1、复杂地质隧道免刷坡进洞施工技术【内容提要】本文借助珠藏洞隧道进口段施工主要分析了洞口护拱和支护受力、变形及地表沉降特征，采用抗滑混凝土钢管挡墙和护拱等措施，通过研究减少边、仰坡刷坡方量，减少圬工防护，使洞口段尽快形成的免刷坡进洞施工技术。 【关 键 词】免刷坡 进洞 施工 中图分类号：TU74 文献标识码： A 1.工程概况 1.1 隧道简介 珠藏洞隧道为分离式长隧道，位于十堰市房县榔口乡珠藏洞村境内，隧道轴线方向约 233，呈南东北西向展布。隧道左洞起讫桩号为ZK60+248ZK62+605,全长 2357 m，右洞起讫桩号为YK60+315YK62+605,全长 2290 m，属长隧道，隧
2、道最大埋深约 385 m。 隧道进口设计标高分别为左洞 269.332m，右洞 269.550 m；出口隧道设计标高分别为左洞 285.921 m，右洞 286.028 m。隧道右洞进口处于平曲线半径左洞 R=2700m 的左偏圆曲线上，右洞洞身及出口处于直线上，左洞处于直线上，隧道路基不设超高。隧道纵面线型左洞为 0.78%、-1.41%；右洞为 0.78%、-1.41%。 1.2 地质情况 1.2.1 地形地貌 隧址区属构造剥蚀侵蚀低中山区，地形起伏较大，植被较发育。隧道轴线经过地段地面高程约 280m692m，相对切割深度约 412m，最大埋深约约 385m。隧道进出口斜坡陡峭，基岩出露
3、。省道 305 于隧址区穿过。1.2.2 地质构造 由于南秦岭褶皱带向南逆掩，使这个褶皱带内形成一系列向北倾斜的逆断层，故各岩层间多以断层接触。这就是区域上称城口（四川）-（房县）-青峰-襄樊-广济断裂的一段，该断裂在隧址区形成数条高角度断层、破碎带及韧性剪切带。经调查，右规模不等的 3 条断层以大角度穿越隧道区，使隧道围岩局部变得较破碎，且已 EW 向为主，分别为 F7-2、F8-2、F9-2。该系列断层倾向为 34010，倾角一般为7090，断层内岩石局部破碎，发育碎裂岩及大量构造透镜体，透镜体大小不等，最大直径约 15m；该组断层大多表现明显多期构造，断层性质复杂；该系列断层一般破碎带宽
4、度 30200m，延伸长度一般大于2Km。 F7-2、F8-2 断层走向约 295，近直立，延伸长度大于 2Km，断层内岩石较破碎，右明显的碎裂岩化，断层带两侧岩体节理发育，纵横交错，不成组，故断层破碎带无明显界限，宽度约 100150m；该断层延伸至省道 S222 路边陡坎，破碎带清晰可见。 F9-2 走向约 296近直立，宽度约 100200m，延伸长度大于 2Km，岩层发生挤压变形，并有构造角砾岩及碎裂带，岩体完整性差，断层走向约 296，近直立，北盘岩性为震旦系白云岩，南盘出露岩性为奥陶系生物碎屑灰岩夹薄层页岩。 F7-2、F8-2、F9-2 断层均穿越隧道洞身，破碎带宽度较大，岩体破
5、碎，且可能发育有微小小型岩溶管道，对隧道影响较大。 2.施工重难点 由于珠藏洞隧道进口段边坡陡峭且岩石裸露，长时间受雨水等冲刷，风化严重，进口段临 S305 省道较近，进洞场地狭窄。如果采用传统的进洞施工方法，边、仰坡刷坡或拉槽土方量非常大，会增加防护圬工，劳动强度大、进洞速度慢、施工周期长、施工成本高；施工作业比较繁琐，隧道结构受力不合理，而且对坡体扰动大，施工安全隐患大；此外，造成 S305 省道受阻，且周围地表植被破坏严重，环境污染大。因此研究新的进洞施工工法是很有必要的。 3.S305 省道改扩 考虑现场施工所遇地段具体情况，并考虑到经入耐用及施工机械等均为重型机械，所以施工便道的承载
6、力要求相应较高，结合现场施工情况及需求，将从右洞 K60+300 处沿山体侧修建便道，便道长度 230 米，顺接到原 S305 省道老桥桥头附近，便道经过左洞洞口位置，待右洞进洞后，利用隧道弃渣将左洞洞口位置场地扩大，达到左洞进洞施工要求。在修筑此便道前须将原 S305 省道进行拓宽，保证当地百姓的正常通行。 4.免刷坡进洞施工技术 免刷坡进洞施工采用先施工临空面下导基础，浇筑 C25 混凝土抗滑挡墙，将临空面下导钢拱架预埋在挡墙中，混凝土高度埋到中导与上导拱架连接板位置。加强了临空面基础承载能力，采用抗滑混凝土钢管挡墙，使临空面明洞临空端起到抗滑作用，抵抗单压，形成不刷边、仰坡，上导早进洞的
7、快速施工方法。 4.1 免刷坡进洞施工工序 在隧道洞口两侧，开挖抗滑挡墙基础，打入钢管桩；将下导钢拱架间隔预支在抗滑挡墙基础内，浇筑混凝土作为抗滑挡墙；支设中导钢拱架，浇筑抗滑挡墙混凝土；掏槽开挖暗洞端的上导拱脚，支护上导钢拱架，与中导钢拱架形成环状；开挖上导拱脚槽，预留上导核心土；上导施工完后，开挖中导和下导，形成隧道三台阶法施工。 详见图 1：免刷坡进洞施工工艺流程图 图 1 免刷坡进洞施工工艺流程图 4.2 护拱施工 隧道进洞超前支护采用超前注浆小导管，为防止上部坡积体对洞口护拱的向外挤推作用，在洞口护拱施作之前，采用在隧道洞口设置抗滑桩挡墙的支护措施，并与护拱形成共同的受力结构。 4.
8、3 计算分析 我们对隧道免刷坡进洞施工过程力学效应进行三维数值模拟分析，对该结构支护受力、支护变形、地表沉降、仰坡稳定性等方面进行研究分析进行研究，验证结构设计方案的科学性和合理性。 4.3.1 模拟分析 根据铁路隧道设计规范等相关规范，围岩土体采用 Mohr-coulomb 理想弹塑性模型建立；超前小导管及其注浆体加固区域形成一个整体用以加固围岩，采用 shell 单元模拟；洞口护拱和初支混凝土采用实体弹性单元模拟。边界约束为前后左右边界施加相应方向的水平位移约束，下边界施加竖向位移约束，上边界为自由面。 4.3.2 施工步骤模拟 免刷坡进洞施工过程数值模拟步骤为:开挖下导临空段基础 浇筑
9、C25混凝土基础及施工挡土墙 预埋设置两侧钢架 回填开挖土体形成核心土 设置上台阶衬砌形成进洞条件 按照预留核心土施工工法进洞。 4.3.3 结果分析 4.3.3.1 支护受力分析 根据计算得出洞口护拱结构最大压应力为 2.04MPa，主要分布在与仰坡交接的右拱腰处，最大拉应力为 0.74MPa，主要分布在与仰坡交接处的拱顶处；由铁路隧道设计规范可知，C25 喷射混凝土基本可以满足洞口护拱及进洞后初支受力要求。 4.3.3.2 支护变形分析 根据计算结果得出进洞后暗挖段的初支位移均较小，拱顶最大沉降为 0.79cm，边墙最大水平位移为 0.54cm。对于暗挖段，由于洞口护拱对仰坡的保护作用及超
10、前注浆小导管的加固作用，隧道的开挖对仰坡土体的扰动较小，有效的减小了初支的位移。 4.3.3.3 地表沉降分析 提取隧道仰坡处地表位移，不同埋深处的地表位移曲线显示随着埋深的逐渐增加，地表沉降逐渐变小，最大地表沉降出现在埋深 10m 处，最大地表沉降值为 6.26mm，且沉降曲线呈不对称分布，左侧沉降由于地形影响，使施工对左侧影响区域变小。 4.3.3.4 仰坡稳定性分析 仰坡稳定是进洞施工的重中之重，故为确保该技术措施的可行性，须针对进洞之后的仰坡稳定性进行评价，应用强度折减法，计算进洞之前及进洞之后的仰坡安全系数，对改技术措施进行定量评价。 强度折减法就是通过对围岩的剪切强度代表值进行不断
11、的折减直到围岩达到极限破坏状态为止。下面以服从摩尔库仑准则的材料为例来阐述强度折减法的基本原理。令 w 为强度安全系数，折减后的围岩强度可以表示为： 根据上式可以得出：， 式中：-分别为黏聚力和黏聚力修正值； -分别为内摩擦角和内摩擦角修正值。 利用强度折减法计算其稳定性计算结果对比见表 1。 表 1 仰坡稳定性计算结果 计算工况 稳定系数（FOS） 稳定性评价 进洞前 2.2 稳定 进洞后 2.0 稳定 （1）进洞前后仰坡安全系数分别为 2.2、2.0，均大于建筑边坡工程技术规范规定的 1.3，仰坡稳定性符合安全要求； （2）进洞前后仰坡的滑移面位置基本一致，但是进洞后的滑移面范围更大，已经
12、发展至边坡位置，安全系数减小 15%，达到 2.0，但是依旧处于较为稳定的状态。 通过对进洞前后仰坡稳定性分析可知：该技术可以有效地防止隧道上方坡积体土体的向外挤出，确保明洞衬砌结构及仰坡的稳定，从数值分析结果验证了此进洞施工技术的有效性。 5.施工技术要求及控制措施 5.1 施工要点 测量放样，在隧道两侧测量出洞底标高； 在两侧开挖下导基础，按下导拱脚标高再下挖 2.0m，作为加强基础； 打设抗滑桩，在基础中打入 100mm、L=3.0m 钢管桩，间距 1m，梅花形布置，增强地基承载能力。将下导拱架按间距 0.5m 预支在洞门里程到开挖长度范围内； 浇筑 C25 混凝土基础，不需支立模板使混
13、凝土基础与山体形成整体； 预立下导钢拱架，将临空面下导钢拱架预埋在挡墙中，挡墙基础外侧收 0.5m，钢拱架内侧混凝土保护层 5cm，挡墙底宽 3m，外侧 1:0.25收坡，并预埋下 I16 导拱架，共 21 榀； 浇筑抗滑混凝土挡墙，混凝土挡墙高度浇筑到下导与中导拱架连接板位置。挡墙内外侧用土回填夯实，同时将核心土回填成型； 立中导临空段拱架与下导连接，支立两侧中导 21 榀与下导拱架连接，继续立模浇筑混凝土到上导与中导连接板位置，为上导拱架支立创造条件； 开挖上导拱脚槽，用挖掘机配合人工开挖上导拱脚槽，留核心土，循环进尺为一榀钢架间距 0.5m； 立上导与中导成环，先支护 3 榀共 1m，与
14、中导拱架形成环状； 支护喷锚成环，并及时挂网喷混凝土形成整体。当上导开挖支立拱架接触到坡面时施作超前小导管支护，小导管采用 42mm，L=6m，密排布设，直至形成上导进洞施工条件。 5.2 操作要点 上导进尺 21 榀（10m）完成后，开挖中导。中导每跟进 1 榀，上导同时进尺 1 榀。中导推进 5m 后开挖偏压端下导，形成三台阶施工； 抗滑桩打设时桩长的确定要打入硬土层，采用挖掘机配合人工作业； 上导拱脚要采用开槽的方法施工，以减少对坡体的扰动； 每次开挖控制在 1 榀拱架间距的长度，并及时封闭成环。 5.3 质量控制措施 逐级进行技术交底，交底到工班作业人员； 上导开挖时在满足作业空间和台
15、阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度控制在 35m，宽度宜为隧道开挖宽度的 1/31/2； 形成三台阶七步流水作业法后，施工严格控制开挖长度，合理确定循环进尺，每次开挖不得超过 1 榀拱架长，开挖后立即初喷 35cm 厚混凝土，封闭以减少围岩暴露时间。立架完成后及时挂网喷混凝土，使拱架及时封闭成环； 严格施作超前支护，控制好超前支护外插角，超前小导管注浆满足设计要求，保证上导在超前支护的保护下掘进； 隧道周边部分应预留 30cm 人工开挖，其余部分宜采用挖掘机开挖，不得超挖，减少围岩扰动； 钢拱架应严格按设计及规范要求加工制作和架设，钢拱架锁脚锚管外插角合理，注浆饱满，并焊接牢固。
16、6.小结 通过数值模拟，对洞口护拱和支护受力、变形及地表沉降进行分析，验证了免刷坡进洞施工的有效性，并通过现场试验段施工，总结了免刷坡进洞施工方法与工艺； 免刷坡进洞施工工法最大限度地解决了隧道进洞边、仰坡刷方量超大问题，与传统刷坡方法相比较能大大减少土侧压，减小边坡防护污工量，节约了成本，经济效益显著； 免刷坡进洞施工技术实用性强，施工工艺操作简便、机械投入少，适用范围广，技术可靠，具有很大的优越性，易推广使用；施工质量、安全有保证，对地表植被破坏小，甚至不破坏，环境污染小，环保、文明施工程度高，效果良好。 【参考文献】 1铁路隧道设计规范 （TB10003-2005） ，中国铁道出版社出版. 2铁路隧道辅助导坑技术规范(TBJ10109-95） ，中国铁道出版社出版. 3铁路隧道施工技术指南 （TZ204-2008） ，中国铁道出版社出版. 4胡壮志，蒋树屏. 环保型进洞方法前置洞口法J.公路交通技术，2005. 5王永安，蒋树屏. 公路隧道环保型洞口工法设计与施工J. 中南公路工程，2006. 6谷德振. 岩体工程地质力学基础M. 北京:科学出版社，1979.
