摘要：以仙坪岗隧道为例，分析研究解决复杂环境下，高陡边坡上隧道出洞施工的一系列技术问题，确保S229省道行车安全和已施工完成的松源溪大桥1#桥墩和松源溪大桥衢州台侧桥台不被破坏，重点介绍隧道出洞的防护措施及施工方案。
关键词：隧道出洞施工；高陡边坡；防护措施；施工方案
0 引言
随着我国“一带一路”政策的提出，普通铁路、高速铁路正迎来一个快速发展的时期。由于投资建设的需要，需要采用大量的的隧道方案来穿山越岭。随之而来是复杂的地质和施工条件，如何解决这些难题是隧道施工的关键。而隧道施工的顺利进洞和出洞是控制工程，直接影响施工进度和成本。进洞施工因各种地质条件下隧道的兴建，技术已趋于完善，工艺工法日渐成熟[1-4]。出洞工程相对应用较少，还未形成一套完整的技术体系。秦柳江等在施工条件困难、洞口偏压的情况下，利用隧道外侧修筑挡墙缓解偏压，内部小导坑出洞创造工作面，然后再反向洞内扩挖小导坑至标准断面进洞[5]；冯晓东大断面粉砂土隧道出洞通过采用上台阶超前导洞出洞，从出口端反掘贯通的施工方案[6]；向海清研究软弱不均匀地层大断面隧道小导洞出洞施工技术，认为小导洞出洞方案更利于控制围岩变形，是隧道贯通出洞的一种可行方法[7]；李野对三台阶七步法和超前小导坑法两种出洞施工方案进行综合必选，确定运用三台阶法出洞施工工艺，解决了隧道出口端受地形条件限制、布置临时设施成本高、进度慢等施工难题[8]；张旭一研究利用双层小导管作为超前支护直接出洞，代替大管棚由出口反向进洞的施工技术，取得良好的经济效益[9]。本文主要针对高陡边坡出洞，紧邻省道及已施工桥墩桥台等复杂条件下施工，安全系数要求较高，考虑因素需全面，采取合理的防护措施和施工方案尤为关键。
1工程概况
1.1设计概况
仙坪岗隧道设置为燕尾式隧道，出口轨面设计标高357.035m。隧道Ⅰ线全部位于直线段。隧道预留Ⅱ线DK213+001.240～出口段307.26m位于R=2500m的左偏曲线上，其余地段为直线。隧道出口采用直切Ⅰ式洞门，出口里程DK213+308.5，接松源溪大桥衢州台（台尾里程DK213+308.5），洞口永久边坡采用锚喷网防护，预留Ⅱ线隧道出口采用单挡明洞Ⅰ式洞门，出口里程ⅡDK213+295，洞口永久边坡采用锚喷网防护。
1.2地质概况
隧道通过区域为剥蚀山区，地势起伏较大，局部自然坡度30～50°左右，隧道最大埋深约83.0m，植被较发育，松树林、杉木、毛竹及灌木丛，山坡多可见基岩出露。隧道出口下方为S229省道。仙坪岗隧道出口地形见图1-1。基岩出露为侏罗系上统南园组J3n凝灰岩，强～弱风化；强风化，黄褐色，块状构造，岩体节理很发育，岩体破碎，厚约5～10m，弱风化，块状构造，凝灰质结构，节理裂隙发育，岩体较完整，主要节理产状为280°～290°<25°～85°。地下水主要为基岩裂隙水，不发育。隧道出口可见零星块石，块径约0.5～1m，出口坡面邻近省道边可见危岩落石，最大块径约3～5m，需要做好坡面清理并加强防护措施。危岩、落石见图1-2。
图1-1仙坪岗隧道出口地形洞口危岩、落石
2隧道出洞工程重难点
（1）仙坪岗隧道出口下方为S229省道，路窄、车流量大，施工安全风险高。
（2）出口地形较陡，机械设备无法直接先行洞口防护处理。
（3）仙坪岗隧道出口距离松源溪大桥1#桥墩水平距离40.0m，垂直距离41m，出口地形坡度接近1：0.6，施工过程中需对桥墩进行必要防护。
图2-1洞口与松源溪1#桥墩位置示意图
（4）洞口段施工过程中震动对S229省道沿线山体危岩、落石影响较大，对S229省道后期通行存在较大安全隐患。
图2-2仙坪岗隧道洞口示意图
（5）松源溪大桥衢州台侧岩壁几乎垂直，桥台设计为扩大基础，采用放坡处理，施工过程中防止洞顶危石及开挖块石滚落是本过程中安全控制的重中之重。
3隧道出洞安全防护措施
①坡面危岩危石清除
对于不适合锚索和锚杆加固的危岩危石应进行人工搬运清除，对危石较大的采用“CO2破岩”后人工清除。
②危石支撑、嵌补
对危岩落石存在较大临空面且基底条件较好时，采用C25混凝土支撑或嵌补。对原生危岩存在小于10cm的裂缝，采用灌注M10水泥砂浆处理。
③裂缝灌浆
灌浆施工前，应对裂缝两侧岩壁浮土、杂物进行清理，然后进行灌浆处理，必要时进行振捣；裂缝露出地面较高时，在其两侧进行挡护，避免水泥砂浆外流。
④加大防护范围
图3-1 危岩、孤石拟加固区域
仙坪岗隧道出口洞顶50m、左右侧各100m及沿S229省道上方段边坡加大坡面防护范围，确保后期运营铁路及公路安全。
⑤设置安全防护棚
为防止洞口施工过程中混凝土块、碎石、危岩掉落，并满足S229省道临时通行，在洞口下方设置安全防护棚架，防护棚架净高6m，防护面积按以线路中线均分3.5m，防护长度50m，呈矩形布置。
图3-2 防护棚架断面示意图
⑥对S229省道沥青路面进行防护
为防止施工期间落石及混凝凝土块坠落损坏S229省道路面结构，需对S229省道路面设置缓冲层。缓冲层沿公路全宽设置，长度100m，缓冲层结构采用：30cm细砂（垫层）+20cm碎石（基层）+20cm细砂（面层）
⑦对松源溪大桥1#桥墩进行防护
仙坪岗隧道洞口距离松源溪大桥1#桥墩水平距离40.0m，垂直距离41m，坡度接近1：1。现松源溪大桥1#桥墩已施作完毕，为防止洞口施工过程中危石滚落损坏桥墩，需对桥墩进行安全防护。桥墩四周设置：I16工字钢+菱形网片+废旧轮胎（或竹排）。
⑧设置交通指挥、安全管理机构
为满足S229省道临时通行及材料运输，并防止施工期间S229省道施工范围内两侧危石滚落误伤人员、设备，设置专门交通指挥及安全管理机构，由安全负责人任组长，组员6人，对洞口施工实施24小时不间断交通引导及安全检查，保证洞口施工安全。
⑨取消锚固桩，加长承压板锚索
由于洞口锚固桩靠近洞口边坡较近，锚固桩爆破开挖对边坡稳定存在一定影响，因此取消洞口锚固桩，加长洞口下方承压板锚索，增加承压重量，保证边坡安全。
4隧道出洞施工方案
仙坪岗隧道出洞方法为：小导洞先行出洞后，Φ108大管棚配合钢拱架联合支护，台阶法开挖施工。根据现场情况以及与洞口下方S229省道及松源溪大桥1#桥墩距离，为确保施工安全，将出口划分为控制爆破段和非爆破段，具体划分段落为：
（1）控制爆破段
DK213+030~DK213+220段，采用控制爆破；
（2）非爆破段
Ⅰ线DK213+220~DK213+295段（75m）；预留Ⅱ线ⅡDK213+220~ⅡDK213+287段（67m）采用非爆破机械开挖施工。仙坪岗隧道出口燕尾段隧道平面布置及爆破段落和非爆段落划分示意图见图4-1。
出洞施工顺序：燕尾段Ⅰ线开挖→Ⅰ线洞口段小导洞出洞→燕尾段Ⅱ线开挖→Ⅱ线洞口段小导洞出洞→Ⅰ、Ⅱ线洞口大管棚施工→Ⅰ线正洞出洞→Ⅱ线正洞出洞→洞口段施工。
图4-1 燕尾段隧道平面布置及爆破段落和非爆段落划分示意图
4.1小导洞出洞施工
上台阶开挖采取周边潜孔钻取芯+CO2破岩方案，下台阶采用静态破碎剂进行垂直孔劈裂，辅以炮机进行分离。
（一）周边潜孔钻取芯+CO2破岩
采用取芯钻切割配合CO2破岩开挖是在开挖区域周边内使用人工手持取芯钻在隧道轮廓线上钻孔取芯，再配合CO2破岩方式开挖断面。轮廓眼大样见图4-2。
4-2 轮廓眼大样图
（1）施工步骤和作业如下：
①施工准备，测量画线，搭设台架，人员机具就位。
②采用取芯机沿开挖轮廓线钻孔（孔径15cm，每次钻取深度60cm），为同时保证施工速度和较小的超挖量，相邻钻孔中心间距13cm。
③钻CO2破岩孔：在上台阶工作面上用人工手持风钻按设计要求打设炮孔。
④将CO2通过专用设备装入爆破爆裂管，并称重量，做好记录。
⑤将爆裂管装入炮孔，记录装入数量，以及爆破爆裂管重量。
⑥连接安全防护线及爆破母线，准备起爆。
（二）静态破碎剂破碎施工
（1）破碎机理
静态爆破（又称静态破碎）是将一种含有钙、铝、镁、硅、铁等元素的无机盐粉末状破碎剂，用适量水调成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经水化反应后，产生巨大膨胀压力（可达30～50Mpa），将岩石（抗拉强度4.0～10.0Mpa）胀裂、破碎。
（2）开挖设计与实施
开挖的整个施工程序为：确定开挖步骤→岩体调查→静爆设计→钻孔→选择静爆剂→装药充填→胀裂→二次破碎→清理→检查断面。
①开挖步骤
按照该单线隧道开挖断面特点，将其分为4个部分进行开挖（见图4-3），分别为1、2、3、4部分，安排1部超前开挖，利用1部开挖空间，以掌子面为临空面，进行竖向打眼开挖2部，这样不但可以节约搭拆脚手架，安全施工，而且可以提高施工效率。同样利用1、2部超前开挖3、4部。
图4-3单线隧道劈裂机+静态破碎开挖分块示意图
②钻孔与堵塞
利用上台阶形成的开挖临空面，对2、3、4部采用静态破碎剂进行垂直开挖。钻孔采用气腿式风钻，钻眼孔径为Φ38～50mm。
第2部竖向钻孔布置见图4-4，根据K系列产品技术要求，在中硬岩中，钻孔间距a=15～36cm时最佳，经过试验取a=25cm，钻孔确定为25×25cm网状布置，纵向每次钻孔5排即进尺1.25m，竖向钻孔深度1.3m，第2部采用二台阶钻孔开挖，同样第3部和第4部采用上述方法施工，这样1、2、3、4部可形成流水作业，有效利用了作业面，利于加快施工进度。
图4-4竖向钻孔布置示意图（单位：cm）
堵塞的作用在于增加炮孔约束条件，提高胀裂效果。对于向上倾斜的炮眼还起到装药后防止药卷下掉的作用。用炮泥堵塞炮孔，堵塞长度10cm左右。
③静爆剂种类的选择
由于普通静爆剂水化速度慢，水化反应24h左右时，才能接近最大膨胀压力，无法满足隧道掘进要求，故需要采用K系列快速静爆剂。
④炮眼胀裂顺序
为使各类炮眼在胀裂时能有更多更大的自由面，以提高胀裂效果，各类炮眼在胀裂顺序上应存在一个时间差。为此，在炮眼破碎顺序上的安排是第1部：周边眼；第2、3、4部为前排先破碎、后排后破碎的顺序，其中在前排一定范围内可以同时装药，后面每排依次推迟0.5h后装药破碎，可减少前排挟制，而取得较好破碎效果。
⑤装药
静态爆爆破与炸药爆破不同，装药需基本填满炮孔，按照空孔总长计算，并随孔径、孔距而异。结合产品设计要求装药量为2kg±0.2kg/m3，本工程单位钻孔长度装药量为：装破碎剂1.98kg/m3。
⑥循环作业
第1部每一掏槽循环进尺0.5m，每天二次掏槽二破次碎循环进尺1.0m。第2、3部每天1循环，进尺1m。第4部由于暴露时间较长，加上有裂隙水的浸泡，岩石风化较快，部分地段采用破碎锤及大功率的挖掘机可开挖，进尺较快。
4.2正洞出洞施工
正洞出洞采用Φ108超前大管棚配合I18工字钢加强支护，确保安全出洞；
采用机械开挖，从洞内向洞外用潜孔钻先对开挖轮廓线取芯切断，中间部分用劈裂机由外圈向中心逐渐撑裂的方式。
洞口采用防撞墩+工字钢护栏+密布网；防止洞内危石滚落洞外。
5结论与建议
（1）有效的安全防护措施是隧道安全出洞的保证。为消除高边坡的不稳定因素进行坡面危岩危石清除，危石支撑、嵌补，裂缝灌浆，加大防护范围，取消锚固桩，加长承压板锚索；采取设置安全防护棚，对沥青路面进行防护，设置交通指挥、安全管理机构确保S229省道的行车安全。
（2）隧道出洞施工方案采取小导洞先行出洞后，Φ108大管棚配合钢拱架联合支护，台阶法开挖施工。其中关键为将出口划分为控制爆破段和非爆破段，上台阶开挖采取周边潜孔钻取芯+CO2破岩方案，下台阶采用静态破碎剂进行垂直孔劈裂，辅以炮机进行分离。
（3）隧道出洞施工技术正在逐步完善，考虑的重点应是如何安全顺利出洞，因此施工前应确保洞口的安全防护及影响，然后选取最有效的施工方案进行施工。
参考文献：
[1]宋贵杰.浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析[J/OL].山东大学学报（工学版），：1-8（2017-04-27）.
[2]姜同虎，霍三胜，叶飞，夏永旭.浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究[J].现代隧道技术，2011，48（03）：117-122.
[3]陈小勇，陈绪文，刘旸，李向平.浅埋偏压隧道进洞施工技术[J].现代隧道技术，2009，46（03）：89-92.
[4]周书明，任正录.大断面切削式洞门隧道进洞施工方法[J].铁道工程学报，2008，（01）：72-75.
[5]秦柳江，赵琳.复杂条件下偏压隧道出洞施工技术[J].隧道建设，2010，30（S1）：451-453.
[6]冯晓东.大断面粉砂土隧道出洞施工技术[J].铁道建筑技术，2013，（01）：83-85.
[7]向海清.软弱不均匀地层大断面隧道小导洞出洞施工技术[J].中国公路，2013，33（04）：247-251.
[8]李野.三台阶七步法在隧道出洞施工中的应用[J].建筑技术开发，2016，43（10）：72-73.
[9]张旭一.短小隧道出洞施工中用双层小导管超前支护的施工实践[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2017，16（02）：20-24.
论文作者:邢迅轲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：隧道论文; 出洞论文; 洞口论文; 省道论文; 钻孔论文; 桥墩论文; 防护论文; 《基层建设》2018年第4期论文;