隧道洞口段施工技术探讨

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　　摘  要：隧道洞口段施工是整个隧道工程施工的关键。本文针对隧道洞口特点，如何选用安全、合理的开挖方法进行了探讨，并阐述了洞口段施工的关键技术和要点。
　　 关键词：隧道洞口；施工方法；技术要点
　　On Construction Technologies at Tunnel Portal
　　Beijing Huatie Engineering Consulting Co., Ltd Yang Chuanping
　　Abstract: Construction at the tunnel portal is the key point of the whole tunnel engineering. Considering features of the tunnel portal, the paper probes into how to choose safe and reasonable excavation methods, and also elaborates the key technologies and points.
　　Key words: tunnel portal; construction method; technology points
　　 1前言
　　 隧道洞口段是隧道施工的薄弱环节，是施工中最关键、最困难的地段。特别是近几年来，国家铁路工程建设向边远地区纵深发展，山区、不良地质隧道较多，加之隧道洞口地段围岩较为破碎，地质条件差，开挖边仰坡又破坏了山体原有的平衡，因此，洞口施工采取有效的施工方法和技术措施实现顺利进洞，对于确保隧道施工和运营安全具有重要的作用。
　　 当前，隧道工程技术人员都非常重视隧道洞口段的施工，在隧道设计、施工规范中，洞口段设计与施工专门条款不断完善。 施工过程中提倡隧道进洞顺延山坡坡度，尽量不扰动洞口段岩体的稳定性，采取无洞门的“趋自然状态”形式。同时又着重强调“早进晚出”及“保持边仰坡稳定”的原则，要求及时施做洞门，针对洞口段的特点，进行统筹安排，依靠科技，精心组织施工，实现了隧道的顺利进洞。
　　 2 隧道洞口的特点
　　 2.1 岩层稳定性差
　　 隧道洞口地段一般覆盖层薄，岩层破碎、松散，风化严重，同时，洞口往往也是软硬岩交界的地方，地形和地质条件极不稳定，且地表水汇集，成洞特别困难。
　　 2.2 结构受力复杂
　　 隧道洞口岩体在长期表生地质作用下处于平衡状态，隧道施工破坏了山体原有的平衡。隧道洞口仰坡开挖后，仰坡由三维受力状态变为二维受力状态，因此仰坡容易出现片落现象。隧道洞口开挖后，仰坡与隧道顶板的交叉部位处于一维受力状态，受力条件是十分不利的，若不及时进行适当的维护，该部位很容易产生坍塌；其次是洞口处顶板一端由工作面支撑，而另一端却处于悬空状态，属于悬臂梁结构，其稳定性较差。另外，隧道洞口处常常还会有一些明（深）挖路堑，其边坡也处于二维受力状态。随着隧道洞口段的开挖和支护，该段将重复进行应力释放与重新分布，因此，往往会引起洞口段地表滑坡、坡面崩塌、偏压及塌方事故发生。
　　 2.3 支护加固量大
　　 隧道洞口边仰坡和进洞开挖，使山体原有的平衡状态遭到破坏，如果不及时采取加固措施，极易产生坍塌、顺层滑移、古滑坡复活等现象。在进洞前采取超前锚杆、超前小导管周边注浆、设置大管棚等超前预支护技术；开挖过程中，必须要对隧道洞口路堑边坡、洞口及洞顶以上仰坡进行锚喷预加固处理；开挖后及时喷射混凝土和仰拱紧跟形成封闭受力环。由此可见，洞口施工的支护加固工程量是较大的。
　　 3 洞口段施工方法
　　 选择合理的施工方法对于隧道洞口防坍塌和施工安全具有重要的意义。在制定隧道洞口段施工方案时，应充分考虑地质和施工条件、埋深和断面尺寸、围岩类别、坡面情况、地表建筑物结构、地下水及气候条件、施工进度与围岩承载拱形式的关系、材料供应、队伍施工水平、方案经济性、工期要求、突发事件应对措施等因素。目前常用的施工方法有台阶法和分部分区开挖法。
　　 3.1 台阶法
　　 台阶法适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩且含软弱夹层带或节理发育地段，配置有简易开挖台架、支架式风钻、小型运输设备。特点是:随着台阶长度的缩短，拱顶位移、地表沉降等明显减小，根据围岩破碎程度，可调整台阶长度。
　　 （1）长台阶法。上台阶超前5倍洞跨，但不宜大于60 m，主要应用在单线隧道浅埋段、短隧道和位于8度地震区的隧道施工。特点是：施工干扰小，通风设备简单，三管两线布置方便，抬高开挖断面可较为准确地探明前方地质情况，便于下台阶调整施工方法。
　　 （2）短台阶法。上台阶超前小于5倍洞跨，但大于5m，主要应用在单线隧道类围岩段、软弱偏压段、双线隧道浅埋段且工期要求不紧张时。特点是：进尺较短，支护及时，可探明前方地质情况，但施工干扰较大，翻碴工作量大。
　　 （3）超短台阶法。上台阶超前不大于1倍洞跨或3～5 m，主要应用在多线隧道软弱浅埋段或偏压段及受地表建筑物影响的单线隧道。特点是：隧道稳定性明显增加，拱顶位移、地表下沉减小，围岩变化时容易变更施工方法，但施工干扰大，管线布置困难。
　　 （4）留核心土法。由台阶法变化而来，上台阶超前2倍洞跨，主要应用在采用短台阶法开挖遇到土质、涌水、掌子面坍塌等段落。特点是：施工方法调整不大，在遇到短距离围岩变化时可优先采用，能较快提高施工的安全性，但工序增多，进尺较短（一般不超过1 m）。
　　 3.2 分部分区开挖法
　　 主要应用于软弱围岩中大跨多线浅埋洞口段或Ⅳ、Ⅴ级围岩土质松软段。特点是：先固后挖，支护必须牢固可靠、施做及时，施工过程中，必须对中壁进行支护，开挖仰拱时应采取有效措施防止边墙受挤内移。中壁支护是此法的关键技术，一般采用φ22锚杆(1. 5～3 m),喷混凝土（10～20cm）、四肢小25格栅钢架、18工字钢横撑等支护。
　　  该方法由传统的蘑菇形开挖法、侧壁导坑法、品字形导坑法等演化而来，同时考虑了复杂的地质条件、大跨隧道的施工难度、施工技术水平等，施工中主要采用单侧壁导坑和双侧壁导坑两种形式。 
　　 （1）单侧壁导坑法（CD法或CRD法）。适用于围岩较差、地表沉陷难于控制或浅埋多线隧道。特点是:单侧导坑超前，中壁和另侧正台阶法施工，极大地降低了拱顶和边墙位移，但仰拱为薄弱环节，施工中易出现开裂，且围岩变化时不易调整施工方法。
　　 主要施工工序：单侧导坑超前一―台阶法开挖，开挖拱部(进尺不超过1. 5m)――自进式G32锚杆、格栅钢架、喷混凝土支护――中壁支护―一拱脚架设工字钢――开挖下部~初期支护――中壁支护――边墙脚横撑一―仰拱开挖~灌注仰拱混凝土――灌注边墙混凝土~灌注拱部混凝土――下一个循环。
　　 （2）双侧壁导坑法（即眼镜法）。适用于浅埋大跨、地表下沉量要求严格、围岩特别差的多线隧道。特点是:采用小型机械，对围岩扰动小，安全可靠，但工序复杂，速度慢，管线布置困难。施工中既要拉开工序，又要防止围岩暴露过久而松弛坍塌，故两侧壁导坑平行掘进时保持7～10m的距离。采用侧壁导坑短台阶法施工，台阶长度不超过3m。下台阶施工到lOm时，开挖边墙脚，灌注墙脚混凝土;当强度达到2. 5MPa时，灌注墙身混凝土;强度达到70%时，开挖上半断面，随开挖随灌注拱部混凝土；随后开挖核心土和仰拱。

　　 4 洞口段施工技术要点
　　 4.1 选择合理的进洞方案
　　 进洞施工方案必须结合地形地貌、水文地质条件、施工设备、施工队伍的技术水平以及施工成本等因素进行综合分析判断，从安全、经济的角度出发，制定切实可行的施工方案；同时，在开挖方案的选择上要尽量减少对围岩的震动和扰动，优先选用控制爆破、接长明洞、前置式洞口工法等，避免因围岩暴露时间过长发生有害变形；另外，在选择施工方法时还必须充分考虑到容易向隧道洞身主体施工方法转换的问题。
　　 根据洞口不同的地质条件，Ⅱ、Ⅲ类围岩且含软弱夹层带或节理发育地段，多采用台阶法施工；软弱围岩中大跨多线浅埋洞口段或Ⅳ、Ⅴ级围岩土质松软段，应采用CD法、双CD法、CRD法、双侧壁导坑法等施工。
　　 4.2 采取有效的预加固措施
　　 根据国内外经验，洞口施工大多是在预加固的支护系统下进行的，尤其是在浅埋、偏压、破碎、软弱、地下水丰富并具有软弱夹层、顺层等极易发生滑移、坍塌的地段，更需要采用综合预加固体系。根据隧道设计原则“早进洞、晚出洞”和环境保护等要求，隧道洞口较多处于浅埋段，以下以浅埋隧道洞口为例来说明洞口段围岩常用的预加固措施。
　　 浅埋隧道为埋深不足毛洞洞跨两倍的隧道或区段。国内外大量工程实例证明，覆盖层浅的隧道，其围岩难以自成拱，同时多数伴有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖有很大影响的特殊问题，如地表易沉陷问题。如果对隧道变形控制不当，围岩就会很快松弛，产生张裂破坏，将造成直达地表面的塌陷。所以，浅埋隧道洞口段开挖时应重点控制围岩的变形，采用强度较高和刚度较大的初期支护，避免破坏围岩结构。
　　 浅埋隧道洞口段的预加固措施主要有地表锚杆加固、抗滑桩、挡土墙、锚索（桩）、减载、填土反压、地表注浆、超前锚杆、大小管棚、预注浆、套拱、水平旋喷桩、锥形短桩加固隧底等方式。
　　 在洞口段采用预加固措施时应注意以下几点： 
　　 （1）在围岩特别差的地段，本着“宁强勿弱”的原则，在确定施工方案前应优先对大管棚、水平高压旋喷法、小管棚等方法进行比选，避免采用一般加固措施带来的隐患；
　　 （2）采用预加固措施后，施工中发现有边墙开裂、仰拱隆起现象，说明拱部加固后，边墙、仰拱受力增大，因此，施工中在进行拱部预加固的同时应加强边墙、仰拱支护强度，如增加锚杆的数量和长度、增设格栅钢架及先行施做仰拱等措施。
　　 4.3 严格控制爆破震动
　　 洞口施工选择适当的爆破方案和方法，采用微震动控制爆破技术，既有利于快速进洞，也可确保进洞安全。隧道洞口施工时，洞口岩体由于受到施工爆破震动力作用，往往会导致边坡岩石沿原生节理面与母岩分离，在其自身重力作用下产生失稳并向坡外滑出或岩体瞬间向下崩塌解体，或者洞口开挖会给洞口地表造成下沉、塌穴等不良影响。同时，过大的超挖将加大对围岩的扰动深度，破坏围岩结构的受力体系，造成围岩松动、落石、塌方。因此，根据洞口水文地质条件，采用控制爆破技术，选择合适的爆破方法和钻爆参数，既能提高爆破效果，加快施工进度，又能限制爆破对围岩的破坏和震动，以免进一步松驰岩体的结构面增大围岩的压力，甚至造成塌方。通常硬岩隧道宜采用光面爆破；软岩隧道宜采用预裂爆破；分部开挖时宜采用预留光面层爆破。
　　 4.4 加强围岩监控量测
　　 围岩监控量测是指导施工、确保安全的重要手段，通过施工前和施工中收集的数据和工程地质资料，及时分析判断爆破后围岩松动范围及围岩与初期支护受力的稳定状态，预测变形的发展趋势，预报险情，以指导安全施工，指导开挖作业与支护作业。围岩量测的项目有以下几项：
　　 1、水平位移收敛量测。每循环开挖完成后，在每个断面拱脚处布一对测点，用专用收敛仪量测。
　　 2、拱顶下沉。每循环开挖完成后，每个断面拱顶处设一个点，用水准仪和塔尺进行测量。
　　 3、拱顶地表下沉。在隧道地表拱顶部位每1m做一个观测点，用水准仪和塔尺进行测量。
　　 4.5 加强地基基础处理及初支、二衬
　　 隧道洞口段受力体系与洞内不同，施工所承受的荷载很大。虽然其荷载在开挖后初期已形成，但随着时间的推移，其荷载还将继续加大。因此，在施工中，一是洞口段圬工基础必须置于稳固的地基上，对地基强度不够的部分需采取加强措施，如：扩大基础、桩基、压浆加固地基等措施。二是加强初期支护及二次衬砌，保证初支紧跟掌子面，减少围岩暴露时间，控制围岩变形，及时施作仰拱封闭成环，并尽早施工二次衬砌混凝土。
　　 5 结论
　　 隧道洞口由于地质地形的复杂性，对隧道受力分析没有一套统一的计算方法，尤其对不良地质、软弱围岩，更不可能有“包治百病”的施工方法。因此，只有认清地质情况，根据施工环境、工期要求等进行安全性、经济性比较，因地制宜采取相应的施工方法和技术措施才可能保证安全进洞。

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