超大断面隧道在坡积碎石土中的成洞技术

吴学智，张少辉，刘庆舒

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

超大断面隧道在坡积碎石土中的成洞技术

吴学智，张少辉，刘庆舒

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

文章依据新奥法原理，提出超大断面隧道在Ⅴ～Ⅵ级围岩（坡积碎石土）中通过改善岩土体结构、利用隧道岩土体拱效应及强支护形成组合效应的设计指导思想，并以两河口水电站305号公路隧道出洞口段通过较松散坡积碎石土的设计施工实例，以图文并茂的方式介绍了小导管注浆改善和提高岩土体的自承能力、超大断面隧道在较松散坡积碎石土中成洞技术的成功经验，重视理论与实践相结合，对解决类似工程问题具有借鉴意义和参考价值。

超大断面；碎石土；注浆小导管；组合支护；拱效应

0 引 言

隧道新奥法设计施工的核心在于将围岩作为承载结构，与衬砌结构一起承受荷载。喷射混凝土、锚杆等起加固围岩的作用，提高围岩的自身强度，通过监控量测，实现动态信息化设计和施工，有效地调节围岩变形，以最大限度地发挥围岩的自承能力［1］。

Ⅴ～Ⅵ级较松散岩土体自稳能力差，需通过改善较松散岩土体结构使隧道围岩具有一定自稳能力，才能将围岩作为承载结构，按新奥法原理在隧道设计施工中考虑与衬砌结构共同承载。

本文以两河口水电站（305号公路）隧道出口坡积碎石土段为研究对象，研究碎石土中的隧道设计支护参数和施工成洞技术。在充分理解新奥法原理的基础上，凭多年处理隧道洞口坡积碎石土的施工及设计经验，以改善岩土体结构、利用隧道岩土体拱效应及强支护形成组合效应为设计指导思想，以变形观测及监测资料为判断依据，量化支护参数，选择合理的施工方法，动态设计，利用短、频、快的注浆小导管解决超大断面隧道在较松散坡积碎石土中的成洞难题，并以图文并茂的方式展示设计施工情况。

1 工程概况

305号公路是两河口水电站左岸大坝上游2 725 m高程填筑施工的干线运输通道，受地形地质条件和电站枢纽布置制约，规划布置为1 100 m长隧道连接3号公路和大坝上游2 725 m高程，隧道设计为单洞双向交通隧道，建筑限界12.5 m×5.0 m。

305号公路受地形地质条件、电站枢纽布置和场内施工布置制约，隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段需穿越坡积碎石土层，且隧道顶6 m及24 m处为同期实施高线道路的唯一施工便道。

2 洞口段预设计

305号公路隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段为坡积碎石土，考虑同期实施高线道路的唯一施工材料进入便道（隧道洞口上，无改线调整条件）通行要求，隧道设计利用坡积碎石土进洞。

隧道洞口设计：考虑清除表层松散碎石土利用稍密实坡积碎石土开挖隧道洞口边仰坡；隧道洞口边仰坡采用挂网喷锚支护，全坡面按2 m间排距布设砂浆锚杆（Φ22、L＝4.5 m），挂Φ8单层钢筋网（间排距20 cm），喷C20混凝土厚12 cm。

隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段采用Ⅴ级加强支护。初期支护参数：隧道拱部120°范围内按环向间距35 cm、纵向间距240 cm设超前注浆小导管（Φ42×4、L＝4.5 m）；隧道拱墙按环向间距120 cm、纵向间距60 cm梅花形布设系统砂浆锚杆（Φ22、L＝4.0m）；隧道纵向按60 cm间距设HW 150×150型钢钢架，每榀钢架设8根锁脚锚杆（Φ22、L＝4.0 m）；隧道拱墙挂Φ8钢筋网（间排距20 cm）、喷C20混凝土厚24cm。隧道二次衬砌结构参数：隧道拱墙及仰拱均采用C25钢筋混凝土衬砌；拱墙厚度75 cm，仰拱厚度70 cm（见图1）。

图1 预设计衬砌结构示意

3 洞口段修改设计

305号公路隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段坡积碎石土表层松散，隧道顶6 m处的高线道路施工便道（无改线调整条件）位于松散碎石土上，且隧道洞口上方松散碎石土层不清理对下部的隧道施工构成极大的安全威胁，综合考虑高线道路施工材料储备、施工便道短期断道要求，实施采用全面清除洞口上方表层松散碎石土，隧道洞门桩号从K1＋100.00 m调整为K1＋094.00 m。K1＋094.00～K1＋082.00 m段结合隧道洞口边仰坡开挖采用明洞施工，快速开挖、现浇钢筋混凝土明洞、恢复高线道路施工便道；K1＋082.00～K1＋067.00 m段采用隧道施工。

（1）隧道洞口边仰坡：隧道洞口边仰坡开挖揭示坡积碎石土为分层结构，表层松散，部分中间层架空、松散，常规水泥砂浆锚杆成孔困难。隧道洞口边仰坡水泥砂浆锚杆（Φ22、长4.5 m）均调整为Φ25自进式中空注浆锚杆（L＝4.0 m）；隧道洞口边仰坡开挖至下部时，边坡中下部出现喷混凝土开裂，根据监测分析为架空、松散层变形所致，通过沿开裂坡面纵向增设2排间距2 m的自进式中空注浆锚杆（Φ25、L＝4.0 m）加固后，坡面变形收敛。

（2）隧道洞口K1＋082.00～K1＋074.00 m段初期支护：隧道洞口原设计采用Ⅴ级加强支护，隧道洞口边仰坡开挖揭示坡积碎石土为分层结构，坡积碎石土在隧道上部存在架空、松散层，局部潮湿夹泥，综合评价为Ⅴ～Ⅵ级围岩，因此隧道洞口K1＋100.00～K1＋067.00 m段需加强初期支护。隧道拱部120°范围超前注浆小导管（Φ42×4、L＝4.5 m）纵向间距240 cm调整为150 cm，并按环向间距70 cm、纵向间距50 cm增设超前向上向外插45°的固结注浆小导管（Φ42×4、L＝3.0 m）；HW 150× 150型钢钢架间距调整为50 cm，每榀钢架原设8根锁脚锚杆（Φ22、L＝4.0 m）调整为每榀钢架设12根固结注浆锁脚小导管（Φ42×4、L＝4.5 m），钢架底部增设［25a纵向连接槽钢；系统砂浆锚杆（Φ22、L＝4.0 m）均调整为Φ25自进式中空注浆锚杆（L＝4.0 m），在隧道拱墙按环向间距70 cm、纵向间距50 cm布置；隧道拱墙挂Φ8钢筋网（间排距20 cm）、喷C20混凝土厚24 cm。

（3）隧道洞口K1＋074.00～K1＋067.00 m段初期支护：隧道围岩仍为坡积碎石土分层结构，坡积碎石土在隧道上部存在架空、松散层，综合评价为Ⅴ级偏弱围岩，因此隧道洞口K1＋074.00～K1＋067.00 m段需加强初期支护。隧道拱部120°范围超前注浆小导管（Φ42×4、L＝4.5 m）纵向间距240 cm调整为200 cm，并按环向间距100 cm、纵向间距70 cm增设超前向上向外插45°的固结注浆小导管（Φ42×4、L＝3.0 m）；HW 150×150型钢钢架间距调整为70 cm，每榀钢架原设8根锁脚锚杆（Φ22、L＝4.0 m）调整为每榀钢架设12根固结注浆锁脚小导管（Φ42×4、L＝4.5 m），钢架底部增设［25a纵向连接槽钢；系统砂浆锚杆（Φ22、L＝4.0m）均调整为Φ25自进式中空注浆锚杆（L＝4.0 m），隧道拱墙按环向间距100 cm、纵向间距70 cm布置；隧道拱墙挂Φ8钢筋网（间排距20 cm）、喷C20混凝土厚24 cm。

自进式中空注浆锚杆及注浆小导管注浆量均按注水泥量总量控制，单根注P.O42.5水泥量100 kg。

4 洞口段施工顺序

洞口施工顺序：洞顶边仰坡开挖及支护→明洞段开挖及支护→明洞两侧浆砌片石挡护→明洞洞顶填渣反压→恢复施工便道→洞内开挖与支护→仰拱施工→二次模筑混凝土衬砌→洞门端墙施工。

边坡从上到下分层开挖、分层支护。

明洞采用环形分部留核心土方法施工。

洞内采用“强预支护，短进尺、分台阶、环形分部留核心土”施工工法。

洞口段施工情况见图2～9。

图2 施工前洞口位置及施工便道

图3 边仰坡开挖支护至洞顶高程

图4 施工隧道锁口小导管

图5 开始明洞施工

图6 完成边坡底部部分明洞施工

图7 完成明洞初期支护并对称填渣反压

图8 洞内施工

图9 完成洞口衬砌及端墙后

5 变形观察及监测

施工过程中，在洞口边仰坡及洞内布置变形观测点进行变形监测，通过变形观测和施工全过程安全巡察相结合的方式确保施工安全，并及时应对处理。

洞口边仰坡施工过程中，边坡开挖至洞顶附近时，边坡中下部（洞顶下层便道附近）坡面喷混凝土开裂。根据监测分析为架空、松散层变形所致。通过沿开裂坡面纵向增设2排间距为2 m的自进式中空注浆锚杆（Φ25、L＝4.0 m）加固后，坡面变形收敛。

隧道内按纵向5 m间距在隧道拱顶、两侧起拱线部位及两侧边墙中部设变形观测点，每天进行隧道变形监测，实测隧道拱顶下沉及两侧内挤收敛累计变形量为10～20 mm；明洞与暗洞交界处隧道拱顶下沉量最大，喷混凝土支护的隧道拱部出现1条环向裂缝（缝宽1～3 mm）；隧道落底和仰拱施工完成后，洞内变形收敛。

6 动态设计

地下工程中动态设计是设计的重要部分，施工前应对工程难点、重点及安全进行施工技术交底，明确施工顺序及施工注意事项，施工过程中应高度关注水文及地质条件变化、变形监测情况，及时调整设计参数开展动态设计。本隧道的设计过程中，首先根据隧道洞口地质条件和施工安全要求，调整了隧道边仰坡设计及支护，及时处理了仰坡喷混凝土开裂问题；其次依据边仰坡开挖揭露的工程地质情况调整了隧道洞口K1＋082.00～K1＋074.00 m段初期支护设计；然后依据隧道开挖揭示工程地质情况调整了隧道K1＋074.00～K1＋067.00 m段初期支护设计。本隧道设计中采用拱效应及支护的组合效应为设计指导思想，充分利用岩土体的自承能力，依靠信息化及动态设计，凭多年处理隧道洞口坡积碎石土的设计施工经验监督和指导现场施工，在理论与实践充分结合和把设计理念变为现实的过程中，做到施工设计的合理性。

7 效果评价

本隧道洞口段在施工过程中没有出现隧道塌方及安全问题。隧道完工3年多时间内没有发现异常情况。实践证明，洞口段的设计及施工方案是合理的。

8 结 语

（1）在坡积碎石土中，利用超前小角度注浆小导管及大角度注浆固结小导管，改善及提高围岩的自承能力，在隧道开挖轮廓线外形成2～3 m厚较连续的拱圈后，利用支护的组合效应，形成连续、平顺的受力拱圈，采取合理的开挖方式即可安全成洞。注浆小导管相对大管棚具有短频快的优点。

（2）在坡积碎石土中，水泥砂浆锚杆施工成孔难，自进式中空注浆锚杆施工简便、快捷，自进式中空注浆锚杆适用于不易使用砂浆锚杆及小导管施工的岩土体浅层锚固项目。同时在坡积碎石土等散体结构中，自进式中空注浆锚杆与注浆小导管配合使用可以起到较好的岩土加固效果。

（3）准确把握新奥法理论的核心，以隧道围岩的拱效应及支护的组合效应为设计理念，利用围岩的自承能力，重视信息化及动态化设计，理论与实践结合能更好地解决岩土工程问题。

（4）合理的施工工法、严格施工过程质量控制是实现设计意图的关键。

［1］ 朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术［M］.北京：科学出版社，2007（1）.

［2］ 崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011（5）.

TV554

B

1003－9805（2015）02－0001－04

2014－07－23

吴学智（1974－），男，甘肃静宁人，高级工程师，工程硕士，从事水电站公路设计及研究工作。