尚崗一號(hào)隧道軟弱圍巖施工技術(shù)

李成業(yè)

摘要：隧道軟弱圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，開挖后隧道周邊產(chǎn)生較大的松動(dòng)圈，常因工程措施和施工方法不當(dāng)引發(fā)初期支護(hù)變形侵限和隧道坍方等工程問題。尚崗一號(hào)隧道軟巖地層主要有泥巖、砂巖等，有微膨脹性。軟巖隧道施工中存在的主要問題是變形大、易坍塌、進(jìn)度慢，軟巖變形侵限、塌方處理時(shí)間長(zhǎng)、安全隱患大。因此軟巖隧道施工首先是控制變形和預(yù)防坍塌，其次是加快施工進(jìn)度。

Absrtact： The weak surrounding rock of the tunnel has low strength and poor self-stability. After the excavation， there is a large loose circle around the tunnel. Engineering problems such as initial support deformation and tunnel collapse are often caused by improper engineering measures and construction methods. The soft rock strata of Shanggang No. 1 Tunnel are mainly mudstone， sandstone and so on.The main problems in soft rock tunnel construction are large deformation， easy to collapse， slow progress， soft rock deformation， long time to deal with collapse and large hidden danger of safety.Therefore， the construction of soft rock tunnel is to control deformation and prevent collapse first， and then to accelerate the construction progress.

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；變形；坍塌；預(yù)防

Key words： soft surrounding rock；deformation；collapse；prevention

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0139-03

0 引言

當(dāng)前，隨著一輪一輪鐵路建設(shè)項(xiàng)目的開工，長(zhǎng)大隧道和高風(fēng)險(xiǎn)隧道的修建將會(huì)越來越多，西南地區(qū)隧道軟巖地層頻繁出現(xiàn)，隧道施工中存在的安全隱患應(yīng)引起施工設(shè)計(jì)的高度重視，采取有效的管理和技術(shù)措施避免事故的發(fā)生是隧道工作者最為關(guān)心的問題，本文針對(duì)尚崗一號(hào)隧道隧道的施工，僅從施工技術(shù)方案選擇、施工措施方面談一些建議，以期對(duì)軟弱圍巖的施工設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

1 工程概況

玉磨鐵路21標(biāo)段位于云南省勐臘縣勐臘鎮(zhèn)及尚勇鎮(zhèn)內(nèi)，工程所承擔(dān)的隧道施工主要工程量為單線隧道5座15003延長(zhǎng)米。最長(zhǎng)隧道尚崗一號(hào)隧道長(zhǎng)5790m，是標(biāo)段的控制性工程，隧道最大埋深480m。地層巖性主要為砂巖、泥巖，巖層節(jié)理發(fā)育、擠壓破碎、斷裂構(gòu)造及牽引褶曲較發(fā)育、整體性差圍巖富含水，巖體遇水軟化嚴(yán)重，隧道涌水量12000m3/d，雨季最大涌水量14400m3/d，圍巖等級(jí)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。隧道主要的不良地質(zhì)為滑坡、坍塌、順層偏壓、，特殊巖土為軟土（巖）、膨脹巖、石膏及鹽巖。

2 軟巖大變形的原因和定義

尚崗一號(hào)隧道軟弱圍巖強(qiáng)度低，遇水軟化膨脹，施工中圍巖發(fā)生膨脹過渡松弛是發(fā)生大變形的基本原因，超過容許變形值的變形都可以定義為大變形或過度松弛變形。一般Ⅳ級(jí)及其以下的深埋軟弱圍巖地段，當(dāng)洞周水平相對(duì)收斂值大于2%時(shí)，可認(rèn)為發(fā)生了軟巖大變形。

3 軟巖變形的危害

根據(jù)觀察，該隧道軟弱圍巖發(fā)生大變形的段落，一般出現(xiàn)在掌子面后方25～30m處。主要表現(xiàn)在初期變形位移速度非常大，變形的絕對(duì)值也大，如果不采取措施加以控制，極易出現(xiàn)坍塌、“關(guān)門”等事故，造成不可預(yù)計(jì)的后果。大變形的危害：斷面收斂、拱腳拱頂下沉、拱腰出現(xiàn)縱向開裂、基底鼓起等，往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效、侵限和圍巖塌方，威脅施工人員安全，影響工程質(zhì)量，增加工程造價(jià)，后序的處治難度非常大，給隧道襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定留下隱患，并可能引發(fā)隧道滲漏。

4 軟巖大變形施工措施

4.1 施工遵循的原則

“變形”控制，實(shí)質(zhì)上是“圍巖松弛”控制，是必須通過開挖和支護(hù)兩大技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。因此，首先要做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，探明地質(zhì)情況；二是要做好超前支護(hù)，加固補(bǔ)強(qiáng)掌子面前方圍巖；三是選擇合適的開挖工藝工法；四是初期支護(hù)及時(shí)和仰拱盡早封閉成環(huán)；五是圍巖量測(cè)正確，數(shù)據(jù)分析合理；六是適時(shí)施做二襯，確保安全質(zhì)量?？傊?，在軟巖大變形段施工應(yīng)采用“加固圍巖、預(yù)留變形、先柔后剛、先放后抗、剛?cè)岵⑴e、分次支護(hù)、及早封閉、底部加強(qiáng)、信息化施工”的綜合治理措施，采用噴錨支護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)。軟巖大變形襯砌支護(hù)采取主動(dòng)式（柔性）與被動(dòng)式（剛性）相結(jié)合的綜合處置方法，在適當(dāng)控制下產(chǎn)生一個(gè)合理的塑性圈，允許變形，有控制地釋放圍巖變形能，且盡可能保護(hù)圍巖的強(qiáng)度不致快速下降，不產(chǎn)生大的松動(dòng)圈。

4.2 隧道大變形處理措施

主要有以下幾種：

①開挖前，主要有超前支護(hù)、超前加固，采用接近圓形的斷面等。

②開挖中，小斷面開挖，加大預(yù)留變形量，臨時(shí)支護(hù)及仰拱等。

③初期支護(hù)，加大鋼架規(guī)格型號(hào)、采用可縮式鋼架、增加噴層厚度、雙層初期支護(hù)、長(zhǎng)錨桿等。

針對(duì)不同情況，采用一種或幾種措施組合就可有效抑制變形的發(fā)展，保證施工及結(jié)構(gòu)的安全。

4.3 軟巖大變形地段施工控制要點(diǎn)

4.3.1 控制超前支護(hù)施工質(zhì)量

易于發(fā)生大變形的圍巖，必然伴隨發(fā)生較大的掌子面擠出變形，兩者是密切相關(guān)的。一般情況下小導(dǎo)管的外插角在5～10°之間，大變形軟弱圍巖的超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.0m左右，每?jī)傻饺凹苁┳饕淮?，搭接長(zhǎng)度1.6～2.4m，安裝后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行注漿。軟弱圍巖大變形其中一個(gè)重要的原因是圍巖節(jié)理以張性為主，空隙很大，開挖之后應(yīng)力圈很快釋放成為松散圈，在圍巖本身自重及相鄰圍巖的擠壓作用下即產(chǎn)生變形，且松散圈順法線方向逐步向外圍擴(kuò)展，從而導(dǎo)致圍巖長(zhǎng)期變形而不能穩(wěn)定；另一個(gè)重要原因是圍巖易受裂隙水侵入軟化而導(dǎo)致自穩(wěn)能力降低、自重增加。因此，超前小導(dǎo)管安裝后必須要按設(shè)計(jì)要求做好注漿工作，并加大注漿壓力（一般控制在2MPa以上），對(duì)周邊圍巖起到提前加固和堵水作用，以提高圍巖自承能力。

4.3.2 選擇安全合理的開挖工法

大變形軟弱圍巖段落的施工，選擇合理的開挖工法至關(guān)重要，尚崗一號(hào)隧道斷面形式采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工方法。

4.3.3 控制開挖進(jìn)尺

由于軟巖地段多數(shù)圍巖地應(yīng)力較大，減小臨空面是有效控制圍巖應(yīng)力釋放的最好方法。實(shí)踐證明：掌子面每循環(huán)進(jìn)尺一榀鋼架長(zhǎng)度，中下臺(tái)階落底不能超過2榀鋼架長(zhǎng)度，仰拱開挖長(zhǎng)度最大控制在3m，可有效控制初支的開裂變形。

4.3.4 做好隧道鉆爆設(shè)計(jì)

減少擾動(dòng)，控制超欠挖，避免應(yīng)力集中。軟巖隧道開挖掘進(jìn)采用微震光面爆破技術(shù)，盡量減弱減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，提高開挖質(zhì)量，確保施工安全。

4.3.5 確定合理施工安全步距

施工步距是控制安全的關(guān)鍵，步距過長(zhǎng)，則圍巖收斂發(fā)展速度快，且變形時(shí)間長(zhǎng)；如步距過短，則各工序相互干擾，施工無法正?？焖匍_展。一句話，安全步距既滿足施工需要，又要初支及早封閉成環(huán)。經(jīng)過實(shí)踐證明，仰拱與掌子面距離一般控制在15m以內(nèi)，二襯與掌子面的距離控制在50m以內(nèi)，是軟巖大變形隧道比較合理的步距。

4.3.6 控制型鋼鋼架施工質(zhì)量

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求進(jìn)行拱架的制作和安裝。鋼架（工字鋼）底部加設(shè)槽鋼（I18鋼架采用[20槽鋼墊實(shí)，以增大鋼架持力層面積。噴射混凝土前槽鋼底部以上15cm左右高度范圍內(nèi)用砂或虛土回填，槽鋼每榀布置一節(jié)，節(jié)長(zhǎng)30～40cm，這樣既可控制鋼架下沉，又可保證上下臺(tái)階鋼架的連接質(zhì)量，并為下臺(tái)階施工提拱方便，如圖1所示。

在圍巖破碎地段加強(qiáng)每榀鋼支撐的縱向連接，將連接鋼筋的環(huán)向間距加密為每50cm一道，以提高鋼架間支撐剛度及強(qiáng)度。

4.3.7 拱部組合注漿錨桿施工質(zhì)量控制

上斷面開挖后形成臨空面，臨空的圍巖體存在坍塌區(qū)、松弛區(qū)及穩(wěn)固區(qū)呈發(fā)散狀分布，因此必須嚴(yán)格控制拱部中空錨桿的施作質(zhì)量：其長(zhǎng)度必須按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（打入穩(wěn)固區(qū)）施作；嚴(yán)格按照施工工藝施作；控制注漿壓力，確保固結(jié)周邊圍巖。

4.3.8 噴射混凝土質(zhì)量控制

噴射混凝土的主要目的是使噴射混凝土能與基層結(jié)合緊密，密實(shí)和牢固并盡可能的減少回彈量。噴混凝土采用濕噴工藝，噴射砼要嚴(yán)格遵循分片噴射、從下到上、拱部閉合的噴射順序，噴頭作連續(xù)不斷的螺旋形運(yùn)動(dòng)，后一圈壓前一圈1/3。噴射線自上而下呈“S“形運(yùn)動(dòng)，使噴層厚度均勻，嚴(yán)禁將噴頭靜止對(duì)著一個(gè)地方噴射。操作人員操作噴嘴時(shí)保持噴嘴和底面的合適的距離，噴頭必須盡量保持與巖面垂直，才能保證砼的密實(shí)性，鋼筋保護(hù)層厚度大于3cm。噴射過程中發(fā)現(xiàn)有脫落的石塊或混凝土塊被鋼筋網(wǎng)卡住時(shí)要及時(shí)進(jìn)行清除。在一般地段，可以不要求一次就能噴到設(shè)計(jì)厚度，當(dāng)噴混凝土厚度不夠時(shí)進(jìn)行補(bǔ)噴即可。在軟巖變形較嚴(yán)重地段，圍巖開挖后變形較快，一次噴射厚度不足或質(zhì)量不佳時(shí)，無法提供有效的結(jié)構(gòu)抗力，同時(shí)二次噴射混凝土與第一次噴射混凝土粘接效果受到影響，因不密實(shí)而形成縫隙，容易造成混凝土剝落、掉塊，故必須設(shè)法一次噴射到位，并針對(duì)拱頂回彈大的情況，采取在拱頂2m范圍縱向增設(shè)網(wǎng)片，這樣能明顯增加網(wǎng)噴的有效性，在一定程度上避免了支護(hù)后的變形。

4.3.9 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

施工過程要切實(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，隨時(shí)掌握圍巖的變形情況，以指導(dǎo)下一步施工。隧道監(jiān)控測(cè)量工作緊跟開挖、支護(hù)作業(yè)進(jìn)行布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)。量測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用工程類比法及時(shí)分析反饋，根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整下一步支護(hù)參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)留沉降量不能滿足要求時(shí)，要及時(shí)采取加固措施，控制變形，主要方法是施作臨時(shí)套拱，加做徑向注漿，即加強(qiáng)初支（二次補(bǔ)強(qiáng)），以穩(wěn)固周邊圍巖，確保施工安全。

5 施工過程中產(chǎn)生大變形地段可采取的應(yīng)急措施

①如相鄰段初支尚未發(fā)生變形，掌子面穩(wěn)定，應(yīng)停止開挖，未施工二襯段進(jìn)行二次初支，采用型鋼臨時(shí)加固（含仰拱部位），加快二襯施工進(jìn)度。

②如相鄰段初支尚未發(fā)生變形，或變形尚輕微，掌子面存在不穩(wěn)跡象，應(yīng)立即采用沙袋回填坑道，回填長(zhǎng)度不小于10m，對(duì)未施工二襯段初支采用5m長(zhǎng)自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿（間距1.5m×1.5m）結(jié)合工20型鋼（間距0.5m）加固，加固范圍包括墻腳部位，錨桿應(yīng)與原有加固鋼架焊牢固，并加快二襯施工進(jìn)度。

③如相鄰初支變形加大存在坍塌危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)立即將施工人員和機(jī)械設(shè)備撤退到安全區(qū)域，并向危險(xiǎn)區(qū)域拋填沙袋。

④提前澆筑相鄰段。

6 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于控制軟巖大變形只要做到超前預(yù)判、超前支護(hù)、超前加固到位，選擇合適的開挖工藝工法，預(yù)留合適的變形量，初支及時(shí)緊跟到位，圍巖量測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確，仰拱及時(shí)封閉成環(huán)，嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)，切實(shí)抓好過程控制，必要時(shí)進(jìn)行二次初支加固，就能避免變形超限侵限、避免二次開挖換拱、避免塌方，就能保證安全、保證質(zhì)量、保證進(jìn)度，避免效益流失。

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