长明洞连拱隧道通道纵挖快速进洞技术

李超杰

（保利长大工程有限公司，广东 广州 510410）

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

S10 卓合高速一期工程位于甘肃省甘南州卓尼县，是甘肃省省级高速公路网两横中S10 线的重要组成部分，其控制性工程为捏业隧道。捏业隧道位于卓尼县柳林镇捏业村东北，隧道进口桩号L2K2+353，出口桩号L2K2+585，全长232m，属连拱式短隧道，其中进口端设计27m明洞，出口端设计95m明洞，且进出口端均存在浅埋偏压情况。隧址区高程2 650.00m，属高原高寒气候，冬季严寒漫长，有效施工时间短，工期紧张。

1.2 地质情况

1.2.1 地层岩性

根据工程地质调绘、钻探及工程物探等成果，隧址区上覆第四系全新统坡洪积（Q3dl+pl）地层和三叠系下统（T1）板岩地层等。其岩性特征依层序分述如下：

（1）（Q4dl+pl）碎石：灰色，稍湿，密实，母岩为砂岩，呈次棱角状，粒径3～6cm，含量约60%，余为粉土充填。层厚为3.60～20.50m，承载力基本容许值[fa0]=550kPa，摩阻力标准值qik=120kPa。工程性质较差。

（2）（Q4dl+pl）粉质黏土：褐黄色，硬塑，局部含少量碎石。层厚为8.00～12.30m，承载力基本容许值[fa0]=160kPa，摩阻力标准值qik=40kPa。工程性质较差。

1.2.2 特殊地质构造

根据设计勘查成果，隧址区未见特殊地质构造通过。

1.2.3 洞口边坡稳定性分析

（1）进口。进洞段位于山体斜坡上，无不良地质现象。坡体较平缓，草被较发育，自然坡度约20°，坡体地层为坡洪积物，岩性主要为粉质黏土，可-硬塑状态。下伏强风化板岩，岩体节理裂隙发育，岩体较破碎。坡体汇水条件较好，斜坡现状稳定。

（2）出口。出洞段位于山体斜坡上，无不良地质现象。坡体较陡，草被较发育，自然坡度约50°，坡体地层为坡洪积物，岩性主要为粉质黏土，可-硬塑状态。下伏强风化板岩，岩体节理裂隙发育，岩体较破碎。斜坡现状基本稳定。坡体具有较好的汇水条件。

2 工程特点

该工程具有明洞长、洞口工程量大、工期紧3 个特点。

（1）明洞长。捏业隧道进出口均存在浅埋情况，进口端明洞长27m，出口端明洞长95m。

（2）洞口工程量大。捏业隧道进口右侧设计为6 级边坡，第1 级为喷锚防护，第2～5 级为锚索框格梁防护，第6 级为拱形骨架防护且坡脚设计6 根抗滑桩，进口明洞开挖土石方1.65万m3。出口右侧设计为5级边坡，第1～2 级为喷锚防护，第3～4 级为锚杆框格梁防护，第5 级为拱形骨架防护，出口明洞开挖土石方9.58 万m3，工程量大。

（3）工期紧。隧址区位于甘南州卓尼县，属高原高寒气候，极寒温度-27℃且冬季严寒漫长，有效施工周期仅8 个月/年，该工程总工期24 个月，工期极其紧张。

3 施工方案

3.1 常规放坡明挖法

（1）施工方案。洞口采用常规放坡明挖法，即同步施工进出口洞口工程，逐级进行边仰坡开挖防护，施工抗滑桩，施工至设计高程后，从出口端单向掘进至进口端。

（2）施工工艺流程。施工放样→施工洞顶截水沟→逐级进行边仰坡开挖防护及排水施工→施工坡脚处抗滑桩→施工至隧道设计高程→施工套拱及管棚→中导洞开挖支护→中隔墙→正洞开挖支护及二衬→明洞工程。

（3）工期分析。采用放坡明挖法，先完成洞口工程后进洞施工，进出口端边仰坡土石方开挖、边坡防护及抗滑桩等洞口工程是影响该隧道工程的关键点，按该方案测算（结果见表1），隧道工期23.4 个月，工期极其紧张。

表1 常规放坡明挖法工期测算

表1（续）

3.2 通道纵挖快速进洞

3.2.1 施工方案

从出口端采用通道纵挖法按照坡率1∶0.75“拉槽”至中导洞，做好临时边坡防护、排水和防落石措施，拉通中导洞开挖作业通道。拉通中导洞作业通道后，中导洞进洞施工与洞口边仰坡开挖防护同步施工，节约工期[1]。

3.2.2 施工工艺流程

施工工艺流程具体如图1所示。

图1 中导洞“拉槽”施工区域划分

（1）洞顶及边坡顶截水沟施工。

（2）①～④区域土方逐部开挖、边坡临时喷混凝土支护及临时排水设施施工。

（3）中导洞开挖支护、中隔墙与⑥～⑩区域土方开挖、边坡防护及排水设施施工。

（4）完成中导洞及洞口工程。

（5）正洞开挖支护。

3.2.3 操作要点

（1）施工前做好便道规划，保证施工通道安全、通畅。

（2）通道开挖前根据实际地形、地貌在适当位置先行设置截水沟。截水沟应与排水系统顺接，确保排水通畅。

（3）放样时首先放出隧道明暗交界面、中导洞轴线、通道边坡开口线并用白灰线进行标识。测量放样过程中发现异常情况及时查明，进行处理。

（4）通道分级下挖按照8m 一级，坡率1∶0.75，自上而下进行开挖，严禁掏底开挖。

（5）严格按照开挖一级防护一级进行施工。对已开挖形成的边坡采用8cm喷射混凝土临时防护。开挖时保证坡面平顺，无凸悬危石、浮石、碴堆、杂物。

（6）分级下挖时注意观测边坡稳定性，若出现异常情况应立即停止作业，撤离人员机械并加强观测。根据量测位移速率判断：当速率＞1.0mm/d 时，边坡处理极具变形状态，应加强边坡防护，必要时撤离机械人员，停止施工；当速率在0.2～1.0mm/d 时应加强观测，做好边坡加固准备；当速率＜0.2mm/d 时，边坡基本稳定，可正常施工。

（7）边坡平台应开挖临时平台排水沟，宜使用水泥砂浆封闭沟底沟壁或内衬不透水土工布，防止汇水下渗。同时将平台开挖成内倾4%斜坡形式，保证平台汇水至平台排水沟同时作为碎落台。

（8）通道开挖完成后，沿通道全长设置防护棚，防止坠物。

3.2.4 工期分析

采用通道纵挖法，只需先开挖中导洞施工通道部分，然后对临时边坡快速进行喷混凝土防护，中导洞可提早4个月进洞施工，同步施工洞口土石方及防护排水工程，有效节省工期4个月。

3.3 方案对比

方案对比具体如表2所示。

表2 方案对比分析

通过对比，发现“通道纵挖快速进洞法”比“放坡明挖法”更加适用于边坡土质稳定的长明洞连拱隧道，该技术在实施过程中通过提前进行边坡稳定性分析、动态监控量测、施工质量控制等技术手段同样保证了施工安全，直接节省工期4 个月。经济效益方面，捏业隧道完工后现场可减少配备管理员、测量员等10名及施工工人70 名，按人均减少管理费3 000 元/月计，提前4个月完工可节约管理费96万元。

4 方案可靠性分析

4.1 土层信息

为确保边坡稳定性，边坡开挖施工前在出口端右侧边坡进行地质钻孔，并对钻孔典型芯样进行土工试验，土层特征及参数如表3所示。

表3 土层试验参数

粉质黏土：浅黄色，土质均匀，含角砾约40%，无明显的层理，局部夹块石，稍湿，中密为主。

碎石：青灰色，砾石成分主要为板岩，尖棱状，粒径大小不均匀，粒径大于60mm 约占30%，20～60mm占40%，粉土填充，稍湿，密实为主。

4.2 建模分析

建模采用理正岩土6.0 版计算软件，验算正常工况裸坡稳定性。捏业隧道出口端临时边坡主要为碎石土，由于碎石土强度主要由内摩擦角控制，且碎石土分布较多，故采用直线破裂面法进行边坡稳定性分析[2]。

计算时选择倾斜土层，不考虑地下水的作用，计算目标设置为搜索最危险滑裂面，不考虑地震作用，计算步长为1度。通过理正岩土计算软件计算后，最不利破裂面定位高度为25m，破裂面仰角40°。安全系数计算公式为：

式（1）中：K 为安全系数；F 为抗滑力；T 为下滑力；Q 为作用在滑动体上的自重和其他荷载；α 为滑动面的倾角；ϕ为内摩擦角；c为黏聚力；L为滑动面长度。

代入具体数值计算得K=1.23＞1.2，因此判定施工过程中边坡稳定。

4.3 监控量测

为保证施工安全，施工过程中在边坡平台顶按50m/道设置沉降观测点，对边坡进行动态监控量测，前15d 按照1d/次监测边沉降，后期趋于稳定后减少频率至2～7d/次。同步在边坡顶部钻孔进行深层位移监测[3]，孔内每0.5m监测一次深层位移。

通过地表沉降观测和深层位移监测，结果显示该边坡开挖后12d 趋于稳定，最大沉降量26mm，最大位移量13mm，边坡稳定。

5 结语

捏业隧道通过通道纵挖打通中导洞施工通道，使中导洞与洞口边仰坡同步施工，可提前4个月完成，直接降低了项目管理成本近100万元，同时对于卓合高速公路这条“脱贫路”早日建成通车和实现甘南藏族自治州“普通国省干线升级改造”和“交通脱贫攻坚”具有重大意义。该技术特别适用于长明洞连拱隧道，采用该方法时需提前做好边坡稳定性分析，做好临时边坡防护和排水工作，同时做好中导洞进洞施工和边坡施工交叉作业组织和安全围蔽工作，做好地表和深层动态监控量测，确保施工安全。