松散岩层偏压大断面隧道进洞关键技术研究

石满刚

(中铁十七局集团有限公司，太原 030006)

1 工程概况

广州珠江黄埔大桥龙头山隧道为目前我国最长的双向分离式八车道公路隧道，设计时速100 km/h。左线隧道长1 010 m，右线隧道长1 002 m。左右线隧道进口最小净距23 m，洞身最大净距51 m，出口最小净距20.8 m。隧道开挖宽度19.0～20.7 m，开挖高度为11～14 m。其中广州珠江黄埔大桥S04合同段负责施工的龙头山隧道进口段起迄里程为 K5+765—K6+265，全长500 m。其地质条件如表1所示。

表1 龙头山隧道进口段地质条件概况

右线洞口段地形左侧比右侧高19 m左右，进洞段15 m以内拱顶埋深仅有1.5～5.0 m，造成隧道进口段浅埋偏压。且洞顶覆土均为回填碎石土，属Ⅴ级围岩，其自稳能力差，进洞施工困难。地形条件如图1所示。

图1 右线洞口周边环境

隧道区地下水类型主要有孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道沟谷中有地下水出露，基岩裂隙富水性不均匀，局部透水性较好，在浅埋地段开挖时可能出现涌水现象，其他地段隧道开挖存在滴水现象。本合同段的地下水及地表水对混凝土无侵蚀性。

2 偏压处理技术

1)明洞先行，确保洞口安全。隧道右线进口段偏压浅埋，土体结构松散，自稳能力差。洞口右侧边坡高达17.5 m，当地雨季较长，降水量大，为确保洞口段安全及右侧边坡稳定，先进行明洞施工并及时进行两侧回填，以策安全。在修筑明洞结构的同时进行地面排水系统的施工，完善洞顶天沟、两侧排水沟，使地面排水通畅，避免地表径流冲刷边、仰坡。

2)地表注浆，增强洞口地层自稳能力。针对隧道偏压设计采取了地表预注浆加固措施，加固范围为隧道左右各5 m内，纵向长度20 m。为进一步减弱偏压对隧道的影响，在隧道右侧K5+850处增设纵向的重力式挡土墙，并进行反压回填。地表注浆采用φ50小导管竖向布孔进行，小导管间距1.0 m×1.0 m，小导管长度视地形条件具体确定，平均长度为5.0 m。注浆浆液为1∶1水泥浆液，注浆压力为0.5 MPa。

3)由于洞口段主要为坡残积土，施工中对洞口仰坡至洞顶截水沟范围内地表喷射C25混凝土15 cm，防止地表水继续浸入洞内，软化围岩。

3 进洞开挖技术

3.1 大管棚超前预支护技术

为有效控制进洞开挖引起的地层变位，避免由于地表过度变形造成左侧仰坡失稳而无法进洞，施工中采取大管棚预支护技术以确保进洞安全。管棚安设在隧道顶部轮廓线外0.3 m处，与型钢钢架组合成预支护系统。它在加固地层中的作用主要表现在:一是提高地层的刚度和水平承载能力，二是改善地面沉降曲线分布规律，它对防止软弱围岩下沉、松弛和坍塌等有显著的效果。

3.1.1 大管棚设计参数

大管棚采用φ108 mm带花孔钢管，长40 m，环向间距40 cm，施作范围为拱部 140°，外插角 1°，注浆材料为1∶1水泥浆。为减少管棚施工对地层的扰动，洞口段长管棚一次施作。

3.1.2 大管棚施工技术

1)护拱施工。混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖轮廓线以外拱部140°范围内施作，断面尺寸为1.0 m(厚)×2.0 m(长)。护拱内埋设钢支撑，钢支撑与管棚孔口管连接成整体。

2)导向管定位。确定导向管在工字钢架上的平面位置、倾角、外插角，并将其焊接在工字钢架上，防止浇筑混凝土时产生位移。

3)钻孔。钻头的直径比管棚钢管直径大20～30 mm，为保证管棚施作精度，采用非开挖引孔及精度导向技术，即GBS-30型非开挖钻机钻孔、RCG型自动导向仪钻孔精确导向。

4)清孔验孔。

5)安装管棚钢管。相邻钢管接头至少错开1 m，同一横断面内的接头数不大于50%。

6)注浆。注浆初压0.5～1.0 MPa，终压2 MPa，保持压力15 min后停止注浆。注浆量为钻孔圆柱体的1.5倍，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。

3.2 进洞开挖技术

右线洞口存在明显的浅埋偏压现象，为确保进洞安全，施工中采用双侧壁导坑法:隧道开挖采用人工风镐配合CAT320挖掘机开挖或小型松动爆破开挖。拱部采用40 m长管棚超前支护(一次施作)，上部临时隔壁侧采用φ50超前小导管预注浆超前支护，小导管环向间距40 cm，长3.5 m，外插角12°，注浆材料为1∶1水泥浆，小导管纵向搭接长度1.0 m。具体开挖分部如图2所示。

1)左、右侧导坑开挖(①、②、③、④):采用上下台阶分步开挖施工，上台阶高度7.0 m，循环进尺70 cm。导坑初期支护和临时支撑紧跟开挖，初期支护墙脚设锁脚锚杆，同时设临时仰拱以有效控制施工变形。下台阶开挖时，初期支护、临时壁墙支撑错间落底，循环进尺控制在200 cm以内。左、右导坑开挖掌子面前后间距30 m。根据围岩变形情况及时施工仰拱，并注意衬砌钢筋的预留。

图2 进洞开挖分部示意

2)主洞上弧导坑开挖(⑤):采用人工机械开挖，严禁爆破开挖。开挖高度2.6 m，循环进尺为70 cm，然后施作拱顶初期支护。

3)核心土的开挖(⑥、⑦):分两部开挖，每次开挖循环进尺200 cm，完毕后及时对仰拱进行封闭，临时支护待浇注拱墙衬砌时进行拆除。

4)仰拱衬砌分段浇筑，应紧跟开挖，原则上距核心土底部的距离不大于10 m。

3.3 支护结构施工技术

1)中空注浆锚杆施工。地表注浆范围之内隧道拱顶不设锚杆，通过加固区后隧道拱顶范围采用中空注浆锚杆。注浆锚杆采用多功能台架配合手持凿岩机钻孔，专用注浆泵注水泥浆，砂浆随拌随用。具体工艺流程如下:凿岩成孔并清孔→锚杆安装锚头插入锚孔→安装止浆塞、垫板及螺母→连接好快速止浆接头、注浆→待砂浆达到设计强度，拧紧螺母。

2)砂浆锚杆施工。砂浆锚杆采用 φ22螺纹钢筋现场制做，手持凿岩机沿开挖轮廓线钻孔，钻孔直径大于锚杆直径15 mm，钻孔完毕用高压风清孔。压注砂浆采用早强水泥砂浆，注浆管应插至孔底5～10 cm处，随水泥浆的注入缓慢匀速拔出，随即迅速将杆体插入，锚杆杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。若孔口无砂浆溢出，要将杆体拔出重新注浆。砂浆未达到设计强度的70%时，不得随意碰撞，规定3 d内不得悬挂重物。

3)喷射钢纤维混凝土施工。钢纤维采用冷拉型纤维，最小抗拉强度为1 200 N/mm2，长度为40 mm，直径为0.5 mm，掺量为40 kg/m3。混凝土施工配合比根据现场试验数据确定。

喷射采用湿喷工艺，喷射料由洞外的混凝土拌合站拌合。先将水泥、砂子、碎石、硅粉、高效减水剂等按配合比拌合均匀，再掺入钢纤维拌合均匀后，装入搅拌输送车运至洞内，送入喷射机中。在喷射机喷头处加入液态4% ～7%速凝剂，施喷压力取0.45～0.70 MPa。喷射混凝土分段、分片、分层进行，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。初喷厚度不小于5 cm，及早封闭围岩，再逐层喷射至设计厚度。喷射混凝土终凝2 h后，应喷水养护，养护时间一般不小于7 d。

4)钢筋网。钢筋网采用洞外加工成方格网片，纵横钢筋相交处点焊或用铁丝绑扎成一体。挂设时与钢支撑或锚杆焊接固定在一起，且随岩面起伏铺设。

5)型钢拱架。型钢拱架在洞外加工场采用冷弯机加工成型，架立钢架时在钢架基脚设刚性垫板或打设锁脚锚杆，以增加其承载力。按设计位置垂直隧道中线安设，钢架与锚杆焊接在一起，同时利用锚杆定位。钢架安设后尽快施作喷混凝土作业，并将其全部覆盖，使钢架与喷混凝土共同受力。

3.4 施工注意事项

1)为保证土体稳定，做到尽量减少每道工序时间，缩短工序间时距，及时施作初期支护，减少开挖面暴露时间和对围岩的扰动。

2)施工中钢架与系统锚杆固定在一起，两榀钢架之间纵向连接采用钢筋，环向间距1.0 m。采用2根长4.0 m的φ50锁脚锚管锁定钢架，加强对钢架的锁脚固定措施，以防止钢架下沉或两底脚回收。必要时，在拱部钢架底脚增设连接纵梁，纵梁采用 32槽钢，与钢架底脚采用焊接连接，以增加钢架底脚的承力面积。钢架安装完成后，及时进行喷射混凝土，用喷射混凝土将钢架覆盖，保护层厚度不小于40 mm。

3)为有效控制地表沉降，仰拱施工时暂不拆除临时隔壁，待浇注拱墙衬砌时再拆除仰拱以上外露部分临时隔壁结构。把一次拆除临时隔壁长度控制在10 m以内，并尽可能减少纵向拆除长度。如果拆除过程中拱顶下沉量变化速度持续大于5.0 mm/d时，在拆除临时隔壁的部位，增设临时竖向支撑。

4)安全第一，特别注意工作面施工、仰拱开挖与衬砌、二次衬砌等交叉作业的施工安全。

4 施工监测及施工效果分析

围岩量测项目主要包括:①洞周水平收敛;②拱顶下沉;③地表沉降。水平收敛、拱顶下沉、地表沉降测点布置在同一断面上，监测断面间距5 m。洞内测点的布置如图3所示。

图3 洞周位移测点布置示意

典型断面监测结果见表3，监测数据显示，进洞施工过程中洞室稳定，洞周及地表变形可控，地表坡体无明显滑动，说明所采用技术措施合理，施工安全。

表3 典型断面变形监测结果mm

5 结论

1)针对浅埋偏压松散岩层的工程特点，采用超前地表预注浆技术，提高了洞口地层的总体稳定性和抵抗侧向变形的能力，为进洞开挖创造了有力条件;

2)超长大管棚一次施作，减少了管棚施工对地层的扰动，同时确保了暗挖进洞施工的安全性;

3)采用CRD法进洞开挖技术，实现了初期支护的及早闭合，有效地控制了进洞施工变形。

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