摘要：广东省江门至罗定高速公路尖峰顶隧道周围植被茂密、自然生态环境良好，为了最大限度地降低因洞口施工而破坏自然环境的程度，提出了“前置式洞口工法”，即隧道零开挖进洞施工方法。通过采用有限元数值计算方法，对尖峰顶隧道罗定端洞口零开挖进洞施工进行了数值计算分析，结果表明，隧道零开挖进洞过程中，隧道位移变化很小，结构安全可靠。然后，详细介绍了隧道零开挖进洞施工关键技术，并通过监控量测，进一步论证了隧道零开挖进洞方案的可行性。同时，工程实践表明，零开挖进洞大大减少了尖峰顶隧道边仰坡开挖面积，开挖面积由589 m2减少至293m2，有效地保护隧道洞口自然生态环境。
关键词：软弱围岩；隧道；零开挖；施工技术
随着我国基础设施建设的快速发展，高速公路路网得到了不断完善。由于我国是一个多山的国家，为了能够成功穿山越岭，隧道就成为了高速公路路网中不可或缺的重要选择之一。然而，随着社会的发展，提倡施工建设应尽可能地保护自然环境、注重生态和谐，因此对隧道洞口的修建也提出了更高的要求。传统的隧道进洞施工一般是采用高刷坡、大拉槽的方式，然而工程实践证明，传统的隧道进洞施工容易大面积破坏山体自然平衡，造成边仰坡开挖面积增大，同时还会引发边仰坡坍塌等灾害。为了减少隧道洞口施工的不利影响，近年来提出了隧道“零开挖”进洞施工方法[1]，该方法既解决了隧道洞口施工问题，又极大程度地保护了隧道洞口自然环境。
目前，针对隧道进洞洞口施工问题，国内外学者已开展了相关研究，并取得一些成果。李福贵[2]介绍了零开挖进洞技术和相应的优化方案。徐霞飞等[3]以武靖高速公路莲荷隧道为例，提出了采用套拱结合护拱的半明半暗结构，成功实现了零开挖进洞。李明等[4]以西商高速公路小黄川、堡子山隧道为背景，总结了隧道“零开挖”最佳进洞施工方法。路杨等[5]以杨家湾隧道工程为例，提出“零埋深进洞”的设计施工理念。曾剑[6]详细介绍了坡积体隧道零开挖进洞施工技术。张家新[7]详细阐述了高海拔寒区公路隧道洞口不良地质问题，着重探讨了洞口设计对策。贾海龙与张文新[8]探讨了零开挖进洞在环保、震区隧道施工中的应用。纵观上述研究成果可以得出，隧道零开挖进洞技术已经得到了初步发展，但还不完善，由于工程背景、地形地貌以及地质条件的差异，隧道进洞施工仍存在不同之处，因此需基于工程实践进一步丰富与发展隧道零开挖进洞施工技术。
为此，本文以广东省江门至罗定高速公路尖峰顶隧道为例，详细分析软弱围岩隧道零开挖进洞可行性，并总结相应的关键施工技术，为类似隧道零开挖进洞施工提供参考。
1 工程概况
1.1 工程简介
尖峰顶隧道处于大云雾山脉，植被茂密，自然生态环境良好。尖峰顶隧道为长公路隧道，左、右线分离布设。尖峰顶左线隧道起讫桩号为LK104+715～LK105+849，长度为1134 m；尖峰顶右线隧道起讫桩号为RK104+711～RK105+864，长度为1153 m。隧道出口罗定端为小净距隧道，左、右线小净距里程为LK105+644.5～LK105+849、RK105+680～RK105+864，长度分别为204.5 m、184 m，两洞口之间的最小距离27 m，左、右线洞口进口明暗交界里程分别为 LK105+831、RK105+846。洞门采用削竹式，隧道左、右线明洞长度均为18 m。尖峰顶隧道出口地形陡峭，地面坡度约40°，从上莨坑高架桥三号墩地面至隧道口路面高差达到66.3 m，按照原设计罗定端左洞洞口开挖最宽达到37 m，深达15 m（见图1所示）。
尖峰顶隧道出口罗定端洞口左、右线埋深分别为3.5～20 m及3.5～28 m。隧道罗定端洞口地段主要为粉质粘土、全风化砂岩、强风化砂岩，洞口浅埋段较长，洞顶覆盖较薄，围岩判定为Ⅴ级，隧道左、右洞口段30 m均采用长管棚超前支护。洞门边、仰坡均采用三维网喷播植草，隧道出口罗定端左线洞口横断面示意图，如图2所示。
1.2 水文地质条件
隧道罗定端洞口段为浅埋小径距隧道，浅埋段围岩主要为粉质粘土，全风化砂岩，节理裂隙较发育，岩石破碎，稳定性差，其中全-强风化岩强度低，遇水易软化，应及时加强支护，预防坍塌冒顶问题，雨季潮湿或滴水。隧址区地下水主要为基岩裂隙水，主要以大气降水、山谷汇水下渗补给为主。隧道隧址雨量充足，地下水稳定水位较深。根据现场钻探，基本无滴水现象。
2 隧道进洞方案的选择
2.1 “前置式洞口工法”的提出
尖峰顶隧道的修建势必影响附近的自然环境，破坏部分原生植被。为了实现隧道区域“”自然生态系统良性循环，保证社会与自然的可持续发展”的战略目标，尖峰顶隧道出口罗定端左洞采用“前置式洞口工法”进行施工，该方法采取不切坡（零开挖）方法，在不开挖隧道洞外山脚土体前提下，最大限度地降低洞口边、仰坡的开挖高度，保证山体的稳定，并尽可能地降低对隧道洞口自然景色的破坏。
“前置式洞口工法”的总体思想是改变传统隧道洞口的施工工艺，遵循环保、安全及经济原则，在不开挖隧道明洞段山脚土体的情况下，通过两侧开槽方式，并在隧道明洞外轮廓施作钢拱架以及浇注混凝土，将其作为隧道临时衬砌。隧道进洞前首先成洞，然后反压回填，在保证隧道洞口边、仰坡的稳定后，再暗挖临时衬砌内土体，通过管棚等超前支护措施以保证隧道开挖施工安全。
2.2 隧道进洞施工方案
结合尖峰顶隧道罗定端洞口地形、地貌及地质条件，隧道进洞施工采取“零开挖”进洞施工方案。施工时坚持“超前预报，大管棚支护，洞身开挖，加强支护，尽早封闭，监控量测，衬砌紧跟”的原则，实现隧道安全进洞。
零开挖进洞具体思路：施工时根据实测地面线和设计路线标高的情况确定隧道明、暗洞交接点，通过两侧开槽方式逐榀施作工字钢拱架，拱架间通过纵向钢筋连接，在钢拱架上预设管棚导向管，并浇注混凝土封闭钢拱架以形成套拱，在隧道进洞前以套拱成洞，然后施作大管棚超前支护，再进行套拱直墙落底，回填反压，最后再进行暗洞施工，真正地实现“早进晚出”。
3 数值分析
3.1 模型建立
为分析尖峰顶隧道零开挖进洞施工的可行性，采用MIDAS有限元软件建立2维分析模型，模型水平向长度70m，竖直方向隧道以下30m，隧道以上与实际地面一致，模型顶部自由，左右两侧水平约束，模型底部竖向约束。隧道采用双侧壁导坑开挖，模型示意图，如图4所示。
3.2 计算材料
土体、浆砌石、套拱、初期支护及二次衬砌采用平面单元，其中，土体服从弹塑性屈服准则，其余均采用线弹性材料模拟。土体与支护结构材料的计算力学参数，如表1所示。
3.3 计算结果
隧道开挖后，隧道水平位移和竖向位移，如图5所示。从图5中，可以看出隧道水平位移与竖向位移分别为1.9 mm和 4.2 mm，远小于安全容许规定值，结构合理可控，由此说明尖峰顶隧道采用零开挖进洞方案合理可行，结构安全可靠，能够保障隧道安全进洞。
（a）水平位移
（b）竖向位移
图4 隧道开挖变形云图
4 隧道零开挖进洞施工技术
隧道零开挖进洞施工顺序具体如下：（1）对原地面进行复测确定零开挖进洞的位置→（2）完成洞顶截水沟→（3）套拱拉槽→（4）套拱施工→（5）超前管棚施工→（6）套拱接腿并浇筑混凝土→（7）洞顶反压回填并覆土绿化→（8）开挖明洞段内预留坡脚土体→（9）进洞开挖。隧道零开挖洞口施工工序示意图，如图3所示。隧道零开挖进洞各工序具体施工如下：
4.1 前置式洞门位置的确定
通过对尖峰顶隧道罗定端洞口段纵断面测量，根据测量高程确定洞门具体位置，为了实现隧道零开挖进洞，根据零开挖方案及原地面情况，确定各洞口的明暗交界桩号分别为：出口左幅由LK105+831调整至LK105+838.5，套拱接长里程由LK105+835开始止于LK105+840.5。
4.2 洞口截水沟施工
根据地形及洞口边仰坡位置，确定洞口截水沟位置，然后进行挖槽，经监理验仓合格后才能进行砌筑。开挖时需注意线性圆顺，沟外侧的雨水能顺利流入截水沟，沟帮尽量不外露，隐蔽在草丛中。
4.3 套拱拱部拉槽施工
根据地形情况，首先进行套拱（高6.15 m，宽17.5 m）拱架部分人工拉槽施工，从里程LK105+843开挖至LK105+838.5（明暗交接处）。为了减少原有植的破坏，并确保与原有地形的有效顺接，套拱顶位置在原地面下50 cm左右处，右侧套拱钢架止于土体下部1 m左右，保证钢架在较密实原状土上。左侧先开挖至套拱边墙直墙处（深约4.18 m），确定出套拱起始施工里程（LK105+835），根据套拱形状沿山体走势确定钢架与山体“轻吻”位置，拱架内侧底要预留施工宽度不小于0.8 m，拱外侧为1.2 m。然后，在拱架底设C25扩大基础，宽1.2 m，高0.5 m，同时在拱架拱脚设置I16纵向连接，横向距离为1.5 m，纵向间距为0.5 m。外侧挖完后立即对临时边仰坡进行防护施工，边、仰坡坡度分别控制为1：0.5和 1：0.1，并在边、仰坡挂设φ8 mm钢筋网片（20 cm×20 cm），3.5 m长φ22 mm锚杆、间距为1.2 m×1.2 m，然后喷射一层10 cm厚混凝土以保证坡面稳定。
4.4 套拱施工
坡面防护完成后，立即进行临时二次衬砌I18拱架安装，间距50 cm，拱部预留25 cm沉降量。然后，挂设φ8 mm（15 cm×15cm）双层钢筋网，I18工字钢采用φ22纵向钢筋连接（间距50 cm），拱架完成后在靠近仰坡处打设4 m锚杆，同时锚杆要与内侧拱架连接牢固。
拱架外侧埋设φ140 mm管棚导向管，导向管埋设时注意角度控制，严禁侵入隧道界限内，并与拱架连接牢靠。套拱厚度为60 cm，采用C25混凝土浇筑，混凝土采用吊车入模，混凝土罐车运输。混凝土浇筑时由两侧拱肩向中间拱顶对称浇筑，浇筑高差不超过50 cm，浇筑混凝土时注意套拱内拱架及导向管牢固，不移位。
4.5 长管棚施工
隧道出口罗定端左线洞口长管棚（见图4），长度35m，共49孔。管棚环向间距40cm，孔口管定位采用11榀I18钢拱架支撑φ127×5mm导向钢管的形式，管棚套拱长500cm，浇注60cm厚C20混凝土，管棚注浆以水泥单液为主浆，若开挖后地下水丰富，应改用水泥—水玻璃双液浆。洞口土石方开挖完毕，成洞面及核心土形成后，安排施作长管棚。注意管棚及套管外露要相应加长5.5 m，同时在洞口侧6 m内可不设压浆孔。其余施工工艺同一般隧道管棚施工。
4.6 套拱边墙接腿施工
管棚施工完后，进行临时衬砌边墙土方开挖并左右错开，每循环接腿拱架2榀，并及时浇筑混凝土，直至套拱起始处，完成直墙落底。
4.7 洞顶反压回填并覆土绿化
套拱边墙接腿后，先将洞内地表草皮移植在一旁，然后进行洞口套拱内土体开挖，并将土方回填至洞顶，回填要对称进行，待洞顶土回填压实后，将洞口草皮移至洞顶，由于施工时气温太高，植被洒水需避开烈日高温时段，以确保植被成活率。
5 实施效果分析
5.1 监测结果分析
在隧道进洞施工过程中对隧道拱顶沉降以及洞内收敛变形进行监测，以及时掌握隧道变形，确保隧道安全进洞。隧道拱顶沉降以及洞内收敛变形变化曲线，如图5所示。从图5可知，隧道拱顶沉降以及洞内收敛变形随着时间的推移，起初变形速率稍快，随后支护的施作，变形得到了控制，最后变形控制在30 mm以内，由此说明尖峰顶隧道采用“前置式洞口工法（零开挖）”进洞方案合理可行，结构安全可靠。
5.2 社会效果分析
单位在施工之前，已经对建筑工程的质量、进度和成本管理制定了详细的计划，所以在施工过程中，应该注重每个环节和工序的管理，在预定的工期内保证工程施工质量的基础上，尽量控制施工成本，避免因为质量不合格而出现返工现象，严禁盲目追赶进度而忽视质量，所以在管理期间，应该对各项目标都有严格的监督管理，确保三者之间的协调统一。
3.2.3 多媒体远程验收
为适应和方便工程验收工作，本工程拟采用多媒体远程验收系统实施工程验收，便于在要验收的工程地点危险和难以到达时的验收工作，能满足多部门协同验收的需要，室内为检查、指挥验收中心与外部现场验收人员相互配合，通过现场摄像机、视频服务器等设备将工程实地图像传输到地面控制室。远程验收软件系统是集远程监控和视频采集子系统、图档管理子系统、验收报表子系统、知识中心子系统为一体的集成系统，远程质量验收能大大方便验收工作，保障施工进度，并能方便的记录大量验收数据。
3.3 事后控制阶段
3.3.1 成品保护
每道工序监理工程师验收合格后，即采取成品保护措施，现场专业工程师随时随地巡视检查，发现现有保护措施损坏的，及时恢复。
3.3.2 办理移交
进行下道工序的交接或与其他专业主承包、分包及独立承包工程的工作面移交，做好交接记录，对其他承包单位的接收、进场工作进行协调和做好相关服务工作。
3.3.3 保修
在保修阶段，我方将依据保修合同与承诺，本着“对用户服务，向业主负责，让用户满意”的态度，定期对本工程进行回访和维修，及时跟踪了解竣工后的工程质量情况，对出现的问题立即采取有效措施，以优质、迅速的维修服务保护用户的利益。
4.结语
建筑工程的投资者要想得到理想的工程产品，使其对社会的发展和人们的生活产生积极的影响，就必须要将质量意识贯穿于整个施工过程，严格杜绝项目工程的质量问题，建立健全质量管理体系，实施科学有效的措施，确保建筑工程的顺利开展，从而在促进建筑企业发展的同时，也加快社会经济发展的步伐。
参考文献：
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论文作者:周松川
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/13
标签：隧道论文; 洞口论文; 进洞论文; 罗定论文; 尖峰论文; 工程论文; 混凝土论文; 《基层建设》2017年第16期论文;