丘陵地貌小净距隧道“零”开挖单向出洞技术

方存星，施亮亮，伍定旺

（中交第二航务工程局有限公司，武汉 430000）

1 引言

隧道作为高速公路建设中的重要组成单元，在山区地质条件复杂，地形地貌多变，隧道洞口处多为陡峭山坡，无既有道路及施工作业场地，洞口施工常需大面积开挖，对原地形地貌、现有生态环境破坏严重，与管理日趋严格的环境保护工作相矛盾，背离了现代高速公路建设中体现的绿色、环保、人本等理念，不符合可持续发展的要求。

2 隧道建设条件

2.1 隧道概况

蛇岭隧道位于湖南西南部怀化市靖州县平茶镇马路口村，左洞长535 m，起讫桩号为Z1K42+665~Z1K43+200；右洞长601 m，起讫桩号为K42+624~K43+225，属中隧道，小净距隧道形式布置，隧道左右洞设计线净距总体控制在14.5~21 m，洞顶最大埋深约67.5 m。

2.2 地形地貌

蛇岭隧道隧址区属于剥蚀低山、丘陵地貌，山坡坡度较陡，一般约30°~40°，局部可达50°~60°，冲沟发育多条，植被较茂盛，为杉、松、竹等；隧道靖州端进洞口设计为桥接隧道，地形陡峭，山体坡向为70°~95°，坡角约为45°~65°，进口端洞口施工不具备适宜的工作场地；局部在坡脚冲沟见基岩裸露，岩体破碎、节理裂隙较发育。

2.3 地层岩性

隧道口上部坡体曾发生过浅层土质滑坡，堆积体散落于下方坡面，破坏程度一般，目前山体坡体稳定性较为稳定。山坡表层多覆盖残坡积层，层厚1~3 m，成分为粉质黏土及碎石土，土体稳定性一般至较好；从详勘情况及桥台桩基施工中得知强风化板岩层厚20~25 m，强风化板岩上段呈现为在黄色碎裂状板岩夹薄层块状板岩，可见规律的似层状产状290°∠22°。从开挖揭露情况可知，岩体趋于稳定，深部为强风化板岩下段及中风化板岩，岩体稳定性较好。

2.4 原设计隧道进洞及贯通方案

地勘揭露隧道进出口段地质条件差、埋深浅，设计按照开挖边仰坡并采用φ108 mm×6 mm超前大管棚辅助进洞。洞顶截水沟、排水沟和改沟施工完成后形成完善的洞口防排水系统，开挖边仰坡后对洞口临时边仰坡、洞口浅层滑坡进行防护处理，然后进行洞口、洞身段的开挖。

原设计隧道贯通方式为双向贯通，贯通点避免选择在断层破碎带附近、地质围岩较弱或水文条件较差的地方。隧道采用双向掘进时，掘进至两掌子面相距20~35 m时，撤离停挖端人员和机具，改为单向开挖；隧道采用单向掘进时，贯通出洞前应反向开挖超过洞口超前管棚施工段。

3 “零”开挖出洞总体施工

隧道进口端山体自然倾角大，现场可见岩体破碎，自然风化程度高，强度低，整体稳定性较差且左洞进口端处岩层产状与隧道轴线存在一定夹角，开挖后山体将对隧道产生偏压。以双层注浆小导管为超前支撑，隧道“零”开挖出洞，严格按照“管提前，爆破弱，进尺短，支护强，测量勤”的原则进行施工[1-2]。注浆小导管超前支护示意图如图1所示。

图1 注浆小导管超前支护示意图

在开挖时，首先将隧道断面的拱顶部的岩体挖开，进行混凝土喷射，然后通过I20钢拱架构成拱架，拱架间距0.6 m，待钢筋网片和拱架安装完成后，喷射混凝土进行临时支撑，施工过程中单个循环开挖进尺为0.6 m，直至出洞。单个循环开挖完成即时喷射混凝土封闭掌子面，防止围岩进一步风化，造成坍塌，待拱顶下沉量的监控量测数据沉降趋于稳定，继续采用环形开挖预留核心土法进行洞身扩挖，挖除隧道断面两侧拱腰部岩体，实现隧道全断面“晚出洞”贯通。

4“零”开挖出洞施工要点

4.1 开挖及初期支护

4.1.1 掌子面开挖

1）环形开挖上台阶每循环进尺为0.6 m，核心土面积为整个断面面积的65%；出洞掘进过程中选用人工风镐开挖，遇到风化程度较低岩石时采用打浅眼、少装药、密炮眼的弱爆破方式开挖；中、下台阶跳槽开挖，初期支护双侧交错落底，防止每一面拱脚同时悬空，按照围岩条件，控制单侧每次落底长度在3 m以内。

2）施工时保持二衬距掌子面为65 m，仰拱距掌子面为35 m的安全步距。

3）开挖预留变形量依据监控量测数据以及考虑施工水平，在隧道距离出洞40 m的范围适当扩大开挖面、调整拱架，确保隧道贯通后的二衬厚度及线路的准确。

4.1.2 初期支护

初期支护采用注浆锚喷网和型钢架支撑联合支护，初期支护施工按照清理岩面、初喷混凝土、安装注浆锚杆、挂钢筋网、拱架安装、复喷混凝土的流程执行。（1）喷射混凝土前用断面仪对开挖断面检验，清理和处理欠挖部分及所有开裂、破碎、出水点、崩解的破损岩石，清除浮石和墙角虚碴，初喷4 cm厚C20混凝土；（2）初喷后及时安装网片间距为20 cm×20 cm的φ8 mm钢筋施工喷锚支护、安设I20钢架支撑，相邻钢架用I16钢架连接，上导钢支撑采用扩大拱脚以及设置注浆小导管为锁脚锚杆固定，复喷22 cm厚C20混凝土。

4.2 双层注浆小导管制安

1）注浆小导管制作。注浆小导管采用42 mm×4 mm×4 000 mm无缝钢管制作，小导管前端呈尖锥状，尾端预留50 cm止浆段不设置压浆孔；小导管尾部焊φ6 mm加劲箍，管壁四周按20 cm间距梅花形、钻设8 mm压浆孔[3]。

2）注浆小导管定位。管位环向间距为0.4 m，纵向间距1.2 m，并以梅花形布置前后排小导管。注浆小导管孔位采用凿岩钻机施工，前后两排小导管孔道与拱架角度分别呈5°~12°、25°~30°的外插角，钻进达到设计深度4 m后，采用不立即停钻进的措施，稳稳地钻进1~2 min，防止孔底尖灭。注浆小导管设置在隧道拱顶部120°角度范围内。

3）注浆小导管安装。注浆小导管安装采用人工缓慢放入钻设完成的孔内，对孔外露出的导管长度用钢尺量测，计算出孔内小导管长度，在保证管长的同时，将安装精度误差控制在±50 mm以内。竖向两排小导管之间搭接长度1.5 m的小导管与钢拱架牢靠焊接。

4）注浆小导管注浆。注浆采用425号硅酸盐水泥浆液或双液注浆，注浆过程中注浆压力为0.5~1.5 MPa，终止压力2 MPa，当注入浆液量超过设计量且孔口压力未达到规定压力值时，停止注浆，待浆液凝结后二次注浆，确保管内注浆液饱满。同时，综合现场地质条件、岩性及机械设备等因素，现场试验确定浆液配合比和终凝时间。

4.3 钢拱架制作、安装

1）拱架制作。拱架采用型钢弯曲机进行预弯，在定型模上焊接而成，每节两端均焊20 cm×20 cm×1 cm连接钢板，钢板采用冲孔机钻孔，拱架加工完成后进行试拼检查。

2）拱架安装。拱架垂直于隧道轴线安装，采用连接钢板辅以两正、两反的高强螺栓连接固定，钢板平面与拱架轴线保持垂直，拱架竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲，拱架底部放置在30 cm×30 cm×10 cm的标准预制混凝土块上，且混凝土块放置在低于开挖底线以下15~20 cm稳固的地层上。每榀拱架安装后利用2根长3.5 m的φ45 mm×3 mm注浆小导管作为锁脚锚杆定位。

4.4 洞口位置优化

施工过程中的洞口位置就是隧道明暗交界里程点，其位置的选择主要考虑地形、地质、洞口防护形式以及施工安全[4]。蛇岭隧道由洞内向外单向出洞施工，施工过程中发现围岩情况较超前地质预报揭露的围岩情况好，监控量测数据反映坡体稳定，结合后期运营安全、暗洞施工安全性、洞门景观设计以及完整地保存原地貌的自然景观的考虑，隧道右线较原设计延长1.2 m，充分体现了“零”开挖、“晚出洞”的施工理念。

5 施工效果评价

5.1 初支变形监测

隧道出洞施工时，在洞口和浅埋段每隔5 m设置位移变形监测点、布置收敛计监测周边收敛，在隧道中线两侧2倍（B/2+H+H0）的范围内设置地表下沉量监测点，其中，B为隧道开挖宽度，H为隧道开挖高度，H0为隧道埋设深度。结合现场监测资料，隧道拱顶下沉累计量如图2所示。由图2可知，隧道最大拱顶沉降累计为53.1 mm，最大下沉速率为1.8 mm/d，均处于可控范围内。

图2 拱顶沉降累计图

5.2 施工进度、效果评价

1）隧道进口端采用双层注浆小管道出洞施工，实践证明较长管棚进洞、洞内贯通的方式节约工期30 d，围岩应力在开挖过程中得到了有效释放，施工采用机械辅助人工开挖减小了施工风险。

2）与传统的隧道施工方法相比，蛇岭隧道使用了进口端不需要修建施工便道、施工驻地等临时设施的“零”开挖单向挖掘进、贯通出洞等形式。坡面无须大面积开挖仰坡，节约人、机、料的同时符合绿色公路建设的生态环保理念，具有显著的经济社会效益。

6 结语

隧道“零”开挖施工，就是在不破坏或尽量少破坏原有地形地貌的情况下，利用围岩自稳能力自然成拱，实现隧道进出洞。本文依托靖黎高速蛇岭隧道出洞施工案例，阐述了双层注浆超前小导管“零”开挖单向出洞技术在丘陵地貌小净距工况下的应用，得到以下结论：

1）结合蛇岭隧道实例验证了丘陵地貌小净距隧道单向出洞的可行性和可靠性；

2）利用双层注浆超前小导管的支护能力与围岩的自稳能力，双层注浆超前小导管单向出洞的方式可有效控制围岩、初支变形，出洞施工安全、质量可控；

3）采用双层注浆超前小导管交错梅花布置的支护方式取代原设计长管棚支护，节约出洞端管棚施工、便道引进、洞内洞身开挖等施工成本，在项目节控成本上发挥显著效果；

4）蛇岭隧道采用“零”开挖隧道晚出洞，减少了出洞端洞口边仰坡施工大面积刷坡对原有生态系统造成的破坏影响，贯彻“绿色公路、环保工程”的建设理念。