唐能、劉志義、蘇一波、崔盛站、夏黎黎

（1.云南楚姚高速公路有限公司，云南 楚雄 675000；2.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司，云南 昆明 650032）

0 引言

在高速公路隧道工程施工中,淺埋、偏壓及軟弱圍巖隧道施工中產(chǎn)生的問(wèn)題越來(lái)越突出，因此，有效分析和研判隧道周邊環(huán)境及實(shí)際地質(zhì)狀況，制訂有針對(duì)性的施工技術(shù)方案并根據(jù)具體動(dòng)態(tài)信息不斷進(jìn)行方案調(diào)整，以滿(mǎn)足工程需要就顯得尤為重要和關(guān)鍵。在這樣的背景下，本文對(duì)隧道淺埋、偏壓及軟弱圍巖的研判和相應(yīng)的解決方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

大坡隧道隸屬于楚雄至大姚高速公路，位于楚雄州牟定縣凹菠蘿村及中屯村內(nèi)，以侵蝕地形為主，土質(zhì)主要以黃色粉質(zhì)黏土為主，自穩(wěn)性極差。

出口端左幅為V 級(jí)圍巖，淺埋段，發(fā)生過(guò)兩次重大塌方，表層覆蓋層薄弱且均為堆積土，沒(méi)有任何自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，隧道初期支護(hù)承受整個(gè)土體的垂直壓力，隧道開(kāi)挖斷面較大（三車(chē)道）。第二次進(jìn)洞時(shí)采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，該方法不適用于該段特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析、施工經(jīng)驗(yàn)等總結(jié)選取更好的開(kāi)挖方法迫在眉睫。

2 洞口段淺埋、偏壓圍巖壓力計(jì)算

2.1 洞口偏壓情況

偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算設(shè)定偏壓分布圖（見(jiàn)圖1）與地表坡面一致，則垂直壓力總值Q為：

式（1）中：h、h'為內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度（m）；γ為隧道上覆圍巖重度（kN/m3）；B為隧道跨度（m）；θ為頂板土柱兩側(cè)摩擦角（°），參考表1 選?。沪?、λ'為內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)。

表1 各級(jí)圍巖的θ 值

λ、λ'按下式（2）（3）計(jì)算：

式（2）～式（5）中：α為地面坡坡腳（°）；?c為圍巖計(jì)算摩擦角（°）；β、β'為內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角（°）。

偏壓隧道水平側(cè)壓力的計(jì)算如公式（6）所示：

式（6）、式（7）中：hi'、λ'為內(nèi)、外側(cè)任意一點(diǎn)i至地面的距離（m）。

2.2 淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算

在隧道開(kāi)挖后，圍巖的坍塌并不延伸到地表，即使不加支護(hù)，圍巖的坍塌也是有限度的。當(dāng)這種坍塌使洞室形狀改變到一定程度后不再發(fā)展，而在圍巖中建立起新的平衡。也就是說(shuō)，隧道開(kāi)挖后圍巖力學(xué)形態(tài)將經(jīng)歷“平衡——變形、破壞、坍塌——應(yīng)力重新分布——新的平衡”的過(guò)程，這種過(guò)程最終形成人們所熟知的“平衡拱”（見(jiàn)圖2）。隧道上方的部分巖體承受著整個(gè)巖體以上的重力，根據(jù)荷載的具體分布及力的相互作用形成一個(gè)如同拱一樣的承載環(huán)，并將荷載重力側(cè)向傳遞下去，這就是圍巖的成拱作用。

圖2 平衡拱

式（8）中：h為平衡拱高度（m）；b為隧道跨度的一半（m）；fup為圍巖堅(jiān)固性系數(shù)。

我國(guó)現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范采用各級(jí)圍巖坍塌高度的經(jīng)驗(yàn)公式（9）如下：

式（9）中：S為圍巖級(jí)別；B為隧道寬度（m）；i為圍巖壓力的增減率；以B=5m 的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B小于5m 時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B大于5m 時(shí)，取i=0.1。因此，大坡隧道出口左幅的平衡拱高度為16m。

淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。其判定如式（10）所示：

式（10）中：Hp為淺埋隧道分界深度（m）；hq為荷載等效高度，算出的深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；γ 為圍巖重度。在礦山法施工的條件下，Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖取Hp=2.5hq。因此，大坡隧道出口左幅淺埋隧道分界深度Hp=40m，荷載等效高度hq=h=16m。由于大坡隧道左幅出口段埋深平均為12m，因此埋深H小于荷載等效深度hq，此時(shí)荷載視為垂直均布?jí)毫?，按公式?1）計(jì)算：

式（11）中：q為垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；γ 為隧道上覆圍巖重度（kN/m2）；H為隧道埋深（m），指坑頂至地面的距離。

大坡隧道出口左幅埋深等于荷載等效高度時(shí)，垂直均布?jí)毫τ?jì)算得q=320kN/m2，側(cè)向均布?jí)毫閑=0.5q=160kN/m2；偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算得隧道垂直壓力總值Q=1822.5kN/m2，偏壓隧道水平側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果為內(nèi)側(cè)ei=106kN/m2，外側(cè)ei'=108kN/m2。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出,大坡隧道出口左幅洞口淺埋段隧道垂直壓力較大，存在偏壓現(xiàn)象[1-2]。

3 施工方法選定

大坡隧道出口淺埋段經(jīng)過(guò)實(shí)地考察及垂直土壓力荷載計(jì)算，最終研究決定采用中隔墻法（CRD）進(jìn)行施工。雖然總體施工斷面較密，大大增加了圍巖的持續(xù)擾動(dòng)次數(shù)，且初支全斷面閉合的時(shí)間延長(zhǎng)，但各施工區(qū)塊開(kāi)挖后立即各自閉合，所以在整個(gè)施工期間變形幾乎不發(fā)展，能夠得到有效控制[3]。

4 中隔墻施工工法

4.1 工法介紹

大坡隧道出口左幅CRD 法施工分上下兩層、左右兩側(cè)共4 步施工。先進(jìn)行左側(cè)上導(dǎo)坑的開(kāi)挖及支護(hù)，同時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)施工；左側(cè)上導(dǎo)坑進(jìn)尺3m 后，開(kāi)始進(jìn)行右側(cè)上導(dǎo)坑的開(kāi)挖及初支施工，同時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)施工；右側(cè)上導(dǎo)坑進(jìn)尺10～15m 時(shí)，左側(cè)中、下導(dǎo)坑進(jìn)行開(kāi)挖及初支施工；左側(cè)中、下導(dǎo)坑進(jìn)尺3m 時(shí)，進(jìn)行開(kāi)挖和初支右中、下導(dǎo)坑施工，形成豎向中隔壁與橫向臨時(shí)仰拱支撐的網(wǎng)格狀支護(hù)系統(tǒng)。最后把左右兩側(cè)中隔墻支撐澆筑到仰拱及填充中，拆除臨時(shí)支撐施作二襯[4]。

4.2 施工步驟

CRD 法施工步驟見(jiàn)圖3。

圖3 CRD 法施工步驟平面圖

4.3 開(kāi)挖工藝流程及操作要點(diǎn)

隧道CRD 法開(kāi)挖施工流程，見(jiàn)圖4。

圖4 隧道CRD 法開(kāi)挖施工流程圖

4.4 洞身開(kāi)挖

洞身開(kāi)挖應(yīng)注意超欠挖等問(wèn)題，原則上不應(yīng)欠挖，也不宜超挖太多，當(dāng)圍巖石質(zhì)堅(jiān)硬、完整時(shí)，允許個(gè)別巖石突出部分侵入襯砌。拱腳和墻腳開(kāi)挖時(shí)要求更加嚴(yán)格，該處1m 范圍內(nèi)嚴(yán)禁欠挖。

4.5 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管長(zhǎng)4.5m，外徑42mm，壁厚3.5mm 熱軋鋼花管；V 級(jí)圍巖環(huán)向間距30cm，縱向前后相鄰兩排小導(dǎo)管水平投影搭接長(zhǎng)度不小于150mm；外插角5～10°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整；1∶1 水泥漿、滲水位置采用雙液漿；拱部120°范圍。

4.6 鋼架施工

鋼架加工完成后進(jìn)行試拼，無(wú)扭曲錯(cuò)位現(xiàn)象，拼裝偏差為±5cm，平面翹曲度控制為2cm。在開(kāi)挖或初噴混凝土后及時(shí)架設(shè)鋼架。安裝前要清除底部及周邊虛渣與雜物，底腳要置于牢固的基礎(chǔ)上，鋼架架身要盡量密貼圍巖并與錨桿焊接牢固。拱腳設(shè)置長(zhǎng)度不小于4.5m 的φ42×4mm 鎖腳小導(dǎo)管，針對(duì)特殊地質(zhì)環(huán)境應(yīng)增加鎖腳小導(dǎo)管數(shù)量；應(yīng)注意鋼架的受力，下半部開(kāi)挖后及時(shí)落底接長(zhǎng)，封閉成環(huán)。

4.7 錨桿施工

中空錨桿施工前應(yīng)檢查錨桿是否有異物堵塞，確保中空錨桿桿體順直、排氣管通暢；錨桿孔的孔徑、力學(xué)性能是否符合設(shè)計(jì)要求；錨桿插入孔的中心，入孔長(zhǎng)度不得小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%。

4.8 鋼筋網(wǎng)施工

鋼筋網(wǎng)采用φ8 鋼筋15cm×15cm；在初噴4cm 混凝土后鋪掛鋼筋網(wǎng)片，使鋼筋網(wǎng)片與噴射混凝土形成一體，且鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土保護(hù)層的厚度不小于2cm。鋼筋網(wǎng)施工要緊貼開(kāi)挖巖面，有效搭接長(zhǎng)度為1～2 個(gè)網(wǎng)格，相鄰網(wǎng)片采用焊接連接，并與錨桿、鋼架或其他固定裝置焊接牢固。保證鋼筋網(wǎng)噴混凝土保護(hù)層厚度不小于3cm。

4.9 噴射混凝土施工

噴射混凝土要嚴(yán)格按照中心試驗(yàn)室及相關(guān)試驗(yàn)要求的噴射混凝土配合比，施工噴射混凝土厚度按照設(shè)計(jì)要求、圍巖級(jí)別進(jìn)行控制；施工原材料進(jìn)行電子計(jì)量配料，嚴(yán)格按配合比，攪拌時(shí)間不少于2min。

4.10 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)主要內(nèi)容：洞內(nèi)、洞外沉降觀測(cè)，地表沉降觀察，拱頂下沉量測(cè)、凈空收斂量測(cè)，洞口段沉降觀測(cè)。需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)資料進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)整理和反饋監(jiān)測(cè)信息成果，為動(dòng)態(tài)施工提供基本依據(jù)[5]。

5 中隔墻拆除

5.1 臨時(shí)支撐拆除的施工條件

當(dāng)CRD 法施工各部開(kāi)挖支護(hù)、仰拱填充完成后，進(jìn)行洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，以便及時(shí)關(guān)注拱頂沉降情況，觀測(cè)初期支護(hù)體系封閉成環(huán)后的變形情況，經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)沉降變形在正常范圍內(nèi)，方可拆除臨時(shí)支撐鋼架。

5.2 臨時(shí)支撐拆除的施工步驟

拆除鋼架具體步驟如下（見(jiàn)圖5）：

圖5 臨時(shí)支撐拆除示意圖

一是拆除1 部位臨時(shí)仰拱；二是拆除2 部位臨時(shí)仰拱；三是拆除3 部位臨時(shí)仰拱；四是拆除4 部位中支撐；五是拆除5 部位中支撐。

5.3 臨時(shí)支撐拆除施工要點(diǎn)

為確保安全，在拆除臨時(shí)支撐前，先選取洞口大管棚段5m 進(jìn)行拆除試驗(yàn)。

采取隔3 拆1 的方法，在中支撐鋼架頂部切開(kāi)2～3cm，及時(shí)監(jiān)測(cè)，并分析數(shù)據(jù)，觀察隧道變形量和變形速率。若隧道變形量和變形速率在允許范圍內(nèi)時(shí)，則采取隔1 拆1 的方法，同樣需要及時(shí)觀測(cè)隧道變形量和變形速率，嚴(yán)禁連續(xù)切開(kāi)鋼架。分析監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，變形穩(wěn)定后，確定隧道初支的穩(wěn)定性。鑿除噴射混凝土過(guò)程中應(yīng)做好安全防護(hù)，作業(yè)區(qū)前后設(shè)相關(guān)標(biāo)示標(biāo)牌，并安排專(zhuān)人值班。應(yīng)自上而下逐榀鋼架進(jìn)行鑿除，下方嚴(yán)禁行人、機(jī)械通過(guò)。

采用裝載機(jī)配合拆除臨時(shí)仰拱時(shí)，先抬起裝載機(jī)料斗端住臨時(shí)仰拱鋼架，切開(kāi)連接筋，去掉與各支護(hù)的螺栓連接，切開(kāi)焊接處后，用裝載機(jī)抬走鋼架。拆除中支撐時(shí)應(yīng)注意前后的連接關(guān)系，利用下一榀中支撐鋼架，采用繩索固定該中支撐鋼架上部和下部，然后去掉與初支的連接螺栓，切斷該鋼架的所有連接筋。先放松上部連接繩索，慢慢放倒鋼架，放倒后，解除上部、下部繩索。

鋼架拆除過(guò)程中，應(yīng)注意拱頂?shù)淖冃吻闆r，發(fā)現(xiàn)拱頂異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)暫停拆除，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行臨時(shí)支撐的加固。出現(xiàn)特殊情況時(shí)，即刻拉動(dòng)警報(bào)，及時(shí)通知洞內(nèi)人員撤出。

6 結(jié)語(yǔ)

洞口段是隧道的喉結(jié)，施工前要做好充分調(diào)查，全面考慮，確定合理的施工方案，利用巖體力學(xué)的理論與方法，充分發(fā)揮隧道圍巖的承載能力，合理地設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖與支護(hù)共同承載，變傳統(tǒng)礦山施工法的被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，達(dá)到隧道少支護(hù)的目的。該項(xiàng)目淺埋、偏壓及軟弱圍巖隧道施工中出現(xiàn)的有關(guān)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)各方的研究和處理，對(duì)其他類(lèi)似隧道具有一定參考意義。