淺談卵礫石層隧道施工技術(shù)

文∕金星輝

1 前言

目前卵礫石土層隧道的工程實例在國內(nèi)外都不是太多，相關(guān)的設(shè)計施工經(jīng)驗與技術(shù)也尚不成熟，施工中經(jīng)常會遇到復(fù)雜的問題。由于卵礫石土層地質(zhì)條件惡劣，開挖時發(fā)生大變形的情況非常多，特別是開挖過程中遇到大范圍突涌水以及穿越斷層破碎帶的情況，嚴(yán)重時會發(fā)生大規(guī)模塌方，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤[1]。因此，要選擇合適的施工技術(shù)開挖隧道，這關(guān)系到隧道施工的安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等諸多問題。我國西部地區(qū)山高且河流密集，有數(shù)量眾多的公路隧道修建在卵礫石土層中，但目前國內(nèi)外針對卵礫石層隧道施工技術(shù)的研究還不多見，因此在工程實踐中遇到了很多難題，這不僅使施工過程中面臨著經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

2 人為施工對卵礫石層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素比較復(fù)雜，經(jīng)過長期理論研究和對施工實踐的認(rèn)知，從性質(zhì)上大概分為兩大類。第一種為自然因素，包括巖體的力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境、地下水、地應(yīng)力等因素，這是在長期的地質(zhì)運動中所形成的；第二種為人為施工因素，如隧道的大小和形狀、支護(hù)技術(shù)、施工工法等，這是人們在隧道修建之前就可以設(shè)計以及在隧道修建時就可以控制的影響因素[2]。

在隧道所穿越地層條件無法改變的情況下，所設(shè)計隧道的形狀、大小以及在施工中采用的技術(shù)是決定隧道開挖后能否穩(wěn)定的主要因素。一般情況下施工單位必須提前做好地質(zhì)勘探，根據(jù)實際情況設(shè)計隧道。隧道的尺寸越大，其開挖斷面面積和跨度就會增大，對圍巖的擾動也隨之增大，并且將擴(kuò)大圍巖的塑性區(qū)，從而影響到圍巖的整體穩(wěn)定性[3]。采用不同的施工工法在開挖時圍巖的變形也是不同的，對于地質(zhì)條件穩(wěn)定圍巖強(qiáng)度很高的Ⅲ級以上圍巖我們可以采取一次開挖全斷面的方法；而此施工工法對于軟弱圍巖則不適用，地質(zhì)條件穩(wěn)定性差的圍巖采取一次開挖全斷面的方法，在支護(hù)措施未能完成時圍巖已經(jīng)成型自穩(wěn)，這必然會產(chǎn)生大變形。超前支護(hù)措施是保證隧道開挖時圍巖穩(wěn)定的必要措施，對于大斷面卵礫石層隧道圍巖來說，圍巖缺乏足夠的自承能力，一旦進(jìn)行開挖，常常會導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形。掌子面開挖之前提前通過預(yù)注漿的方法提高圍巖的強(qiáng)度，形成圍巖加固圈，能夠防止隧道開挖時坍塌。

3 卵礫石層隧道施工技術(shù)及其應(yīng)用

3.1 工程概況

小山坪隧道是一座典型的四車道高速公路雙洞中隧道，左右線間距為16.1m，隧道最大開挖跨度12.7m，最大開挖高度 10.3m，開挖斷面面積108.37m2，屬于大斷面隧道。小山坪隧道上覆地形屬于低山丘陵地貌，沿隧道開挖方向，地勢起伏很大，最淺處埋深為15m，最厚處埋深達(dá)到80m。隧道中部有巖頭溝泥石流遺跡穿切而過，且隧道進(jìn)出口山坡坡度較陡，坡度范圍分布在60°～80°之間。

3.2 超前預(yù)支護(hù)施工技術(shù)

超前錨桿注漿、超前小導(dǎo)管注漿、超前深孔帷幕注漿、旋噴預(yù)支護(hù)等是卵礫石層隧道超前預(yù)支護(hù)過程中常用的技術(shù)[4]。結(jié)合小山坪隧道實際地質(zhì)情況，在該卵礫石隧道中主要采用超前小導(dǎo)管、中空注漿錨桿等方法，并利用超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿向掌子面拱部的圍巖進(jìn)行注漿操作，增強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。超前預(yù)支護(hù)是隧道工程施工安全的重要條件，通過超前預(yù)支護(hù)技術(shù)可以使隧道巖層在外力作用下保持穩(wěn)定，為實施后續(xù)的施工工序奠定基礎(chǔ)。

超前支護(hù)施作完成后，超前支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間達(dá)到平衡狀態(tài)。隨著隧道的開挖，應(yīng)力發(fā)生重分布，但其應(yīng)力釋放是一個較為緩慢的過程，此時為一次支護(hù)施作時間。一次支護(hù)施作后，將超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿的前端打入在掌子面前方的圍巖中，后端固定在一次支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼拱架上，通過超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿能夠把注漿加固區(qū)受到的來自圍巖上部的應(yīng)力向鋼拱架和尚未開挖的圍巖傳遞，并利用超前小導(dǎo)管、中空注漿錨桿以及鋼拱架形成拱效應(yīng)，從而進(jìn)一步減少加固區(qū)域所承受的圍巖壓力。

3.3 卵礫石層隧道常用施工工法

綜合分析國內(nèi)外在卵礫石層中修建的隧道，總結(jié)出目前穿越卵礫石層隧道所常用的施工工法有三臺階法、分步開挖法等。

3.3.1 三臺階法

三臺階法指的是將開挖的斷面從上到下分為三個臺階，三個臺階同時施工并行推進(jìn)的施工方法。這種施工工法主要應(yīng)用于地下水較少、下半部圍巖強(qiáng)度較大的隧道工程中，也可以應(yīng)用于水量較低的圍巖破碎帶[5]。

3.3.2 分步開挖法

3.3.2.1 三臺階七步開挖法。這種施工工法主要應(yīng)用于易發(fā)生坍塌的強(qiáng)度較低的圍巖或者地質(zhì)條件一般的隧道工程中。三臺階七步法將作業(yè)面自上而下分為三個區(qū)域。通過三臺階七步開挖法進(jìn)行作業(yè)，使核心土能夠有效提高開挖面的穩(wěn)定性，但由于圍巖在作業(yè)過程中所受到的干擾比較多，而且斷面分為多塊，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封閉作業(yè)所需的時間也就更多，因此在工程實踐中需要利用一些輔助措施對施工部位及其前方的巖層進(jìn)行預(yù)支護(hù)。

3.3.2.2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD 法）。單側(cè)壁導(dǎo)坑和上下臺階將斷面劃分為3 個部分，施工時先開挖側(cè)壁導(dǎo)坑，隨后再開挖上下臺階。開挖斷面面積大的軟弱松散圍巖隧道適用于單側(cè)壁導(dǎo)坑法。

3.3.2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（DCD 法）。通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑和上下臺階將作業(yè)面分成4 個區(qū)域，作業(yè)時先對側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)行開挖，然后進(jìn)行支護(hù)操作，最后對上下臺階進(jìn)行開挖，在操作此方法時應(yīng)及時完成側(cè)壁導(dǎo)坑的閉合。這種施工工法的優(yōu)缺點非常明顯，其優(yōu)點是施工不會造成圍巖的較大變形，缺點是成本較高且施工速度很慢。

3.3.2.4 十字中隔墻法（CRD 法）。十字中隔墻法將隧道斷面劃分為4 個部分，上半斷面2 個，下半斷面2 個，施工時先開挖左部上單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉后再開挖左部下半部分，同理完成右半斷面的開挖。大跨度斷面和地表沉降要求很小且受力不均的隧道適用于十字中隔墻法。

3.4 小山坪隧道施工工法開挖步驟

小山坪隧道卵礫石層的復(fù)雜地質(zhì)條件，最終確定隧道采用二次模筑工法設(shè)計的V 級卵礫石底層施工開挖，通過三臺階七步開挖法，開挖循環(huán)進(jìn)尺保持1m。首先將作業(yè)面分為自上而下分成三個臺階和七個開挖面，三個臺階保留核心土，七個開挖面之間保持相應(yīng)的間距分別作業(yè)，開挖后分別支護(hù)，并形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在各開挖面平行推進(jìn)的前提下縮短作業(yè)循環(huán)時間。

第一步，在掌子面的拱部完成超前預(yù)支護(hù)后對弧形導(dǎo)坑進(jìn)行開挖，開挖過程中注意上臺階核心土的保留，小山坪隧道預(yù)留的核心土長度和寬度分別為3m和3.6m。開挖循環(huán)進(jìn)尺保持1m，在初噴凝土后達(dá)到5cm 后利用噴、錨、網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，然后對鋼拱架進(jìn)行架設(shè)，并將其和事前打入圍巖的鎖腳錨桿通過焊接的方式進(jìn)行連接，最后噴射混凝土直到其滿足設(shè)計要求。

第二、三步，完成上部弧形導(dǎo)坑開挖作業(yè)后對左、右側(cè)導(dǎo)坑和中間臺階進(jìn)行開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺保持1m，高度保持在3.3m，開挖時左右臺階須錯開3m 并以最大程度減小對圍巖的擾動。然后按照第一步后面的方式進(jìn)行初噴和鋼拱架的架設(shè)，直至滿足設(shè)計要求。

第四、五步，對左、右側(cè)導(dǎo)坑和下部臺階進(jìn)行開挖作業(yè)，開挖循環(huán)進(jìn)尺保持1m，高度保持在3m，開挖過程中左右臺階間隔應(yīng)大于3m，以防止破壞圍巖自承力。然后按照第一步后面的方式進(jìn)行初噴和鋼拱架的架設(shè)，直至滿足設(shè)計要求。

第六步，對上、中、下臺階處保留的核心土進(jìn)行開挖作業(yè)，循環(huán)進(jìn)尺保持1m。

第七步，對隧道底部進(jìn)行開挖作業(yè)，開挖循環(huán)進(jìn)尺保持2m，初噴凝土達(dá)到5cm，兩個開挖循環(huán)后進(jìn)行仰拱施作。

4 結(jié)語

小山坪隧道多為卵礫石層，圍巖自承能力不足且易坍塌，雖然在干燥環(huán)境下具備相應(yīng)的穩(wěn)定性，但易受到地下水及人為施工因素的影響，在地下水及施工擾動作用下自穩(wěn)時間迅速減小，從而給圍巖的穩(wěn)定性控制和施工帶來很大困難。留核心土的三臺階七步開挖法對圍巖的擾動更小，不僅發(fā)揮了圍巖的自承作用，而且還能使圍巖變形在允許的范圍內(nèi)，因此該方法是適合小山坪卵礫石層隧道的施工工法。本文以小山坪隧道復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境為背景，開展了卵礫石層隧道施工技術(shù)研究，希望為西北地區(qū)同類隧道的建設(shè)提供一定參考。