軟巖隧道開挖及支護(hù)施工技術(shù)

李亞楠

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

上軍楞隧道位于云南省臨滄市耿馬傣族佤族自治縣境內(nèi)，左線全長2480m（Ⅴ級圍巖951m），最大埋深約338.886m；右線全長2474m（Ⅴ級圍巖914m），最大埋深約346.298m。

隧道左右洞均為下坡，坡率-2.1%，隧道建筑限界為8m×5m。

隧道區(qū)海拔高程介于1080～1448m 之間，相對高差368m，屬構(gòu)造侵蝕中山地貌區(qū)，地形起伏較大，地形坡度介于25°～45°之間，地表植被發(fā)育，多以樹林為主。

1.2 氣象氣候

隧址區(qū)氣候分帶上屬亞熱帶濕熱氣候，旱季、雨季分明，年降雨量1300～2000 毫米。每年11 月至次年5月為旱季，6 月至10 月為雨季，降雨量占全年90%以上，7 月至8 月降雨較集中（平均降雨量1964.4 毫米）。

1.3 圍巖地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及勘探顯示，隧址區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系坡殘積層（粉質(zhì)黏土、碎石）、古生代變質(zhì)地層，圍巖多為片巖，灰黑、灰綠、灰黃色。主要由云母、石英及長石等礦物碎屑組成，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片理構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，局部地段因?qū)娱g擠壓、地下水等因素影響形成巖質(zhì)相對更軟的軟弱夾層，厚3-9 米不等。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂狀散體結(jié)構(gòu)或塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，片理傾角在40～50°之間，發(fā)育一組優(yōu)勢裂隙，傾角近垂直，隙面呈鋸齒狀，延伸長度0.3～1.5m，密度5～10 條/m。

該隧道K80+230～400 段平均埋深305m，段落內(nèi)圍巖以灰黑色全風(fēng)化片巖為主，個(gè)別部位包含軟弱夾層及石英顆粒，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，呈褶皺狀態(tài)，自穩(wěn)能力極差，開挖完成后存在滲水（裂隙水）、掉塊現(xiàn)象，易發(fā)生小規(guī)模坍塌。具體圍巖情況如圖1 所示。

圖1

2 施工原則及安全步距

2.1 施工原則

隧道施工由于開挖支護(hù)工序較多，初期支護(hù)拱頂沉降及凈空收斂嚴(yán)重，為保證施工安全，避免出現(xiàn)大規(guī)模坍塌、鋼拱架整體下沉、初期支護(hù)侵限的情況，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，早閉合、動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)”的原則。

2.2 安全步距

K80+230～400 段支護(hù)參數(shù)為SD5a，施工工序復(fù)雜，仰拱施作后能夠有效控制初支變形，因此仰拱應(yīng)緊跟掌子面，仰拱距離掌子面不得超過40m（距離越小越好）；并及時(shí)施作二次襯砌，二襯距離掌子面不得超過70m。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

地質(zhì)雷達(dá)勘測能夠準(zhǔn)確判斷出前方圍巖特性、完整性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、水文情況、溶洞等，以此判定圍巖級別。

超前探孔（潛孔鉆）可探明圍巖硬度、松散程度、是否存在裂隙水等。若前方圍巖富水量較大，還可起到提前泄水的作用。

因此施工前必須進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)勘測和超前探孔工作，為后續(xù)施工提供施工建議和注意事項(xiàng)。地質(zhì)雷達(dá)與超前探孔（鉆孔直徑Φ76mm）同時(shí)進(jìn)行，每次勘測30m，施工完成25m 后進(jìn)行下一次勘測，搭接5m。

4 軟巖隧道開挖及支護(hù)施工

4.1 軟巖隧道開挖施工

4.1.1 開挖方法

根據(jù)K80+230～400 段圍巖級別（Ⅴ級）和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示的圍巖情況，采用三臺(tái)階七步開挖法施工。

4.1.2 開挖施工工藝

開挖過程中各臺(tái)階開挖與支護(hù)沿隧道方向錯(cuò)開，同步作業(yè)，開挖完成后即刻初噴4cm 混凝土封閉工作面。開挖施工工藝如下：

測量放樣→超前支護(hù)→上臺(tái)階弧形斷面開挖支護(hù)→作業(yè)面檢查→中臺(tái)階開挖支護(hù)（兩側(cè)錯(cuò)開，可同時(shí)開挖）→下臺(tái)階開挖支護(hù)（分別開挖）→分段開挖隧底→仰拱施作。

上、中、下臺(tái)階開挖過程中對穩(wěn)定狀態(tài)評估，若出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)停止上臺(tái)階開挖，對已完成段落進(jìn)行加固，調(diào)整支護(hù)參數(shù)后再繼續(xù)進(jìn)行施工。

a.上臺(tái)階弧形斷面開挖：本段圍巖鋼拱架設(shè)計(jì)間距80cm，每循環(huán)開挖1 榀，可根據(jù)圍巖掉塊情況適當(dāng)縮短開挖長度，減小拱架間距。

預(yù)留核心土長度宜為4～5m，寬度宜為開挖寬度1/3～1/2。

開挖以機(jī)械開挖（單鉤）為主，兩側(cè)拱腳輔以松動(dòng)爆破的方式。兩側(cè)拱腳需進(jìn)行弱爆破的，周邊眼打設(shè)3～5個(gè)，間距50cm，單孔裝藥量根據(jù)松散程度0.5～1 支（直徑φ32,單支長度30cm 乳化炸藥）；輔助眼打設(shè)數(shù)量、間距與周邊眼相同，裝藥量為1～2 支。

b.中、下臺(tái)階開挖：由于軟巖隧道圍巖破碎，且結(jié)合較差，中、下臺(tái)階以機(jī)械開挖為主，若存在孤石或較硬夾層時(shí)，采取弱爆破的方式，遵循“小間距、少裝藥”的原則（可隔孔裝藥）。

開挖循環(huán)進(jìn)尺保持與上臺(tái)階弧形斷面相同。開挖時(shí)利用機(jī)械將上臺(tái)階拱腳挖出20～30cm，以確保鋼拱架連接質(zhì)量。

c.隧底開挖：兩側(cè)下臺(tái)階開挖完成后2～3m 后，及時(shí)進(jìn)行隧底開挖并封閉成環(huán)。

4.1.3 開挖注意事項(xiàng)

a.開挖過程中應(yīng)安排專人進(jìn)行指揮，避免碰觸超前小導(dǎo)管、已施工完成的鋼拱架及鎖腳小導(dǎo)管，以免造成坍塌、拱架扭曲變形、初期支護(hù)開裂、鎖腳脫焊失效等情況。

b.開挖時(shí)需弱爆破輔助的部位，鉆孔深度不得超過拱架間距，以免造成滑塌。

c.中臺(tái)階開挖過程中，左右兩側(cè)應(yīng)錯(cuò)開2～3m，切忌兩側(cè)位于同一斷面，易造成拱架整體下沉、脫落。

d.中臺(tái)階、下臺(tái)階開挖時(shí),切勿碰觸連接鋼板。

e.隧道開挖完成后，觀察工作面圍巖巖質(zhì)、節(jié)理發(fā)育程度、開挖面穩(wěn)定狀態(tài)、有無裂隙水等。一旦出現(xiàn)塌方跡象時(shí)（頻繁掉塊、出股狀水帶碎塊），必須盡快撤離人員，制定處置方案，防止拱頂和邊墻大范圍坍塌。

4.2 初期支護(hù)施工

4.2.1 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

K80+230～400 段圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

初期支護(hù)為I25+I22 雙層工字鋼，間距80cm，交錯(cuò)布置；噴射混凝土32（29）cm，φ8 20×20cm 雙層鋼筋網(wǎng)片；拱頂打設(shè)φ42×4mm 小導(dǎo)管，長度L=350cm，間距100×80cm；預(yù)留變形量80cm（根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果適當(dāng)調(diào)整）；上臺(tái)階、中臺(tái)階兩層鋼拱架拱腳各打設(shè)2 根φ42×4mm 小導(dǎo)管，長度L=450cm，與水平夾角15°。

超前支護(hù)設(shè)計(jì)為：φ42×4mm 小導(dǎo)管，單根長度4m，間距35cm，搭接長度≥1m，打設(shè)范圍為拱部120°，注漿采用水泥漿液。

4.2.2 工字鋼拱架施工

a.鋼拱架加工

工字鋼采用冷彎機(jī)進(jìn)行加工，搭接處采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的工藝焊接。焊縫兩側(cè)附1cm 厚10cm 寬Q235 鋼板，鋼板高度為上翼緣面板至下翼緣面板凈空高度，四周滿焊。

由于上臺(tái)階至中臺(tái)階施工期間圍巖處于收斂狀態(tài)，為保證中臺(tái)階施工時(shí)鋼拱架處于設(shè)計(jì)輪廓位置，兩側(cè)拱腳根據(jù)凈空收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行外擴(kuò)，加工示意圖見圖2。

圖2 鋼拱架加工示意圖

b.鋼拱架支墊

鋼拱架連接鋼板支墊設(shè)計(jì)為10mm 厚連接鋼板下墊10mm 厚［32 槽鋼，由于拱頂沉降較大，中臺(tái)階開挖后存在鋼板彎曲現(xiàn)象，連接鋼板不能完全貼合，現(xiàn)場采用16mm 鋼板，下墊10cm 厚30×30cm C20 混凝土墊塊進(jìn)行支墊。

若由于出水原因造成拱腳浸泡的，必須將泥質(zhì)基底清理干凈，增加混凝土墊塊，必要時(shí)利用混凝土加固基底。支立完成后，利用松土掩埋拱腳，掩埋高度20cm，以便于中臺(tái)階鋼拱架連接。

c.鋼拱架縱向連接

設(shè)計(jì)鋼拱架縱連接為Φ20 鋼筋，軟巖隧道圍巖變化較快，為保證初期支護(hù)整體受力，防止出現(xiàn)單榀工字鋼沉降、收斂較大的情況，現(xiàn)場采用I16 工字鋼進(jìn)行連接，連接示意圖見圖3。

圖3 鋼拱架縱向連接示意圖

4.2.3 超前支護(hù)施工

由于圍巖松散、破碎，開挖完成后經(jīng)常出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象，現(xiàn)場采用單根長度4m，間距20cm，拱腳50cm 以上范圍均打設(shè)超前小導(dǎo)管的形式，每3 個(gè)循環(huán)（3 榀）打設(shè)一次。

漿液采用雙液漿（水泥、水玻璃），注漿水灰比1:1（重量比）；注漿壓力0.5～1MPa。注漿時(shí)隔孔泵注，若出現(xiàn)漏漿、漿液串孔的情況，立即停止注漿，更換其它孔位。

4.2.4 鎖腳小導(dǎo)管施工

鎖腳小導(dǎo)管的施工質(zhì)量對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，鎖腳易出現(xiàn)L 型連接鋼筋與小導(dǎo)管脫焊、鎖腳小導(dǎo)管受力后開裂、彎曲變形等不良現(xiàn)象，現(xiàn)場采用雙排鎖腳的工藝：

上排鎖腳距離拱腳70cm，長3m，與水平夾角15°；下排鎖腳距離拱腳30cm，長4.5m，與水平夾角20°，自I16 連接工字鋼φ50mm 預(yù)留孔中穿過；L 型連接鋼筋長30cm，上下滿焊于型鋼翼緣板上；與小導(dǎo)管焊接采用單面焊，焊縫長度不小于20cm，施工示意圖詳見圖4。

圖4 鎖腳小導(dǎo)管施工示意圖

4.2.5 施工要求

a.拱架連接要牢固，四顆螺栓要全部擰緊，并利用電焊將螺栓焊死，避免出現(xiàn)受力脫絲問題。

b. 連接鋼板變形輕微的利用焊機(jī)將縫隙處滿焊，變形嚴(yán)重的要將連接鋼板切除重新焊接連接鋼板。

c.鋼拱架安裝垂直度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

d.鎖腳小導(dǎo)管焊接要飽滿，確保鎖腳與鋼拱架連接為一個(gè)整體。

e.鋼筋網(wǎng)縱、環(huán)向搭接1～2 個(gè)網(wǎng)格，防止出現(xiàn)噴射砼沿?zé)o搭接位置受力開裂的情況。

f.噴射砼要飽滿、密實(shí)，嚴(yán)禁出現(xiàn)拱架背后脫空的現(xiàn)象。

g.下臺(tái)階支護(hù)完成后盡快進(jìn)行仰拱作業(yè)，構(gòu)成完整的支護(hù)體系。

h.隧道巡查時(shí)，檢查噴射混凝土是否產(chǎn)生裂縫、表面是否存在剝離情況、鋼支撐有無扭曲現(xiàn)象等。

j.施工過程中及時(shí)抽水，嚴(yán)禁出現(xiàn)拱腳泡水、拱架懸空的現(xiàn)象。

k.施工過程中在保證安全的情況下做到全程監(jiān)控，掌控初期支護(hù)的變形情況。若支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性情況，現(xiàn)場立即停止施工。反饋現(xiàn)場情況至設(shè)計(jì)、總承包部、指揮部等單位，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和變形量，保證施工安全。

5 監(jiān)控量測

5.1 監(jiān)控量測的目的

監(jiān)控量測是隧道施工的一道重要施工工序，是隧道管理的重要組成部分。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對不同圍巖級別、支護(hù)類型、各施工階段圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)安全性及時(shí)進(jìn)行分析和評估，以便有針對性的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、改進(jìn)施工工藝、有效控制初支變形，確保工程質(zhì)量和施工安全，加快施工進(jìn)度。

5.2 監(jiān)控量測流程

監(jiān)控量測流程見圖5：

圖5 監(jiān)控量測流程圖

5.3 監(jiān)控量測項(xiàng)目

隧道初期支護(hù)完成后拱頂沉降和凈空收斂能夠判斷圍巖是否穩(wěn)定、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及變化速率，以此保證施工安全，提高施工效率，是主要的監(jiān)測項(xiàng)目。

5.4 監(jiān)控量測斷面布設(shè)及點(diǎn)位安裝

5.4.1 監(jiān)控量測斷面：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Ⅴ級圍巖10～20m 布設(shè)一道，圍巖破碎帶適當(dāng)加密。由于該段范圍內(nèi)圍巖極差，初支變形較大，現(xiàn)場布設(shè)間距為5m。

5.4.2 隧道施工各工序銜接緊湊，拱頂沉降及凈空收斂均采用反射片形式，初期支護(hù)完成后布置在拱頂、上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑兩側(cè)拱腳、中臺(tái)階兩側(cè)拱腳以上5～10cm位置。監(jiān)測點(diǎn)位安裝在初期支護(hù)混凝土中，利用電錘鉆孔，塞入錨固劑，將加工好的監(jiān)測點(diǎn)打入孔中，鋼板打磨干凈后粘貼反射片。點(diǎn)位安裝見圖6。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位安裝示意圖

5.5 監(jiān)控量測方法

全站儀（萊卡1201 1"級）觀測法：架設(shè)全站儀，利用反射片對中標(biāo)志，測出各監(jiān)控量測點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算本次與上一次的坐標(biāo)差值即變化值，多次變化值相加即為累計(jì)值。

為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對同一斷面的監(jiān)測采用同一“站點(diǎn)”進(jìn)行觀測。

5.6 監(jiān)測頻率

監(jiān)控量測頻率是根據(jù)施工期間初支變化速度和距開挖面距離兩大因素來決定。兩項(xiàng)監(jiān)測采用相同頻率，考慮到軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性差，受爆破震動(dòng)、滴滲水等因素影響，二次襯砌施工前持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)位移速度確定監(jiān)測頻率。

拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測頻率見表1。

表1 拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測（位移速度）頻率表

5.7 預(yù)留沉降量確定

預(yù)留沉降量確定根據(jù)施工周期（開完支護(hù)完成二次襯砌施工前）內(nèi)拱頂沉降和凈空收斂累計(jì)值及防止突變附加值（15～20cm）進(jìn)行確定。

施工周期內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測變化速率表

根據(jù)拱頂沉降和凈空收斂在施工周期內(nèi)的累計(jì)數(shù)據(jù)，防止突變附加值取20cm，拱頂沉降和凈空收斂取較大值，預(yù)留沉降量為45+20=65cm。

5.8 監(jiān)控量測注意事項(xiàng)

5.8.1 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的整理、分析應(yīng)及時(shí)有效，為現(xiàn)場施工提供安全保障。

5.8.2 定期對監(jiān)測控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，確保其有效性。

5.8.3 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)按要求埋設(shè)穩(wěn)固，且施工過程中要加強(qiáng)保護(hù)。

5.8.4 監(jiān)測儀器按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行校核，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.8.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，迅速通知現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人和技術(shù)負(fù)責(zé)人，并提高監(jiān)測頻率，直至穩(wěn)定為止。

6 結(jié)論

軟巖隧道圍巖差且地質(zhì)變化速度快，各施工工序嚴(yán)格按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求管控。根據(jù)施工效果和監(jiān)控量測結(jié)果，選擇合適的支護(hù)參數(shù)，能夠有效提高施工效率、預(yù)防坍塌、確保工程質(zhì)量與施工安全、促進(jìn)施工進(jìn)度。