大跨軟弱圍巖瓦斯隧道三臺(tái)階施工技術(shù)

劉 軍

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

隨著我國山嶺鐵路隧道建設(shè)朝著更深更復(fù)雜的地層發(fā)展，隧道開挖經(jīng)常遭遇富煤或富其地層，如何控制開挖面中的瓦斯等有害氣體成為鐵路施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和難點(diǎn)[1-4]。當(dāng)以甲烷為主的瓦斯?jié)舛忍幱?%～16%的范圍時(shí)，若遇明火發(fā)生爆炸，將對現(xiàn)場施工工人造成直接生命威脅。本文以戴云山隧道進(jìn)口段工程作為研究對象，討論對于該段瓦斯隧道施工難點(diǎn)及開挖方式。

1 工程概況

戴云山隧道進(jìn)口段位于福建省尤溪縣中仙鄉(xiāng)劍溪村的溝谷中，隧洞埋深60 m～638 m。該隧道進(jìn)口段屬于燕尾式，即洞口往內(nèi)695 m為雙線單洞的大跨段，其后分為兩個(gè)單洞單線隧道。隧道左線長度為15 623 m，右線15 605 m，斜率為3‰。

隧道進(jìn)口段瓦斯壓力0.3 MPa，為二級含瓦斯地段其加寬情況詳見表1。

表1 戴云山隧道進(jìn)口大跨段加寬狀況統(tǒng)計(jì)表

全隧道設(shè)置進(jìn)口平導(dǎo)1座機(jī)2座斜井。

2 水文地質(zhì)概況

隧道進(jìn)口大跨段圍巖等級為Ⅳ級圍巖，地層構(gòu)造中主要有灰黑色中薄層粉砂巖，薄層粉砂層泥巖夾煤層或煤線。地下水為基巖構(gòu)造裂隙水，整片區(qū)域?qū)儆谥械雀凰畢^(qū)。隧道進(jìn)口段為煤系地層，埋深65 m～114 m，屬于高應(yīng)力區(qū)，其他段埋深大于114 m，屬于極高應(yīng)力區(qū)。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

戴云山隧道進(jìn)口雙線單洞隧道大跨段圍巖等級為Ⅳ級，采用三臺(tái)階七步開挖，復(fù)合式襯砌支護(hù)。初支采用噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+錨桿+鋼拱架的聯(lián)合支護(hù)方式，二襯采用鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)。各支護(hù)參數(shù)及施工要點(diǎn)如下：

1)噴混凝土：拱墻采用C25網(wǎng)噴混凝土，仰拱采用C25噴射素混凝土。初期支護(hù)噴射混凝土透氣系數(shù)要求不大于10 cm/s，因此噴射混凝土全部摻加氣密劑；

2)錨桿：隧道拱頂采用φ25中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，L=3.5 m/(大跨加寬3 m～6 m為4 m)，間距1.2 m(環(huán)向)×1.2 m(縱向)/(大跨加寬3 m～6 m為1.0 m×1.0 m)，采用梅花形布置；

3)隧道成洞后，應(yīng)立即噴C25早強(qiáng)混凝土；

4)防水：襯砌結(jié)構(gòu)防水等級為一級，治理方式為利用結(jié)構(gòu)自防水特性及初襯與二次襯砌間設(shè)置全斷面閉孔PE泡沫塑料墊層(厚度不小于4 mm、幅寬4 m)+EVA防水板(厚度為1.5 mm，幅寬4 m)；

5)排水：每側(cè)邊墻腳設(shè)置兩排縱向排水盲溝，盲溝外包土工布。

4 主要施工技術(shù)及注意事項(xiàng)

4.1 隧道通風(fēng)方案

本隧道進(jìn)口大跨段采用巷道式+壓入式聯(lián)合通風(fēng)方案。具體如下：對于低濃度瓦斯地段，利用射流風(fēng)機(jī)提高通風(fēng)速度；而對于掌子面塌腔區(qū)、模板臺(tái)車處等瓦斯聚集風(fēng)險(xiǎn)較高地段，采用增加局部風(fēng)扇或利用高壓型風(fēng)機(jī)等方式進(jìn)行通風(fēng)。在瓦斯地層施工期間，應(yīng)保證洞內(nèi)掌子面有足夠的風(fēng)量和風(fēng)速。

4.2 洞內(nèi)瓦斯監(jiān)測

洞內(nèi)瓦斯監(jiān)測采用人工與機(jī)器自動(dòng)檢測相結(jié)合的方式。對于重點(diǎn)部位(電器開關(guān)、掌子面附近等)、關(guān)鍵工序、關(guān)鍵時(shí)刻(如鉆眼放炮前、出碴過程中)，要配備專職的瓦斯監(jiān)測人員。距離開挖面150 m拱頂處需設(shè)置瓦斯監(jiān)測儀，并配備專職工作人員進(jìn)行值班，及時(shí)采集和分析瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。若瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，應(yīng)立即停止工作，及時(shí)采取緊急治理措施。

4.3 隧道分部開挖施工工序

為防止大跨度隧道施工過程中出現(xiàn)過大變形，盡量減少掌子面開挖對高瓦斯地層的擾動(dòng)，減小高濃度瓦斯泄露的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)對比研究分析，決定采用三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工。該工法以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土為基本原則，上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開挖面沿隧道縱向錯(cuò)開推進(jìn)。具體施工工序如圖1所示。

詳細(xì)施工步驟如下:

1)在上一循環(huán)隧道拱部超前支護(hù)完成后，進(jìn)行上臺(tái)階的開挖。上臺(tái)階采用弧形導(dǎo)坑、預(yù)留核心土的方式進(jìn)行開挖。弧形導(dǎo)坑高度為3.7 m，預(yù)留核心土沿隧道縱向一般為5 m，高度為1.7 m，寬度一般為隧道跨度的1/3～1/2(根據(jù)現(xiàn)場地層條件和施工經(jīng)驗(yàn)確定)。開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)開挖面圍巖穩(wěn)定情況和初支的設(shè)計(jì)間距綜合確定。

2)中臺(tái)階開挖應(yīng)滯后上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑約3 m，臺(tái)階高度控制為3.6 m，左右工作面錯(cuò)開2 m～3 m，保持與上臺(tái)階一致的開挖進(jìn)尺，預(yù)留核心土。臺(tái)階開挖后立即噴射3 cm～5 cm混凝土作為臨時(shí)支護(hù)，并及時(shí)假設(shè)鋼拱架。在兩側(cè)拱腳處應(yīng)架設(shè)鎖腳錨桿，減小兩側(cè)圍巖變形擾動(dòng)。之后進(jìn)行錨—噴—網(wǎng)的復(fù)合支護(hù)直至設(shè)計(jì)厚度。

3)下臺(tái)階開挖應(yīng)滯后中臺(tái)階不大于10 m，臺(tái)階高度控制為3 m，左右工作面錯(cuò)開2 m～3 m，保持與上臺(tái)階一致的開挖進(jìn)尺，預(yù)留核心土。臺(tái)階開挖后立即噴射3 cm～5 cm混凝土作為臨時(shí)支護(hù)，并及時(shí)假設(shè)鋼拱架。在兩側(cè)拱腳處應(yīng)架設(shè)鎖腳錨桿，減小兩側(cè)圍巖變形擾動(dòng)。之后進(jìn)行錨—噴—網(wǎng)的復(fù)合支護(hù)直至設(shè)計(jì)厚度。之后進(jìn)行隧道仰拱結(jié)構(gòu)施工。

4)為方便機(jī)械開挖，三個(gè)臺(tái)階預(yù)留核心土的長度為5 m～10 m，在三臺(tái)階開挖支護(hù)完成后，進(jìn)行核心土的開挖。結(jié)合移動(dòng)棧橋的長度，現(xiàn)場一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺定位5 m～8 m。為減少對圍巖的擾動(dòng)，采用預(yù)裂爆破+機(jī)械大開挖+人工清底的方式進(jìn)行。清底后，及時(shí)進(jìn)行混凝土噴射+鋼拱架作為初支，之后及時(shí)復(fù)噴混凝土直至設(shè)計(jì)厚度，使隧道環(huán)向盡早封閉。之后緊跟仰拱襯砌的回填。圖2是現(xiàn)場三臺(tái)階七步法開挖施工的透視圖。

4.4 施工注意事項(xiàng)

1)鉆爆設(shè)計(jì)。采用預(yù)裂爆破對大跨度斷面圍巖進(jìn)行較好斷面的開挖，可以降低沖擊波對圍巖的干擾，從而使圍巖保持穩(wěn)定。洞內(nèi)爆破嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”(裝藥前、放炮前、放炮后)、“三人連鎖放炮制”(爆破工、班組長、瓦斯檢測員)。三臺(tái)階七步法開挖鉆爆設(shè)計(jì)見圖3。2)初期支護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和開挖步驟，在加工場對鋼拱架進(jìn)行預(yù)處理和預(yù)成形，依據(jù)掌子面的圍巖地質(zhì)及斷面寬度，確定每次掘進(jìn)尺寸、掘進(jìn)進(jìn)度和單次安裝鋼拱架的榀數(shù)。按照施工設(shè)計(jì)要求，打設(shè)鎖腳錨桿，并與鋼架焊機(jī)牢固，迅速打設(shè)錨桿、掛網(wǎng)、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。3)仰拱施工。爆破機(jī)械開挖，人工清底，快速開挖仰拱就位，按鋼框架使其封閉成環(huán)，噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，及時(shí)防水施工，仰拱鋼框架綁扎，仰拱回填混凝澆筑。

4.5 現(xiàn)場監(jiān)測

隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測點(diǎn)布設(shè)見圖4。測點(diǎn)采用對稱布置，測點(diǎn)設(shè)置器材必須探入圍巖40 cm以上，在開挖后12 h內(nèi)取得初始讀數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場開挖面圍巖穩(wěn)定性情況及監(jiān)測得到的實(shí)際變形速度，確定監(jiān)測頻率。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)加大監(jiān)測頻率并及時(shí)通知建設(shè)各方，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，得出拱頂最大沉降量為45 mm，水平收斂最大32 mm。

5 結(jié)語

與一般地層中的隧道相比，對于瓦斯隧道，合理的防爆及監(jiān)控手段是安全施工的重要保障，要加強(qiáng)人員培訓(xùn)，對施工人員嚴(yán)格管理，以人為本，確保安全。從本文所述瓦斯隧道進(jìn)口燕尾大跨段采用的三臺(tái)階七步法施工效果來看，采用三臺(tái)階七步法的工藝，能夠確保大跨度、大斷面類隧道在瓦斯地層施工的安全，且與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，具有施工進(jìn)度快，成本低，對地層擾動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)。并為今后大跨度、大斷面地下工程在瓦斯地層中的施工提供有益的借鑒和指導(dǎo)。