钻爆法越岭隧道通用零开挖进洞方法

摘要：文章探索钻爆法越岭隧道进洞的新方法，即一种可实现零开挖进洞的通用方法，可广泛应用于采用挪威法、新奥法等方法修建的越岭隧道。通用零开挖进洞法消除了传统“开挖明洞槽”进洞方法中的边坡和仰坡，可极大地减少洞口土石方的開挖量，可确保洞口山体的稳定性，避免滑坡坍塌事故发生，降低隧道进洞施工的风险。文章详细阐述了通用零开挖进洞法的原理、设计与施工方案，并以广西贺巴高速公路为应用案例，介绍通用零开挖进洞方法在该公路建设中的实际应用情况。

关键词：通用零开挖进洞法；护拱；隧道边仰坡

中图分类号：U455 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）05-0049-04

0 引言

钻爆法越岭隧道进洞时，按照传统的设计及施工方法，需要先开挖明洞槽，一般采取放坡开挖支护的方式，在此过程中形成洞口边、仰坡。李洋益等［1］对洞口滑坡形成机制进行了研究，当隧道轴线与山体等高线斜交角度较大时，偏压较大，边、仰坡也较高，如果洞口岩层的物理力学性质较差，将可能破坏山体稳定，诱发滑坡坍塌等地质灾害，极大地增加隧道建设的风险。当滑坡坍塌灾害发生后，处治过程一般非常复杂且处治费用高，多数情况下会严重延缓开挖进洞工期，并对环境造成难以修复的破坏。据统计，传统的开挖明洞槽进洞方法在工程实践过程中发生了多起事故，工程界也将洞口施工列为重大风险源。逐步认识到传统进洞方法的弊端后，工程界提出零开挖进洞的理念，零开挖进洞可消除传统进洞方法中的边、仰坡，极大地减少洞口土石方的开挖量，从而确保洞口山体的稳定性，避免滑坡坍塌事故发生，降低隧道进洞施工的风险。目前，零开挖进洞的理念并未得到很好的践行，绝大部分隧道仍采用开挖明洞槽进洞的传统方法，只是做到尽量少开挖，只有极少数隧道借助洞口的有利地形、地质才实现零开挖进洞。林家乐［2］、成联艾［3］、胡晓敏等［4］探讨在将洞口套拱前置的情况下提前进洞的零开挖进洞法，对零开挖进洞的方法和工艺做了一些有益的探索，但这些方法尚不能适应所有的地形和地质，例如遇到山体偏压较大的情况时将较难实施；在洞口套拱宽度仅为2 m左右，洞口的防护不够充分的情况下也较难实施。鉴于上述原因，本文提出一种通用零开挖进洞法，并介绍该方法的原理、设计与施工方案，旨在推广一种普遍适用的零开挖进洞法，希望能为同类工程提供借鉴，使零开挖进洞的理念得到广泛认同和践行。

1 通用零开挖进洞法实现方案及特点

1.1 通用零开挖进洞法及防护装置设计方案

所谓通用零开挖进洞法，即在隧道洞口部位设置特定防护装置，不需要开挖明洞槽，借助防护装置的防护作用和洞口围岩的自承载能力，直接暗挖进洞，直接开始洞口段洞身掘进施工的方法。防护装置的轮廓应根据隧道轮廓和建筑限界要求，并结合隧道洞口地形进行设计，同时防护装置与洞口围岩之间应有可靠的过渡连接，并对该部位的围岩进行超前支护。当防护装置施工完成后，即可开始隧道进洞掘进。

通用零开挖进洞法必须借助特定防护装置进行施工，防护装置必须确保开挖过程中洞口段围岩稳定及符合施工防护要求。理论上，特定防护装置有多种设计方案，根据现有的技术水平和实践情况，本文采用的设计方案是“钢架混凝土护拱+超前大管棚”的组合形式。护拱及大管棚施工作业完成后，在其防护下可直接进入洞身段掘进开挖。进洞后，需一边掘进一边及时安装初期支护及二衬，洞口段的初期支护是护拱防护在洞内的延续。通用零开挖进洞法示意图如图1所示。

零开挖防护装置对隧道洞口部位山体起到加固作用，并承担隧道轮廓范围内进洞开挖卸载引起的围岩压力。通用零开挖进洞法不需要开挖明洞槽，即成功消除了洞口边、仰坡，借助“钢架混凝土护拱+超前大管棚”的组合防护，实现直接进洞。

1.2 通用零开挖进洞法的施工特点

通用零开挖进洞法最大的施工特点是不设置明洞段，直接借助护拱的防护作用进洞，转入暗洞洞身掘进施工，其主要优点如下。

（1）洞口施工不需要开挖边、仰坡，能有效预防滑坡、坍塌等地质灾害，规避隧道施工重大风险源，降低隧道洞口施工风险；零开挖进洞可最大限度地保持原有地形地貌和地表植被，更符合绿色环保的建设理念。

（2）由于护拱结构具有防护作用，并且不用开挖边、仰坡，因此可规避在雨季施工边坡开挖的重大风险，大大减小了雨季施工的不利影响，使隧道施工的安全性和工期得到有力保障。

（3）护拱及回填压重荷载可对山体脚部提供反压，补偿隧道洞口段掌子面开挖的部分卸载，维持山体稳定。

（4）通用零开挖进洞法能适应各种复杂的洞口地形，地形越复杂，这种进洞方法的优越性越突显。对于常见的洞口偏压地形，其本质还是基于护拱防护和取消边、仰坡这一核心原理。

（5）在建设造价方面，通用零开挖进洞法取消边、仰坡开挖，节省了支护部分的土建费用，仅增加了护拱部分的费用，洞口段造价总体上持平，但在地形复杂或偏压的情况下，通用零开挖进洞法的经济效益突出。

（6）工期方面，对于传统开挖明洞槽进洞法，明洞段施工工艺流程较多，容易受雨季影响，并且存在明暗洞施工转换，进洞施工烦琐。通用零开挖进洞法在护拱防护下直接进洞，不需要进行明洞槽的开挖和明洞结构的浇筑施工，不受雨季影响，因此能较大幅度地节省工期，而且地形越复杂，工期优势越突出。

2 通用零开挖进洞法关键结构护拱的作用分析

护拱在隧道工程中是一种常用的辅助结构，如洞口结构补强防护、溶洞不良地质段的处治防护等。一般护拱主要用作承载及防护结构，在通用零开挖进洞法中，护拱的作用体现在多方面。

2.1 护拱的压重和约束作用

护拱下方掌子面开挖后，随即在护拱内壁及围岩临空面施做初期支护，一般在围岩临空面部位采用“挂网喷射混凝土+注浆小导管”的方法闭合成环（如图1所示）。当洞口地层物理力学性质较差时，一般需在喷混层中设置钢架。在护拱的压载及约束作用下，闭合成环的初支将具备足够的刚度和强度，初支与护拱及围岩形成稳定的支护体系。

护拱的作用较为关键，为了阐述护拱这一作用机理，分以下2种工况对初支进行对比计算和分析：工况一，不考虑护拱的约束作用；工况二，考虑护拱的压载和约束作用。初支可按照局部或整体置于弹性地基的结构进行考虑，荷载作用根据实际情况取洞口范围的围岩压力，计算参数可按照《隧道设计规范 第一册 土建工程》［5］中附表A.0.7-1的取值（见表1），洞口围岩按V级，侧压力按公式（1）计算。

[e=γHtan2（45-φc2）]                    （1）

公式（1）中，[e]为侧向围岩压力；[γ]为地层容重；[H]为开挖高度；[φc]为地层摩擦角。查表1可取[γ]=[19.5 kN·m-3]，[φc=45°]，代入参数可得到：

[e=19.5×8.9×tan2（45-452）=29.78 kN·m-1]

为简化计算，护拱及其上方素砼回填以荷载（[q]）的形式加载在初支上，取[q=25×][1.09=27.25 kN·m-1]；

模型中地层弹性抗力系数取值为k=[150 ][MPa]·[m-1]。采用midas GTS有限元软件进行建模分析，分析计算结果如图2至图7所示。

当按照工况一（即不考虑护拱约束作用）建模计算时，初支结构内力为[M1max=][62.8 kN?m]，[V1max=61.2 kN]，[N1max=155.9 kN]；工况二（即考虑护拱约束作用）初支内力为[M1max=39.1 kN?m]，[V1max][=][58.6 kN]，[N1max=179.3 kN]。计算结果表明，护拱的压载和约束作用能明显改善初衬受力，而且能有效限制掌子面两侧开挖临空面的水平位移。

2.2 外模板及防护引申作用

通用零开挖进洞法在护拱的防护下暗挖进洞，初支的施作是在护拱的内壁表面进行，初衬的闭合成环离不开护拱的模板作用。初支在护拱内随着掘进的进行同步向山体内部延伸，将顺利完成洞外进入洞内的关键转换。由此可以看出，通用零开挖法不存在明挖或明洞段。

借助一个模型可以形象地理解这种作用：如果在一堆松散的砂堆里形成一个小洞，因为砂子几乎没有黏聚力，所以直接成洞将非常困难，而借助一根中空竹筒将竹筒插入砂堆，再掏去竹筒中的砂子即可成洞。“护拱+大管棚+初支”的作用与这根竹筒的作用类似，本质是在洞口形成直接且有力的防护。

2.3 山脚反压作用

传统的开挖明洞槽进洞法在进洞之前，洞口部位的挖方量较大，在形成边、仰坡的同时，山脚部位大幅度卸载，该部分卸载在构造上恰好位于山坡的阻滑段，在一定外因的叠加影响之下，易诱发滑坡坍塌。外因主要有雨水下渗使岩土剪切强度降低或洞口为顺层岩体等。

与开挖明洞槽进洞法相比，通用零开挖进洞法洞口的护拱布置于山体坡脚洞口部位，护拱及其上素砼回填层重量对原状山坡坡脚可以起到反压作用，补偿隧道掌子面开挖的卸载，加上没有边、仰坡开挖卸载，可避免山体滑坡事故的发生。

2.4 对偏压地形的适应性

在偏压地形情况下，混凝土护拱结构能成为抵消偏压作用的构造物。当偏压较大时，可在护拱外侧模筑素混凝土重力式偏压挡墙结构，与护拱共同作用。

此外，通用零开挖进洞法具有适应偏压地形的优势，仍可借助砂堆与中空竹筒的模型帮助理解，将竹筒倾斜一定的水平角度插入砂堆，类似偏压地形，在这种情况下，依然可以轻易成洞，只是竹筒没入砂堆中不再是对称的。同理，通用零开挖法的护拱，也可以依山就势施作完成，在“护拱+大管棚+初支”的防护和过渡引申作用下，偏压地形的开挖进洞就能顺利完成。

3 通用零开挖进洞法应用实例

广西贺巴高速公路某隧道右线出口洞口地形存在严重偏压，隧址岩性为砂岩，洞口风化程度高，遇水易软化，稍有不慎，边、仰坡将可能会滑塌。因此，采用传统的“开挖明洞槽进洞法”将产生高边坡和仰坡，高边、仰坡非常容易诱发滑坡、坍塌，实施风险难以评估。鉴于上述原因，在设计过程中采用通用零开挖进洞法，在护拱及偏压构造物的防护作用下，隧道进洞变得简单、安全。

特定防护装置设计参数為护拱采用70 cm厚的C30砼，“工”字钢拱架；φ108 mm超前长管棚，环向间距为50 cm。在洞口地形偏压较大的情况下，护拱及外侧的模筑素混凝土防护构造物可有效抵消偏压的不利影响。采用通用零开挖进洞法后，不用开挖明洞槽及施作明洞段，直接进洞。考虑偏压较大及洞口围岩较差，护拱中加设了钢架，可确保护拱具备足够的刚度及强度。这个案例充分展示了通用零开挖进洞法对复杂地形的适应性和优越性。

4 结语

对于钻爆法越岭隧道，与传统进洞方法相比，通用零开挖进洞法具有多项优势，最突出的一项优势是不需要开挖明洞槽和施作明洞段，在护拱防护下直接进洞，实现普适的零开挖进洞，非常环保，而且能有效规避滑坡及坍塌的重大风险，综合效益显著。但是在实践过程中，由于思维惯性，在地形条件较好的地段，业界现阶段基本上采用的仍然是开挖明洞槽法进洞。因此，工程界亟待形成关于积极推广通用零开挖进洞法的基本共识。

5 参考文献

［1］李洋益，何克扬.大跨度隧道洞口滑坡形成机制及处治方案研究［J］.公路，2022，67（9）：464-469.

［2］林家乐.公路隧道工程“零开挖进洞”施工技术研究［J］.西部交通科技，2019（3）：75-77.

［3］成联艾.隧道“零开挖”进洞工艺及洞口前置式洞门施工技术［J］.交通世界，2022（30）：16-18，51.

［4］胡晓敏，赵阳.公路隧道“零进洞”施工工艺探讨［J］.交通标准化，2010（Z1）：131-133.

［5］JTG 3370.1—2018，公路隧道设计规范 第一册 土建工程［S］.

【作者简介】宋元平，男，江苏泰州人，任职于广西交通安全研究中心，高级工程师，研究方向：隧道与地下空间结构设计。

【引用本文】宋元平.钻爆法越岭隧道通用零开挖进洞方法［J］.企业科技与发展，2023（5）：49-52.