炭质泥岩隧道进洞施工技术研究

陈 羽，丁彰芳

（贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550004）

洞口工程设计以“早进洞，晚出洞”为原则，最大限度地降低洞口边坡仰坡的开挖高度，以保证山体的稳定，减小对洞口自然景观的破坏。隧道进洞是隧道施工中的一个难点，对于炭质泥岩隧道进洞更加困难。泥灰岩、炭质页岩自稳定能力差，遇水软化，不易产生拱效应来有效承受围岩压力。如何在保证安全的前提下，采用常规的超前支护方式安全进洞，并有效地控制隧道初期支护的沉降变形，是炭质泥岩区隧道进洞面临的问题[1]。本文结合贵州省惠水至罗甸高速公路某隧道进洞施工实际情况，提出了“两端固结梁”隧道进洞施工方案，有效解决了炭质泥岩隧道进洞难题。

1 工程概况

某隧道位于惠水县断杉镇新场村境内，隧道进口位于断杉镇新场村东约150 m的中山缓坡地带，路线以南西方向延伸，下穿中山脊状山岭，隧道出口位于断杉镇木兴村北东约350 m处中山缓坡地带，区内山体走向北东，山体较高大，呈狭长的脊状，延伸较稳定。隧道为穿越该山岭而设，隧道型式为分离式，净空(宽×高)均为（10.75×5.0）m，采用电光照明，机械通风。其中左线里程：ZK40+020—ZK40+950，全长 930 m；右线 YK40+030—YK40+920，总长890 m。进口右洞YK40+030—YK40+305段围岩级别为V级。

隧道围岩体地层由强风化—中风化泥灰岩、炭质页岩和中风化灰岩构成，隧道进口部分为残坡积粉质黏土和强风化泥灰岩及炭质泥岩构成，风化裂隙发育，强度较低，自稳能力差，受水浸润后极易加剧松散破坏；洞口仰坡岩体，容易在水的冲刷侵蚀下产生坡面变形破坏，形成浅层滑塌、松动剥落；在不受水的作用下而呈干燥状态时，具有一定的自稳能力。

2 隧道管棚超前支护进洞方案

综合地形地质情况，该隧道进洞设计方案为超前管棚支护。通过棚架及部分岩体的注浆固结提高施工环节的支护能力，防止岩体下沉松弛和坍塌。管棚长度为40 m，钢管均采用节长3 m、6 m φ108×6热轧无缝钢管，环向间距中至中40 cm。钢管设置于衬砌拱部，管心与衬砌设计外轮廓线间距大于20 cm，水平外插角为2°～4°，长管棚施工完成后，采用水泥（添加5%水玻璃）注浆，图1为隧道洞口套拱及长管棚示意图。管棚的优势为：a）超前距离较长，能够形成纵向钢梁作用，可以有效承受岩土体自重产生的侧向压力[2]；b）通过注浆可以固结管棚周边土体，有效提高岩土体自身的稳定性，发挥围岩自身的拱效应[1]。

图1 隧道洞口套拱及长管棚示意图

3 隧道进洞过程中存在的问题

隧道右线进洞虽然采取了超前管棚支护，隧道管棚注浆效果较好，初期支护及时施作，但隧道暗洞开挖15 m后，出现拱顶下沉、拱脚收敛、地表开裂问题，如图2所示。

图2 隧道表面裂缝

图3为YK40+045断面拱顶下沉量曲线图，图4为YK40+050断面拱顶下沉量曲线图，拱顶沉降累计最大值为220 mm，变形量非常大。隧道初支产生了严重影响，出现了套拱开裂、喷射混凝土开裂，地表开裂等现象。这些裂缝既影响了初期支护的受力及稳定性，又可能产生一些次生灾害，如沿裂缝产生的渗漏水、初期支护下沉侵入二次衬砌界限等。

图3 隧道YK40+045断面初期支护拱顶下沉曲线

图4 隧道YK40+050断面初期支护拱顶下沉曲线

4 炭质泥岩隧道进洞施工处治方案

4.1 管棚超前支护受力模型分析[3]

4.1.1 两端固结梁受力模型

按设计施工的套拱，套拱基础地基承载力满足要求，管棚后支点落在套拱上，前支点进入固结的土体中（由于管棚注浆后，能够使周边土体固结），管棚前后支点的位移可以忽略为0，那么管棚的受力模型可以简化为两端固结梁，如图5。按照此模型施工的隧道，开挖段承受的弯矩较大，未开挖段承受的弯矩较小，只要及时进行支护，隧道施工是安全的。

图5 两端固结梁受力模型

4.1.2 悬臂梁受力模型

套拱基础地基承载力不足，管棚后支点落在套拱上，前支点进入固结的土体中（由于管棚注浆后，能够使周边土体固结），管棚前支点的位移可以忽略为0，后支点会随着套拱下沉而下沉，存在一定位移，那么管棚的受力模型可以简化为悬臂梁，如图6。一旦出现这种情况，隧道出现拱顶下沉、拱脚收敛，地表开裂，如果掌子面与洞口的距离过大，出现的问题将更严重。

图6 悬臂梁受力模型

4.2 炭质泥岩隧道进洞施工处治方案

虽然隧道右线进洞采取了超前管棚支护，但仍然出现了拱顶下沉、拱脚收敛、地表开裂等这些问题。原因是套拱基础、工字钢基础为炭质泥岩，施工期间未能有效将水隔离，导致套拱基础遇水，炭质泥岩遇水后膨胀软化，地基承载力严重不足，导致套拱、工字钢基础下沉，使得管棚随着套拱一起下沉，工字钢下沉，从而导致出现拱顶下沉、地表开裂；虽然采取管棚支护能够使周边土体固结，形成拱效应，但由于基础软化后承载力不足，在围岩压力作用下套拱向隧道中心移动，从而导致拱脚收敛。此时超前管棚的受力模型可以简化为“悬臂梁受力模型”，这就不难发现问题所在。

为了解决隧道进洞中出现的拱顶下沉、拱脚收敛、地表开裂问题，提出采用“两端固结梁”受力模型理论对隧道进洞进行治理。“两端固结梁”隧道进洞施工方案就是要将管棚实际受力情况接近“两端固结梁”，使管棚前、后支点的位移接近0，由于注浆固结作用，前支点收入土体中，可以达到位移为0；解决问题的根本在于让后支点的位移为0。

a）处理套拱的基础，对套拱基础以下0.5～1 m范围内采用C20混凝土进行换填，起到封闭炭质泥岩，防止地下水软化地基的作用，达到提高地基承载力的效果，从而使套拱稳固、不下沉，最终达到后支点位移为0的目的。

b）套拱稳定后，开始暗洞开挖，由于暗洞为V级围岩，故只能按照一次开挖一榀工字钢的长度，并及时施作仰拱拱架，连续开挖4榀工字钢距离（2.4 m）后，及时浇筑仰拱，闭合成环，暗洞的第一榀工字钢和套拱工字钢采用钢筋焊接连接在一起，整体稳定性好[1-4]。

套拱和暗洞2.4 m范围刚性连接成为整体，足以承受通过管棚后支点传递的土压力，管棚将按照“两端固结梁”受力模型承受土压力。采取这种方式对隧道右洞存在的问题进行处理后，再对侵限的初支进行换拱，在继续掘进中对洞口段进行监控量测，图7为YK40+050断面拱顶下沉曲线图，该变形量已经较小，对隧道施工安全影响较小，隧道安全进洞。

图7 隧道YK40+050断面换拱后初期支护拱顶下沉曲线

5 结论

采取超前管棚支护方式进洞是目前隧道进洞的主要方式之一，该工艺已经非常成熟，但如果施工过程中不高度重视，对于炭质泥岩隧道进洞也会存在诸多问题，本文通过贵州省惠水至罗甸高速公路某隧道进洞存在问题的处理，提出的“两端固结梁”方案进洞是可行的，这对其他炭质泥岩区隧道进洞施工具有借鉴作用。