全民 段芳芳

[摘? 要]：為了確保碳質(zhì)片巖隧道淺埋偏壓條件下安全出洞，文章以谷竹高速公路關(guān)埡子隧道為例，通過試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用，介紹在施工條件困難、軟巖偏壓的情況下，通過CRD及小導(dǎo)洞等工藝，反向施做超前大管棚，最終實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)安全出洞。

[關(guān)鍵詞]：公路隧道; 出洞; 試驗(yàn)研究; 碳質(zhì)片巖; 施工

U455.49B

隨著公路網(wǎng)及鐵路網(wǎng)的加快建設(shè)，山嶺隧道在工程建設(shè)中占比越來越高、工程選線所面對(duì)的地質(zhì)水文條件越來越復(fù)雜，尤其隧道施工中頻繁出現(xiàn)軟巖和高地應(yīng)力，以及富水及偏壓的不良施工條件，給隧道工程的設(shè)計(jì)和施工增加了安全隱患。而隧道貫通做為隧道施工中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，一般選擇在隧道中段圍巖較好段落，但對(duì)于只能單向掘進(jìn)特殊施工條件下隧道貫通案例較少，尤其針對(duì)軟弱圍巖、偏壓隧道通過洞內(nèi)獨(dú)頭掘進(jìn)方式出洞研究更加罕見。

針對(duì)隧道洞口存在偏壓的出洞施工技術(shù)，國內(nèi)工程實(shí)例較少，部分學(xué)者在隧道出洞技術(shù)方面開展了一些研究。如羅德[1]對(duì)成貴鐵路廖家坡隧道淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞開展專項(xiàng)施工設(shè)計(jì)，采用洞內(nèi)大管棚方式對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固。秦柳江[2]對(duì)滬蓉西高速公路夾活巖隧道，采用隧道外側(cè)修筑擋墻緩解偏壓、內(nèi)部小導(dǎo)坑出洞創(chuàng)造工作面方式實(shí)現(xiàn)安全出洞。但目前的研究主要集中在膨脹性、高應(yīng)力以及節(jié)理化軟巖方面，對(duì)炭質(zhì)片巖隧道變形機(jī)制和控制技術(shù)研究較少[3]，目前僅限于楊河隧道、新蜀河隧道和旬陽隧道，以及花石溝隧道、新茨溝隧道 [4-6]，數(shù)量有限。谷城至竹溪高速公路關(guān)埡子隧道圍巖以炭質(zhì)片巖為主。本文結(jié)合谷竹高速公路關(guān)埡子隧道炭質(zhì)片巖隧道圍巖特性及淺埋、偏壓特點(diǎn)，為隧道獨(dú)頭掘進(jìn)出洞施工提供施工參考。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

關(guān)埡子隧道位于湖北省十堰市竹溪縣蔣家堰鎮(zhèn)，左全長1 626 m。隧道出口端位于陜西省安康市平利縣境內(nèi)山區(qū)，無施工場(chǎng)地及水、電、路等施工條件，因此變更出口超前管棚設(shè)計(jì)，出洞方式為洞內(nèi)獨(dú)頭掘進(jìn)。

1.2 出口段地形情況

本隧道位于海拔高程在618～808 m構(gòu)造剝蝕侵蝕低山地區(qū)，地表地形起伏較大，坡面植被較發(fā)育。出口位置為單斜地層、強(qiáng)風(fēng)化片巖，地層產(chǎn)狀為65°∠25°，發(fā)育一組節(jié)理L1：45°∠39°，坡向與巖層傾向組合關(guān)系為橫向坡，隧道埋深較原設(shè)計(jì)存在較大出入，存在橫向偏壓，成洞條件較差，邊坡穩(wěn)定性差。

1.2.1 地貌偏壓

在隧道開挖前，主應(yīng)力（σ1 ）與山坡面方向平行，它在水平方向的分力產(chǎn)生偏壓;而隧道開挖后，巖體中應(yīng)力重分布，主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)至σ1′方向，因此隧道斷面右上角應(yīng)力最大，隧道輪廓線上各點(diǎn)應(yīng)力大小分布呈現(xiàn)倒置傾斜的拋物線型曲線（圖1）。

1.2.2 結(jié)構(gòu)偏壓

隧道開挖以后出現(xiàn)自由變形空間，失去支撐的圍巖發(fā)生向洞內(nèi)的變形，若超出圍巖本身所能承受的變形能力，圍巖便發(fā)生破壞，表現(xiàn)為從母巖中脫落（坍塌、滑動(dòng)或巖爆）。隧道走向與巖層產(chǎn)狀的組合關(guān)系會(huì)形成不同的力學(xué)關(guān)系，隧道在薄層狀片巖地區(qū)特別容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)偏壓，當(dāng)隧道進(jìn)行開挖時(shí)，釋放殘余地應(yīng)力，這時(shí)隧道巖體會(huì)沿著層理面滑移，并且常常會(huì)出現(xiàn)垂直片理面發(fā)生片崩現(xiàn)象。層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素影響，其破壞形式主要有沿層面張裂、這段塌落、彎曲內(nèi)鼓[8]。

本隧道屬傾斜層狀圍巖，因此變形方向表現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落，另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對(duì)稱的塌落拱，出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象[8]。

1.3 地質(zhì)情況

關(guān)埡子隧道在施工過程中揭露的圍巖為含絹云母的炭質(zhì)片巖，風(fēng)化及巖石破碎程度變換頻繁，無明顯變化規(guī)律。圍巖中含大量絹云母，薄層狀巖石層間結(jié)合較差，觸感滑膩且夾雜大量弱膠結(jié)礦物，遇水軟化膨脹，且暴露于空氣中強(qiáng)度衰減較快，節(jié)理發(fā)育，開挖后基本無自穩(wěn)能力，具有軟巖明顯的持續(xù)變形特征。

隧道在施工過程中多次出現(xiàn)拱部掉塊、初期支護(hù)變形侵限和鋼架變形情況，引起最大變形達(dá)到0.7 m，并伴隨局部塌方。甚至，成洞區(qū)段部分在軟巖蠕變、膨脹作用下發(fā)生二次襯砌開裂的情況。

2 巖石力學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)

2.1 概述

為順利出洞做充分準(zhǔn)備，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣后在室內(nèi)進(jìn)行性能測(cè)試，以獲得巖石的力學(xué)特性指標(biāo)，分析研究該隧道大變形發(fā)生的原因及機(jī)理

2.2 試驗(yàn)技術(shù)要求

2.2.1 試樣制備

使用切割機(jī)將巖樣切割成不同高徑比的正方體試件，切割成型后，再對(duì)表面進(jìn)行手工精磨處理，確保其平行度和平整度達(dá)到試驗(yàn)要求。

2.2.2 主要試驗(yàn)儀器

（1）MTS815程控伺服巖石剛性試驗(yàn)系統(tǒng)——單軸壓縮強(qiáng)度及變形試驗(yàn)、三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)以及聲發(fā)射試驗(yàn)。

（2）攜帶式巖土力學(xué)多功能試驗(yàn)儀——抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

（3）SAEU2S聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)——監(jiān)測(cè)巖石在受壓過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。

（4）巖石直剪流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)——單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試工作嚴(yán)格遵照操作規(guī)程及試驗(yàn)流程，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)按規(guī)范進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

2.3.1 巖石物理水理性質(zhì)

巖石物理水理性質(zhì)如表1、表2所示。

2.3.2 巖石礦物成分分析

巖石礦物成分1#試件：伊利石33%、綠泥石49%、石英15%、鉀長石、斜長石3%;2#試件：伊利石23%、綠泥石40%、石英35%、斜長石1%、方解石1%。

2.3.3 巖石強(qiáng)度指標(biāo)

（1）巖石的單軸抗壓強(qiáng)度差異較大，天然狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度第1組的變化范圍為8.44～11.77 MPa，第2組為2.78～11.48 MPa。飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度第1組試件為5.74 MPa，第2組試件的變化范圍為：7.89～23.61 MPa。

（2）在直剪強(qiáng)度試驗(yàn)過程中出現(xiàn)個(gè)別異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)舍去異常數(shù)據(jù)。

（3）巖石抗剪強(qiáng)度（三軸應(yīng)力狀態(tài)下）的內(nèi)聚力為0.07 MPa，內(nèi)摩擦角是15°，在直剪狀態(tài)下的的內(nèi)聚力為0.05 MPa，內(nèi)摩擦角是13°。主要是巖石的受力狀態(tài)不同所致，所以在選取巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角時(shí)，建議內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角取值分別在0.05～0.07 MPa和13°～15°。

2.3.4 巖石地應(yīng)力

地應(yīng)力的測(cè)試分2組進(jìn)行，每組中X、Y和XY 3個(gè)方向各3塊試件，破壞應(yīng)力在13.61 MPa～21.24 MPa之間，2組試件主應(yīng)力σ1分別為5.29 MPa、4.52 MPa，主應(yīng)力σ2分別為3.08 MPa、4.15 MPa。

2.3.5 巖石長期抗壓強(qiáng)度

單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)選取3組試件，測(cè)試最大軸向應(yīng)力σ分別為9.82 MPa、8.93 MPa和23.22 MPa，長期抗壓強(qiáng)度分別為8.05 MPa、8.04 MPa、19.64 MPa，綜合考慮巖石結(jié)構(gòu)差異、破壞形態(tài)等因素，建議值為8.04 MPa。

2.3.6 破壞試件情況

進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試后的各試樣的破壞形態(tài)如圖2所示。

3.3.7 圍巖巖性判定及分類

（1）參照GB 50218-94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》及JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的劃分，可以判斷出關(guān)埡子隧道圍巖應(yīng)屬軟巖類。

（2）GB 50218-94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估，關(guān)埡子隧道圍巖最大主應(yīng)力σmax為5.29 MPa，計(jì)算得Rcσmax=1.085，判定該隧道出口段屬于極高地應(yīng)力范圍。

（3）由上節(jié)巖相鑒定和礦物成分分析結(jié)果知，關(guān)埡子隧道圍巖主要成分為經(jīng)泥巖變質(zhì)而來的絹云母、伊利石及石英，其含量超過90%，其單軸抗壓強(qiáng)度為10.1～10.45 MPa，沒超過25 MPa，根據(jù)軟巖分類，該隧道圍巖屬于膨脹性軟巖。

綜合以上試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，關(guān)埡子隧道圍巖屬于低強(qiáng)度軟巖類，施工中極易發(fā)生大變形、塌方風(fēng)險(xiǎn)。

3 施工工藝及措施

3.1 施工總體部署

鑒于關(guān)埡子隧道出口端位于陜西境內(nèi)設(shè)計(jì)洞口管棚不具備施做條件，只能采用洞內(nèi)出洞的實(shí)際情況，同時(shí)結(jié)合巖石力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際地形地貌，并考慮地下水等不利因素影響為確保安全出洞、順利貫通 ，確定超前支護(hù)采用雙層小導(dǎo)管，采用CRD工法，上臺(tái)階導(dǎo)洞（左側(cè)）首先貫通，然后施做出口洞口截水溝、邊仰坡支護(hù)，最后施做洞口管棚，管棚施做完成后，在管棚掩護(hù)下實(shí)現(xiàn)貫通。

采用42 mm雙層小導(dǎo)管進(jìn)行注漿固結(jié)巖體，導(dǎo)管環(huán)向間距0.4 m、長度4 m。

3.2 洞身開挖

3.2.1 測(cè)量放線

出洞前洞完成洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)復(fù)測(cè)工作。

首先由測(cè)量人員對(duì)開挖輪廓線進(jìn)行放樣，并檢查上循環(huán)超欠情況，確保隧道中線及高程符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 洞身開挖

采用CRD法開挖，預(yù)留變形量15～20 cm并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)及實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。上臺(tái)階左、右兩側(cè)均及時(shí)封閉成環(huán)，下臺(tái)階施工可根據(jù)拱頂下沉及水平收斂情況增設(shè)臨時(shí)仰拱，確保安全出洞。

3.2.2.1 施工順序

施工順序見圖3、圖4。

施工順序：①上臺(tái)階左側(cè)開挖;上臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)、中隔壁;②中臺(tái)階左側(cè)開挖;中臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)、中隔壁及臨時(shí)仰拱;③上臺(tái)階右側(cè)開挖;上臺(tái)階右側(cè)初期支護(hù);④中臺(tái)階右側(cè)開挖;中臺(tái)階右側(cè)初期支護(hù)、中隔壁及臨時(shí)仰拱;⑤下臺(tái)階左側(cè)開挖;下臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)、中隔壁;⑥下臺(tái)階右側(cè)開挖;下臺(tái)階右側(cè)初期支護(hù);⑦仰拱開挖、初支、襯砌及填充澆筑。

3.2.2.2 施工要求

（1）上、中臺(tái)階開挖每循環(huán)不超過1榀拱架距離，下臺(tái)階開挖每循環(huán)不超過2榀拱架距離。

（2）上高度2.99 m，中臺(tái)階高度2.73 m，下臺(tái)階高度3.11 m，臺(tái)階長度為3 m左右，左右兩側(cè)縱向距離宜小于1倍隧道洞徑。開挖輪廓平順，避免超欠過大。縮短開挖形成全斷面時(shí)間，及時(shí)封閉成環(huán)。

（3）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)信息，初期支護(hù)穩(wěn)定后，并根據(jù)仰拱施工長度，每次拆除不超過3 m中隔壁臨時(shí)支護(hù)，拆除后立即施工仰拱初支，封閉成環(huán)，并應(yīng)盡快施作二次襯砌。

（4）中臺(tái)階位置設(shè)置臨時(shí)仰拱進(jìn)行封閉，自上而下開挖，左右交叉進(jìn)行。

（5）正洞及中隔墻處均打設(shè)超前小導(dǎo)管。

（6）施工至ZK229+553時(shí)施工1、2步至隧道貫通，同時(shí)要求二襯施工至ZK229+543。

（7）根據(jù)出口地形，可考慮將出口明洞向暗洞方向加長5 m，導(dǎo)向墻相應(yīng)向小里程移動(dòng)，確保大管棚施工長度（30 m）伸入二襯范圍。

3.3 洞口邊仰坡施工

左洞導(dǎo)洞出洞、挖掘機(jī)可以行至出口洞口后即開始邊仰坡施工。

3.4 雙層超前小導(dǎo)管

3.4.1 超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)

42×3.5 mm熱軋無縫鋼管，L=4.0 m，外插角10°～15°，環(huán)向間距40 cm，拱部120°范圍打設(shè)，每環(huán)34根，每2.4 m施工一環(huán)。

3.4.2 施工工藝及方法

（1）測(cè)量放線。鋼拱架按照設(shè)計(jì)位置放樣并安裝，為控制鉆孔方向，可在拱架鉆孔位置后方拱頂及邊墻對(duì)應(yīng)孔位手噴漆進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

（2）鉆孔。鉆孔時(shí)采用TY28風(fēng)鉆，鉆頭直徑50 mm釬頭。拱架鉆孔位置施鉆內(nèi)層孔，內(nèi)層兩相鄰孔位之間拱架外側(cè)施鉆外層孔位。施鉆過程中嚴(yán)格控制鉆桿方向及外插角度，出現(xiàn)方向及外插角偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)予以調(diào)整。嚴(yán)格控制鉆孔是安裝施工質(zhì)量，確保小導(dǎo)管能起到預(yù)期的支護(hù)效果。

（3）小導(dǎo)管制作及安裝。小導(dǎo)管采用42×3.5 mm熱軋無縫鋼管制成，并在小導(dǎo)管前部鉆注漿孔，梅花型布置（8×150 mm），前端加工成錐形，尾部留作為不鉆孔的止?jié){段（長度100 cm）。

小導(dǎo)管由鉆機(jī)頂入安裝，頂入長度不小于設(shè)計(jì)長度的90%，并用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的砂石吹干凈，安裝完成后用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時(shí)在小導(dǎo)管附近噴射混凝土保護(hù)，以防工作面發(fā)生坍塌。

（4）注漿。小導(dǎo)管采用水泥漿單漿液注漿，使用ZYB70/80D型注漿機(jī)，水和水泥重量配合為1∶1，對(duì)于富水段可采用雙液漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿過程中記錄注漿量及壓力情況二者之一達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定時(shí)可作為判定結(jié)束注漿作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 實(shí)際施工情況

方案確定的施工總體安排和施工方法得到較好的貫徹執(zhí)行，CRD法施工開始階段遇到一定困難，在具體施工細(xì)節(jié)上較方案也有所改變，具體如下：

4.1 開挖

三臺(tái)階轉(zhuǎn)換為CRD工法開始階段近5 m上中臺(tái)階結(jié)合部發(fā)生大變形，1+2步距較長，臨時(shí)仰拱施作達(dá)到7～8 m后變形得到控制，通過技術(shù)交底和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，不斷熟悉CRD法施工組織和控制重點(diǎn)，迅速形成CRD法正常施工，施工歩距得到嚴(yán)格控制，每分步成環(huán)迅速，施工進(jìn)度和質(zhì)量得到保證。以左線1步導(dǎo)洞貫通時(shí)為例，各臺(tái)階施工里程及布局如圖5所示。

4.2 超前支護(hù)

設(shè)計(jì)超前支護(hù)為42 mm鋼管，L=4 m，縱向間距2.4 m，上下層分不同角度布設(shè)。鑒于雙層施工鉆孔精度要求更高，鉆孔和注漿時(shí)間也較長，實(shí)際改為每循環(huán)單層打設(shè)，長度L=3 m。

4.3 臨時(shí)支撐拆除

下臺(tái)階先行側(cè)施工時(shí)如安裝臨時(shí)支撐拱架，則采用現(xiàn)有220挖機(jī)無法繼續(xù)開挖，且上中臺(tái)階施工需要暫停，因此實(shí)際施工過程中豎向臨時(shí)支撐拱架僅施工至中臺(tái)階，5步不施作豎向臨時(shí)支撐，5步開挖前即將上、中步臨時(shí)支撐拆除，每次拆除長度5 m。拆除后立即施工下臺(tái)階及仰拱。

4.4 監(jiān)控量測(cè)

采用全站儀+全站儀反射片進(jìn)行拱頂下沉及水平收斂量測(cè)。

根據(jù)量測(cè)結(jié)果調(diào)整預(yù)留變形量，上中下臺(tái)階預(yù)留變形量分別為：40 cm 、30 cm 、20 cm。監(jiān)測(cè)顯示在臺(tái)階接腿時(shí)變形發(fā)生較明顯變化，但未發(fā)生局部突變的大變形現(xiàn)象，累計(jì)變形量較大但在可控范圍之內(nèi)。部分監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。

5 結(jié)束語

隧道出洞后，變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明出洞方案是合理的，圍巖累積變形量和變形速率都大大降低，說明施工工藝及支護(hù)參數(shù)是切實(shí)有效的，可為相似工程的處理提供借鑒。

（1）詳細(xì)測(cè)繪出洞段地形地貌，完整保留山體原貌，減少開挖。

（2）充分認(rèn)識(shí)碳質(zhì)片巖的變形特征，正確評(píng)定施工風(fēng)險(xiǎn)，采用合理的施工工法及支護(hù)參數(shù)，防止碳質(zhì)片巖變形、塌方發(fā)生。

（3）綜合運(yùn)用超前大管、超前小導(dǎo)管增加開挖安全系數(shù)，應(yīng)用CRD工法臨時(shí)封閉成環(huán)，充分利用臨時(shí)支撐作為受力體系的轉(zhuǎn)換，以及小導(dǎo)洞率先出洞以減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，保證了出洞的施工安全。

（4）加強(qiáng)量測(cè)工作，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析處理，按照變形趨勢(shì)及時(shí)調(diào)整開挖方案和步距調(diào)整，必須把監(jiān)控量測(cè)工作貫穿于整個(gè)隧道施工過程之中。

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