馬鞍山隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

向延喜

（中交第二航務(wù)工程局第六工程分公司，湖北 武漢 430000）

1 工程地質(zhì)概況

杭黃鐵路馬鞍山隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，線間距為4.6m，洞口段處于巖體較為破碎且易坍塌、埋深較淺地段，洞身段為近水平層狀圍巖。馬鞍山隧道起訖樁號為DK95+335～DK95+709，圍巖主要分為Ⅲ～Ⅴ級巖體，其中Ⅴ級巖體主要分布于隧道進(jìn)出口，Ⅳ級巖體主要分布于隧道兩側(cè)，Ⅲ級巖體主要分布于隧道中段。

2 隧道開挖穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型

UDEC離散元作為一種常用的節(jié)理巖體模擬軟件，能較好利用節(jié)理代碼劃分層狀巖體，以模擬隧道圍巖地質(zhì)產(chǎn)狀[1]。根據(jù)工程背景建立近似隧道模型，如圖1所示；利用JSET代碼劃分近水平層狀圍巖，并在施加重力至應(yīng)力平衡后刪除掌子面，以模擬隧道開挖過程。模型中巖體及節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬

利用UDEC代碼施加自重力后得到隧道圍巖應(yīng)力分布云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖得知自重力下隧道轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，由此分析認(rèn)為拱頂受上覆巖層壓力影響，其結(jié)構(gòu)有效使應(yīng)力集中由兩側(cè)向下轉(zhuǎn)移；而兩幫由于側(cè)壓影響，開挖卸荷后向內(nèi)部變形釋放應(yīng)力，兩者聯(lián)合作用后導(dǎo)致了轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中，易失穩(wěn)后引起拱頂坍塌、兩幫變形等問題[2]。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 巖體內(nèi)部節(jié)理參數(shù)

2.3 分析

針對模擬中隧道拱頂及轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中的情況，結(jié)合工程所處區(qū)域地質(zhì)背景分析認(rèn)為，隧道洞口、Ⅴ級圍巖地段可采用四步CD法施工，利用超前管棚、小導(dǎo)管支護(hù)強(qiáng)化拱頂穩(wěn)定性；Ⅳ圍巖地段采用三臺階法施工，超前小導(dǎo)管支護(hù)強(qiáng)化拱頂穩(wěn)定性；Ⅲ級圍巖地段采用臺階法施工，并及時(shí)對拱頂區(qū)段施作初期支護(hù)，以保障隧道安全穩(wěn)定性。

3 隧道開挖施工技術(shù)

3.1 臺階法施工

隧道Ⅲ級圍巖地段采用臺階法施工，通過對上半斷面先進(jìn)行開挖，并進(jìn)行初期支護(hù)，及時(shí)遏制拱頂變形，預(yù)防圍巖失穩(wěn)坍塌事故，然后由上至下進(jìn)行開挖及支護(hù)。施工時(shí)，上臺階采用支架式風(fēng)鉆鉆孔進(jìn)行光面爆破，下臺階采用鉆孔臺車鉆孔，人工裝藥后用非電毫秒雷管微差控制爆破。

3.2 三臺階法施工

隧道Ⅳ圍巖地段采用三臺階法開挖，考慮到拱頂圍巖應(yīng)力環(huán)境，采用弱爆破進(jìn)行破巖開挖，中下導(dǎo)及仰拱則通過控制最大齊爆藥量以預(yù)防圍巖失穩(wěn)。施工過程中，各部分之間的間距為3～5m，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，非電毫秒雷管微差起爆，濕噴機(jī)濕噴作業(yè)。

3.3 四步CD法施工

隧道洞口及洞身Ⅴ級圍巖段采用四步CD法開挖，分臺階開挖隧道上下①②區(qū)段，通過逐步施作導(dǎo)坑周邊的主體結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和中隔壁臨時(shí)支護(hù)，維持開挖后的隧道圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)，采用超前支護(hù)強(qiáng)化隧道圍巖自穩(wěn)性。

4 隧道超前支護(hù)施工

4.1 超前支護(hù)

根據(jù)模擬分析、工程地質(zhì)及施工工藝，針對隧道拱頂采用超前支護(hù)，其中隧道洞口段采用φ108mm長管棚超前支護(hù)，洞身Ⅴ、Ⅳ級圍巖段采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)[3]。具體支護(hù)參數(shù)如表3所示。

表3 隧道各里程段圍巖級別及支護(hù)參數(shù)

4.2 大管棚施工

隧道進(jìn)出口段各設(shè)一環(huán)φ108mm大管棚超前支護(hù)，采用管棚鉆機(jī)成孔，鋼管采用鉆機(jī)推進(jìn)器頂進(jìn)，高壓注漿泵注漿，施工工藝為測量放線、定位施作套拱→搭設(shè)平臺、準(zhǔn)備鉆孔→鉆孔→掏孔檢查（若存在坍孔、探討石，采用鉆機(jī)掃孔）→安裝管棚鋼管→孔口處理、噴混凝土封閉→注漿（若注漿效果差則需采取補(bǔ)孔措施）→進(jìn)入開挖工序。

（1）施作套拱。施工時(shí)，首先在洞外起拱線以設(shè)置約5m的平臺，然后在洞口交界處架立鋼架，鋼架利用連接筋焊接為整體，間距為0.75m。同時(shí)，在鋼支撐上設(shè)置φ127mm的導(dǎo)向鋼管，安裝導(dǎo)向鋼管時(shí)需確保精度準(zhǔn)確，并將導(dǎo)向鋼管與鋼架焊接為整體。導(dǎo)向鋼管的數(shù)量、環(huán)向間距和外插角需與大管棚設(shè)計(jì)一致。安裝完成后按設(shè)計(jì)進(jìn)行導(dǎo)向墻澆筑，并噴射厚15cm的C20混凝土封閉周圍仰坡面，以防止?jié){液從周圍仰坡滲漏。

（2）鉆孔。作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場利用方木搭設(shè)牢固的鉆孔臺架，并在平臺上滿鋪木板，采用管棚鉆機(jī)從導(dǎo)向管內(nèi)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。開孔時(shí)先采用低壓慢轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)過程中通過傾斜儀等測量設(shè)備控制鉆孔的質(zhì)量，確保終孔后的偏斜率在1/2000以內(nèi)。

（3）安裝大管棚鋼管。施工時(shí)，利用機(jī)械將管棚鋼管頂入，各鋼管節(jié)段之間采用用絲扣連接。管棚鋼管頂進(jìn)時(shí)，現(xiàn)場采用6m和3m節(jié)長的管節(jié)交替進(jìn)行作業(yè)，確保隧道縱向斷面接頭數(shù)≤50%，同時(shí)在管壁間隔15cm處交錯(cuò)鉆壓漿孔（φ6mm），便于注漿時(shí)漿液向圍巖內(nèi)壓注。管棚安裝到位后，采用速凝水泥等材料堵塞鋼管與導(dǎo)向管間隙，預(yù)防注漿時(shí)出現(xiàn)冒漿。

（4）注漿。注漿施工前，可利用高壓水沖洗鉆孔，清除孔內(nèi)泥沙，然后采用0.5～1.5MPa的注漿壓力進(jìn)行水泥砂漿注漿。注漿前先進(jìn)行注漿現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化注漿參數(shù)。

4.3 超前小導(dǎo)管施工

（1）超前小導(dǎo)管。根據(jù)圍巖的不同，Ⅳ級圍巖段采用Ⅱ型超前小導(dǎo)管，規(guī)格為φ42×3.5mm、L=4.5m熱軋無縫鋼管；Ⅴ級圍巖段采用Ⅲ型超前小導(dǎo)管，規(guī)格為φ50×5mm、L=5m熱軋無縫鋼管。施工前，在鋼筋場對小導(dǎo)管進(jìn)行加工成型，使其前端為尖錐狀便于插入，尾部焊上φ6mm加勁箍。現(xiàn)場φ10mm壓漿孔按15cm間距成梅花形分布于管壁四周。小導(dǎo)管鋼管環(huán)向間距Ⅳ級圍巖為40cm、Ⅴ級圍巖為30cm，其中縱向相鄰兩排的水平投影搭接長度Ⅳ級圍巖≥100cm、Ⅴ級圍巖 ≥150cm[4]。

（2）施工要求。施工時(shí)采用鉆孔法打入小導(dǎo)管，鉆孔直徑一般大于小導(dǎo)管3～5mm，安設(shè)時(shí)小導(dǎo)管穿過鋼架采用機(jī)械、人工頂入，頂入長度不小于鋼管長度90%，插入后利用高壓風(fēng)對鋼管內(nèi)部進(jìn)行清理，并用麻絲和錨固劑對管口進(jìn)行封堵，安裝孔口閥并連接注漿管路進(jìn)行注漿作業(yè)。每完成一排小導(dǎo)管注漿后，即可開挖隧道拱頂并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，然后間隔2.0m進(jìn)行下一排小導(dǎo)管的安裝。

（3）注漿參數(shù)。

施工現(xiàn)場注漿為單液注漿，采用0.5～1.0MPa注漿壓力進(jìn)行水泥砂漿注漿（水泥漿水灰重量比為0.5～1.0）。注漿前先進(jìn)行注漿現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化具體注漿參數(shù)，巖體止?jié){效果較差時(shí)可改用水泥、水玻璃雙液注漿，若注漿效果無法滿足工程設(shè)計(jì)要求時(shí)，需采取相關(guān)補(bǔ)注措施。

5 效果評價(jià)

隧道所屬工程全線于2014年開工，至2018年全線竣工，馬鞍山隧道施工過程中，監(jiān)測隧道拱頂累積沉降較小，圍巖穩(wěn)定性較好，有效保障了施工安全、質(zhì)量，運(yùn)營期間隧道圍巖穩(wěn)定性較好，無安全、質(zhì)量事故發(fā)生。

6 結(jié)束語

綜上所述，利用離散元程序模擬隧道開挖，分析認(rèn)為隧道拱頂及轉(zhuǎn)角處應(yīng)力較為集中，并基于工程地質(zhì)背景，提出了針對圍巖級別的分類施工工藝及超前支護(hù)方式，可保障隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定。