三臺階臨時仰拱法在大法郎隧道滑石軟弱地層下快速施工中的應用

程川

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400000）

1 工程概況

文山至麻栗坡高速公路（文麻高速），本標段起訖里程K39+400～K49+600，全長10.2km。沿線地質(zhì)條件特殊，路基2.581km、涵洞14 座566 延米、橋梁9 座單幅2.74km、隧道4 座單洞12.683km，互通1 處。其中，隧道進口近300m 段使松散堆積體，0～12m 約為全風化泥質(zhì)頁巖，12～28m 約為濕潤粉質(zhì)黏土，埋深25～46m 為全風化-強風化軟弱圍巖段。

2 施工重難點

2.1 大法郎隧道項目施工情況概況

洞口段深厚破碎松散堆積體圍巖（約300m）、4 段破碎帶（330m、480m）、2 處斷層破碎帶（20m）、4 個圍巖交界面頁巖與灰?guī)r分界/灰?guī)r與板巖分界，灰?guī)r巖溶段，施工風險極高。

2.2 不良地質(zhì)體現(xiàn)

根據(jù)補勘資料可以得知，現(xiàn)場含大量的破碎松散堆積體，地下水豐富，巖體呈破碎狀（見表1）。為了更為準確地掌握現(xiàn)場地質(zhì)條件，采取鉆探的方法，但難以從現(xiàn)場取出完整的芯樣；堆積體則含大量的粉質(zhì)黏土、塊石、碎石等，土中顆粒含量約為55%。進洞段的圍巖偏軟弱，由于施工的擾動作用，該處易出現(xiàn)明顯的初支變形、突水突泥等災害，嚴重破壞現(xiàn)場地質(zhì)條件，也容易威脅到人員的人身安全。大法郎隧道不良地質(zhì)占比較高，不良地質(zhì)段達到62%；因進口段存在大量的軟弱圍巖，明顯加大該部位的施工難度，總體進度緩慢，隧道大變形與掌子面溜塌破壞險情頻發(fā)，施工安全風險極高。

表1 大法郞隧道施工情況詳述

2.2.1 圍巖變形量大、變形速率快

累計拱頂沉降、周邊收斂變形大；YK42+460：最大沉降速率為96.0mm/d，采取補強措施后，變形速率衰減較快；局部收斂變形過大，導致拱腰塑形擠出。

縱向分布特征：變形分布不規(guī)律，與巖體性質(zhì)、富水情況、臨時支護措施關(guān)系密切。

YK42+495～YK42+515 圍巖段：612～631mm(↓)225～397mm(—←)。

ZK42+420～YK42+455 圍巖段：320～408mm(↓)125～225mm(—←)。

2.2.2 變形易受開挖擾動

變形受施工開挖擾動影響顯著，其中YK42+400 變形速率波動性較大。尤其是上臺階、中臺階開挖引起的變形最大，上臺階+中臺階：80.41%；仰拱：5.10%。

開挖上、中臺階是圍巖變形控制的關(guān)鍵：縮短上中臺階長度，加強中、上臺階圍巖變形控制，有利于控制圍巖整體變形；

2.2.3 掌子面擠出變形、拱架扭曲

縱向擠出位移對比為：測點C(右拱肩—拱腰位置)＞測點B（左拱肩—拱腰位置）＞測點A（拱頂）；左右側(cè)拱腰位置＞邊墻位置，故造成在拱腰偏下位置型鋼扭曲嚴重。掌子面擠出表現(xiàn)特征：有明顯的水平變形現(xiàn)象，同時掌子面呈鼓出狀。

2.2.4 變形破壞形式多樣

常見變形或破壞形式：掌子面冒頂塌方、掌子面局部溜塌、初期支護局部侵限(鼓包、縮徑)、初期支護開裂和剝落、拱架扭曲變形、地表開裂、小中型巖溶。

軟弱圍巖的承載性能不足、穩(wěn)定性欠佳，變形現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至貫穿于隧道工程施工始終，如何有效抑制圍巖持續(xù)變形、確保施工安全是項目經(jīng)理部工作重心。

3 施工方案必選及確定

經(jīng)過工法三維數(shù)值模擬優(yōu)化，提出適合大法郎隧道施工的工法及參數(shù)，為同時滿足質(zhì)量、效率、效益等多項要求，采用的是三臺階臨時仰拱法，原因在于該施工工藝的靈活性較強、施工狀態(tài)較佳，有利于隧道初支及時封閉成環(huán)，同時圍巖可保持穩(wěn)定狀態(tài)，無明顯變形問題。體現(xiàn)在大法郎隧道工程中，存在初支變形控制要求高、難度大的局限性，于上、中兩部分臺階施作臨時仰拱，通過此結(jié)構(gòu)的設(shè)置，促進初支盡快閉合成環(huán)，保證初支的穩(wěn)定性，以免出現(xiàn)沉降變形、收斂變形現(xiàn)象。

4 施工要點

經(jīng)過三維數(shù)值模擬后，提出適合大法郎隧道施工工法及參數(shù)，選用的是三臺階臨時仰拱法，其優(yōu)勢在于可同時兼顧工程質(zhì)量、效率、效益等多重要求，若應用得當，將使隧道初支及時封閉成環(huán)，圍巖的穩(wěn)定性得以提升，變形得到有效控制。

4.1 三臺階臨時仰拱法施工技術(shù)應用

初支變形控制難度大是大法郎隧道施工中的棘手問題，為此可以采用三臺階加臨時仰拱的方法。根據(jù)施工進度，在上臺階、中臺階兩部分及時施作臨時仰拱，以促進初支快速封閉成環(huán)，確保結(jié)構(gòu)有足夠的承載性能。同時，在應用三臺階加臨時仰拱的方法后，還可有效減小初支的收斂變形和沉降變形。

4.2 施工工序概述

4.2.1 初期支護

初期支護對于維持圍巖的穩(wěn)定性而言有重要的作用，其集多類結(jié)構(gòu)于一體，包含錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)、混凝土等。初期支護增設(shè)臨時仰拱，目的在于構(gòu)成穩(wěn)定的閉合環(huán)，在此方式下，盡可能減小圍巖的變形量。

4.2.2 初噴混凝土

根據(jù)現(xiàn)場條件和質(zhì)量要求，采用濕噴法，單次噴射厚度控制在5～7cm，必須在出渣前完成初噴作業(yè)。噴射混凝土的表面需具有平整性，不可出現(xiàn)滑移流淌、局部凹陷等問題。

4.2.3 掛鋼筋網(wǎng)

初噴混凝土及施作錨桿后，安排掛網(wǎng)，首先根據(jù)工程要求在洞外預制成型，以便現(xiàn)場的快速安裝，此方式下可縮短掛網(wǎng)施工的時間，提高效率。鋼筋網(wǎng)緊貼巖面，與臨近錨桿保持穩(wěn)定連接的關(guān)系，網(wǎng)片間以點焊的方式做有效的搭接處理，確保掛網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4.2.4 安裝鋼架

初噴混凝土施工后，在洞內(nèi)安裝鋼架，并與定位筋焊接。實際施工中，必須確保鋼架平穩(wěn)地置于地層上，局部有超挖現(xiàn)象時，用適量混凝土做回填處理。在現(xiàn)場配備風鎬，若部分區(qū)域突出，則及時予以剔除，使該部分恢復平整狀態(tài)。

4.3 三臺階臨時仰拱法施工要點

設(shè)計要求：臨時仰拱設(shè)置合理矢拱度，提高抗變形能力。

施作時機：臨時仰拱應及時、逐榀跟進，逐榀拆除；有效仰拱不少于4 道；施作靈活（可上臺階、可中臺階）。

施工要求：清理臺階下虛渣及雜物，在全環(huán)封閉前，在現(xiàn)場基礎(chǔ)上將各節(jié)鋼架放置到位，保證有足夠的承載力。

為保證隧道施工的安全性，盡可能弱化爆破，建立穩(wěn)定可靠的初期支護結(jié)構(gòu)，發(fā)揮出此類裝置的支撐作用。施工期間的擾動性較強，需要加強對隧道的精密測量。在現(xiàn)階段的臺階施工方法中，三臺階臨時仰拱法頗具代表性，其對臺階長度的控制水平較高。從豎向支撐的施工情況來看，若臺階的長度過大，將制約后續(xù)仰拱的正常施工，甚至不利于二次襯砌的施工，導致部分結(jié)構(gòu)難以通過驗收。反之，若臺階的長度偏小，開挖后的出渣難度增加，往往存在出渣效率降低的情況，循環(huán)時間隨之延長，在此期間還將埋下大量的安全隱患，嚴重時將誘發(fā)安全事故。由此可見，合理控制臺階的長度極為關(guān)鍵。在設(shè)定臺階的長度時，需確保其能夠滿足大型機械設(shè)備的運行要求，并全面構(gòu)筑安全的施工環(huán)境。從現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展狀況來看，三臺階臨時仰拱對臺階的長度未提出明確的要求，為此需從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，合理控制長度，正常情況下以隧洞寬度的0.6 倍較為合適，并且不可超過隧洞寬度的2 倍。隧洞爆破環(huán)節(jié)存在較強的擾動作用，隧洞周邊的圍巖可能因此而受到影響，為此需提前組織設(shè)計，再以規(guī)范性的方式完成打眼裝藥作業(yè)，且爆破環(huán)節(jié)則優(yōu)先考慮的是弱爆破的方法。參建人員嚴格依據(jù)圖紙規(guī)范作業(yè)，密切關(guān)注隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以此來動態(tài)化調(diào)整支護的參數(shù)，提高各項參數(shù)的可行性。

4.4 隧道大變形分級控制基準及技術(shù)

根據(jù)前期圍巖變形分布規(guī)律及各施工階段圍巖變形占比，總結(jié)提出以下各施工階段圍巖變形分級控制標準及各施工階段圍巖變形控制應對措施，起到主動加固圍巖、發(fā)揮圍巖自承能力、控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展作用。

針對圍巖大變形段，現(xiàn)場不同施工階段所采取的措施：增加上臺階鎖腳錨管；預留φ76 中管棚鎖腳套管，預防圍巖變形進一步發(fā)展；增加中臺階臨時仰拱，及時閉合上部初期支護；增加臨時斜撐；仰拱施作完成時，增加臨時護拱。

變形控制效果：一是隧道開挖前期圍巖變形較大，增加相應的處置措施后圍巖變形速率明顯減?。欢菄鷰r累計變形量小于預留變形量值，侵限現(xiàn)象明顯減少；三是初支局部向外擠出現(xiàn)象明顯改善，初支圓順。

4.5 隧道圍巖松動圈及支護結(jié)構(gòu)力學測試

右邊墻測點圍巖壓力為0.255MPa；根據(jù)圍巖壓力評價支護結(jié)構(gòu)安全性；部分鋼拱架應力已達到I18 鋼拱架的屈服強度235MPa，建議目前拱架局部已屈服，應增大拱架的型號；錨桿主要表現(xiàn)為拉應力，且錨桿軸力較大；應重視系統(tǒng)錨桿，結(jié)合圍巖松動圈范圍加長錨桿的長度，并保證錨桿與圍巖具有足夠黏結(jié)力。圍巖松動圈測試大于5m 范圍；指導初期支護結(jié)構(gòu)（錨桿長度、鎖腳錨管長度等）參數(shù)選取。

4.6 隧道長短組合式錨桿加固技術(shù)

在隧道圍巖變形控制中，長短錨桿結(jié)合是一種優(yōu)質(zhì)的方法，其具體的作用機理為：通過前期短錨桿的應用，有效維持淺部圍巖的穩(wěn)定性，以免此類松散的圍巖發(fā)生變形，此時的錨桿與淺部圍巖可結(jié)合為一體，構(gòu)成穩(wěn)定可靠的組合拱結(jié)構(gòu)；而通過長錨桿的應用，可有效減小圍巖的變形量，此外還能夠?qū)⒔M合拱結(jié)構(gòu)懸吊于深部穩(wěn)定圍巖，協(xié)調(diào)變形。

4.7 拱架縱向連接加強控制技術(shù)

利用槽鋼作為縱向連接：加強縱向連接，提高圍巖縱向抗變形能力；有利于鋼拱架準確定位；拱架連接板部位清理虛渣、初支噴混凝土鑿毛，保證初支連接強度，提高初支整體穩(wěn)定性。

4.8 隧道綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)

采用地質(zhì)雷達（有效測試距離25m/次）、TSP（有效測試距離150m/次）、瞬變電磁法（有效測試距離180m/次）、超前地質(zhì)鉆機（有效測試距離30m/次）等4 種綜合性超前地質(zhì)預報方法，并應用于隧道工程實踐進行預報準確性驗證。

4.9 隧道洞內(nèi)外防排水施工技術(shù)

大法郎隧道進口段圍巖松散破碎，受持續(xù)性的降雨及地下水影響，進洞段圍巖有滲水現(xiàn)象且程度較重，受水的侵蝕作用，圍巖軟化成泥，其自穩(wěn)能力明顯下降，支護結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮出應有的作用，圍巖穩(wěn)定性難以得到保證。

地表防排水措施：主要采取征地拆遷，修筑截水溝、排水溝、防滲溝；洞內(nèi)超前排水技術(shù)：采用超前地質(zhì)鉆機進行超前探測、超前排水（上導、中導左右側(cè)共3 個孔，深度為30m）。

初支排水技術(shù)：初支局部滲水區(qū)域，采用鉆孔引排措施；超前地質(zhì)鉆機探孔是一種最為直接有效的地質(zhì)預報方法，也可用于超前排水；以鉆探取樣分析的方法判斷工作面前方的地質(zhì)條件，體現(xiàn)在巖體完整性、裂隙度等方面，為下一步施工提供最直觀的地質(zhì)資料。

4.10 隧道圍巖變形實時監(jiān)測技術(shù)

采用隧道圍巖變形實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測云服務平臺自動進行數(shù)據(jù)分析與處理，從而實現(xiàn)無線遠程實時監(jiān)測功能，進行初支及二襯變形實時監(jiān)測與分析，及時預警或采取加固措施，也可進行初支侵限粗略分析與評估。隧道圍巖變形實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由3 個部分組成：其一，采集系統(tǒng)。高精度測量機器人、采集控制終端、氣象傳感器、L 型監(jiān)測棱鏡；其二，傳輸系統(tǒng)。無線網(wǎng)橋、無線路由器、后臺服務器；其三，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。監(jiān)測軟件、監(jiān)測云服務平臺。

二襯施工環(huán)節(jié)，可能由于協(xié)調(diào)不到位、方法不當?shù)仍蚨鴮е虏鹦侗霉芎馁M較長的時間，此時難以高效推進二襯施工進程，衍生出蜂窩麻面、施工冷縫等問題。為了有效保證二襯混凝土的質(zhì)量，可采用滑槽逐窗入模澆筑混凝土的方法，降低難度，提高效率。

5 結(jié)語

根據(jù)隧道掘進施工所導致的圍巖變形發(fā)展規(guī)律，首先內(nèi)部進行了施工技術(shù)方案的調(diào)整，通過對軟弱圍巖隧道施工幾種工法綜合比較(安全性、成本、工效)，提出三臺階和臨時仰拱的綜合型方案，以更加靈活的方式高效施工，促進初支盡快閉合成環(huán)，建成穩(wěn)定可靠的結(jié)構(gòu)，抑制圍巖的變形，為隧道的安全施工提供了保障，有利于隧道工程建設(shè)進程的順利推進。