浅谈元绿二级公路绿春隧道出口端进洞施工技术

程亮，刘茂源，余政兵

（重庆建工第四建设有限责任公司，重庆 400020）

1 工程概况

1.1 概述

该工程为省道S214线晋城至思茅二级公路元阳（南沙）至绿春K40+270～K95+150.54段中的绿春隧道，设计汽车荷载等级为公路-Ⅱ级。

绿春隧道起止点桩号K90+280～K91+885，分界段全长1605m；绿春隧道位于构造剥蚀中高山到高山地形地貌单元内，该段地形坡度较缓，相对高差较小，隧道进出口地形坡度20o～35o左右，底部地层较稳定，总体地质情况较差。

1.2 出口段地质及水文情况

1.2.1 出口段地质情况

隧道冲洪积地层主要成分为粉质粘土夹石英岩，碎屑岩，白云岩，石灰岩角粒，泥沙，砂岩。三迭系上统（高山寨组）T3g，主要为一套以陆相为主的海陆交互沉积的碎屑岩夹多量中酸性火山岩及少量灰岩。其土质松散，岩石裂隙较发育，出口处地表岩层风化严重，表层形成厚度达10m左右的根植土和残破积层，其中夹杂1～5m大小不等的孤石，边坡土质在降水饱和后易失稳，属于V级围岩，应采取必要的防护措施。

1.2.2 出口段水文情况

隧道区地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水以及大气降水，岩层富水性中等～较强。隧道出口段地形较缓，埋深较浅，雨季时地表水易于补给，地下水相对较丰富。通过地质调查分析，特别是隧道出口段埋藏较浅，受构造影响岩体节理裂隙较发育，地下水赋水性相对较好，裂隙水丰富易于出现较大涌水。加之出口地形坡度较缓，大气降水不易及时排泄，表面地层处于很湿的软塑状态，稳定性较差，对隧道开挖产生不利影响。

1.3 出口段支护设计

洞口边仰坡按设计坡率1∶0.25进行放样，自上而下分层开挖。在隧道洞口的边、仰坡面，按间距1m梅花形布置Φ25×3.5m的锚杆，且挂设Φ8钢筋网间距20cm×20cm，表面喷射5cm厚C25混凝土封闭。在洞口土石方开挖前完成边、仰坡外的截、排水沟，以保证施工的排水通畅。

为了防止开挖过程中可能产生正面坍塌，确保施工作业人员安全，设计采用超前大管棚组成预支护系统，注浆采用水泥浆，以支撑和加固自稳能力极低的围岩，对防止软弱围岩的下沉、松弛和坍塌起到关键的作用。超前管棚设计为K91+863～K91+885，总长22m，采用4m或6m的Φ108×6mm热轧无缝钢管丝扣接长，其环向管间距为40cm，倾角为外插1～3°。超前管棚导向套拱采用C20混凝土，其截面厚60cm，长2m，在导向墙内设四榀Ⅰ18工字钢架，钢架外缘设Φ140×8mm热轧无缝钢管做导向管。

超前大管棚施工完成后，因隧道出口段属Ⅴ级围岩浅埋地段，其K91+885～K91+805段按短台阶法开挖后，进行初期支护。短台阶分段开挖长度控制在10m以内，开挖一环，支护一环。开挖方式采用弱震动爆破法，循环进尺以0.5～1m为宜；采用装载机装碴，自卸汽车运输。初期支护为全环I18工字型钢拱架，拱架间距60cm；拱墙采用Φ22砂浆锚杆锚固，锚杆长3.5m，环向间距60cm，梅花型布置；拱墙喷射25cm厚C20混凝土，混凝土内安置Φ8钢筋网片，网格间距15cm×15cm。

2 进洞后施工出现的塌方及原因分析

2.1 进洞后施工出现塌方情况

按设计要求施工进洞14m后，在K91+870进行型钢拱架安装时，上台阶掌子面出现涌水，洞顶突发泥石流，随即发生K91+876～K91+870洞身垮塌，该段洞体上方地表出现了一个直径约6m的大坑，塌坑最大深度约7m，坑底露出大孤石。

2.2 塌方原因分析

经现场勘察及研究分析，在隧道洞口施工开挖进程中，发生洞顶塌方主要由以下因素引起:

2.2.1 裂隙发育及岩层破碎

该隧道岩石成分为粉质粘土夹石英岩，多孔且破碎，碎屑岩相互交错，属于潜在坍滑面的地层。由于采取爆破开挖，开挖面岩层完整性难于控制。随围岩收敛变形，岩层应力的释放，坍滑面会渐次产生，伴随着的就是开挖面的坍塌，此循环会累积产生，地层应力会进一步释放，坍塌区范围随之就增大。

2.2.2 地下水丰富

由于该隧道在雨季施工，裂隙水丰富易于出现较大涌水，受地下水的严重侵蚀、软化作用，使洞身围岩自身稳定性极差，即使采用钢架加挂网锚喷的初期支护形式，仍难避免发生塌方。

2.2.3 埋深浅孤石

隧道山口段埋深浅，冲洪积地层中混杂大量孤石，通常仅小导管无足够的刚度将其固定，注浆后的凝结固化层也不能将其与周围破碎岩层形成有效的受力拱，导致围岩失稳产生塌方。

3 重新制定技术处理方案

在拱部塌方发生后，经建设方、设计、监理和施工单位详细查看现场实际情况，对提出的明挖法和盖挖法两种处理方案从经济、技术、安全等多方面进行了综合分析比较，认为采取盖挖法施工相对比较安全、受雨季影响小且经济环保，该方法的有利因素如下:

（1）在护拱施工完成及回填后在护拱下进行洞内开挖与支护对施工人员的安全有保障，而采取明挖法施工在高达9m的不稳定边坡下施工存在极大的安全隐患。

（2）塌方时正处于雨季即将来临的时段，采取盖挖法在护拱及回填土完成后即可不必担心雨季的影响，对原计划施工进度影响较小，而采取明挖法施工会受雨季的影响，不能保证原计划施工进度。

（3）相对于明挖施工减少了起拱线以下及边坡的土石方开挖量，能降低工程造价。

（4）护拱顶回填至原地面后不会造成水土流失，回填后坡面种草与周围环境协调，比较环保。

综上所述，为满足施工安全、工期要求，最终经设计单位核定同意采取在K91+876～K91+870采用盖挖法施工。同时对于K91+870～K91+850段仍处于山体缓坡与陡坡体交界范围，因其岩体破碎，裂隙发育，富含地下水，为确保在盖挖法施工完成后，后续工程施工能顺利进行，经与设计单位商议决定该段超前支护采取以Φ42×4mm超前小导管注浆固结加R32迈式注浆锚杆相结合的综合处治方案。

4 施工步骤及施工工艺

4.1 总体施工步骤

第一步:在K91+876～K91+870先将原支护体清除后再采用盖挖法施工；

第二步:K91+870～K91+850采取每2m一循环的超前支护以Φ42×4mm超前小导管注浆固结加R32迈式注浆锚杆相结合的施工；

第三步:K91+870～K91+850在每循环的超前支护施做完后进行开挖出渣后施工钢拱架+锚喷支护；

第四步:K91+876～K91+850在支护完成并在变形基本稳定后及时施工仰拱和防水；

第五步:K91+876～K91+850段施做二次衬砌。

4.2 盖挖法施工要点

在实施盖挖法施工前按设计要求对坍塌地段周边的地表及仰坡进行加固防护[1]。为确保施工安全，施工前在盖挖段末端的8m范围钻孔安装Φ22砂浆锚杆，每根长3m，间距150cm，梅花型布置。喷射10cm厚C20混凝土护坡，混凝土内安置Φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm。

根据坍塌地段周边的地表边坡、仰坡顶面及其周围情况设置排水沟及截水沟，并与路基排水系统综合考虑布置[2]。结合该工程现状，在K91+876～K91+870段距离洞身范围外2m的位置砌筑梯形截水沟，沟内侧面采用10号砂浆抹面，通过新砌的截水沟与路基排水设施顺接以保证正常排水。

人工配合机械将K91+876～K91+870段原支护体拆除运走后再分层回填土石并压实至拱顶。通过测量放线，确定初期支护的外轮廓线，挖除外轮廓线外的土石后人工夯实土胎作为护拱土模，边坡开挖线底部在护拱底部外留1m宽度作为工作面，开挖边坡最大高度8.4m，边坡1:0.5。

在安装护拱拱架前再次复核土胎中线及边线、高程，准确定位后架立I40a型钢钢拱架。拱架间距60cm，共11榀，拱架之间采用直径25mm螺纹钢筋纵向连接，环向间距0.8m。拱架脚部纵向底梁采用[22槽钢焊接，并预埋下个拱架单元的连接螺栓。

护拱设计厚度为50cm，采用C25混凝土浇筑。拱架保护层采用5cm的正方体混凝土垫块用钢丝绑在钢拱架内外缘，护拱模板采用小钢模板U型卡拼装，其支撑体系采用钢管和50x100木枋。

回填施工需在护拱混凝土强度满足设计强度后才能进行，且必须由人工夯实回填至拱顶以上1m，方可采用机械回填[2]。回填土采用碎石土对称回填、分层厚度30cm，回填线顶部以下设50cm厚粘土隔水层。暗洞施工严格按设计采用上下台阶法分步施工（图1）。

图1 盖挖法断面图

4.3 超前支护主要施工方法

4.3.1 超前支护设计参数

超前小导管设计参数:小导管采用Ф42×4mm超前钢花管，长3.5m，纵向间距为2m，搭接1m，环向间距为40cm，仰角10°，小导管注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，浆液水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃体积比1:0.8，水玻璃浓度40波美度，水玻璃模数为2.4；根据实际注浆分析加以调整，以达到最佳注浆效果。

迈式锚杆设计参数:锚杆采用R32N，长3.0m，纵向间距为2m，搭接1m，环向间距为40cm，仰角5°，注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制在1.0～2.0MPa，浆液水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃体积比1:1～1:0.6，水玻璃浓度35波美度，水玻璃模数为2.4；根据实际注浆分析加以调整，以达到最佳注浆效果。

4.3.2 超前支护布置方式、注浆顺序

当盖挖段洞内上台阶开挖及支护完成后，在K91+870施工第一环超前支护。注浆范围为拱部120°，施工及注浆顺序为先施做超前小导管，注浆顺序为两侧对称向中间进行，并自下而上隔孔注浆全部完成后再施做迈式锚杆，注浆顺序同超前小导管，迈式注浆锚杆布置在钢花管之间，具体布置见图2。

4.3.3 超前小导管施工工艺及施工要点

图2 超前小导管和迈式锚杆布置图

（1） 小导管施工工艺:小导管制作→钻孔→安装→注浆。小导管按设计长度进行切割，并将端头加工成锥形，尾部预留不小于30cm的止浆段，从尾部止浆段以外至楔端管体钻8mm的注浆孔，梅花形布置，间距15cm。在加工型钢拱架的同时按设计间距在型钢拱架中间部位标出小导管孔位，用氧焊切割成孔，再用YT-28风枪钻孔后顶入小导管。小导管安装后，向孔内压注水泥水玻璃双液浆，浆液采用砂浆搅拌机拌制。

（2）超前小导管施工要点:

①小导管安装后必须用高压风将钢管内的土石吹净，防止注浆孔被堵塞。

②注浆前应对开挖面喷射厚为50mm混凝土封闭，以防止注浆作业时发生孔口漏浆现象。

③注浆前应进行压水试验，检查机械设备及管路是否正常。

④注浆采取注浆终压和注浆量双控措施，注浆压力控制在0.5～1.0MPa内，每根导管双液总进量控制在30L/min内，若压力上升，流量减少注浆压力达到设计预压以及注浆量达到预设注浆量即可停止注浆，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准。

4.3.4 迈式锚杆施工工艺及施工要点

（1）迈式锚杆施工工艺（图3）

（2）迈式锚杆施工要点

①迈式锚杆在钻进过程中，最关键是保证锚杆和钻头水孔的畅通，如发现水孔有堵塞的情况，则将锚杆后撤50～80cm，经反复扫孔使水孔畅通，然后慢慢进尺，直至达到设计深度。

图3 迈式锚杆施工工艺流程图

②为保证注浆效果，橡胶止浆塞应距孔口应不小于30cm，并且在注浆排气完毕后需立即封闭止浆塞以外的钻孔以保证注浆压力。

③注浆过程中每次移位都必须清洗连接头，以保证连续注浆。

5 结束语

此次洞口段塌方处理，仅用了不足2个月时间，整个开挖过程在盖挖施工及超前注浆加固拱部完成后安全顺利，最大变形量仅有65mm。这进一步验证了采用盖挖施工加超前小导管与迈式锚杆在处治该隧道洞口极易塌方地段中可取得良好的效果，为快速安全施工奠定了坚实的基础。

正确制定隧道进洞施工设计方案至关重要。如果隧道进洞施工方案确定不合理，不仅影响隧道施工总体进度，而且将导致安全事故的发生。因此，我们应针对隧道洞口不同的地质条件，在保证安全的前提下设计不同的进洞施工方案，采取有效的综合技术措施来加强洞口段的围岩整体性，在隧道施工中不断探索出更安全、更快的进洞方法。

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60-2009公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社，2009.

[2]重庆交通科研设计院.JTG D70-2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社，2004.