楠竹山隧道下穿在建高速公路开挖及支护施工

崔哲霖

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市 300300)

开挖和支护是楠竹山隧道下穿在建高速公路的核心工序，由于不同路段的地质条件存在较大的变化，不能始终采用同一个开挖方法或单一的支护施工技术，否则难以保证施工的质量和安全。楠竹山隧道下穿在建高速公路地段，地质水文条件复杂，影响因素多，施工难度比较大，需要结合地质勘察结构，及时调整施工方案，才能最大限度上保证施工质量，促使施工任务高效、有序、安全地完成。因此，开展楠竹山隧道下穿在建高速公路开挖及支护施工的分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

楠竹山隧道位于重庆市南川区西城街道及水江镇境内，为正线双线隧道，设计时速350 km/h，进口里程为DK83+040，出口里程为DK93+834,全长10794 m。隧道穿越楠竹山，属剥蚀、溶蚀、侵蚀低山地貌，隧道进口段三叠系中下统可溶岩形成岩溶槽谷地貌，地形起伏较大。主要河流为隧道进口端龙岩江。DK83+081.7～DK83+110段下穿在建高速公路。其中DK83+080～DK83+105段衬砌类型采用偏压式加强明洞；DK83+105～DK83+250段采用Vs型衬砌。

楠竹山隧道洞身段的须家和组砂岩，侏罗系下统形成低山，两侧进口段三叠纪中下统可溶岩形成岩溶槽谷地貌，隧区地表水以沟水为主，溪沟较发育，隧顶有地表径流水体，受季节影响大。

区域属于长江水系，主要河流为隧道进口龙岩江，隧道洞深多龙岩江支沟，溪沟较发育，为常年流水，水量不大，隧顶有地表径流水体，受到季节的影响比较大。分布鱼塘较多，其中DK91+300～+400右侧40 m为处烟厂坡水库。

2 施工难点分析

此段隧道施工过程中，需保证在建南两高速公路施工通道，且施工工期较紧，考虑明洞开挖施工从小里程向大里程进行，待进口至下穿段影响范围段施工完成后，进行道路改移，以保证在建南两高速公路施工通道，道路改移完成后，开始下穿段影响范围段隧道施工，施工完成后，回填至移交界面同时施工高速过渡段，后隧道正序施工，是本工程施工的重难点之一。

施工该段明洞衬砌及暗洞段大管棚，待结构达到设计强度后再回填下穿高速段C20回填，回填砼表面下10 cm位置设置φ12护面钢筋网片，网格间距为25 cm×25 cm。回填C20砼作为高速公路底基层至沥青砼底面，留18 cm的沥青砼面层空间。同时，为了避免因道路下部结构的差异引起的施工区段高速公路沉降不均衡，高速公路范围内明洞开挖基坑外8 m范围设置搭板作为过渡段，也是本工程施工的重难点之一。

3 楠竹山隧道下穿在建高速公路开挖方法

本隧道明挖段采用人工机械竖向分层开挖，每层开挖高度不超过3 m。土石方施工采用机械凿打、人工辅助相结合的方式开挖。

3.1 洞口和明洞开挖施工

进场后先进行场地平整，再从隧道进口向大里程进行明洞施工，该段基坑采用从上至下分层开挖，且随挖随支护，开挖采用机械开挖，临时边坡采用锚网喷防护。为节约工期，该段明洞施工时可同时施工过渡道路，但须注意两者开挖的相互影响。施工该段明洞衬砌，待结构达到设计强度后再回填土石至过渡道路路面高程，并完善过渡道路路面。本工程洞口和明洞开挖施工图如图1所示。

图1 洞口和明洞开挖施工图

3.2 边仰坡开挖及防护

待施工过渡道路完成后，进行下穿影响段明洞、暗洞大管棚及高速公路过渡段施工。该段基坑采用从上至下分层开挖，且随挖随护，采用机械开挖，利用锚网喷进行临时边坡防护，特别是明暗分界处的临时直立开挖面应给予加强防护，采用超前大管棚配合锚杆进行加强支护以保证既有高速公路边坡的稳定。施工该段明洞衬砌及暗洞段大管棚，待结构达到设计强度后再回填砼作为高速公路底基层至沥青砼底面，留18 cm 的沥青砼面层空间。同时为了避免因道路下部结构的差异引起的施工区段高速公路沉降不均衡，高速公路范围内明洞开挖基坑外8 m范围设置搭板作为过渡段。施作高速公路路面层，设置过渡段并恢复交通，最后施工DK83+105～DK83+145暗洞。具体的施工图如图2所示。

图2 穿影响段明洞、暗洞大管棚及高速公路过渡段施工图

3.3 隧道开挖方法

本工程隧道里程比较长，不同里程段的地质条件存在较大差异，比如：DK83+105～DK83+145段围岩为Ⅴs级，在具体施工中，为保证开挖效率，提升施工的安全性，采取了三台阶临时仰拱法进行掘进作业施工，具体的开挖施工示意图如图3所示。

图3 三台阶临时仰拱法施工示意图

具体的开挖方法为：采取光面非爆开挖方法，台阶长度为30 m，每循环进尺控制在0.6 m作业后，先结合隧道工程的地质条件，进行超前支护，达标及时开展上台阶开挖，上台阶开挖完成后，及时完善支护体系，形成一个牢固、稳定的支护结构体系；接着进行中台阶错开开挖，错开深度控制在3～5m之间，中台阶开挖完成之后，及时补充完善上台阶和中台阶支护[1]；然后进行下台阶开挖和支护，并紧跟着仰拱、填充混凝土浇筑；最后等上台阶、中台阶、下台阶全部施工完成之后，进行拱墙衬砌，然后再进行循环开挖。

4 支护施工技术的应用

就案例工程而言，地质条件复杂，仅凭单一的支护施工技术，难以满足隧道稳定性、牢固性的要求。为选择出最佳的支护施工技术，采用“经验类比设计模型”来对比各种技术的优缺点，以选择出最佳的支护施工技术。先结合水文地质勘察结果，合理划分隧道施工的岩土分区，再对类似工程施工成功的经验进行总结，和本工程施工情况进行对比分析，从而选择出最佳的支护技术和方案。就案例工程而言，隧道开挖深度大，存在很多不良地质，为保证开挖掌子面的安全性，在支护中采取了超前小导管注浆、砂浆锚杆、喷混凝土及超前管棚施工相互结合的支护方法，取得了良好效果。

4.1 超前小导管支护

超前小导管支护是目前隧道开挖施工中常用的支护技术，能够和隧道围岩相互融合，相互支撑，利用小导管锚固和浆液扩散的联合作用，在掌子面开挖前，在前方围岩中就形成一个稳定的围岩结构，以免在正式开挖施工中发生安全问题。

超前小导管支护为提升施工速度，保证支护效果，钢制小导管全部在施工现场制作完成，喷射混凝土对岩面进行封闭，再进行测量放线，确定好每根小导管的布设位置后，利用凿岩机进行钻孔，边钻进边检测，控制好钻进的倾斜度，钻进到设计深度之后，插入小导管进行注浆操作[2]。在具体施工中，超前小导管需紧贴开挖面处钢架，以此为支点，将小导管尾段和钢架焊接牢固。灌注浆液的水灰比控制在0.5～1.0之间。在土层超前小导管注浆时，注浆压力要控制在2 MPa以上。

串浆是超前小导管施工中遇到的问题，对注浆效果造成的影响较大，一旦发现串浆问题，要及时封堵。逐孔注浆，并在注浆之前用铁丝清除管内杂物，用高压风枪进行冲洗后，再进行注浆。若在注浆中发生注浆量提升但压力并不升高的情况，需要立即停止注浆，重新调整浆液浓度及配比，缩短凝胶时间。进行小泵量灌注时，要促使浆液在裂隙中充分停留，以便有足够时间凝胶。

4.2 砂浆锚杆支护施工技术

洞口临时开挖面选择了喷锚支护的方法，采用直径为22 mm、长度为2～5m锚杆进行锚杆支护，锚杆支护布设间距为1.2 m，锚杆支护完成之后挂设上直径为8 mm的钢筋网，网格间距为25 cm，然后再喷射一层厚度不小于8 cm的C25砼。明暗分界直立开挖面采用喷锚支护，喷C25砼厚12 cm，φ8钢筋网，网格间距为20 cm，φ22砂浆锚杆长2～6 m，间距1.0 m×1.0 m，相互之间呈现出梅花形布设。具体的喷锚效果如图4所示。

图4 喷锚现场效果图

砂浆锚杆支护施工技术也是隧道下穿在建高速公路支护中可用的方法，具体的施工要点主要体现在以下几个方面：

一是在砂浆锚杆支护施工之前，按照设计要求，加工锚杆杆体以及锚垫板，并通过试验检测锚杆和锚垫板的性能，满足具体支护施工要求之后，合理堆放，并加强保护，避免受潮腐蚀[3]。

二是在案例工程隧道开挖中，明挖采取了分层开挖的方法，第一层开挖结束之后，及时跟进边坡防护，先挂网喷射混凝土，测量放线，确定每根砂浆锚杆支护的位置，然后用风动钻岩机进行钻孔操作，保证系统锚杆实际放样的允许偏差在±5 cm之内。

三是钻孔完成之后，及时清孔，本工程用高压水清孔，清孔完成之后及时对钻孔的深度、孔径、倾斜度等进行详细检查，达标之后及时开始注浆操作。注浆浆液选择水泥砂浆，水灰比控制在0.38～0.45，灰砂比控制在1∶1～1∶2，保证水泥砂浆的强度不低于M20，注浆是采取单管注浆，注浆管插入到锚杆孔底进行注浆，边注浆边拔出注浆管[4]。

四是注浆结束后及时插入加工好的锚杆，锚杆放入注浆孔中后需要结合实际情况进行适当的补浆处理。锚杆孔装满浆液后，将锚杆钢筋插入锚杆孔，并用水泥袋纸封住孔口，但锚杆碰触到孔底之后，保证孔口填满砂浆。锚杆插入后，3天内不能悬挂重物，也不要随意敲打。

五是当锚杆的灌输砂浆达到设计强度的八成以上后，及时安装垫板，安装时保证垫板和锚杆轴线的垂直度，以提升总体支护效果。如果垂直度不足，为保证锚垫板能够均匀压紧岩面，可通过在螺帽下方安装楔形垫块，或者是垫板之后用砂浆找平的方法进行调整[5]。锚垫板安装完成后及时进行全方位的检查验收，保证锚杆的材质、长度、直径、浆液性能都满足施工要求,并按照相关规范抽样检查锚固力，保证锚固力的平均值不低于设计值，以确保锚杆施工质量。

4.3 喷混凝土支护施工技术

喷混凝土支护施工是一种隧道工程支护中应用的支护方法，具有成本低、支护效果好、支护速度快等优势。在案例工程支护中，喷混凝土支护施工技术的作业程序如图5所示。

图5 湿式喷射混凝土作业程序示意图

湿式喷射混凝土作业时要选择普通硅酸盐水泥，保证其细度模数在2.5以上，集料选择粒径在5～12 mm的连续级配碎石，配合比通过多次试验来确定。在混凝土喷射之前，要认真检查隧道边墙拱部岩面，并对欠挖进行处理，去除所有的浮石、墙角虚渣等，可采用高压风或是高压水对岩面进行全面清洗。

在喷射混凝土时，喷头到岩面之间的距离要控制在0.8～1.2 m，且喷头要尽量垂直隧道面，喷射混凝土时喷头要呈“S”形运动，保证喷射的连续性。先喷射隧道边墙，再喷射隧道拱部，按照从下到上的顺序连续喷射，喷嘴要尽量呈现出螺旋状运动，螺旋直径控制在20～30 cm，以控制混凝土喷射时的回弹量。但混凝土喷射厚度超过5 cm时就要分层喷射，第二层喷射需要在第一次喷射终凝前1 h后进行，并对第一层混凝土面进行冲洗。混凝土喷射终凝完成2 h之后，及时开始喷水养护，以免形成裂缝，以下隧道支护效果，养护时间不能少于7天。

4.4 隧道大管棚施工

本隧道明挖段采用机械进行分层开挖分层防护，明暗交界处(公路高边坡地段)采用大管棚配合锚杆进行防护。明暗分界直立开挖面采用喷锚支护，明暗交界处衬砌施工完成后施做大管棚。大管棚对钢管的密封性有很高的要求，为提升大管棚支护效果，本工程选择直径为108 mm、壁厚为6 mm的热轧无缝钢管作为大管棚。施工过程中对公路边坡的变形及沉降进行监测，监测范围为隧道中线左右各50 m，测点间距5 m，观测频率为1天/次。隧道大管棚支护正面图如图6所示。

图6 双线隧道大管棚支护正面图(单位：mm)

管棚选择直径为108 mm、壁厚为6mm的热轧无缝钢管，相互之间通过螺纹丝扣连接，通过全站仪联合水平尺的方法，确定每根大管棚安装的具体位置。确定好大管棚的位置后，用钻机钻孔，钻机钻头直径为145 mm，边钻进，边检查，以保证成孔的质量。达到设计钻孔位置后，及时用高压风机进行清孔。用经纬仪、测斜仪等工具，检测钻孔的深度、孔径、外插角等，保证都达到设计要求后，再安装大管棚，每节大管棚安装前，需要先连接好，保证端头丝扣拧紧。

控制措施：为保证钻孔精度，需要精确测量每个钻孔的位置，并进行准确编号，外插角控制在1°～3°效果最佳，仰角控制在1°～1.5°。在整个钻孔中，必须严格控制好钻机的下沉量及左右偏移量，控制好钻孔平面位置。管棚不得侵入隧道开挖线内，禁止钢管相交，常测孔斜度，发现超限误差及时处理。为后期安装管棚和注浆提供良好条件。

针对施工缝、变形缝防水难度大的问题，本工程在明洞衬砌环向和纵向施工缝均采取全环“中埋橡胶止水条+中埋橡胶止水带”；变形缝采取全环“外缘沥青麻筋封闭+中埋橡胶止水条+中埋钢边橡胶止水带+内缘聚硫密封膏嵌缝+缝间聚乙烯硬质泡沫板充填”。隧道DK83+058、DK83+080、DK83+105位置各设置一道变形缝，变形缝宽度2 cm。

DK83+040～DK83+058段18 m为双耳式明洞，仰拱厚度80 cm，衬砌厚度80 cm。

DK83+058～080段22 m为偏压式明洞，仰拱厚度80 cm，衬砌厚度80 cm。

DK83+080～105段25 m为偏压加强式明洞，仰拱厚度80 cm，衬砌厚度80 cm。

DK83+105～145段40 m为VS型衬砌，仰拱厚度75 cm，衬砌厚度65 cm。

4.5 支护效果分析

将超前小导管、砂浆锚杆、喷混凝土施工、大管棚相互结合的支护方法，应用到楠竹山隧道下穿在建高速公路施工中，隧洞塑性区分布云图如图7所示。

图7 隧洞塑性区分布云图

围岩塑性区主要分布在隧洞顶部和底部，塑性区深入隧洞顶板和底板，底部塑性区范围达22.8 m，底部围岩塑性区范围达20.8 m，在观测结束时，初次衬砌已经全部进入塑性。比起采取单一的支护施工技术，采用超前小导管、砂浆锚杆、喷混凝土施工及大管棚相互结合的支护方法后，隧道变形得到有效控制，衬砌开裂、钢支架损坏现象比较少见，避免了隧洞的返修，顺利完成该洞段施工。二衬施工后，隧道整体稳定性良好，表明所采取的支护方法合理有效。

5 结语

综上所述，开挖和支护是楠竹山隧道下穿在建高速公路施工的重中之重，开挖方法和支护效果对施工质量有很大影响。为最大限度上确保施工安全及质量，需根据工程区域的地质条件，确定针对性的开挖方法。开挖完成之后及时跟进支护，不同隧道段，地质条件不同，需要采取有针对性的支护方法，才能保证施工质量。在案例工程支护中采取超前小导管、砂浆锚杆、喷混凝土及大管棚施工互相配合的支护方式，收效良好，可为类似工程提供借鉴参考。