复杂地质高陡边仰坡偏压双连拱隧道进洞施工技术--中国期刊网

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复杂地质高陡边仰坡偏压双连拱隧道进洞施工技术

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张广辉

[导读] 摘要：本文以国道G105改线工程内莞隧道为例，介绍了在复杂地质条件下高陡边仰坡偏压进洞施工技术，包括施工偏压护面墙、大边墙、增设钢架护拱、延长导向管、横向超前小导管等措施，本文通过对洞口高陡边仰坡防护施工、利用护拱进洞技术的运用总结，为类似工程施工提供参考和借鉴。

        中铁一局集团有限公司广州分公司广东广州 510000
        摘要：本文以国道G105改线工程内莞隧道为例，介绍了在复杂地质条件下高陡边仰坡偏压进洞施工技术，包括施工偏压护面墙、大边墙、增设钢架护拱、延长导向管、横向超前小导管等措施，本文通过对洞口高陡边仰坡防护施工、利用护拱进洞技术的运用总结，为类似工程施工提供参考和借鉴。
        关键词：高陡边仰坡；偏压隧道；双连拱隧道；洞口施工技术
        1、工程概况
        内莞隧道位于河源市连平县内莞镇，内莞隧道为分岔隧道，隧道左线长660m，隧道右线长635m，其中K2332+645～YK2332+867（ZK2332+868.019）222米为连拱段，剩余段落为小净距段。进口位于依山傍河又紧邻G105国道的两山之间，洞口段浅埋偏压且右洞露拱，位于内莞向斜的南东翼，为下坪正断层和内莞逆冲断层所夹持，洞口围岩主要为碎石、块石、强风化石英砂岩，局部为中风化石英砂岩，土质不均，强度低，原始地形陡，局部雨季受扰动易崩塌。基岩裂隙发育，易渗水，根据稳定流理论公式计算得隧道单洞正常进水涌水量取值12526.03m³/d，单洞最大进水涌水量值13940.96m³/d；隧道进口浅埋、偏压地段全长约100m，埋深厚度小于50m。如何能顺利通过洞口地质复杂、高陡边仰坡、偏压、浅埋段，制定合理、安全的施工技术方案，是该隧道施工的控制重点。
        由于隧道进口左洞全部嵌在山体里与高边坡路基相连，边坡高66米，需等边坡开挖防护至洞顶后，洞口段才能进行施工，在施工过程中其受力结构极其复杂。因洞口土质不均、风化严重，受偏压力的作用，极易造成防护结构变形失稳，形成安全隐患。因此隧道进洞前需要对山体和洞身岩体增设加固措施，采取合理的开挖支护方式和方法，始终保持该段山体施工过程中岩体稳定和受力平衡。（详见附图）

图1：洞口平面图

        图2：洞口横断面图
        2、施工方案
        隧道进口安全进洞是本工程的施工重点，也是难点。针对隧道进口段地质复杂、高陡边仰坡、浅埋偏压、右洞露拱等特点，制定合理的施工方案，施工过程中应减少对边仰坡的扰动，采用人工+机械开挖、控制爆破或者预裂爆破等方式，先进行洞口段左侧边仰坡、防护工程及锚索抗滑桩施工，后充分利用大边墙和护面墙的支撑力，施工右洞护拱及大管棚、左洞和中导洞导向墙、大管棚、钢架锚喷支护、双连拱进洞等施工转换。该施工技术的特点主要体现在施工高陡边仰坡、锚索抗滑桩、大边墙和护面墙、护拱、导向墙、大管棚施工、双连拱进洞等关键环节。
        3、施工方法、工艺
        3.1边仰坡开挖防护施工及稳定性分析
        ⑴本段ZK2332+635～仰坡K0+032边坡位于隧道明洞上方和隧道仰坡段，为四级边坡，在边坡施工时开挖至隧道明洞顶部；分级坡高15米，坡率1：0.3，最大高度66.5米。为了减少地形偏压对隧道洞口的影响，保证隧道施工及营运安全，洞口段左侧边坡采用抗滑桩+锚索格梁+主动防护网加固防护，仰坡采用预应力锚杆+主动防护网+挂网喷浆方案保证仰坡稳定，同时为了保证边坡开挖的稳定和受力平衡，我们采用软件对边坡开挖进行受力分析。如图：

图3 左侧边坡断面图图4 洞口仰坡断面图
⑵边坡稳定性评价

        图5 受力验算
        该边坡为土质加岩石边坡，岩层节理裂隙较发育，土质不均，强度低，抗剪强度较低，在外界条件作用下极易发生崩塌脱落。依据赤平投影图，本段边坡存在顺倾不利结构面和结构面组合。
        ⑶边坡稳定性计算
        本段边坡安全计算选取了过渡 K0+001.571 典型横断面，进行稳定性分析，采用的力学参数如下表：
                                           表1

        按安全系数 1.15 计算出结构面粘聚力 c=27.5kpa，结构面内摩擦角φ=26.4°。在此基础上，加固后边坡稳定系数Fs=2.59，满足设计规范要求。以此计算结果作为边坡加固防护的依据。
        3.2锚索抗滑桩
        因该段边坡高陡，浅埋偏压，坡率为1：0.3，又紧邻G105国道，易出现边坡位移和滑塌，为确保施工安全，在隧道洞口施工前必须先行施工锚索抗滑桩，锚索抗滑桩设置在明洞内侧以及临近洞口段，才能有效预防边坡滑移和确保洞口边坡的稳定。
        锚索抗滑桩施工：采用K型2m×3m锚索抗滑桩，共计8根，间距6m，桩身采用C25钢筋混凝土，在桩顶2m位置均匀布置两根锚索孔，直径φ150；桩身分为两部分，其中锚固段长度7m，悬臂段12m。施工流程为：测量放样→先开挖隧道洞口段锚索抗滑桩顶面标高以上的边仰坡→锚索抗滑桩开挖→出碴→绑扎护壁钢筋→护壁立模→灌注护壁混凝土→拆模→钢筋笼安装→主筋下放及固定→浇筑桩身混凝土。桩身混凝土强度达到规范要求后，才可进行洞口开挖施工。
        3.3护面墙施工
        为了改善右洞浅埋及偏压段边坡的稳定性，在YK2332+658～YK2332+668段设置护面墙及岩壁锚杆防护，沿山体坡面设置，岩面打设C22砂浆锚杆，锚杆长度为2.5m，锚杆端头50cm预留与护面墙内钢筋网焊接；护面墙基础开挖深度2.0m，宽度3m，基础坡率为1：0.3，基础开挖完成后进行地基承载力试验，承载力小于400KPa时，需对地基进行注浆加固处理，地基加固采用Φ76*5mm钢管打入强风化层，深度不小于2m，并注浆加固。护面墙混凝土等级为C20，墙身高为14.33m，墙厚为2.5m。其主要作用是杜绝右洞浅埋段裸露山体风化，减少雨水对软质岩和破碎地带的侵蚀及施工过程中的扰动。
        3.4偏压大边墙施工
        ⑴由于进口为连拱隧道，洞口开挖断面较大，加之右洞露拱严重，既有地形十分陡峭，山体偏压严重，有顺层滑坡和位移等风险，为了减小洞口开挖对山体的扰动，因此进洞前需要先施工大边墙来均衡山体侧压力，确保进洞施工安全。
        ⑵因大边墙基础位置是原G105国道路基，因此基坑开挖后需进行地基承载力试验，承载力小于400KPa时进行地基加固处理，地基加固采用Φ76*5mm钢管，长度3m-6.5m，间距1m*1m，全部打入强风化层，并注浆加固，管身需预留50CM伸入大边墙基础里，保证基础与围岩的连接。
        ⑶大边墙基础施工完成后，开始施工大边墙墙身，在设计位置预留护拱钢架平台，浇筑大边墙至完成，同步回填大边墙内侧露拱段和外侧基坑。

        图6 大边墙示意图
        3.5护拱施工
        常规露拱段施工，基本是采用反压回填后注浆加固土体或者回填水泥土等参合料，待强度满足条件后施工导向墙，然后钻孔施工，因回填土或其他参合料密实性很难达到原状山体的密实性和强度，最终会导致钻孔很难成孔或者钻不到设计长度，不能保证大管棚安装到位，也不能起到洞口加强支护的作用，对于地质复杂、浅埋、偏压严重的洞口施工将会留下安全隐患。
        因此为了保证大管棚的施工质量，采用提前预埋导向管与山体过渡衔接的方法进行施工。首先利用大边墙预留的平台，安装架设露拱段护拱工字钢，钢架采用Ⅰ20b工字钢，每榀间距 0.5m，纵向连接采用双层Φ22钢筋连接，间距1m，每榀钢架与山体锚固采用两根φ50注浆小导管进行锁脚，锚杆长5m，横向打入山体进行加固。在工字钢外侧按照露拱实际长度铺设导向管，导向管采用φ133mm，壁厚4mm（见洞口平面图），环向间距40cm，安装角度为1～3°，然后浇筑60cm厚C25砼护拱，护拱的作用既可以用作导向墙施工，又可以形成一个明洞结构，使露拱段可以在其保护下，正常开挖施工，施工安全可控。

        图7 护拱示意图
        3.6导向墙施工
        在右洞施工护拱及大管棚的同时左洞和中导洞可以施工导向墙，右洞直接利用护拱就可以进行大管棚钻孔施工；左洞和中导洞导向墙基础坐落在坚硬的岩石上，确保其稳定坚固，左洞导向墙在拱部106°范围内布设，为保证长管棚施工精度，导向墙内设4榀I20b工字钢架，钢架外边缘设φ133mm，壁厚4mm的导向钢管，导向管焊接固定在钢架上，外插角度为1～3°环向间距40cm，共36根，钢架各单元由连接板焊接成型。导向墙采用60cm厚C25混凝土，长度2m。
        3.7超前大管棚施工
        隧道进口段围岩主要为碎石、块石、强风化石英砂岩，局部为中风化石英砂岩，土质不均，强度低，原始地形陡，局部雨季受扰动易崩塌。基岩裂隙发育，易渗水。为保证主洞开挖安全，采用长管棚支护。左线长管棚长度为15m，长管棚导向管采用φ133mm，壁度4mm，长度为2m，与导向墙I20b工字钢焊接为整体，安装角度为1～3°；右线长管棚长度为40m，直接利用护拱及预埋的导向管进行施工。
        大管棚钢管采用热轧无缝钢管φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢尖管，钢管前端呈尖锥状，管棚每节长度分为3m、4m、6m，15m长管棚钢管由3+2×6=15m和6+3+6=15m两种组成，40m长管棚钢管由3+5×6+4+3和6×6+4=40m两种组成，间隔布置，管棚钢管之间要求采用丝扣连接，连接长度不小于15cm。
        大管棚钻孔设备采用100B潜孔钻，搭设管棚施工工作室，钻机脚手架平台应支撑在稳固的地基上。根据施工中不同的地质要求，及时调整钻孔施工方法，如土层采用“钻杆+薄壁岩芯管+三翼钎头”的钻具组合进行施工；破碎岩层采用“螺旋钻杆+潜孔冲击器+钻头”的钻具组合进行施工。钻孔先施钻奇数孔，待奇数孔注浆凝固后，再钻设偶数孔，两台钻机同时作业。管棚尾部2.0m范围内不设置注浆孔，其余部分按15cm间距梅花型设置注浆孔，孔径12mm。管棚注浆压力控制在0.5～2 MPa。注浆过程中注浆压力逐级缓慢提升。注浆浆液采用水泥单浆液，水灰比为0.8：1；当地下水较大采用水泥-水玻璃浆液。
        3.8隧道连拱段进洞施工
        隧道进口连拱段采用三导洞法施工，先开挖中导洞施做中隔墙，待中隔墙达到设计强度后在施工正洞；因右洞进洞段浅埋、偏压、又露拱，先行施工右洞，隧道右洞开挖时，必须做好中隔墙左侧空洞处的临时支护工作，临时支护采用回填级配碎石和C20混凝土组合的形式，在拆除中隔墙临时支护时，距离主洞掌子面10-20m范围内的临时支护不可拆除，以同样的工序及时施工左洞。
        连拱段施工工序为：1、中导洞超前支护→2、中导洞开挖支护→3、浇筑中隔墙→4、右导洞超前支护→5、右导洞开挖支护→6、右主洞超前支护→7、右主洞上台阶开挖支护→8、右主洞下台阶开挖支护→9、浇筑右洞仰拱衬砌→10、全断面模筑右洞二次衬砌→11、左导洞超前支护（右导洞掌子面超前左导洞掌子面30m后开挖施工）→12、左导洞开挖支护→13、左主洞超前支护→14、左主洞上台阶开挖支护→15、左主洞下台阶开挖支护→16、浇筑左洞仰拱衬砌→17、模筑左线主洞二次衬砌。

        图8 双连拱施工工序示意图
        3.9洞顶及护拱顶回填土
        明洞段二衬和洞门端墙施工完成后，及时进行洞顶及护拱顶回填，回填前应做好防水层和排水管施工。回填时，衬砌及护拱混凝土强度不小于设计强度的75%。回填料可利用洞渣或者水泥土回填，不得采用膨胀岩土，明洞两侧应对称分层夯实，分层厚度应小于0.3m，两侧回填高差应小于0.5m，回填土压实度应符合设计规范。
        3.10监控量测
        施工过程中，应根据《公路隧道施工技术规范》及设计要求，结合现场实际情况，重点进行高陡边仰坡地表位移和深层水平位移监测，通过对边仰坡监测地表位移最大偏移值0.8cm，深层位移值0.7cm，规范预警值为2.0cm，位移变化量均较小，边坡坡面未出现裂缝无其他异常，表明在此段监测期间内总体处于相对稳定状态。隧道需进行洞内外观察、浅埋地段地表位移量测、中导洞开挖后围岩周边收敛和拱顶下沉监测等，经现场实测值与规范值对比分析，实际变化量均在可控范围，无异常，满足规范和设计要求。在施工中及时反馈监测数值并采取相应技术措施分析，才能保证施工过程中边仰坡和隧道开挖安全稳定可控。
        4、结束语
        该隧道已顺利进洞，未出现任何安全、质量事故，采用该施工技术对山体扰动小，技术可靠、安全系数高，利用大边墙及护面墙，加强支护，既减少了对围岩的扰动，又充分利用支挡结构，减小了围岩的偏压受力，为地质复杂高陡边仰坡偏压双连拱隧道进洞施工提供了实践经验，经济效益和社会效益显著。
        该施工技术适用于隧道洞口段地形浅埋、偏压、露拱、且边坡陡峭的各类Ⅲ级、Ⅳ级，Ⅴ级围岩隧道。