高海拔地區(qū)軟巖隧道施工技術(shù)

蔚艷慶

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川成都 610041)

1 概述

隨著西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，我國隧道工程已逐漸向高海拔嚴寒地區(qū)延伸，如目前在建的川藏公路北線(G317線)有鷓鴣山隧道、老折山隧道，川藏公路南線(G318線)有海子山隧道、剪子彎隧道，甘孜—白玉公路有卓達拉山隧道，石渠—馬尼干戈段改建公路(S217線)有海子山隧道，S303線有巴朗山隧道，以上所述公路隧道均位于高海拔嚴寒地區(qū)，具有“嚴寒、偏遠、含氧量低、氧分壓低”等特點，隧道圍巖均為三疊系千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖的組合。由于千枚巖、板巖等巖體在地下水、構(gòu)造的影響下，具有承載力低、圍巖穩(wěn)定性差、安全隱患大、變形速率大，收斂時間長、變形控制難的特點，造成施工期間變形難以控制，初期支護大范圍侵入二襯限界，導致工程投資增加，若前期變形未完成，可能導致后期二次襯砌開裂，運營病害嚴重。因此開展高海拔地區(qū)軟巖隧道的施工技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

2 軟巖定義及特征

2.1 軟巖定義

軟巖——力學強度低(單軸抗壓強度小于30 MPa)，水穩(wěn)性差，遇水容易軟化(軟化系數(shù)不大于0.6)，變形模量低且流變效應(yīng)較顯著，在特定環(huán)境下具有顯著塑性變形的巖石。

巖石按堅硬程度定性劃分，軟巖包括強風化堅硬巖、弱風化較堅硬巖、未～微風化的千枚巖、泥巖等，由于篇幅有限，本文主要討論目前在建幾座遇到的典型巖石:板巖、千枚巖。

2.2 板巖、千枚巖的形成特征

板巖、千枚巖均屬變質(zhì)巖，其中板巖變質(zhì)程度最淺，千枚巖次之。變質(zhì)巖在變質(zhì)過程中根據(jù)原巖成分的特征，形成了力學性質(zhì)完全不同的巖體。若原巖為以粘土、泥巖、頁巖為主要成分的巖體，變質(zhì)后力學強度較低，遇水易軟化，力學性質(zhì)類似泥巖;若原巖為以長石、石英為主要成分的巖體，變質(zhì)后力學強度較高，力學性質(zhì)類似巖漿巖。

2.3 典型隧道巖性構(gòu)造情況

表1列舉了幾座高海拔隧道的隧道長度、構(gòu)造特征，地下水發(fā)育情況，板巖、千枚巖的巖石成分，圍巖均為三疊系變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖的組合，地下水均非常豐富。

根據(jù)表1典型隧道的構(gòu)造特征、巖性、地下水發(fā)育，并結(jié)合各隧道前期施工情況，主要表現(xiàn)為以下特征:

1)老折山、海子山、高爾寺隧道板巖及千枚巖段，由于其礦物成分主要為粘土礦物，遇水易軟化、泥化，圍巖開挖后變形較大;但卓達拉山、鷓鴣山隧道礦物成分為石英、云母，變形相對較小。2)海子山、老折山隧道地下水相對較為豐富，變形也較大。3)地下水會軟化圍巖，同時帶走初支背后小顆粒礦物，初支背后形成空洞，也可能引起變形。4)構(gòu)造使圍巖節(jié)理更為發(fā)育，構(gòu)造較為嚴重的老折山隧道變形最為嚴重。

表1 典型隧道巖性情況

3 施工現(xiàn)狀

3.1 施工進度情況

本項目隧道自開工以來，由于施工單位對高原隧道施工準備不足，制氧設(shè)備未能及時到位，對高原冬期施工認識不夠，施工總體進度較慢，未能按既定目標完成施工任務(wù)(見表2)。

表2 部分隧道進度統(tǒng)計表

3.2 現(xiàn)場施工情況

老折山隧道施工單位總體施工技術(shù)力量薄弱，施工工序不合理，圍巖相對較差，地下水豐富，導致施工進度緩慢，工期延長，施工成本明顯提高，導致承包人施工動力不足。高原反應(yīng)統(tǒng)計表見表3。1)施工人員健康狀況。a.根據(jù)老折山、巴朗山隧道的統(tǒng)計，真正由于高原反應(yīng)而無法正常施工的作業(yè)人員約占總?cè)藬?shù)的20%;b.少數(shù)人發(fā)生高原反應(yīng)后離開施工現(xiàn)場，可能帶動其他相識之人下山;c.雀兒山隧道海拔略高，發(fā)生高原反應(yīng)的案例明顯增加，且在項目部設(shè)置了醫(yī)療站，就醫(yī)相對便利;d.施工人員的頻繁進出無法保證隧道流水作業(yè)，導致中下臺階施工長期擱置，造成初支變形，掌子面不定期停工。2)施工機械情況?，F(xiàn)場施工機械化程度較低;工字鋼的安裝:工字鋼一般采用人工安裝為主，由于工字鋼重量較大，工人在現(xiàn)場安裝一般不易到位，因此初支施工質(zhì)量較差。3)其他。本路段海拔較高的隧道，長度較長，工期壓力大，必須冬季施工，冬季施工質(zhì)量不易保證，造成初期支護強度、早期強度較低，初支無法形成承載主體，無法抑制初支變形。

表3 高原反應(yīng)統(tǒng)計表

4 處治措施

高海拔地區(qū)軟巖隧道施工受隧址區(qū)的構(gòu)造特征、巖性、母巖的巖體成分、地下水發(fā)育情況影響，初支變形較大，同時由于該海拔地區(qū)“嚴寒、偏遠、含氧量低、氧分壓低”的特點，施工人員流動性較大，工人勞動強度較平原提高約40%～50%，施工質(zhì)量難以保證，導致軟巖隧道初期支護難以控制。因此降低工人勞動強度，提高施工質(zhì)量是保證軟巖隧道順利推進的關(guān)鍵。

根據(jù)王夢恕院士提出的網(wǎng)構(gòu)鋼架體系(噴混凝土后的網(wǎng)構(gòu)拱架可承受10倍荷載，工字鋼則承受4倍荷載;工字鋼背部混凝土噴不上，滲漏水;網(wǎng)構(gòu)拱架耐久性好、便宜省鋼材、安裝容易)，結(jié)合G317線鷓鴣山隧道(二級公路)成功經(jīng)驗，從以下幾方面加強軟巖隧道施工工序。

4.1 支護參數(shù)優(yōu)化

針對隧道位于高海拔地區(qū)、施工作業(yè)人員勞動強度極大、現(xiàn)場施工機械化程度極低、原設(shè)計Ⅰ20b工字鋼無法安裝到位的現(xiàn)狀，優(yōu)化了支護參數(shù):初期支護采用重量較輕的格柵鋼架支護(15×15)，加大噴混凝土厚度，增加預(yù)留變形量(施工現(xiàn)場調(diào)整為35 cm);施工期間加強監(jiān)控量測，當初支變形達到10 cm～15 cm時為變形預(yù)警線，應(yīng)采用注漿加固、及時封閉措施穩(wěn)定初支，當初支變形達到25 cm時為變形危險線，應(yīng)加設(shè)雙層初支，一般采用Ⅰ16工字鋼。系統(tǒng)錨桿優(yōu)化為鎖腳錨桿，鋼架接頭處采用φ42注漿小導管，并與格柵鋼架焊接。利用ANSYS有限元分析程序，計算了初期支護分別采用Ⅰ20b@50 cm，Ⅰ16@100 cm+Ⅰ18@100 cm，Ⅰ14@100 cm+Ⅰ18@100 cm、格柵鋼架支護(15×15)@50 cm幾種支護體系初期支護的安全系數(shù)，根據(jù)表4的對照結(jié)果，采用格柵支護其初期支護安全系數(shù)降低較小。

表4 初期支護安全系數(shù)對照表

施工現(xiàn)場按以上思路，在老折山隧道進行了試驗段施工，采用如下支護參數(shù):格柵支護(15×15)@50 cm，噴混凝土26 cm，預(yù)留變形量達30 cm以上，加強了鎖腳錨桿，取得了較好的效果，開挖后初支變形較大，由于格柵支護為柔性支護體系，共同承擔了圍巖的變形，總體變形量基本可控制在25 cm以內(nèi)，局部變形較大位置采用注漿小導管注漿加固，變形即可趨于穩(wěn)定。

4.2 施工措施

借鑒類似隧道的施工經(jīng)驗，從以下幾方面控制施工工序及質(zhì)量:1)控制超前支護的注漿量和長度，保證注漿飽滿，可有效加固圍巖，防止塌方;2)加強拱腳墊塊及鎖腳錨桿的質(zhì)量控制，鎖腳錨桿需與鋼架焊接成整體;拱腳施作擴大墊塊，墊木塊或工字鋼，鎖腳錨桿與工字鋼采用U形焊接，有效控制了初支的變形;3)加強施工排水，避免地下水軟化拱腳，開挖期間隧道中部適當挖深利于排水;4)中臺階變形速率和沉降較大時，宜增設(shè)臨時仰拱或護拱;5)初期支護及時封閉成環(huán)，從上臺階至仰拱封閉成環(huán)的距離控制在15 m～20 m以內(nèi)，時間控制在10 d～15 d以內(nèi);6)減少工人勞動強度，提高機械化水平，對個別施工機械進行改裝(如工字鋼托舉設(shè)備)，可有效提高初期支護施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

1)高海拔地區(qū)軟巖隧道施工受隧址區(qū)的構(gòu)造特征、巖性、母巖的巖體成分、地下水發(fā)育情況影響，初支變形較大，同時由于該海拔地區(qū)“嚴寒、偏遠、含氧量低、氧分壓低”的特點，施工人員流動性較大，工人勞動強度較平原提高約40%～50%，施工質(zhì)量難以保證，導致軟巖隧道初期支護難以控制。2)采用網(wǎng)構(gòu)鋼架體系，噴混凝土后的網(wǎng)構(gòu)拱架承載能力較工字鋼大，同時格柵支護為柔性支護體系，易與圍巖共同形成承載體，可有效控制圍巖變形。3)加強施工工藝及質(zhì)量控制，注重施工細節(jié)，超前支護、鎖腳錨桿質(zhì)量、施工排水等方面是保證初期支護質(zhì)量的有效措施，可進一步控制圍巖的松弛變形。

［1］張德華，王夢恕.世界第一高隧——青藏鐵路風火山隧道施工新技術(shù)［J］.工程地質(zhì)學報，2003，11(2):213-207.

［2］齊康平，胡種新.青藏鐵路昆侖上隧道綜合施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(4):41-45.

［3］關(guān)寶樹，趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2011:178-182.

［4］吳應(yīng)明.高原多年凍土隧道施工技術(shù)［J］.隧道/地下工程，2003(1):5-9.

［5］劉國玉.高海拔高寒隧道施工技術(shù)［J］.中國鐵道科學，2001:47-52.

［6］蔚艷慶.對隧道快速出渣運輸機械配套原則及合理方式的探討［J］.隧道建設(shè)，2008(5):561-565.

［7］杜林林，王秀英.預(yù)筑拱控制軟弱圍巖變形機理的研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014(1):62-69.

［8］吳 勇，謝 峰.公路隧道軟弱圍巖臺階施工方案優(yōu)化研究［A］.2013年全國公路隧道學術(shù)會議論文集［C］.2013:267-272.

［9］馬丁·克勒爾，陳景文.擠壓性地層中隧道位于變形控制［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(5):31-37.

［10］彭 波，羅德高，何曉琴，等.國道317線老折山隧道在滑坡塌方處治技術(shù)分析［A］.2012年四川高海拔隧道建設(shè)技術(shù)研討會論文集［C］.2012:130-134.