)對(duì)邊側(cè)墻進(jìn)行澆筑，接著采取分階開(kāi)挖方式進(jìn)洞。與此同時(shí)對(duì)套拱、邊側(cè)墻和初期支護(hù)展開(kāi)閉合施工，形成比較堅(jiān)固的支護(hù)閉環(huán)，然后再開(kāi)展二次襯砌。該施工工藝能有效解決邊坡、仰坡開(kāi)挖過(guò)高產(chǎn)生的安全質(zhì)量等隱患[4]。

表1 三種偏壓隧道斜交進(jìn)洞施工工藝對(duì)比

以上三種施工工藝的優(yōu)劣對(duì)比如表l 所示。通過(guò)比選，最終選取偏壓斜交套拱配置長(zhǎng)大管棚提前支護(hù)進(jìn)洞施工工藝。

3 斜交套拱施工關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 偏壓斜交套拱施工流程及關(guān)鍵控制技術(shù)

偏壓斜交套拱施工流程：

（1）對(duì)洞口邊仰坡開(kāi)挖裸露部分及周邊區(qū)域噴射混凝土（噴錨），過(guò)程為：測(cè)量→開(kāi)挖明洞和邊仰坡→錨桿布置→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)→通過(guò)濕噴混凝土進(jìn)行全封閉。注意事項(xiàng)：隧道洞口開(kāi)挖時(shí)必須首先設(shè)置好隧道上部截水溝并做好漿砌片石施工。施作時(shí)通過(guò)挖掘機(jī)開(kāi)挖，人工配合刷坡，裝載機(jī)配合裝碴，通過(guò)自卸汽車(chē)將棄渣外運(yùn)。每次防護(hù)的工作高度約2 m，不允許搭架施工，確保坡面平整。

（2）對(duì)外露段進(jìn)行初支施工：將C25 混凝土和片石一起作為基礎(chǔ)進(jìn)行澆筑→架上鋼拱架→通過(guò)吊模法濕噴C25 混凝土。

（3）套拱施工：鋼筋綁扎→測(cè)量→導(dǎo)向管安裝→模板安裝→套拱澆筑C25 混凝土。注意事項(xiàng)：套管中心與隧道開(kāi)挖輪廓線距離為0.45 m，應(yīng)確?？卓诠艿奈恢霉潭ǎ瑢?duì)鋼筋間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（4）管棚施工：管棚鋼管加工→搭鉆孔平臺(tái)→隧道鉆孔→清孔處理→檢驗(yàn)鉆孔→沿拱部輪廓線鉆進(jìn)20 根長(zhǎng)度2 000 cm、外直徑10.8 cm 的導(dǎo)管作為管棚鋼管并安裝→管口封堵→隧道加壓注漿。注意事項(xiàng)：鉆孔平臺(tái)必須穩(wěn)定，避免鉆孔時(shí)鉆機(jī)出現(xiàn)不均勻震動(dòng)、沉降、錯(cuò)位和傾斜，影響鉆孔質(zhì)量。注漿后借助6 cm 鋼板封閉注漿孔，避免漿液順著孔壁溢出，在孔口鋼板處將進(jìn)漿、排氣管口進(jìn)行焊接，遇特殊情況時(shí)漿液可添加早強(qiáng)劑。注漿壓力范圍設(shè)定在0.5～1.0 MPa。先通過(guò)低壓力中流量進(jìn)行注漿，再逐步提高壓力。打開(kāi)排氣管直至冒出濃漿再將其關(guān)閉，確保最終壓力保持在0.75 MPa。

（5）進(jìn)洞開(kāi)挖：隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)→通過(guò)CD 法進(jìn)行隧道施工→有效連接斜交套拱段鋼拱架→隧道錨噴支護(hù)。注意事項(xiàng)：掘進(jìn)時(shí)采取“縮短進(jìn)尺、削弱爆破、加強(qiáng)支護(hù)、加密量測(cè)”的方針。

3.2 測(cè)量

隧道施工前選取無(wú)阻擋視覺(jué)效果好、測(cè)量便捷的點(diǎn)位預(yù)埋地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。隧道施工平面布置見(jiàn)圖3，隧道ZK20+906 處橫斷面見(jiàn)圖4， 隧道ZK20+910 處橫斷面見(jiàn)圖5。

圖3 隧道斜交套拱平面布置

圖4 隧道ZK20+906 處橫斷面

圖5 隧道ZK20+910 處橫斷面

4 有限元模型及參數(shù)

彈塑性數(shù)值模擬分析[5]中，坐標(biāo)系Y 軸、X 軸、Z 軸依次為隧道垂直向上、水平向右、向前開(kāi)挖方向。隧道有限元模型計(jì)算范圍在Y 軸方向從底部朝下取3 倍高度,一直向上取至地表，X 軸方向單側(cè)取3.5 倍隧道跨度，Z 軸方向沿隧道縱向取值為0.25 km（隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,計(jì)算模型見(jiàn)圖6）。

圖6 隧道整體網(wǎng)格、隧道斜套拱和支護(hù)襯砌網(wǎng)格示意

表2 隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)德魯克-普拉格（D-P）屈服原則開(kāi)展研究。隧道洞口偏壓段斜交套拱施工技術(shù)施工步驟模擬：（1）驗(yàn)算自重應(yīng)力場(chǎng)；（2）斜套拱、超前支護(hù)及隧道右上臺(tái)階施工；（3）隧道右上臺(tái)階支護(hù)；（4）隧道右下臺(tái)階掘進(jìn)和初支處理；（5）隧道左上臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖和初支處理；（6）隧道左下臺(tái)階開(kāi)挖及初支處理；（7）隧道二次襯砌。

5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

5.1 隧道圍巖位移

從隧道圍巖水平、垂直位移分析可得，隧道圍巖水平位移極限值為1.25 mm,位于完成隧道二襯以后的右拱肩處。隧道施工過(guò)程中，圍巖最大沉降量?jī)H為3.3 mm,位于完成二襯后的隧道拱頂處；圍巖最大縱向位移僅為1.37 mm,出現(xiàn)在完成二襯后隧道拱頂處。圍巖位移相對(duì)模型的距離較小，證明采取該技術(shù)圍巖比較穩(wěn)定。必須確保斜套的剛度和強(qiáng)度比較大，防止拱頂出現(xiàn)沉降。

5.2 隧道圍巖應(yīng)力

從隧道圍巖最后應(yīng)力分布分析可得，隧道右上臺(tái)階結(jié)束初支后，處于右上臺(tái)階的拱腳處的承受極限拉應(yīng)力僅為0.28 MPa。在結(jié)束二襯后，拱腳處極限壓應(yīng)力僅為2.56 MPa，均在規(guī)范之內(nèi)，斷定施作時(shí)圍巖比較穩(wěn)定。

5.3 圍巖塑性區(qū)

從隧道施工圍巖塑性區(qū)分布分析可得，隧道洞口段邊墻位置的圍巖塑性區(qū)已關(guān)聯(lián)。為確保圍巖安全，設(shè)計(jì)施工時(shí)必須對(duì)隧道邊墻處初支剛度和強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，保證迅速有效進(jìn)行初支[6]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬實(shí)踐，總結(jié)出如下斜交套拱配置長(zhǎng)大管棚提前支護(hù)進(jìn)洞施工工藝特點(diǎn)。

①根據(jù)隧道洞口處具體地形地質(zhì)情況，采用該技術(shù)能規(guī)避洞口段大范圍開(kāi)挖，施工工序較簡(jiǎn)單，造價(jià)不高，較為適合進(jìn)洞施工，且有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境和山體穩(wěn)定性，能降本增效。

②由彈塑性數(shù)值模擬分析可知，圍巖的豎向位移比水平和縱向位移都大一些,但符合要求。隧道邊墻部位圍巖分布具備一定面積的塑性區(qū)，設(shè)計(jì)施工必須切實(shí)提高隧道邊墻處的初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度，遵循“縮短進(jìn)尺、削弱爆破、提前支護(hù)”原則，確保隧道質(zhì)量安全，避免山體滑坡。

③管棚超前支護(hù)作用明顯。通過(guò)監(jiān)測(cè),證明套拱發(fā)揮了積極作用,確保了隧道施工的安全與質(zhì)量。施工中隧道拱頂部位盡管存在拉應(yīng)力，但未超出圍巖的抗拉強(qiáng)度范圍。在斜交進(jìn)洞前必須配備套拱和管棚，從而有效降低對(duì)圍巖的干擾。