孫政

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引言

按照工程性質(zhì)劃分，隧道可分為橋梁隧道、公路隧道和鐵路隧道三類。以建設(shè)施工難易度評(píng)價(jià)，橋梁隧道的施工難度最大且最為復(fù)雜，其主要的特點(diǎn)表現(xiàn)為建設(shè)跨度大、結(jié)構(gòu)形式多樣、地理環(huán)境復(fù)雜等。隧道洞口工程作為整個(gè)項(xiàng)目的首要防護(hù)工程，是整個(gè)橋梁建設(shè)施工中要解決的主要難題。影響大跨度橋梁隧道洞口穩(wěn)定性的因素主要為地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和施工擾動(dòng)，其中地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響比較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較脆弱的施工主體很容易發(fā)生隧洞口坍塌[1]。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工安全事故發(fā)生頻率最高，因此，提出淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護(hù)技術(shù)研究。

1 淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

橋梁和隧道相接主要是指橋梁伸入隧道明洞，其是連接橋梁和隧道起點(diǎn)和終點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)采用橋梁隧道連接施工技術(shù)，可以有效減少隧道進(jìn)口的土石開(kāi)挖量，防止隧道進(jìn)口邊坡滑塌，有效提高了地對(duì)地的可靠性，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。由于橋梁隧道洞口圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較低，加之開(kāi)挖過(guò)程擾動(dòng)的影響，進(jìn)一步削弱了橋梁隧道洞口圍巖的穩(wěn)定性，導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)非常大的沉降，在淺埋黏土層進(jìn)行大跨度隧道施工時(shí)，需要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇針對(duì)性的施工技術(shù)，確保施工安全和質(zhì)量。

淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工主要是指隧洞口的支護(hù)施工項(xiàng)目，支護(hù)施工中依據(jù)隧洞口的地質(zhì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，通常采用超前導(dǎo)管支護(hù)方式進(jìn)行洞口防護(hù)。過(guò)程中需要將導(dǎo)管打入設(shè)計(jì)巖層位置，再進(jìn)行混凝土注漿作業(yè)，待注漿區(qū)域凝結(jié)完成后，即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以確定注漿區(qū)域強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，繼而進(jìn)行后續(xù)的洞口基礎(chǔ)加固作業(yè)。從整體施工技術(shù)應(yīng)用、施工進(jìn)度、施工造價(jià)及安全性方面分析，該技術(shù)應(yīng)用效果較好，為工程后期施工建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

1.1 劃分施工防護(hù)區(qū)

由于隧道屬于雙層非分離結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且開(kāi)挖截面也非常高，在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)洞口圍巖造成明顯擾動(dòng)，使隧道頂板出現(xiàn)沉降。淺埋黏土層區(qū)域穩(wěn)定性比較差，如果開(kāi)挖速度過(guò)快，則會(huì)加速巷道頂板的沉降速度，加大隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)。橋梁隧道洞口地表植被數(shù)量不多，雨季施工時(shí)，雨水會(huì)快速滲透淺埋黏土層，隨著雨水滲透到隧道襯砌結(jié)構(gòu)位置，則會(huì)加速襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕速度[2]。

大跨度橋梁隧道洞口施工防護(hù)的目的是抵擋洞口兩側(cè)邊坡荷載應(yīng)力，防止洞口兩側(cè)邊坡巖土下滑而發(fā)生隧洞坍塌，但并不是所有施工區(qū)域都需要進(jìn)行防護(hù)。為提高技術(shù)防護(hù)效果，首先需要確定大跨度橋梁隧道洞口的施工防護(hù)區(qū)，為后續(xù)防滑柱安裝定位提供依據(jù)。對(duì)于施工防護(hù)區(qū)的劃分，以荷載應(yīng)力大于允許應(yīng)力為準(zhǔn)，因此需要對(duì)大跨度橋梁隧道洞口進(jìn)行多個(gè)施工區(qū)域的劃分，對(duì)每個(gè)區(qū)域的允許應(yīng)力和施工荷載應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析[3]。當(dāng)在橋梁隧道洞口前淺埋黏土層內(nèi)開(kāi)挖施工后，橋梁隧道洞口圍巖的應(yīng)力得到重新分布。為深入了解橋梁隧道洞口圍巖應(yīng)力分布情況，在此引入應(yīng)力集中系數(shù)概念，該系數(shù)為橋梁隧道洞口開(kāi)挖施工后某一點(diǎn)的應(yīng)力值與施工前該點(diǎn)應(yīng)力值的比值，利用該系數(shù)反映大跨度橋梁隧道洞口施工前后荷載應(yīng)力變化參數(shù)范圍，系數(shù)越大表示荷載應(yīng)力越大，大跨度橋梁隧道洞口圍巖應(yīng)力分布越不均勻，假設(shè)從大跨度橋梁隧道洞口中心到應(yīng)力影響范圍邊線的距離為荷載應(yīng)力半徑K，洞口應(yīng)力變化狀態(tài)是在無(wú)線平板中的圓孔，根據(jù)彈性理論分析，得出淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工荷載應(yīng)力計(jì)算公式為：

式（1）中：σ1為淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工荷載應(yīng)力；k為應(yīng)力集中系數(shù)；c為大跨度橋梁隧道洞口圍巖的切向應(yīng)力；r為大跨度橋梁隧道洞口圍巖垂直方向的原巖應(yīng)力；e為大跨度橋梁隧道洞口圍巖水平方向的原巖應(yīng)力；w為洞口圍巖施工側(cè)壓系數(shù)；β為大跨度橋梁隧道洞口從水平角算起順時(shí)針?lè)较蚺c水平方向應(yīng)力的夾角；x為大跨度橋梁隧道洞口高度與寬度比值；α為大跨度橋梁隧道洞口水平軸與水平方向應(yīng)力的夾角[4]。在未受到施工干擾或其他因素影響之前，大跨度橋梁隧道洞口圍巖具有一定的支撐力和抗滑力。因此，洞口自身有一個(gè)允許應(yīng)力，該允許應(yīng)力隨著淺埋黏土層挖深增加而逐漸減小，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，大跨度橋梁隧道洞口允許應(yīng)力為：

式（2）中：σ2為淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口允許應(yīng)力；h為洞口淺埋黏土層挖深；q為洞口淺埋黏土層挖寬；m為洞口淺埋黏土層深度；g為洞口圍巖重力；γ為洞口邊坡坡度；a為洞口圍巖內(nèi)摩擦力；b為洞口圍巖厚度[5]。利用以上兩個(gè)公式計(jì)算得出洞口各區(qū)域的荷載應(yīng)力和允許應(yīng)力。正常情況下，大跨度橋梁隧道洞口圍巖應(yīng)力變化范圍是無(wú)限的。如果荷載應(yīng)力沒(méi)有超出允許應(yīng)力的1.5%，則在施工過(guò)程中該區(qū)域不會(huì)發(fā)生變化；如果超出允許應(yīng)力的1.5%，該區(qū)域在施工過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，需要進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)施工，按照該判斷準(zhǔn)則再劃分具體的施工防護(hù)區(qū)域。

1.2 防護(hù)區(qū)防滑柱設(shè)計(jì)與安裝

施工過(guò)程中因受內(nèi)部因素與外部因素的影響，橋梁隧道洞口的巖土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變，從而對(duì)洞口的應(yīng)力也造成影響，如果橋梁隧道洞口巖土支撐強(qiáng)度小于洞口應(yīng)力的變化范圍，即荷載應(yīng)力大于允許應(yīng)力，就會(huì)影響大跨度橋隧道洞口的穩(wěn)定性，嚴(yán)重威脅橋梁隧道洞口施工安全。

在施工防護(hù)區(qū)域設(shè)計(jì)安裝防滑柱，其作用是支撐橋梁隧道洞口并阻擋兩側(cè)邊坡的土體下滑，一般在安裝之前需要根據(jù)實(shí)際情況和各類參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。其中，防護(hù)區(qū)的荷載應(yīng)力值實(shí)際應(yīng)為防滑柱的抗壓強(qiáng)度值，防滑柱制作材料一般為混凝土，需要根據(jù)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)算，以確定防滑柱的截面面積，其計(jì)算公式為：

式（3）中：u為混凝土彈性模量；f為防滑柱截面面積；o為防滑柱中混凝土的抗剪強(qiáng)度；n為防滑柱中混凝土的孔隙率；ω為防滑柱中混凝土密度[4]。根據(jù)計(jì)算的截面面積確定防滑柱柱體寬度，其計(jì)算公式為：

式（4）中：ρ為防滑柱柱體寬度；υ為大跨度橋梁隧道洞口施工防護(hù)點(diǎn)到水平地面的距離。防滑柱的安裝施工采用鉆孔工藝，在規(guī)劃的防護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行逐一鉆孔。鉆機(jī)采用遞進(jìn)式自動(dòng)鉆機(jī)，要求提前設(shè)定鉆進(jìn)速度、鉆孔半徑、鉆進(jìn)壓力、鉆孔深度等參數(shù)。鉆孔的深度為防滑柱埋設(shè)的深度，該參數(shù)值不能小于防滑柱長(zhǎng)度的1/4，同時(shí)不能超過(guò)防滑柱長(zhǎng)度的1/3，否則會(huì)影響支擋效果[6]。然后在鉆孔內(nèi)灌注水泥砂漿，將制作好的防滑柱插入鉆孔內(nèi)，利用水泥砂漿將防滑柱進(jìn)行固定，再將其打入淺埋黏土層基巖以下位置，待達(dá)到埋設(shè)深度后即可對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔。

1.3 超前排水施工技術(shù)

淺埋層區(qū)域土壤含水量相對(duì)較高，會(huì)導(dǎo)致橋隧圍巖的穩(wěn)定性降低。為提升隧道開(kāi)挖效率，施工中擬采用超前排水技術(shù)將相關(guān)區(qū)域內(nèi)的積水及時(shí)排除，以提升橋梁隧道洞口圍巖的穩(wěn)固性，避免在隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖受到擾動(dòng)而發(fā)生頂板沉降量過(guò)大甚至出現(xiàn)塌方險(xiǎn)情。淺埋黏土層區(qū)域的滲透系數(shù)相對(duì)較大，一旦進(jìn)行開(kāi)挖，雨水容易通過(guò)黏土層滲透到隧道巷中，可以采取開(kāi)挖時(shí)先對(duì)邊線兩側(cè)部位進(jìn)行開(kāi)挖，通過(guò)設(shè)置止水帷幕有效阻止積水涌入隧道中；在淺埋層區(qū)域設(shè)置排水設(shè)施并科學(xué)設(shè)置排水坡度，將黏土層中的積水主動(dòng)引導(dǎo)到外部，降低黏土層中的積水。實(shí)踐表明，通過(guò)預(yù)埋管道方式排除黏土層中的積水，是提升大跨度橋梁隧道洞口施工質(zhì)量的重要措施。

1.4 洞口預(yù)應(yīng)力錨索錨固

為提高防滑柱的穩(wěn)定性和支擋性，需要對(duì)安裝好的防滑柱進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索錨固，以加強(qiáng)防滑柱與洞口圍巖之間的有效串聯(lián)，并在其基礎(chǔ)上實(shí)施張拉，以增強(qiáng)大跨度橋梁隧道洞口切面相應(yīng)的摩阻力。防滑柱與橋梁隧道洞口頂部接觸部位為錨索錨固位置（見(jiàn)圖1）。

如圖1所示，對(duì)洞口防滑柱錨索錨固和主要原理是借助鉆孔在防滑柱身進(jìn)行斜插鉆孔，鉆孔需要穿過(guò)防滑柱與洞口圍巖，鉆進(jìn)角度設(shè)定為35～45°，鉆進(jìn)深度根據(jù)實(shí)際情況確定，在鉆孔內(nèi)下錨，錨索由中心支架、鋼絞線、波紋管、灌漿管以及隔離架組成。下錨后利用鋼絞線對(duì)錨索進(jìn)行張拉，在張拉過(guò)程中錨索會(huì)呈現(xiàn)出回縮，回縮量約為3～4mm，根據(jù)鋼絞線伸縮理論確定錨索張拉力，其計(jì)算公式為：

圖1 洞口預(yù)應(yīng)力錨索錨固示意圖

式（5）中：ΔL為錨索張拉力；P為鋼絞線自由段長(zhǎng)度；E為鋼絞線彈性模量；S為鋼絞線截面面積[7]。根據(jù)錨索張拉力期望值，控制在錨索張拉過(guò)程中鋼絞線自由段長(zhǎng)度。錨索拉張完成后，即可在灌漿管內(nèi)注入水泥砂漿并進(jìn)行封孔作業(yè)，從而起到施工防護(hù)效果。

2 試驗(yàn)論證分析

本試驗(yàn)以某大跨度橋梁隧道洞口施工項(xiàng)目為對(duì)象，該項(xiàng)目隧道最大埋深為175m，隧道長(zhǎng)度為2 500m，橋梁跨度為350m，橋梁隧道洞口出口段為淺埋黏土層，埋層約為11～15m，主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土和含黏性土碎石組成，顏色為灰黃色，巖土完整性比較差，隧道洞口施工較容易發(fā)生坍塌事故。試驗(yàn)利用本設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)該項(xiàng)目隧道洞口施工進(jìn)行防護(hù)，試驗(yàn)中劃分15個(gè)防護(hù)區(qū)，共安裝了15個(gè)防滑柱。防滑柱高度為1.56m，寬度為0.25m，錨固張拉力為26.14N，鋼絞線自由段長(zhǎng)度為15mm。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行防護(hù)后，利用IYGY軟件[8]，根據(jù)各施工階段的實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算施工安全系數(shù)，并利用電子表格對(duì)其進(jìn)行記錄，得出當(dāng)施工安全系數(shù)越高時(shí)，表示其防護(hù)技術(shù)應(yīng)用的效果越好，并將其作為檢驗(yàn)兩種技術(shù)實(shí)施效果的參考指標(biāo)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種技術(shù)應(yīng)用下施工安全系數(shù)對(duì)比

由表1可知，應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)后大跨度橋梁隧道洞口施工各階段安全系數(shù)均比較高，最小安全系數(shù)為0.958，平均值為0.975，滿足該項(xiàng)目施工安全控制要求。應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)后大跨度橋梁隧道洞口施工各個(gè)階段安全系數(shù)均比較低，最大安全系數(shù)僅為0.574，不僅低于設(shè)計(jì)系數(shù)，而且也沒(méi)有達(dá)到該項(xiàng)目施工安全要求。因此，試驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)技術(shù)安全防護(hù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，在淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工中具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交通設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)不斷完善，橋隧工程已經(jīng)成為交通建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文根據(jù)施工防護(hù)需求，提出了一個(gè)新的淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護(hù)思路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，對(duì)提高淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口的施工防護(hù)技術(shù)水平，降低橋梁隧道洞口施工安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，可以為其他橋梁隧道洞口施工防護(hù)提供參考。