淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中短臺(tái)階的施工技術(shù)

胡藝競(jìng)

(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610073)

1 工程概況

本文以縉云山隧道作為研究案例，隧道最大埋深約276 m，線間距14.77～30 m,為分離式+小凈距組合式隧道，暗洞段線間距均大于15 m，其中左線樁號(hào)為ZK6+117.5—ZK7+629，長(zhǎng)1 511.5 m；右線樁號(hào)為YK6+120—YK7+640，長(zhǎng)1 520 m。隧道出口左、右線洞門均采用端墻式洞門。左、右線洞門平面分別位于半徑為1 613.483 m和1 500 m的左偏曲線上，超高為3%。左線隧道軸線在左線路基設(shè)計(jì)線左側(cè)7.625 m，右線隧道軸線在右線路基設(shè)計(jì)線右側(cè)7.625 m。

結(jié)合前期勘察報(bào)告來(lái)看，隧道內(nèi)的巖石以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，其中，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖受損比較嚴(yán)重，圍巖裂隙發(fā)育速度比較快。在實(shí)際對(duì)隧道進(jìn)行施工的過(guò)程中，由于隧道沿線大部分都是由軟弱土構(gòu)成的，出現(xiàn)坍塌的可能性比較大，所以隧道工程是分部工程中的關(guān)鍵性部分，同時(shí)也是安全隱患最大的一個(gè)分部工程。

2 施工重難點(diǎn)

縉云山隧道出口部位的圍巖出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，圍巖自身的穩(wěn)定性比較弱，加之附近地形存在偏壓現(xiàn)象，局部出現(xiàn)小凈距路段，實(shí)際施工時(shí)必須要慎重地選擇施工方法。隧道主洞部分與橫洞相交部位剛好位于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段，該路段的受力情況比較復(fù)雜，施工過(guò)程中需要加強(qiáng)測(cè)量的力度。

隧道洞口部位的圍巖屬于土層與強(qiáng)風(fēng)化巖體，路段內(nèi)的巖石風(fēng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，裂縫發(fā)育速度比較快，圍巖自身的穩(wěn)定性比較差，巖石破損嚴(yán)重，且暴露出地表下沉現(xiàn)象，所以，如何安全穿過(guò)淺埋小凈距軟弱圍巖地段是本項(xiàng)目中的施工難點(diǎn)。

3 短臺(tái)階施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

隧道施工的具體流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 超前支護(hù)

斷層施工過(guò)程中的超前支護(hù)方案有兩種：

(1)在隧道洞身部位設(shè)置超前管棚進(jìn)行支護(hù)；

(2)超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行支護(hù)。

3.2.1 洞身超前中管棚施工

(1)鉆孔。支護(hù)體系施工時(shí)，鉆孔使用電動(dòng)地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)。將鋼管沿著隧道內(nèi)壁以5°插入圍巖中，鉆孔時(shí)需要設(shè)置導(dǎo)向架，也可以在鋼架腹板部位開(kāi)孔穿管棚進(jìn)行加固。使用測(cè)斜儀來(lái)檢測(cè)鉆孔的傾斜度，嚴(yán)格控制管棚的插入方向始終保持在正確方向上。在隧道附近設(shè)置孔環(huán)，孔環(huán)的間距控制為40 cm，鉆孔沿著隧道兩側(cè)的拱腳向拱頂部位鉆進(jìn)，保證下放注漿管能夠有效支撐頂管，與此同時(shí)，使用注漿的方式來(lái)加固圍巖，盡可能增大圍巖的承托作用力，從而降低鉆頭的下?lián)献饔昧Α?/p>

(2)管棚制作。超前支護(hù)使用的管棚為熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管的直徑為φ76 mm、壁厚6 mm，中管棚單根長(zhǎng)度控制在8 m，鋼管的端頭加工成尖錐形，管壁表面鉆孔，孔徑控制在8～10 mm，壓漿孔之間的間距控制在10～20 cm，壓漿孔按照梅花狀進(jìn)行布設(shè)，管棚兩環(huán)之間的搭接長(zhǎng)度不得低于2.6 m。中管棚構(gòu)造如圖2所示。

圖2 中管棚布置示意圖(單位：mm)

(3)注漿。壓漿使用攪拌機(jī)與注漿泵完成，注漿應(yīng)該按照從下往上的順序進(jìn)行。漿液選擇使用的是水泥漿，水泥漿的水灰比確定為1∶1。當(dāng)圍巖出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，或是地下水發(fā)育現(xiàn)象時(shí)，可以適當(dāng)摻加水泥-水玻璃漿液，保證漿液的強(qiáng)度不低于M10。注漿壓力保持在0.5～1.0 MPa。單根注漿管的注漿量可根據(jù)式(1)計(jì)算：

Q=πR2Lη

式中：R為漿液流動(dòng)半徑，取值為0.6L0；L0為注漿鋼花管的間距，m；L為鋼花管的長(zhǎng)度，m；η為圍巖孔隙率，通常取值為5%。

3.2.2 超前小導(dǎo)管注漿加強(qiáng)支護(hù)施工

鉆孔插管利用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)完成，正式注漿之前需要對(duì)開(kāi)挖斷面噴射2～10 cm厚度的混凝土，將開(kāi)挖斷面做封閉處理。注漿時(shí)，應(yīng)該由兩側(cè)向中間、由下向上進(jìn)行注漿。注漿過(guò)程中要確保不會(huì)出現(xiàn)串漿或是跑漿現(xiàn)象[1,2]。

(1)布孔。將格柵鋼架作為鉆孔設(shè)備的支撐點(diǎn)，形成良好的管架支護(hù)環(huán)以后進(jìn)行布孔。注漿孔的間距控制在40 cm，注漿管的長(zhǎng)度控制在3.5～4.5 m。

(2)鉆孔。嚴(yán)格按照前期布設(shè)的注漿眼的位置進(jìn)行鉆孔，確保鉆孔位置的精準(zhǔn)性，鉆孔選擇使用φ48 mm的鉆頭，鉆孔的角度保持在10～12°。

(3)頂管。超前小導(dǎo)管選擇使用熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管的規(guī)格：直徑為42 mm，壁厚為2.5 mm；導(dǎo)管的長(zhǎng)度控制在3.5～4.5 m；注漿孔直徑控制在6～8 mm，注漿孔間距控制在10～20 cm，注漿孔按照梅花狀進(jìn)行布置，鋼管的前端加工成錐尖形。超前小導(dǎo)管如圖3所示。

圖3 小導(dǎo)管構(gòu)造圖

(4)封堵。導(dǎo)管安裝完成以后，使用錨固劑將導(dǎo)管與孔壁之間的縫隙做封堵處理。

(5)注漿。注漿應(yīng)該按照由下向上的順序進(jìn)行作業(yè)。注漿液使用的是水泥漿液，漿液的水灰比為1∶1，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿的速度應(yīng)該設(shè)置為初期進(jìn)漿速度的25%。注漿過(guò)程中，應(yīng)該全程觀測(cè)注漿壓力，對(duì)注漿的具體情況進(jìn)行分析，避免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，并做好詳細(xì)的注漿記錄。施工人員可以結(jié)合注漿情況對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。具體的注漿參數(shù)應(yīng)該結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)進(jìn)行確定。

水泥漿液的進(jìn)漿量比較大，假若注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不出現(xiàn)提升現(xiàn)象時(shí)，施工人員應(yīng)該對(duì)水泥漿液的濃度或是水灰比進(jìn)行調(diào)整，減少水泥漿液凝結(jié)的時(shí)間，然后換用小泵量的設(shè)備進(jìn)行注漿。

3.3 洞身開(kāi)挖

D2K314+080—D2K314+880斷層段使用CRD方法開(kāi)挖土方。

CRD法施工的核心理念是“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、襯砌緊跟”，CRD方法基本上都是使用機(jī)械開(kāi)挖或是爆破開(kāi)挖，使用爆破進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格控制炸藥的用量。施工工序發(fā)生變化的部位，鋼架應(yīng)該設(shè)置為鎖腳鋼管，以提高鋼架整體的穩(wěn)定性。實(shí)際施工時(shí)，單榀臨時(shí)鋼架的拆除長(zhǎng)度應(yīng)該控制在10 m以內(nèi)，以保證施工過(guò)程中的安全性[3，4]。

3.4 鉆爆作業(yè)

3.4.1 鉆眼

鉆眼施工之前，施工人員應(yīng)該透徹地了解炮眼的具體位置，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行作業(yè)。施工的關(guān)鍵點(diǎn)為鉆研的位置、數(shù)量、間距，在未獲得技術(shù)人員的許可時(shí)嚴(yán)禁隨意改動(dòng)原施工方案。鉆眼應(yīng)該由經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員完成。鑿巖機(jī)的鉆桿定位以后，保證鉆孔的合理偏差控制在5 cm以內(nèi)，鉆孔必須要保證平行，不得出現(xiàn)傾斜。

3.4.2 裝藥起爆

使用空氣間隔的方式進(jìn)行裝藥，爆破應(yīng)該按照先爆破中間部位，然后爆破兩側(cè)部位的順序，炮孔堵塞的長(zhǎng)度不得低于20 cm，現(xiàn)場(chǎng)不得出現(xiàn)反向裝藥炸藥現(xiàn)象。

3.4.3 微震爆破

CRD法開(kāi)挖方式使用的是微震控制光面爆破。這種作業(yè)方式下的最大裝藥量如式(2)：

Qmax=R2×(Vkp/K)3/a

(2)

式中：Qmax為最大藥量，kg；Vkp為爆破的安全速度，cm/s；R為爆破安全距離，m；K為地質(zhì)條件影響系數(shù)；a為衰減系數(shù)。

3.5 隧道斷層突水突泥風(fēng)險(xiǎn)段施工

3.5.1 超前帷幕注漿

(1)注漿段的長(zhǎng)度與注漿孔位置的布置。結(jié)合鉆機(jī)的運(yùn)行性能，施工單位將注漿段的長(zhǎng)度確定為25 m；帷幕注漿是指通過(guò)一定的措施促使?jié){液擴(kuò)散至帷幕區(qū)域內(nèi)巖層縫隙中，因此注漿孔的布設(shè)就必須保證漿液擴(kuò)散不會(huì)出現(xiàn)空白區(qū)域。

(2)注漿方式。注漿作業(yè)應(yīng)該按照先外圈后內(nèi)圈的順序展開(kāi)作業(yè)，相同圈注漿使用間隔施工法，每一個(gè)注漿孔都使用后退式注漿法，假若鉆孔時(shí)遇到涌水現(xiàn)象或是巖石夾層時(shí)，可以直接一鉆到底，注漿一次成型；假若鉆孔時(shí)遇到塌孔或是巖層破碎現(xiàn)象時(shí)，則應(yīng)該立即暫停鉆孔，采用分段注漿法進(jìn)行作業(yè)[5-7]。

(3)孔口管埋設(shè)及鉆孔。注漿孔應(yīng)該足夠的牢固，確保注漿作業(yè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)漏漿、串漿現(xiàn)象。注漿孔口需要設(shè)置注漿管，注漿管的長(zhǎng)度為5 m，直徑為φ127 mm，管壁厚度為6 mm。注漿管的安裝方法為：使用YQ—100型號(hào)的鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆進(jìn)的深度控制在5 m，然后使用φ127 mm鋼管插入孔內(nèi)，鋼管外露的長(zhǎng)度保持在20～30 cm，鋼管外壁與孔口之間產(chǎn)生的縫隙使用麻絲進(jìn)行填補(bǔ)，麻絲填補(bǔ)以后注入雙液漿做固結(jié)處理?？卓诠軕?yīng)該發(fā)揮導(dǎo)向作用，鉆孔的位置必須保證精準(zhǔn)，與設(shè)計(jì)要求之間的誤差控制在±5 cm以內(nèi)。每鉆進(jìn)一定距離以后，應(yīng)該立即進(jìn)行檢查，假若發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量偏差應(yīng)該立即進(jìn)行整改，確保孔底部位的偏差控制在±30 cm以內(nèi)。

(4)制漿。漿液拌制使用的是JZ350型號(hào)的攪拌機(jī)，為了確保漿液攪拌的均勻性，同時(shí)確保漿液攪拌不會(huì)出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，施工單位額外配備了2臺(tái)攪拌儲(chǔ)漿桶，每臺(tái)儲(chǔ)漿桶的容量為1 m3，并加設(shè)了加速器與電動(dòng)機(jī)作為輔助設(shè)備。將支架倒立裝置在儲(chǔ)漿桶上側(cè)，連接聯(lián)動(dòng)軸將動(dòng)力傳輸給攪拌軸。為了便于設(shè)備吸收漿液，在儲(chǔ)漿桶的外側(cè)裝置了2個(gè)收漿口，以保證漿液及時(shí)供應(yīng)[8-10]。

3.5.2 超前局部注漿

如果隧道超前探測(cè)時(shí)遇到斷層，且斷層出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，若涌水量與涌水壓力均不是很大，可以直接在孔口部位安裝止?jié){閥予以處理；若涌水量與涌水壓力比較大，則可以在孔口部位的2～3 m處設(shè)置分流孔，降低孔口部位的涌水壓力，以便于后續(xù)的注漿作業(yè)。

如果孔口附近的巖石出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，則可以在孔口部位設(shè)置孔口管，孔口管裝置之前，需要在管口外側(cè)纏繞麻絲或是棉紗，然后插入注漿孔中，管口外壁與孔壁之間的縫隙使用水泥砂漿進(jìn)行填補(bǔ)，在填補(bǔ)密實(shí)以后開(kāi)始注漿，當(dāng)注漿作業(yè)完成以后，將孔口做封堵處理。

3.5.3 局部徑向注漿

圍巖結(jié)構(gòu)的整體性比較好，該路段的涌水量比較小，在開(kāi)挖隧道的過(guò)程中可以直接沿著隧道前進(jìn)的方向設(shè)置徑向注漿。以堵水為核心目的的敏感地段或是洞壁出水量過(guò)大的路段，該部分路段的圍巖自身具備一定的穩(wěn)定性，即便是開(kāi)挖以后，洞壁也會(huì)出現(xiàn)少量的出水現(xiàn)象。

注漿口的間距為150 cm，孔底的間距控制在250 cm，孔底的縱向間距控制在250 cm。注漿孔使用風(fēng)機(jī)鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔的直徑控制為75 mm，終孔的直徑不得低于42 mm，在終孔以后插入孔口管?？卓诠苓x擇使用鋼花管，直徑為89 mm，鋼管的壁厚為5 mm，單根鋼管的長(zhǎng)度為1 m，鋼管外壁與孔壁之間的縫隙使用麻絲進(jìn)行填補(bǔ)，保證注漿過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

3.5.4 超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)止水

結(jié)合超前地質(zhì)條件檢測(cè)報(bào)告結(jié)果來(lái)看，發(fā)現(xiàn)掌子面前側(cè)需要穿越斷層破碎帶，該地帶可能會(huì)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量未超過(guò)10 m3/h，局部導(dǎo)管的涌水量超過(guò)2 m3/h。為確保施工順利，使用超前小導(dǎo)管注漿做支護(hù)，以加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

超前小導(dǎo)管使用熱軋無(wú)縫鋼管加工而成，鋼管的直徑為42 mm，在前側(cè)鉆孔，鉆孔的直徑控制在6～8 mm，注漿孔的間距控制在10～20 cm，注漿孔按照梅花形進(jìn)行布設(shè)，注漿孔部位需要加設(shè)控制閥。為了保證小導(dǎo)管的支護(hù)效果，要降低小導(dǎo)管的外插角度，以保證鋼架的腹板能夠順利穿過(guò)小導(dǎo)管。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道淺埋偏壓段使用的是中短臺(tái)階法進(jìn)行施工，這種方法可以有效解決初期支護(hù)變形的問(wèn)題，加固圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以縮短施工工期、保證施工人員的人身安全，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。因?qū)嶋H施工縮短了臺(tái)階的長(zhǎng)度，土方開(kāi)挖、防水板鋪設(shè)等工序均使用的是非常規(guī)性作業(yè)方法，導(dǎo)致施工效率降低，促使整個(gè)項(xiàng)目最終的施工效果未能夠達(dá)到理想中的效果，但是整體施工效果還是不錯(cuò)的。